CFRP索復合式錨具的協調工作機理與優化設計研究

夏威　石天罡　胡偉

摘 要：文章主要介紹了纖維增強復合材料（FRP），有關CFRP 筋及其錨具研究和應用，分別對粘結型、夾片型、復合型3 類現有的主要類型錨具的錨固機理、性能優缺點等方面做了總結，提出與錨具的開發應用相關的一些問題和建議。

關鍵詞：錨固體系；錨固機理；CFRP；FRP

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

0 引言

如今的社會是一個經濟與科學技術飛速發展的社會，各世界都對土木工程行業的要求日益提高。在某些條件下，傳統的建筑材料難以滿足如今激增的發展要求。然而纖維增強復合材料（FRP）集輕質、抗腐蝕、抗疲勞、高強度、高耐久、易設計與加工等多種優點于一身。因而在現在的土木工程大環境下，地下結構、超高層結構、海洋工程、高耐久性的應用，以及結構加固修復、特殊環境工程等工程應用，都具有無與倫比的優越性，得到了大規模的應用。待FRP技術研究開發成功后，將對現代土木工程的技術進步產生極大地推動，而且具有非常廣闊的發展應用前景。

1 FRP材料特性的優點及缺陷

FRP材料優點很多，我們將FRP與鋼材進行對比，FRP輕質且其抗拉強度一般為鋼筋的2倍甚至達到10倍。然而FRP復合材料在與混凝土結構相互作用的過程中，通常由于FRP-混凝土相交界面強度不足，從而導致FRP-混凝土結構界面被剝離破壞，喪失承載力。由此不難看出，FRP-混凝土界面粘結性能的問題將成為當務之急。另外，FRP復合材料耐腐蝕、抗疲勞性能好，但是很多FRP產品的彈性模量較小，因而，其產品設計通常由變形控制。FRP復合材料也存在著一定的缺點，例如在紫風沙雨雪、機械應力等作用下易導致其性能下降；另外一般FRP復合材料防火性能、長期耐溫性能差，不能在高溫下長期使用。

FRP復合材料的抗剪強度僅為其抗拉強度的5%～20%，因此FRP構件在連接過程中需研制特定的錨具、夾具。這也使得FRP構件的適合程度成為突出研究的問題。近幾年，CFRP筋錨具的研制開發逐漸在我國發展起來。主要研究內容包括對傳統夾片式錨具的改造以及對新型錨具的開發。東南大學張志文團隊結合了國內現有的張拉設備，開發了粘砂夾片式、帶護套夾片式、套筒灌膠式及杯口灌膠式錨具。廣西工學院張鵬團隊對傳統鋼絞線夾片式錨具進行了改造，減小了對碳纖維筋的嵌入深度并適當降低了齒距和齒高，顯著增加了摩擦力[6]。

2 三類錨具簡介

通過業界對粘結型錨具與夾片型錨具已經進行的大量研究，發現這兩種錨具各有優點：粘結型錨具對CFRP筋的環向壓力小，避免了CFRP筋的夾傷破壞，錨固效率高；夾片型錨具結構簡單，組裝方便，便于工程現場安裝。但這兩種錨具也具有一定的局限性：粘結型錨具因錨固性能的要求往往需要較大的錨固體積，且群錨中不能進行單根換筋。錨固長度大，壓力灌膠工藝復雜，對粘結介質的性能要求較高；夾片型錨具滑移量大且容易對CFRP筋造成損傷，在夾片切口處易發生疲勞破壞。復合型錨具的研究可有效解決現有CFRP筋粘結型錨具與夾片型錨具的不足[7]。

我國復合型錨具主要有兩類，分別為CFRP筋串式-復合型錨具和CFRP筋并式-復合型錨具。CFRP筋串式-復合型錨具由粘結錨固段和契緊錨固段組成，兩個錨固段發揮類似串聯式的錨固作用。該類錨具的優點是分段充分發揮錨固段的錨固作用，錨固長度小、錨固效率系數較高。缺點是結構較為復雜，會出現錨固段先后失效的情況，兩個錨固段的工作協同性還有待進一步研究[8]。

3 復合式錨具的性能介紹

復合式錨具結合了粘結式和夾片式的優點，并相互彌補了不足。復合型錨具相比CFRP夾片式錨具和粘結式錨具，由于夾片的內錐作用，可增大摩擦錨固力，提高錨固效率，同時對金屬套管與膠體對CFRP筋起到保護作用，避免錨固區筋材夾傷破壞，相比于直筒型粘結錨具，徑向夾持力可明顯增加摩擦錨固力。但是復合式錨具也有一定的缺點，結構中的金屬筒主要受壓，壓力較大時金屬筒易發生彎曲變形，從而使錨具提前破壞。為避免此情況，應將受拉區長度大于受壓區長度。破壞特點夾持區先發生粘結破壞，錨固應力峰值傳到受壓區，受壓區應力快速增長，然后發生滑移破壞[9]。

疲勞荷載下，組裝件的失效總是發生在CFRP筋上。錨具中不會發生提前的失效破壞。循環荷載對碳纖維筋的機械性能影響很小，彈性模量的最高降幅為4%。比起最小應力的變化，筋材-錨具組裝件的疲勞壽命受施加的應力范圍的影響更大。推薦的筋材-錨具組裝件的疲勞極限為應力范圍為筋材極限承載力的10%。低于此應力范圍 ，組裝件可認為能夠承受無限次的疲勞壽命。

復合式錨具存在靜載優勢，其塑料薄膜可以大大減小錨杯與和塑料夾片之間的摩擦系數，增加夾片的自動跟進性，從而提高錨具的極限承載能力。增加預應力有利于提高接觸面的徑向壓應力，達到減小CFRP筋的滑移，提高錨具的極限承載效果。套管可以避免CFRP筋直接與金屬片接觸，分散集中應力有利于錨固CFRP筋。CFRP筋與夾片的滑移是同步的，錨杯傾角，錨杯長度，夾片預緊力以及凹齒間距等參數越大，相同荷載對應的CFRP筋和夾片的滑移量越小。而套管厚度越大，相同荷載對應的CFRP筋和夾片滑移反而越大[10]。

參考文獻：

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[5]岳清瑞，楊勇新.纖維增強復合材料與現代基礎設施建設[J].中國有色金屬學報，2004.

[6]孫志剛.碳纖維預應力筋及拉索錨固系統抗疲勞性能的試驗研究[C].湖南大學碩士學位論文，2005.

[7]劉榮桂，劉德鑫，延永東.CFRP筋復合型錨具錨固性能研究[J].建筑科學與工程學報，2013，30（02）：9-14.

[8]劉榮桂，李明君，蔡東升，劉德鑫.CFRP筋錨固體系研究與應用現狀[J].建筑科學與工程學報，2012，29（03）：9-20.

[9]王軍，李明君，蔡東升等.CFRP筋復合型錨具的受力性能試驗[J].江蘇大學學報，2012，33（06）：726-729.

[10]蔣田勇，方志.CFRP預應力筋夾片式錨具的試驗研究[J].預應力技術，2009，05（76）：7-16.

作者介紹：夏威（1993-），男，江蘇泰州人，在讀本科。