填充材料对粘结型锚具锚固性能影响分析★

田 川 马 佩 贺建涛

(1.北京建筑大学工程结构与新材料北京市高等学校工程研究中心，北京 100044； 2.华中科技大学土木工程与力学学院，湖北 武汉 430074)



·建筑材料及应用·

填充材料对粘结型锚具锚固性能影响分析★

田 川1马 佩2贺建涛1

(1.北京建筑大学工程结构与新材料北京市高等学校工程研究中心，北京 100044； 2.华中科技大学土木工程与力学学院，湖北 武汉 430074)

结合国内外研究现状，介绍了目前新型锚具的主要类型，分析了粘结型锚具的锚固原理，通过张拉试验，对比了使用树脂和微膨胀水泥作为填充材料的直筒式粘结型锚具的锚固性能，结果表明，以微膨胀水泥作为填充材料的粘结型锚具锚固性能较好。

CFRP，粘结型锚具，锚固性能

0 引言

悬索桥与斜拉桥为目前大跨径桥梁的两种主要形式，随着桥梁向更大跨度的方向发展，传统钢索易腐蚀、承载效率低等问题逐渐显现，成为制约桥梁发展的重要因素之一。针对传统拉索材料的缺陷，国内外学者提出使用碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)代替传统钢索。相对于传统钢制预应力拉索，CFRP筋具有抗拉强度高，自重轻，抗疲劳，耐腐蚀，热膨胀系数低，应力—应变曲线呈线性分布，减震性能好等优点[1-5]。但由于其抗剪强度较低，导致无法使用传统夹片式锚具进行锚固，否则CFRP筋将会被传统锚具夹伤，使锚固区过早失效。为了开发出适用于CFRP筋的新型锚具，国内外学者做了大量研究。日本学者通过对新型锚具的研究，于1990年建造了第一座采用CFRP筋为拉索的斜拉桥[6]；吕志涛等针对CFRP拉索研制出套筒粘结型锚具，于江苏大学建成我国第一座CFRP索斜拉桥[7，8]。目前已研发完成适用于CFRP筋的锚具从受力原理上可分为夹具型锚具、粘结型锚具和复合型锚具三类，其中粘结型锚具类似于钢筋混凝土的受力原理，通过粘结力、摩擦力和机械咬合力来传递剪力，避免了由于CFRP筋抗剪强度低被锚具夹伤的现象[9]。影响粘结型套筒工作性能的主要因素有：套筒内径、套筒壁厚和填充材料。其中填充材料在锚具中起到传力的作用，是粘结型锚具锚固性能的重要保障。本文分别选用树脂和水泥作为填充材料，比较两种材料在应用于粘结型锚具中的优缺点。

1 粘结式锚具理论分析

CFRP筋粘结式锚具的粘结强度取决于胶体的粘结力、胶体与CFRP筋材的摩擦力以及二者之间的机械咬合力，所以胶体的性能直接决定锚具的锚固性能。不同胶材在凝固时会发生收缩或膨胀，粘结式锚具的填充材料应尽量选用凝固时发生膨胀的胶材，这种填充材料在膨胀时会对筋材产生较大的横向压力，可以有效提高胶材与CFRP筋材之间的静摩擦力，进而提高锚具的锚固性能。

一般来说，胶体和筋材之间的粘结力与粘结长度呈线性关系，通过拔出试验得到的粘结强度表达式为：

(1)

其中，T为拉拔力；d为CFRP直径；l为粘结长度。

由于填充材料凝固后发生膨胀，导致胶体与筋材之间的粘结强度增强，则锚固体系的总承载能力为：

T=UL×(τ+μP)

(2)

其中，τ为筋材与胶体之间的粘结强度;P为胶体凝固发生膨胀对筋材产生的横向压力;μ为胶体与筋材之间的静摩擦系数;L为胶体长度;U为筋材的计算周长。

本文中粘结型锚具的锚固性能通过锚具静载锚固效率系数判断，锚具效率系数：

(3)

