改进型CFRP筋黏结式锚具静载试验

刘荣桂，陈 蓓，，李十泉，谢桂华

(1.江苏大学土木与力学学院，江苏镇江 212013;2.南京理工大学泰州科技学院土木工程学院，江苏泰州 225300)

随着现代科学技术的发展，混凝土结构的发展对材料提出了新要求.即要求混凝土具有高强度和高性能，包括延性、施工性能以及耐久性;要求混凝土结构内钢筋、钢丝和钢绞线抗腐蚀;要求加固、修补既有混凝土结构;要求回收及再利用混凝土结构中的材料［1］.与此同时，许多性能优异的新材料在工程结构中相继出现.其中，纤维增强聚合物复合材料(fiber reinforced polymer，FRP)就是其中一大类.目前，FRP在土木工程中的应用主要以2种形式出现:一是对已建结构的补强和加固;二是新建结构中的设计应用.以桥梁工程为例，方志等研究表明:如果将FRP索应用到整个桥梁中去，将减少结构恒载，使得结构的有效承载力大为提高.Ö.Çavdar等［2］对CFRP大跨度桥梁的拉索在模拟地震作用下进行了有限元分析.K.Inoue等［3］对拉索结构振动特性与控制桥塔的地震响应方面进行了相应研究.刘荣桂等［4-5］开展了CFRP索斜拉桥的动态测试与地震响应分析.刘荣桂等［6］对国内首座CFRP索斜拉桥的CFRP拉索进行了长期的现场观测和试验，结果表明CFRP拉索在风雨条件下发生大幅度的振动均有“限速”和“限幅”现象.

FRP主要包括碳纤维(CFRP)、玻璃纤维(GFRP)、芳纶纤维(AFRP)和连续玄武岩纤维(CBF)［7］.FRP 与钢材的部分力学性能见表 1［1］.由表1可知，CFRP具有轻质、高强、高弹模的特点，性能较为突出.此外，CFRP还具有抗腐蚀能力强、较高的电阻和较低的磁感应等特点.

表1 FRP与钢材的部分力学性能

目前，CFRP片材、筋材已被用于许多已建结构的加固及新建结构中.由于CFRP横向强度和抗剪强度较低，传统的锚固体系不能直接适用.A.Nanni等［8］研究表明:配置CFRP预应力筋的结构，其最终承载能力将更多地取决于锚具系统的锚固性能，而不是预应力筋本身的强度.可见，CFRP应用所面临的一个关键问题是开发合适的锚固系统.据锚固机理不同，CFRP筋锚具可分为黏结式、夹片式和复合式［9］.本课题组对CFRP筋黏结式锚具进行静载张拉试验.

1 黏结式锚具试验

CFRP筋黏结式锚具的构造形式主要分为直筒式、内锥式和直筒+内锥式，如图1所示.本课题组前期研究［10］表明:在锚具内锥段长度和直筒段总长度都不改变的前提下，在锚具末端设置短直筒段，可使锚具部分范围内筋材的径向挤压应力值和黏结应力值都有所减小，且锚具中筋材的径向挤压应力在锚固长度内分布更趋于均匀，锚具的锚固能力得到了提高.

图1 已有的黏结式锚具构造

选用直筒式和改进后的内锥式锚具(见图1d).相应的黏结式锚具构造参数见表2.灌胶后，养护中的锚具见图2.

表2 试件结构参数

图2 灌胶后的锚具

1.1 试验材料

筋材采用国产8 mm CFRP筋材单根长度1.5 m.该CFRP筋采用进口12K碳纤维和特种树脂加工，抗拉强度1 800 MPa，弹性模量140 GPa，极限应变大于1.5%.黏结介质为Lica300建筑结构胶.室温条件下黏结强度为24.29 MPa，弹性模量为2.61 GPa.锚固区CFRP筋材表面黏结应力(此处所说的黏结应力是指锚固区筋材表面轴向应力的总和)是建立锚固区黏结应力分布模型的依据，对锚具结构优化有重要意义.在CFRP筋表面黏贴应变片测试CFRP筋应力分布.考虑应变片对黏结力的影响，测点间距不宜太小，测点间距取4 cm.导线选用直径0.3 mm导线，以减小对黏结力的影响.

