CFRP筋黏結型錨具承載力評估試驗與理論研究

孫莉莉， 諸葛萍， 徐玉林， 儲焙宇

(寧波大學 建筑工程與環境學院， 浙江 寧波 315211)

1 研究背景

碳纖維增強復合材料(CFRP)具有質量輕、強度高、耐腐蝕性能好、耐疲勞等優點[1]，現以片材、筋材及索材的形式較多地應用于土木工程領域。其中，預應力CFRP筋可代替預應力鋼絞線用于新建橋梁結構，也可作為主要加固材料用于土木工程結構的加固。工程應用中CFRP筋強度的發揮程度取決于其錨具，各型錨具的錨固機理還有待研究。

CFRP筋材錨具按工作原理可分為機械夾持式錨具、黏結型錨具和組合式錨具。其中，黏結型錨具性能較機械式錨具穩定，還具有可避免咬傷筋材、抗疲勞性能好[2]等優點。黏結型錨具主要通過錨固區傳力介質(LTM)-CFRP筋界面的黏結剪應力平衡筋材的拉力以實現對CFRP筋的錨固，它由LTM、直筒鋼管及其兩端的螺栓組成，見圖1。針對CFRP黏結型錨具理論分析相對滯后的現狀，梅葵花[3]提出了一種直筒式黏結型錨具黏結力的分布模型，并用解析法分析了其極限承載力。蔣田勇等[4]結合不同荷載下錨固區傳力介質(LTM)-CFRP筋界面黏結力分布特點，詳細分析了其荷載機理，論證了極限狀態時黏結力分布是光滑平順的，從而提出了光滑曲線模型。朱元林等[5]采用4種不同LTM，對不同長度和不同錨筒錐角大小的錨具進行了靜載試驗，得出不同填料對錨固長度的影響。Zhang等[6]采用膨脹混凝土LTM錨具對4種FRP筋進行拔出試驗，提出了界面傳力形式及黏結力-滑移量關系模型。Al-Zahrani等[7]研究表明，纖維增強復合材料(CFRP)筋材的錨固黏結性能取決于錨具LTM-筋材的接觸面積和LTM的剪切強度。Benmokrane等[8]研究了AFRP和CFRP筋在水泥中的拉拔性能，得出筋材表面形式、黏結長度及灌漿料的剛度對黏結強度的影響較大。郭書峰[9]分析了CFRP筋-環氧樹脂膠界面黏結力的組成形式，通過試驗得出CFRP筋直徑大小對界面破壞模式有較大影響，界面徑向壓應力大小對界面最大黏結力影響較大。Jung等[10-12]研究了不同CFRP筋表面形式和不同錨固形式對錨具性能的影響 ，并通過在錨固區分裂CFRP筋束增加黏結面積的方法提高錨具承載力。Park等[13]研究了錨具LTM中添加不同礦物纖維材料對CFRP筋錨固性能的影響,通過試驗得出LTM中添加礦物纖維材料可以增強LTM的黏結強度。在試驗研究方面，對黏結型錨具的研究主要集中在黏結力影響因素，黏結力與滑移量關系、界面壓應力對黏結性能的影響等方面。其中，界面徑向壓應力大小對性能的影響研究方面還停留在低應力階段，高壓應力情況下的相關研究還有待開展。在錨具錨固承載力評估理論研究方面，現有的研究還存在機理不明及理論和試驗相脫離的問題。

圖1 黏結型錨具構造圖

本文對CFRP筋黏結型錨具的錨固承載力和臨界錨固長度的理論評估方法開展了研究，并對上述理論評估所需的錨具界面徑向壓應力與界面最大黏結力和殘余黏結力的關系進行了試驗實測與分析，并對錨固性能的影響因素進行了定性分析。通過研究建立錨固承載力和臨界錨固長度的理論評估模型，該模型可用于錨具的優化設計，為黏結型錨具的工程應用提供參考。

2 錨具承載力模型

CFRP筋黏結型錨具構造如圖1所示。錨具黏結界面黏結力的影響因素有CFRP筋表面形式[10]、填充介質膠體的力學性能[14]和界面徑向壓應力[9]等。由郭書峰[9]對CFRP筋與環氧樹脂膠界面傳力機理的研究可知，CFRP筋受力后，隨著拉力的增大，LTM-CFRP筋界面在錨固區范圍內逐漸發生剝離，剝離界面還殘存有較大的殘余黏結力，其大小可超過最大黏結力的30%。該殘余黏結力與界面的徑向壓應力大小有關，當壓應力在0～160MP范圍內時，基本呈線性關系。殘余黏結力可通過CFRP筋-錨具的拔出試驗直接測定。考慮到錨具在極限狀態下絕大部分黏結區域處于剝離狀態，因此，可用殘余黏結力來對錨具的承載能力進行評估，即：

Fau=πdlτres(σr)[9]

(1)

