大直徑碳纖維筋錨固技術(shù)及試驗研究

覃巍巍，龐忠華，沈揚波，牙向飛，陳 立，鄧敏杰，黃華甫，方 達

（柳州歐維姆機械股份有限公司，廣西 柳州 545000）

橋梁的鋼制拉索普遍存在腐蝕疲勞損傷，嚴重威脅橋梁安全和壽命。碳纖維復合筋拉索（Carbon fiber reinforced polymer，CFRP cable）具有輕質(zhì)、高強和耐腐蝕優(yōu)點，可廣泛應用于橋梁結(jié)構(gòu)。但CFRP筋為各向異性材料，抗壓和抗剪性能較差，導致CFRP拉索的錨固極其困難[1]。

受原材料成本制約，現(xiàn)階段碳纖維筋依然難以與傳統(tǒng)鋼絞線競爭，但對橋梁整個生命周期成本進行評價，考慮橋梁后期的檢測和維護費用，碳纖維筋比鋼絞線在成本上則具有較大優(yōu)勢，尤其在跨徑大的懸索橋上，輕質(zhì)的碳纖維筋拉索比自重大的鋼索優(yōu)勢更加明顯，且在巖錨的應用上，碳纖維筋錨索較傳統(tǒng)的鋼絞線錨索具有更優(yōu)異的耐腐蝕性。

為解決大直徑碳纖維筋的錨固技術(shù)難題，本文對Φ12預應力碳纖維筋的單孔、多孔錨固技術(shù)進行研究及相關(guān)試驗，為碳纖維筋拉索應用打下基礎(chǔ)。

1 碳纖維筋的錨固方式

1.1 粘結(jié)式錨固

錨具內(nèi)部填充環(huán)氧樹脂、無機砂漿等粘結(jié)材料進行錨固，待其固化后即可完成錨固。錨固面粘結(jié)力的實質(zhì)為剪切作用力，主要由化學膠結(jié)力、摩阻力、機械嚙合作用力構(gòu)成[2]，如圖1所示。該方式的優(yōu)點是對碳纖維筋不容易造成損傷；缺點是若粘結(jié)材料流動性不足，則灌注比較困難，易導致灌注不密實，影響錨固性能，并且通常需要較長的錨具粘結(jié)長度來確保碳纖維筋與粘結(jié)介質(zhì)不發(fā)生滑移。

圖1 粘結(jié)式錨固示意圖

1.2 夾片式錨固

夾片式錨具主要依靠金屬夾片與CFRP筋表面的正應力（握裹力）和剪應力（摩擦力）形成錨固體系[3]。該方式的優(yōu)點是依賴錐形夾片與錨杯產(chǎn)生的擠壓力夾持筋材，施工便捷；缺點是對于橫觀各向同性的碳纖維筋，在錨固過程中因局部的應力集中發(fā)生早期斷裂破壞，不能充分發(fā)揮碳纖維筋的高強度，如圖2所示。

圖2 夾片式錨固示意圖

1.3 擠壓式錨固

通過擠壓變形進行錨固，即擠壓套筒錨具[4]通過將套筒頂推過直徑略小的模具，借助套筒徑向形變產(chǎn)生的擠壓作用，實現(xiàn)對碳纖維筋的錨固，如圖3所示。該方式的優(yōu)點是采用了延展性好的金屬材料作為擠壓套管，使其在錨固套的擠壓過程中起到了過渡層的作用，避免了擠壓力對碳纖維筋造成損傷，擠壓完后套管和碳纖維筋緊密契合，提高了套管和碳纖維筋的界面剪切強度，保證了錨具對碳纖維筋的有效夾持；缺點是對材料要求較高，制造工藝復雜（錨固套外徑加大，錨固套加長導致擠壓時容易變形、彎曲），錨固技術(shù)難度高。

圖3 擠壓式錨固示意圖

1.4 復合式錨固

應用以上3種錨固方式根據(jù)技術(shù)要求進行組合錨固，在灌注黏結(jié)劑前，利用夾片式錨固原理結(jié)合粘結(jié)錨固組合結(jié)構(gòu)對CFRP進行張拉錨固，如圖4所示。綜合夾片式單根夾持特點和粘接端整體錨固的特性，保證錨固的可靠性，確保成索后各CFRP筋應力的均勻性。

