新型碳纤维布锚具的研究应用

陈雅云

(福建农林大学 交通与土木工程学院　福建福州　350002)



新型碳纤维布锚具的研究应用

陈雅云

(福建农林大学 交通与土木工程学院福建福州350002)

为了解决普通碳纤维布加固钢筋混凝土构件的缺陷，提高碳纤维布的强度利用率，针对工程需要研制出一套简单轻便、造价合理的新型碳纤维布锚具。文章详细介绍了试验的材料性能、试验装置、锚具锚固碳纤维布的具体操作步骤和锚具的构造特点。通过多次对碳纤维布锚具的夹持能力进行张拉试验，发现新型锚具可以使碳纤维布发挥出80%的强度，满足实际工程的需要。

碳纤维布；锚具；研究

0　引言

与其他钢筋混凝土构件加固方式相比，利用普通碳纤维(carbon fiber reinforced plastic 以下简称CFRP)布加固具有耐腐蚀、方便施工、强度高、重量轻等优势，这使得CFRP布在建筑结构领域的应用得到了迅速的发展[1]。但是从目前的研究成果中发现，普通CFRP布加固钢筋混凝土构件虽然具有上述优点，但同时也存在一些不足：

(1)在正常的受力状态下，普通CFRP布加固钢筋混凝土构件，CFRP布的强度利用率不高[2]。

(2)普通CFRP布加固钢筋混凝土构件，碳纤维布很容易发生早期破坏，如端部剥离破坏或有裂缝引起的剥离破坏等，这使得加固效果大大降低。

(3)普通碳纤维布的加固对于已有一定损伤的结构构件的损伤恢复不会有很大的帮助，而且加固效果还会受到加固后二次受力的影响[3]。

为了解决普通碳纤维布的缺陷，可以利用碳纤维布锚具张拉装置以形成碳纤维布-混凝土构件的体外预应力体系。该预应力体系不仅能提高碳纤维布的强度利用率，还能平衡掉一部分荷载效应，同时对已有损伤的结构起到恢复作用，而预应力碳纤维布的良好加固效果的实现，需要一套锚固效果良好的碳纤维布锚具。碳纤维布的张拉锚固在实际工程中是一个较难解决的问题，因为碳纤维布的材料特点是抗挤压能力差，各向异性，抗剪强度不高。通过分析已有的研究成果发现，目前市面上已有的碳纤维布张拉锚固体系具有以下不足之处：尺寸较大，造价较高，施工工艺复杂，可靠性不高。这使得碳纤维布锚固体系在实际工程中的应用较少。

通过分析已有的研究成果，目前碳纤维布锚固系统需要解决的问题有：

(1)碳纤维布锚具应具有足够的夹持能力，保证在使用过程中，不会出现锚固不足导致碳纤维布从锚具中滑移出来的现象。

(2)锚具操作简单，方便施工，轻巧方便，造价合理。

本文从锚固原理出发，研究并开发出一套新型的碳纤维布夹具，为以后进一步的预应力碳纤维布锚固系统的研发做准备。

1　锚具系统简介

1.1锚具系统的材料

碳纤维布锚具钢材为Q345，高强度螺栓为10.9级，其物理力学性能为表1和表2所示。

表1　钢材的强度设计值　N / m2

表2　螺栓强度设计值　N / m2

CFRP布采用高强度一级布，规格为：宽度×厚度=100mm×0.167mm，其物理力学性能为：E=2.3×105MPa,ftk=2 100MPa。试验粘贴材料采用TH-RESIN 型胶，其胶体性能符合结构加固规范相应规定。

1.2锚具结构特点

碳纤维布锚具MJ是由钢材经线切割加工而成，其主要由上波形柱体、下波形柱体以及锁定装置等组成，如图1所示。新型锚具的结构特点是：两个波形柱体的凹凸刚好吻合，且两者之间留有0.2mm的缝隙，用来夹住CFRP布。

图1　碳纤维布锚具MJ组件实例照片

碳纤维布锚具主要依靠几根高强度螺栓来压紧和锁定CFRP布，组装完整的碳纤维布锚具系统，如图2所示。锚具两侧留有安装高强度螺栓的钻孔，用来加强整个碳纤维布锚具的紧固效果。

图2　夹具锚MJ实例照片

组装锚具系统前，先要把碳纤维布的两端(长度约200mm)均匀地涂抹上环氧树脂，自然养生8h，待加固胶有了一定的硬化程度后，将碳纤维布夹持于上、下波形柱体之间，并将碳纤维布沿圆柱体缠绕数圈，然后在钻孔位置安装并锁定高强度螺栓，最后，通过对螺栓施加一定的压力使两波形柱体更紧密地结合在一起，加强CFRP布的夹持效果。

2　张拉试验

本文主要对CFRP布锚具的夹持能力进行了初步的试验研究，其他影响因素，因条件受限暂时不予考虑。

2.1试验装置

碳纤维布采用高强度Ⅰ级布。张拉试验设备采用INSTRON材料实验机，锚具系统所受到的张拉力通过电脑记录，保证了试验精度。将安装完整的碳纤维布锚具设备固定在材料实验机上，荷载从零开始逐渐单调递增，直到锚具所夹持的碳纤维布发生破坏。