式中：Fau為錨具承載力，kN;d為CFRP筋直徑,mm;l為錨固長度,mm；τres(σr)為CFRP筋-LTM界面的殘余黏結應力，MPa，其大小與界面徑向壓應力σr有關。以該承載力為基礎對錨具進行優化設計可獲得偏安全的設計結果。郭書峰[9]研究表明，界面徑向壓應力的大小對其殘余黏結力影響較大，徑向壓應力越大，殘余黏結力也就越大。因此，為提高錨具的錨固承載力，需盡量增加錨固區LTM的徑向壓應力，該壓應力可通過預緊錨具自由端的螺栓進行施加。

為充分發揮CFRP筋的抗拉性能，錨具的設計承載力需大于CFRP筋的極限拉力Fcu，即：

Fau=πdlτres(σr)≥ηFcu

(2)

式中：Fau為錨具設計承載力，kN;η為安全系數，考慮到材料差異、操作偏差、經濟性等原因，本文取η=1.5。由公式(2)可得錨具的臨界錨固長度lcr：

(3)

3 試驗研究

由公式(1)可知，若能獲得錨固區界面的殘余黏結力，即可實現對錨具承載力的評估。本文通過CFRP筋-LTM拔出試驗測定該界面的殘余黏結力。

3.1 試驗設計

拔出試驗試件如圖2所示。試件一端為界面黏結長度僅為50 mm的黏結型錨具，考慮到方便組裝和重復利用問題，另一端為承載力大得多的夾片式錨具。試件中黏結型錨具錨管內徑為20 mm，外徑為34 mm，長度為80 mm。LTM由環氧樹脂膠和石英砂混合而成，前者占總質量的54.5%。石英砂可提高LTM-CFRP筋界面的摩擦力和咬合力，減少膠體在灌注過程中熱量的釋放，從而使得LTM更加密實。

本試驗采用的環氧樹脂膠和CFRP筋的材料特性參數由廠商提供。環氧樹脂膠剪切強度為18.3 MPa，拉伸強度為41.2 MPa，斷裂伸長率為11.3%。CFRP筋的表面形式為微壓紋形式，見圖3，其實測直徑為7.56 mm，抗拉強度為2 400 MPa，彈性模量為135 GPa。

圖2 CFRP筋-環氧樹脂拔出試驗試件

圖3 微壓紋表面形式CFRP筋

試件中LTM的徑向壓應力Fpre大小通過自由端LTM的軸向預壓力 大小進行控制，預壓力通過預緊自由端的螺栓進行施加，自由端螺栓軸力通過扭力扳手施加。根據預緊前后LTM體積不變的原理，可建立起預壓力Fpre與LTM表面徑向壓應力σr的關系，見圖4。預壓力Fpre與扭力扳手扭矩T的關系模型通過萬能試驗機、壓力傳感器以及應變儀進行標定。通過扭力扳手施加扭矩來達到預緊錨具的效果。

圖4 預壓力-徑向壓應力示意圖

本次試驗共進行了7種工況的試驗，因試件LTM體積小，灌注密實度不易保證，且每個試件至少需要3個有效試驗值，為了減少上述試驗誤差且滿足經濟性要求，每種工況設5個試件(編號分別為S-i-1、S-i-2、S-i-3、S-i-4、S-i-5)，各種試件的徑向壓應力不同，最大的徑向壓應力達到159 MPa，見表1。

表1 試驗工況表

3.2 界面拔出試驗

試驗采用600 kN萬能伺服拉力試驗機對試件進行加載，并記錄試驗過程力與位移相關數據和CFRP筋的破壞形態。靜載試驗安裝見圖5。

加載過程參考JSCE-E531-1995[15]相關規定，加載速度建議為100～500 MPa/min。本次試驗加載速度為200 MPa/min。試驗結果見表2和圖6。

試驗結果表明，該黏結型錨具破壞形式分為錨固端CFRP筋滑脫破壞和錨固端CFRP筋剝離破壞兩種。滑脫破壞即CFRP筋與LTM界面發生滑脫。剝離破壞則是CFRP筋表層纖維因黏結力過大而從母材中被剝離出來而產生的破壞形式。徑向壓應力在106 MPa及以下時，錨具破壞形式為錨固端CFRP筋滑脫破壞；徑向壓應力超過106 MPa時，錨具破壞形式為CFRP筋剝離破壞。拔出試驗S-6試件拉力-界面滑移量曲線見圖7。界面破壞模式見圖8。

圖5 靜載試驗圖

試件類型編號σr/MPaFmax/kNτmax/MPaτres(σr)/MPa破壞形態S-1011.910.06.5錨固端CFRP筋滑脫S-226.516.914.210.5錨固端CFRP筋滑脫S-353.017.714.911.5錨固端CFRP筋滑脫S-479.521.117.713.2錨固端CFRP筋滑脫S-5106.024.920.915.6錨固端CFRP筋滑脫S-6132.527.723.320.0錨固端CFRP筋剝離S-7159.029.925.120.5錨固端CFRP筋剝離