圖4 復合式錨固示意圖

2 大直徑（Φ12）碳纖維筋錨固技術(shù)研究

為解決大直徑（≥Φ12）碳纖維筋的錨固問題，本文采用復合式錨固技術(shù)，即對于單根Φ12碳纖維筋采用粘結(jié)與擠壓式相結(jié)合的方式進行錨固，對于多根Φ12碳纖維筋則在單孔錨固單元的基礎(chǔ)上，又增加UHPC（超高性能混凝土）作為錨杯內(nèi)部的灌漿填充材料，對錨固單元進行充分握裹及防護，從而形成多層級復合式錨固，可有效提高碳纖維筋錨索的可靠性及耐久性，最終研制出OVM12-1及OVM12-5碳纖維筋錨具。

2.1 Φ12碳纖維筋單孔錨固單元

OVM12-1單孔錨固單元主要由如下材料組成：Φ12碳纖維筋，錨固套，膠黏劑。其中單根Φ12碳纖維筋的主要技術(shù)性能為公稱截面積113.1 mm2，抗拉強度2 500 MPa，公稱破斷力282.8 kN，如圖5所示。

圖5 單孔錨固單元

2.2 Φ12碳纖維筋多孔錨索

OVM12-5多孔錨索主要由如下材料組成：5根Φ12碳纖維筋錨固單元，錨索主要技術(shù)性能為公稱截面積565.5 mm2，抗拉強度2 500 MPa，公稱破斷力1 414 kN，如圖6所示。

圖6 錨索組成示意圖

錨索錨杯內(nèi)部的灌漿料采用常溫型UHPC，是OVM公司開發(fā)的一種超高性能水泥基材料，具有超高強、超早強、自密實、高耐久性、高韌性和低孔隙率等性能，利用超高性能混凝土代替普通水泥砂漿作為粘結(jié)介質(zhì)填充錨筒，具有更高的抗壓強度與耐久性，使錨固區(qū)碳纖維筋受力更合理，避免其過早受損而提前破壞，使設計強度得到充分發(fā)揮。

3 大直徑（Φ12）碳纖維筋試驗研究

3.1 Φ12碳纖維筋單孔錨固單元試驗

本文參照GB/T 14370—2015《預應力筋用錨具、夾具和連接器》、GB/T 26743—2011《結(jié)構(gòu)工程用纖維增強復合材料筋》、GB 50608—2020《纖維增強復合材料工程應用技術(shù)標準》等標準并高于標準要求對OVM12-1碳纖維筋單孔錨固單元進行嚴格的靜載、疲勞試驗對比。

3.1.1 錨固單元靜載錨固試驗

將OVM12-1碳纖維筋單孔錨具組裝件與夾具、拉伸試驗機配套安裝，如圖7所示，按標準規(guī)定速度分級加載至碳纖維筋公稱極限抗拉力的80%，按標準規(guī)定速度緩慢加載至碳纖維筋破壞，觀察碳纖維筋及錨具組裝件的情況，試驗過程中記錄碳纖維筋的受力長度、相對位移、組裝件的實測抗拉力等數(shù)據(jù)記錄。

圖7 單孔錨固單元靜載試驗示意圖

試驗結(jié)論：當加載力達到碳纖維筋公稱極限抗拉力的80%時（226.3 kN），持荷30 min，碳纖維筋及錨具無異常、無滑移且無異響；破斷時碳纖維筋從中部發(fā)散破壞，筋材與錨具無滑移，錨具無塑性變形或碎裂。可證明OVM12-1碳纖維筋單孔錨具在采用2 500 MPa級別的高強度碳纖維筋且保壓力、保壓時間均高于標準要求的情況下，碳纖維筋單孔錨具靜載錨固試驗結(jié)果均滿足表1標準要求。