2.2试验原理

碳纤维布锚具系统是利用各材料之间的摩擦力，螺栓所提供的紧固力和粘胶的胶结力来夹持和固定碳纤维布片材。两波形柱体与碳纤维布的接触面为曲面，既增大了两者之间的接触面，也通过锚具的弯曲效应加强了摩擦力效应。同时，碳纤维布在锚具外部缠绕数圈，不仅加强了三大内力(即紧固力，摩擦力和胶结力)，也使锚具夹持碳纤维布的效果更好。由于在整个受力过程中，该锚具不会对碳纤维布产生横向剪切力，这也保证了抗剪能力不好的碳纤维布在试验过程中不会被夹断。

为简便起见，以仅由上波形柱体和下波形柱体组成的夹具为例阐述其力学模型，如图3所示，整个锚具所受到的横向压力主要来自螺栓装置和锚具外围缠绕的CFRP布。在整个试验过程中，碳纤维布承受的荷载有：材料设备提供的张拉力，粘胶的胶结力，碳纤维布与锚具之间的摩擦力和碳纤维布缠绕在锚具外围所产生的侧向紧固力。

图3　碳纤维布锚具的工作原理图

2.3试验操作步骤

(1)对CFRP布夹具的上、下波形柱体进行除锈、除垢、打磨等表面处理。

(2)把碳纤维布的两端(长度约200mm)均匀地涂抹上环氧树脂，自然养生8h以后，待加固胶有了一定的硬化程度以后，将CFRP布对中、夹持于上、下波形柱体之间，并沿圆柱体缠绕数圈。目的是为了增大碳纤维布与夹具之间的摩擦力和粘结力，从而提高锚具夹持碳纤维布的能力。组装完整的碳纤维布锚具系统，如图4所示。因为碳纤维布锚具系统是以CFRP布为张拉对象，但CFRP布张拉受力过程中，很容易产生受力不均匀的现象，所以在夹持CFRP布时必须仔细定位，确保对中精度。然后在钻孔位置安装并锁定高强度螺栓，通过对螺栓施加一定的压力使两波形柱体更紧密地结合在一起，加强CFRP布的夹持效果。

图4　CFRP布夹具锚系统

(3)在张拉实验机上，对CFRP布锚具系统进行张拉试验，如图5所示。先进行预张拉，待碳纤维布夹具之间的CFRP布绷紧后，INSTRON材料实验机开始采数并实施第二次张拉，直到锚具所夹持的碳纤维布发生破坏。

图5　碳纤维布锚具系统张拉试验

2.4试验结果

试验结果，如图6所示，本试验的碳纤维布锚具可实现的最大拉力约为28kN。张拉实验机的荷载从零开始逐渐单调递增，当锚具的张拉力达到23 kN时，碳纤维布开始出现断裂缝，碳纤维布的裂缝随着荷载的增大而增多，但碳纤维布并没有出现明显的破坏迹象。基于试验安全的角度考虑，当荷载达到30kN左右终止试验的继续。在整个张拉试验中，碳纤维布并没有出现滑移，其最大张拉应力为1 700MPa，碳纤维布发挥了80%的强度，满足实际工程的需要，试验也达到了预设目标。

图6　试验结果

3　结论

新型碳纤维布锚具MJ的设计经历了一个不断摸索的过程，锚具MJ的弧形粘结面提高了碳纤维布锚具的张拉力，使得锚具的张拉力得到了较大的提高，碳纤维布发挥出80%的强度。

试验结果表明，在张拉力和其他性能方面，MJ锚具系统很好地达到了CFRP布预应力系统对锚具的基本要求，为以后预应力碳纤维布加固系统的开发奠定了基础。但MJ锚具系统仍存在一些不足，比如在施工工艺上还有一些缺陷，希望在以后的研究中能继续研究开发出更轻巧便捷、更合理的碳纤维布张拉锚具系统。

[1]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，2000，33(6)：26-30.

[2]欧阳煌，黄奕辉，钱在兹，等. 玻璃纤维片材加固混凝土梁的抗弯性能研究[J].土木工程学报，2002， 35(3)：1-6.

[3]王文炜，赵国藩，黄承逢，等. CFRP布加固已承受荷载的钢筋混凝土梁抗弯性能实验研究及抗弯承载力计算[J].工程力学，2004，21(4)：172-178.

Research of a New CFRP Anchorage

CHEN Yayun

(College of Traffic and Civil Engineering, Fujian Agriculture And Forestry University,Fuzhou 350002)

To solve the fault of RC component strengthened with carbon fiber reinforced plastic (CFRP) sheets, to improve the rate of utilization of strength of CFRP sheets, a new CFRP anchorage which is simple, portable, economical and practical is developed according to engineering needs. The thesis introduces the characteristic of materials, the experimental device, the experimental procedure and the structural feature of the anchorage. By the anchorage-tension system, the test result indicates that the new anchorage makes the CFRP diplay eighty percent of strength, which is satisfied the needs of the engineering.

CFRP；Anchorage；Research

福建省教育厅B类项目(JB12085)资助

陈雅云(1984.12-)，女，讲师。

E-mail:601702022@qq.com

2016-04-26

TU377

A

1004-6135(2016)08-0054-03