注：個別試件由于灌膠不密實，錨筒損壞等原因，試驗數據不可靠，未在圖中表示。

圖6界面拔出試驗結果

由圖7可以看出，試驗前期拉力-界面滑移量曲線呈直線增長，CFRP筋與LTM沒有發生相對位移，此時拉拔力由CFRP-LTM界面膠著力、摩擦力及咬合力組成。當力值達到最大值后，拉力-界面滑移量曲線開始下降，說明CFRP-LTM界面開始破壞，CFRP筋與LTM開始發生明顯的相對滑移。當膠著力徹底消失后，錨具的拉拔力由摩擦力與咬合力組成，CFRP筋與LTM滑移量增大，CFRP與LTM發生了相互剝離現象。

平均最大黏結力、平均最大殘余黏結力與錨具預緊后膠體徑向壓應力的關系測試結果見圖9。

由圖9可知，隨著膠體徑向壓應力增大，錨固區破壞時平均最大黏結應力隨之逐漸增大。當徑向壓應力為159 MPa時，對應的殘余黏結力達20.5 MPa。徑向壓應力在0～26.5 MPa時，平均最大黏結力增加最快；徑向壓應力在26.5～53.0 MPa時，平均最大黏結力增加緩慢；徑向壓應力超過53.0 MPa后，平均最大黏結力增加較快，但增幅有所減弱，總體呈線性增加。平均殘余黏結力隨錨具徑向壓應力增加呈上升趨勢，總體為線性關系。對平均殘余黏結力和壓應力之間的關系進行線性擬合后，可得出平均殘余黏結力和徑向壓應力的關系模型：

(4)

(0≤σr≤160 MPa)

擬合均方差為σ(|τres|)=0.9628。

利用該模型，并結合公式(1)和公式(3)可對

CFRP筋黏結型錨具的承載力和錨具的臨界錨固長度進行評估。

圖7 拔出試驗拉力-界面滑移量曲線(S-6試件)

圖8 CFRP筋-LTM界面破壞模式

圖9 平均最大黏結應力和平均殘余黏結力

4 錨固性能評估

4.1 CFRP筋直徑的影響

根據公式(2)、(3)和(4)，可以求得CFRP筋直徑對錨具承載力及臨界錨固長度的影響(圖10、11)。以錨具的徑向壓應力設計值150 MPa為例，當錨固長度為400 mm時，錨具設計承載力隨CFRP筋直徑增加呈線性增長(圖10)，臨界錨固長度亦隨CFRP筋直徑增長呈線性增加(圖11)。極限拉力設計值為181 kN直徑為10 mm的CFRP筋所需的臨界錨固長度為427 mm。在此臨界錨固長度下錨具的設計承載力271 kN。

4.2 界面徑向壓應力的影響

由公式(2)、(3)和(4)，可求得界面徑向壓應力對錨具設計承載力和臨界錨固長度的影響(圖12、13)。以直徑為8 mm的CFRP筋為例，界面徑向壓應力在0～150 MP范圍內時，錨具設計承載力呈線性增加，見圖12。臨界錨固長度隨徑向壓應力增加而呈非線性減小，見圖13，徑向壓應力越大，CFRP筋所需的臨界錨固長度越小。

圖10 CFRP筋直徑與設計承載力的關系圖11 CFRP筋直徑與臨界錨固長度的關系

圖12徑向壓應力與承載力的關系圖13徑向壓應力與臨界錨固長度的關系

當界面設計徑向壓應力在0～160 MPa范圍內，且徑向壓應力一定時，通過公式(3)與公式(4)可算得實際工程中不同直徑CFRP筋黏結型錨具所需的臨界錨固長度。當CFRP筋直徑一定時，不同設計徑向壓應力大小對應的臨界錨固長度也可求得。

5 結 論

本文通過對CFRP筋黏結型錨具內部力學行為和極限承載力進行分析，并對該錨固體系進行拉拔試驗，定性分析黏結型錨具錨固性能影響因素后可得如下結論：

(1)錨具黏結界面最大殘余黏結力隨界面徑向壓應力的增加基本呈線性增長，對于微壓紋表面形式的CFRP筋和環氧樹脂膠LTM，當界面徑向壓應力為160 MPa時，其殘余黏結力可達到21.1 MPa。

(2)利用本文錨具承載力和臨界錨固長度評估模型可對CFRP筋黏結型錨具的設計承載力和臨界錨固長度進行評估。對于常用直徑10 mm的微壓紋CFRP筋，當設計錨固安全系數為1.5時，所需的臨界錨固長度為427 mm。

(3)錨具設計承載力和臨界錨固長度與CFRP筋直徑和徑向壓應力大小有關。臨界錨固長度隨CFRP筋直徑增加線性增加，而隨徑向壓應力增加而逐漸減小。