通过式(1)间接近似计算CFRP筋材表面平均黏结应力:

1.2 试件张拉

锚具的静载张拉过程参考JGJ 85—2010《预应力筋用锚具、夹具和连接器应用技术规程》进行逐级加载.加载步骤:初始加载20 kN，，再加载到30 kN，此后以 5 kN·次-1逐级加载，在加载至100 kN后持载30 min，继续以5 kN·次-1加载至锚具失效.整个过程加载速度在100 MPa·min-1左右.锚具失效的特征有筋材断裂、筋材拔出.

2 结果及初步分析

2.1 试验结果

试件2，5，7，8 发生筋材拉断破坏，试件 1，3，4，6发生筋材滑移破坏(见表2).试件2，5，7，8发生筋材拉断破坏荷载依次为 115，112，119，118 kN.其中，试件8在加载至110 kN时，锚具与筋材之间未出现明显滑移，加载至116 kN时锚具与筋材之间锚固良好，无明显滑移.

2.2 初步分析

所用筋材的平均极限拉力为116 kN，相应的极限拉应力为2 308 MPa，且力学性能稳定.试件2拉断表明，改进式锚具在内锥角为3°，筋材与筒壁间距为1d，锚固长度为180 mm时，即可锚固极限拉力为115 kN的CFRP筋材.试件7拉断表明:筋材与筒壁间距为8.0 mm，直筒式锚具长度为280 mm时，可锚固极限拉力为119 kN的CFRP筋材.

对比试件2，7可知，相同条件下，改进式锚具具有更短的锚筒长度，这对大吨位锚具的制造、加工及应用是十分有利的.两试件锚固区筋材表面平均黏结应力可由式(2)求得，即

对比试件2，5可知，锚具内壁的不同处理方式对改进式锚具承载力影响不明显.

对比试件2，3，试件3锚固失败的原因在于灌胶不密实，因此，对于黏结式锚具而言，灌胶施工质量必须得到保证.很有必要研究与之配套的压力灌胶技术、施工工法.

3 黏结应力分析

黏结应力主要包括黏结胶体的黏结作用力、筋材螺纹与胶体的机械咬合力、筋材表面的摩擦力3部分.据试验数据和式(1)计算，试件8在极限状态下的黏结应力分布如图3所示.

图3 极限状态下的黏结应力分布

图3中黏结应力分布:第1部分为近自由端区段，第2部分为中间区段，第3部分为近加载端区段.极限状态下，黏结应力最大值总出现在加载端.加载过程中自由端黏结应力由3.8 MPa增加到5.8 MPa，加载端黏结应力由26.5 MPa降到23.5 MPa.其他区域黏结应力分布曲线无明显变化.

图3中的黏结应力曲线上标注点代表各测段平均黏结应力.据图3中黏结应力曲线，由式(3)计算黏结力总和T':

将计算得到的T'与实际加载T进行比较，结果见表3.极限拉力下，轴向力检算最大误差为7.20%.据所测黏结应力，以式(3)计算得到的筋材轴力与实际加载吻合较好.这表明，试验中选用的直接测试CFRP筋应变的方法是可靠的;通过式(1)近似计算黏结应力的方法是可行的.

表3 CFRP筋实际加载与计算所得轴力比较

4 结论

对黏结式CFRP锚具静载张拉试验进行了研究和分析，通过测得的锚固区黏结应力分布情况，对所测得的黏结力进行检算，得出以下结论:

1)改进式锚具在锚固长度为180 mm时能有效锚固单根筋材，而直筒式需要280 mm锚固长度.可见，锚具结构形式的改进是有效的.

2)锚具内壁的不同处理方式对改进式锚具承载力影响不明显.对于黏结式锚具，灌胶施工质量必须得到保证.

3)当应变片间距适当时，直接在CFRP筋表面黏贴应变片，通过测点应变分析黏结应力分布的方法是可行的.在此基础上得到的试验数据经式(1)，(3)计算，在逐级加载的过程中误差较大，最大误差为7.20%，在极限荷载下无误差.

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