CFRP索复合式锚具的协调工作机理与优化设计研究

夏威　石天罡　胡伟

摘 要：文章主要介绍了纤维增强复合材料（FRP），有关CFRP 筋及其锚具研究和应用，分别对粘结型、夹片型、复合型3 类现有的主要类型锚具的锚固机理、性能优缺点等方面做了总结，提出与锚具的开发应用相关的一些问题和建议。

关键词：锚固体系；锚固机理；CFRP；FRP

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.009

0 引言

如今的社会是一个经济与科学技术飞速发展的社会，各世界都对土木工程行业的要求日益提高。在某些条件下，传统的建筑材料难以满足如今激增的发展要求。然而纤维增强复合材料（FRP）集轻质、抗腐蚀、抗疲劳、高强度、高耐久、易设计与加工等多种优点于一身。因而在现在的土木工程大环境下，地下结构、超高层结构、海洋工程、高耐久性的应用，以及结构加固修复、特殊环境工程等工程应用，都具有无与伦比的优越性，得到了大规模的应用。待FRP技术研究开发成功后，将对现代土木工程的技术进步产生极大地推动，而且具有非常广阔的发展应用前景。

1 FRP材料特性的优点及缺陷

FRP材料优点很多，我们将FRP与钢材进行对比，FRP轻质且其抗拉强度一般为钢筋的2倍甚至达到10倍。然而FRP复合材料在与混凝土结构相互作用的过程中，通常由于FRP-混凝土相交界面强度不足，从而导致FRP-混凝土结构界面被剥离破坏，丧失承载力。由此不难看出，FRP-混凝土界面粘结性能的问题将成为当务之急。另外，FRP复合材料耐腐蚀、抗疲劳性能好，但是很多FRP产品的弹性模量较小，因而，其产品设计通常由变形控制。FRP复合材料也存在着一定的缺点，例如在紫风沙雨雪、机械应力等作用下易导致其性能下降；另外一般FRP复合材料防火性能、长期耐温性能差，不能在高温下长期使用。

FRP复合材料的抗剪强度仅为其抗拉强度的5%～20%，因此FRP构件在连接过程中需研制特定的锚具、夹具。这也使得FRP构件的适合程度成为突出研究的问题。近几年，CFRP筋锚具的研制开发逐渐在我国发展起来。主要研究内容包括对传统夹片式锚具的改造以及对新型锚具的开发。东南大学张志文团队结合了国内现有的张拉设备，开发了粘砂夹片式、带护套夹片式、套筒灌胶式及杯口灌胶式锚具。广西工学院张鹏团队对传统钢绞线夹片式锚具进行了改造，减小了对碳纤维筋的嵌入深度并适当降低了齿距和齿高，显著增加了摩擦力[6]。

2 三类锚具简介

通过业界对粘结型锚具与夹片型锚具已经进行的大量研究，发现这两种锚具各有优点：粘结型锚具对CFRP筋的环向压力小，避免了CFRP筋的夹伤破坏，锚固效率高；夹片型锚具结构简单，组装方便，便于工程现场安装。但这两种锚具也具有一定的局限性：粘结型锚具因锚固性能的要求往往需要较大的锚固体积，且群锚中不能进行单根换筋。锚固长度大，压力灌胶工艺复杂，对粘结介质的性能要求较高；夹片型锚具滑移量大且容易对CFRP筋造成损伤，在夹片切口处易发生疲劳破坏。复合型锚具的研究可有效解决现有CFRP筋粘结型锚具与夹片型锚具的不足[7]。

我国复合型锚具主要有两类，分别为CFRP筋串式-复合型锚具和CFRP筋并式-复合型锚具。CFRP筋串式-复合型锚具由粘结锚固段和契紧锚固段组成，两个锚固段发挥类似串联式的锚固作用。该类锚具的优点是分段充分发挥锚固段的锚固作用，锚固长度小、锚固效率系数较高。缺点是结构较为复杂，会出现锚固段先后失效的情况，两个锚固段的工作协同性还有待进一步研究[8]。

3 复合式锚具的性能介绍

复合式锚具结合了粘结式和夹片式的优点，并相互弥补了不足。复合型锚具相比CFRP夹片式锚具和粘结式锚具，由于夹片的内锥作用，可增大摩擦锚固力，提高锚固效率，同时对金属套管与胶体对CFRP筋起到保护作用，避免锚固区筋材夹伤破坏，相比于直筒型粘结锚具，径向夹持力可明显增加摩擦锚固力。但是复合式锚具也有一定的缺点，结构中的金属筒主要受压，压力较大时金属筒易发生弯曲变形，从而使锚具提前破坏。为避免此情况，应将受拉区长度大于受压区长度。破坏特点夹持区先发生粘结破坏，锚固应力峰值传到受压区，受压区应力快速增长，然后发生滑移破坏[9]。

疲劳荷载下，组装件的失效总是发生在CFRP筋上。锚具中不会发生提前的失效破坏。循环荷载对碳纤维筋的机械性能影响很小，弹性模量的最高降幅为4%。比起最小应力的变化，筋材-锚具组装件的疲劳寿命受施加的应力范围的影响更大。推荐的筋材-锚具组装件的疲劳极限为应力范围为筋材极限承载力的10%。低于此应力范围 ，组装件可认为能够承受无限次的疲劳寿命。

复合式锚具存在静载优势，其塑料薄膜可以大大减小锚杯与和塑料夹片之间的摩擦系数，增加夹片的自动跟进性，从而提高锚具的极限承载能力。增加预应力有利于提高接触面的径向压应力，达到减小CFRP筋的滑移，提高锚具的极限承载效果。套管可以避免CFRP筋直接与金属片接触，分散集中应力有利于锚固CFRP筋。CFRP筋与夹片的滑移是同步的，锚杯倾角，锚杯长度，夹片预紧力以及凹齿间距等参数越大，相同荷载对应的CFRP筋和夹片的滑移量越小。而套管厚度越大，相同荷载对应的CFRP筋和夹片滑移反而越大[10]。

参考文献：

[1]李俊峰，刘景园.加固工程中常用FRP材料性能比较及研究现状[J].山西建筑，2008，34（04）.

[2]岳清瑞.纤维增强塑料（FRP）在土木工程结构中的应用技术的进展[A].北京：清华大学出版社，2002：18-22.

[3]于清.FRP的特点及其在土木工程中的应用[J].哈尔滨建筑大学学报，2000.

[4]敬登虎.FRP约束混凝土的应力一应变模型及其在加固中的应用研究[C].东南大学博士学位论文，2005.

[5]岳清瑞，杨勇新.纤维增强复合材料与现代基础设施建设[J].中国有色金属学报，2004.

[6]孙志刚.碳纤维预应力筋及拉索锚固系统抗疲劳性能的试验研究[C].湖南大学硕士学位论文，2005.

[7]刘荣桂，刘德鑫，延永东.CFRP筋复合型锚具锚固性能研究[J].建筑科学与工程学报，2013，30（02）：9-14.

[8]刘荣桂，李明君，蔡东升，刘德鑫.CFRP筋锚固体系研究与应用现状[J].建筑科学与工程学报，2012，29（03）：9-20.

[9]王军，李明君，蔡东升等.CFRP筋复合型锚具的受力性能试验[J].江苏大学学报，2012，33（06）：726-729.

[10]蒋田勇，方志.CFRP预应力筋夹片式锚具的试验研究[J].预应力技术，2009，05（76）：7-16.

作者介绍：夏威（1993-），男，江苏泰州人，在读本科。