其中，FTU为实测极限荷载；Fcu为理论极限荷载。

粘结型锚具的实测极限荷载主要取决于锚具的破坏形式。当破坏形式为筋材被拔出时，极限荷载是指锚具破坏时的最大拉拔力；当破坏形式为筋材劈裂破坏时，极限荷载是指筋材的破坏荷载。

2 试验概况

2.1 试件设计

试验采用厂家提供，外形螺旋交叉缠丝，名义直径7.9 mm的CFRP筋。试验所得的拉伸力学性能实测值如下：极限抗拉强度平均值2 566 MPa，弹性模量平均值152 GPa。金属筒为无缝钢管，屈服强度为240 MPa，极限强度为400 MPa，试验中金属筒长度为450 mm，厚度为3 mm；粘结材料采用树脂和微膨胀水泥，树脂灌胶养护7 d，微膨胀水泥养护18 d，试验中胶体厚度为2 mm；锚具形式为直筒式。直筒式粘结型锚具结构剖面图如图1所示。

2.2 试验设备及加载程序

张拉设备采用穿心式千斤顶，张拉时采用振弦式测力计测量其张拉力，试验设备如图2所示。

在CFRP筋材表面和金属筒表面粘贴应变片测试各根筋材及金属筒的应力，采用手持应变仪测量CFRP筋材的弹性模量和伸长量。试验中采用分级加载，加载速率为300 MPa/min～400 MPa/min，约达到CFRP筋材张拉控制应力的10%后持荷5 min，待数值稳定，记录数据，之后荷载每增加10%均采用相同方法观测记录。荷载达到80%后，每5%记录一组数据，直至张拉破坏。

3 试验结果

CFRP直筒式粘结型锚具静载锚固性能试验结果如表1所示。

表1 CFRP直筒式粘结型锚具静载锚固性能试验结果

由表1可知，单根筋材进行张拉试验过程中，当胶材与筋材的粘结长度为200 mm时，采用微膨胀水泥作为填充材料的粘结型锚具的破坏形式为筋材破坏，满足设计要求；采用树脂作为填充材料的粘结型锚具的破坏形式为钢筋被拔出，不能满足设计要求；粘结长度达到250 mm时，两种胶材作为填充材料的粘结型锚具的破坏形态均为筋材破坏，满足设计要求；对11孔以及16孔锚具进行张拉时，以微膨胀水泥作为填充材料的锚具性能略高于以树脂作为填充材料的锚具性能。

4 结语

粘结材料的性能对粘结型锚具的锚固性能影响较大。其中，胶材凝固发生膨胀将增大胶材与筋材之间的横向应力，从而增加二者间的静摩擦力，对锚固性能起到重要作用；单根筋材进行张拉试验过程中，当胶材与筋材的粘结长度为200 mm时，采用微膨胀水泥作为填充材料的粘结型锚具的破坏形式为筋材破坏，满足设计要求；采用树脂作为填充材料的粘结型锚具的破坏形式为钢筋被拔出，不能满足设计要求；粘结长度达到250 mm时，两种胶材作为填充材料的粘结型锚具的破坏形态均为筋材破坏，满足设计要求；对11孔以及16孔锚具进行张拉时，以微膨胀水泥作为填充材料的锚具性能略高于以树脂作为填充材料的锚具性能。

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Analysis of the influence of filling material to anchorage performance of the bond-type anchors★

Tian Chuan1Ma Pei2He Jiantao1

(1.BeijingHigherInstitutionEngineeringResearchCenterofStructuralEngineeringandNewMaterials,BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture,Beijing100044,China; 2.SchoolofCivilEngineeringandMechanics,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)

Combining with the research at home and abroad, the main types of anchor are introduced and the anchoring principle of the bond-type anchor is analyzed. The anchorage performance of straight bond-type anchors using resin as filling material and the one using low-grade cement are compared by tension test.

Carbon Fiber Reinforced Polymer， bond-type anchor， anchorage performance

1009-6825(2016)10-0094-02

2016-01-23★：本研究由北京建筑大学城乡建设与管理产学研联合研究生培养基地资助

田 川(1988- )，男，在读硕士; 马 佩(1993- )，女，在读硕士; 贺建涛(1989- )，男，在读硕士

TU502

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