锚固碳纤维布的楔块锚具开发

王存江

(河北冀通路桥建设有限公司)

1 引 言

近十年来,用“纤维增强聚合物”(FRP)加固混凝土梁的板房越来越普遍,其中大部分是采用碳纤维(CFRP)复合材料。与粘贴钢板相比,它有着显著的优点:高抗腐蚀能力、重量轻、抗拉强度高、抗疲劳性能好。它的缺点是价格贵、弹性模量低、横向强度低。

工程实践中,在混凝土上粘贴CFRP的方法已被人们接受,但用预应CFRP加固梁则很少应用。这是因为,制造锚固系统很复杂,能承受的拉力太小。这里提出了一种经济、有效、简易可行的锚固方法。

采用楔锚(XM锚)来锚固钢绞线的办法已非常习惯。因此,应首先考虑采用这种锚固体系的可能性。楔锚具有工地安装方便、对钢绞线的下料长度要求低、材料造价低、可以重复利用等优点。在长期研究中,模仿钢绞线的锚固系统,制成了锚固 CFRP条的楔块锚。

2 现有的CFRP锚固体系

CFRP的锚固方式可分为:冷铸式、楔片式和二者结合的形式。如果在锚固位置有充足的空间,常采用较长尺寸的冷铸锚。如悬索桥和斜拉桥中的拉索,它可以承受极大的拉力。

制作冷铸锚时,首先对CFRP表面进行压痕、糙化处理,然后将它装入内腔带有斜度的钢套筒内,再对钢套筒进行环氧砂浆(铁砂)浇铸。这样,CFRP条被环氧砂浆紧紧握裹,砂浆自身呈椎体,越拉越紧,不会拔脱。冷铸锚的制做过程较为复杂,但它是在工厂内完成,工地安装并不复杂。

除冷铸锚外,就是最常见的楔块(夹片)锚。锚具的楔块在张拉时会给受拉件以侧向压力,不让它脱出,楔块自身为椎体,越拉越紧地固定在锚环中。楔块锚可分为三种类型:(1)冷铸和夹片相结合:CFRP被浇铸在钢管内,钢管用夹片锚固之;(2)夹层锚具:在楔块和被拉件之间设置一薄层低弹性模量材料(如低弹模金属套筒)它可以粘在锚具上或 CFRP上;(3)直接锚固 CFRP。

3 先期的楔块锚

先期研制的楔块锚如图 1所示,由楔块和锚环两部分组成。形状大体上与锚固钢绞线的XM锚相似,楔块和锚环都是钢制的。当CFRP受拉后,首先把力传给楔块,再由楔块传给锚环。在张拉时,由于楔块在内壁带有斜面的锚环内滑动,便对 CFRP施加了横向压力。横向压力的介入大大增加了CFRP和楔块之间的摩擦力。楔块跟进一段距离后(通常3～4mm),CFRP便被锚固。施加给 CFRP的侧压力的大小与张拉力、楔块的角度以及界面上的摩擦系数有关。

最危险的情况往往发生在 CFRP和楔块的界面上。在这个界面上CFRP不但存在着压应力,还存在着剪应力,而且它们的分布极不均匀,越向楔块顶部,应力越大,直至局部应力超过CFRP的强度极限而破坏。

4 改进后的楔块锚

如前所述,由于 CFRP所受的侧压力和剪力过大,且集中在楔块尖部,致使锚固失败。所以,应设法改善CFRP界面上的应力分布,降低应力峰值才会提高锚固效率。

改进后的楔块有两部分组成:一是环氧树脂楔块,二是钢制楔块,见图 2。最内层的楔块是由环氧树脂制成,它的厚度从顶部到尾部逐渐减薄。环氧树脂的弹性模量低,比钢材软。由于顶部有了较厚的环氧层,减低了该区段的横向刚度,从而改善了 CFRP条的应力分布状况,降低了该区段的应力峰值,见图 1。

图 1 先期楔块锚具的侧应力和剪应力图

在楔块的两组分界面上(环氧—钢)可能产生很大的应力,为避免早期破坏,可以把它们粘结在一起。同时,为进一步改善力的传递,还可以把接触面做成锯齿状。这样,这个“环氧—钢”界面就能比光面接触承受更大的荷载,可以把它们看做是一个整体的楔块。

从图 2中可以看出,侧压力图形呈单调变化,从顶端到尾端逐渐增加,这与图 1中的尖锐状应力分布完全相反。新的楔块锚具完全消除了在顶端区域的应力峰值。这种理想的应力分布归功于楔块横向刚度的改进。横向刚度主要取决于环氧层的厚度比和与钢材的弹性模量比(厚度比 =h顶/h尾;弹模比 =E钢/E环氧)。通过对这两个比值的调整来获得不同的应力比(σ尾/σ顶),从而取得最好的锚固效果。

图2 新型楔块锚具的侧应力和剪应力

5 结 论

(1)试验结果表明,新型楔块锚能安全有效的将 CFRP条锚固,使CFRP达到其规定的张拉力。在用 1.2mm厚,50 mm宽的 CFRP条做试验时,其锚固效率达到 100%,也就是说,当CFRP达到其极限强度后,CFRP均未从锚具中拔出。

(2)楔块用两种材料(环氧树脂和钢材)组合而成,大大改善了 CFRP侧压力的分布,完全消除了先期锚具曾出现的应力集中现象。

(3)在楔块和 CFRP之间没有使用粘结剂,只靠它们之间的摩擦力就足以完成锚固任务,从而节省了粘结剂的待强时间。

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