表1 Φ12碳纖維筋單孔錨固單元靜載錨固試驗技術(shù)要求及數(shù)據(jù)

3.1.2 錨固單元疲勞荷載試驗

在采用2 500 MPa級別的高強度碳纖維筋且提高應力上限、應力幅及疲勞試驗后增加進行靜載錨固試驗的情況下，經(jīng)200萬次循環(huán)荷載后，錨具零件無疲勞破壞，碳纖維筋無滑移且未發(fā)生疲勞破壞，3組疲勞試驗后的靜載試驗的錨具效率系數(shù)分別為0.98、0.99、0.99，試驗結(jié)果均滿足標準要求。試驗數(shù)據(jù)對比見表2。

表2 Φ12碳纖維筋單孔錨固單元疲勞荷載試驗技術(shù)要求及數(shù)據(jù)

3.2 Φ12碳纖維筋多孔錨索試驗

3.2.1 多孔錨索靜載錨固試驗

碳纖維筋拉索靜載性能與拉索服役安全性密切相關(guān)，研究內(nèi)容涉及極限錨固性能、粘結(jié)損傷評定及索體應力均勻性等。相關(guān)研究一般基于橋梁拉索測試規(guī)范，通過逐級單調(diào)加載或循環(huán)加載的方式，對所研發(fā)錨固體系性能進行評定。

逐級單調(diào)加載用于研究錨固體系的極限性能，是靜載性能研究的核心。錨固體系的極限性能可通過錨具效率系數(shù)[5]進行對比，反映錨固體系對CFRP筋束的錨固損傷程度。

解決Φ12碳纖維筋單孔錨固單元的錨固問題后，本文對由錨固單元與UHPC灌漿料組合式錨固的5孔OVM12-5錨索進行相關(guān)試驗研究，具體試驗過程見表3和圖8所示。

表3 5孔Φ12碳纖維筋錨索靜載錨固試驗數(shù)據(jù)

圖8 5孔Φ12碳纖維筋錨索靜載錨固試驗

試驗結(jié)果表明，采用2500MPa級別的復合式錨固的5孔OVM12-5碳纖維筋錨索具有極高的錨具效率系數(shù)，完全滿足標準要求。

3.2.2 多孔錨索疲勞荷載試驗

現(xiàn)階段對CFRP材料疲勞損傷的試驗研究，主要通過監(jiān)測疲勞試驗中CFRP材料微觀、宏觀損傷狀態(tài)參數(shù)的變化趨勢或?qū)Ρ绕谇昂髶p傷狀態(tài)參數(shù)的變化程度，實現(xiàn)對CFRP材料損傷狀態(tài)的定量描述[6]。

本文研究的拉索的疲勞試驗步驟與單孔錨固單元參照的GB/T 14370—2015要求的試驗步驟一致，具體試驗過程見表4。

表4 5孔Φ12碳纖維筋錨索疲勞荷載試驗技術(shù)要求及數(shù)據(jù)

試驗結(jié)果表明，采用2 500 MPa級別的復合式錨固的5孔OVM12-5碳纖維筋錨索經(jīng)200萬次循環(huán)荷載后，錨具零件無疲勞破壞，碳纖維筋無滑移且未發(fā)生疲勞破壞，3組疲勞試驗后繼續(xù)進行靜載試驗：試驗力分別加載到1 415.7 kN、1 414.9 kN、1 416.2 kN，保壓30 min無異常后卸載（未繼續(xù)加載至破斷），錨具效率系數(shù)3組均為1.00，完全滿足標準要求，充分證明該復合錨固體系的穩(wěn)定性及可靠性。

4 結(jié)論

針對大直徑（≥Φ12）碳纖維筋單根及多根的錨固難題，本文采用粘結(jié)式與擠壓式相結(jié)合的復合式、多層級錨固方式，設計了相應的錨具組裝件，研究了相關(guān)錨固工藝，按標準要求并高于標準要求進行了靜載錨固試驗、疲勞荷載試驗，試驗結(jié)果表明，該錨固技術(shù)具有較高的錨固可靠性及穩(wěn)定性，具備很高的推廣應用價值。