錨固碳纖維布的楔塊錨具開發(fā)

王存江

(河北冀通路橋建設(shè)有限公司)

1 引 言

近十年來,用“纖維增強(qiáng)聚合物”(FRP)加固混凝土梁的板房越來越普遍,其中大部分是采用碳纖維(CFRP)復(fù)合材料。與粘貼鋼板相比,它有著顯著的優(yōu)點(diǎn):高抗腐蝕能力、重量輕、抗拉強(qiáng)度高、抗疲勞性能好。它的缺點(diǎn)是價(jià)格貴、彈性模量低、橫向強(qiáng)度低。

工程實(shí)踐中,在混凝土上粘貼CFRP的方法已被人們接受,但用預(yù)應(yīng)CFRP加固梁則很少應(yīng)用。這是因?yàn)?制造錨固系統(tǒng)很復(fù)雜,能承受的拉力太小。這里提出了一種經(jīng)濟(jì)、有效、簡易可行的錨固方法。

采用楔錨(XM錨)來錨固鋼絞線的辦法已非常習(xí)慣。因此,應(yīng)首先考慮采用這種錨固體系的可能性。楔錨具有工地安裝方便、對(duì)鋼絞線的下料長度要求低、材料造價(jià)低、可以重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)。在長期研究中,模仿鋼絞線的錨固系統(tǒng),制成了錨固 CFRP條的楔塊錨。

2 現(xiàn)有的CFRP錨固體系

CFRP的錨固方式可分為:冷鑄式、楔片式和二者結(jié)合的形式。如果在錨固位置有充足的空間,常采用較長尺寸的冷鑄錨。如懸索橋和斜拉橋中的拉索,它可以承受極大的拉力。

制作冷鑄錨時(shí),首先對(duì)CFRP表面進(jìn)行壓痕、糙化處理,然后將它裝入內(nèi)腔帶有斜度的鋼套筒內(nèi),再對(duì)鋼套筒進(jìn)行環(huán)氧砂漿(鐵砂)澆鑄。這樣,CFRP條被環(huán)氧砂漿緊緊握裹,砂漿自身呈椎體,越拉越緊,不會(huì)拔脫。冷鑄錨的制做過程較為復(fù)雜,但它是在工廠內(nèi)完成,工地安裝并不復(fù)雜。

除冷鑄錨外,就是最常見的楔塊(夾片)錨。錨具的楔塊在張拉時(shí)會(huì)給受拉件以側(cè)向壓力,不讓它脫出,楔塊自身為椎體,越拉越緊地固定在錨環(huán)中。楔塊錨可分為三種類型:(1)冷鑄和夾片相結(jié)合:CFRP被澆鑄在鋼管內(nèi),鋼管用夾片錨固之;(2)夾層錨具:在楔塊和被拉件之間設(shè)置一薄層低彈性模量材料(如低彈模金屬套筒)它可以粘在錨具上或 CFRP上;(3)直接錨固 CFRP。

3 先期的楔塊錨

先期研制的楔塊錨如圖 1所示,由楔塊和錨環(huán)兩部分組成。形狀大體上與錨固鋼絞線的XM錨相似,楔塊和錨環(huán)都是鋼制的。當(dāng)CFRP受拉后,首先把力傳給楔塊,再由楔塊傳給錨環(huán)。在張拉時(shí),由于楔塊在內(nèi)壁帶有斜面的錨環(huán)內(nèi)滑動(dòng),便對(duì) CFRP施加了橫向壓力。橫向壓力的介入大大增加了CFRP和楔塊之間的摩擦力。楔塊跟進(jìn)一段距離后(通常3～4mm),CFRP便被錨固。施加給 CFRP的側(cè)壓力的大小與張拉力、楔塊的角度以及界面上的摩擦系數(shù)有關(guān)。

最危險(xiǎn)的情況往往發(fā)生在 CFRP和楔塊的界面上。在這個(gè)界面上CFRP不但存在著壓應(yīng)力,還存在著剪應(yīng)力,而且它們的分布極不均勻,越向楔塊頂部,應(yīng)力越大,直至局部應(yīng)力超過CFRP的強(qiáng)度極限而破壞。

4 改進(jìn)后的楔塊錨

如前所述,由于 CFRP所受的側(cè)壓力和剪力過大,且集中在楔塊尖部,致使錨固失敗。所以,應(yīng)設(shè)法改善CFRP界面上的應(yīng)力分布,降低應(yīng)力峰值才會(huì)提高錨固效率。

改進(jìn)后的楔塊有兩部分組成:一是環(huán)氧樹脂楔塊,二是鋼制楔塊,見圖 2。最內(nèi)層的楔塊是由環(huán)氧樹脂制成,它的厚度從頂部到尾部逐漸減薄。環(huán)氧樹脂的彈性模量低,比鋼材軟。由于頂部有了較厚的環(huán)氧層,減低了該區(qū)段的橫向剛度,從而改善了 CFRP條的應(yīng)力分布狀況,降低了該區(qū)段的應(yīng)力峰值,見圖 1。

圖 1 先期楔塊錨具的側(cè)應(yīng)力和剪應(yīng)力圖

在楔塊的兩組分界面上(環(huán)氧—鋼)可能產(chǎn)生很大的應(yīng)力,為避免早期破壞,可以把它們粘結(jié)在一起。同時(shí),為進(jìn)一步改善力的傳遞,還可以把接觸面做成鋸齒狀。這樣,這個(gè)“環(huán)氧—鋼”界面就能比光面接觸承受更大的荷載,可以把它們看做是一個(gè)整體的楔塊。

從圖 2中可以看出,側(cè)壓力圖形呈單調(diào)變化,從頂端到尾端逐漸增加,這與圖 1中的尖銳狀應(yīng)力分布完全相反。新的楔塊錨具完全消除了在頂端區(qū)域的應(yīng)力峰值。這種理想的應(yīng)力分布?xì)w功于楔塊橫向剛度的改進(jìn)。橫向剛度主要取決于環(huán)氧層的厚度比和與鋼材的彈性模量比(厚度比 =h頂/h尾;彈模比 =E鋼/E環(huán)氧)。通過對(duì)這兩個(gè)比值的調(diào)整來獲得不同的應(yīng)力比(σ尾/σ頂),從而取得最好的錨固效果。

圖2 新型楔塊錨具的側(cè)應(yīng)力和剪應(yīng)力

5 結(jié) 論

(1)試驗(yàn)結(jié)果表明,新型楔塊錨能安全有效的將 CFRP條錨固,使CFRP達(dá)到其規(guī)定的張拉力。在用 1.2mm厚,50 mm寬的 CFRP條做試驗(yàn)時(shí),其錨固效率達(dá)到 100%,也就是說,當(dāng)CFRP達(dá)到其極限強(qiáng)度后,CFRP均未從錨具中拔出。

(2)楔塊用兩種材料(環(huán)氧樹脂和鋼材)組合而成,大大改善了 CFRP側(cè)壓力的分布,完全消除了先期錨具曾出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(3)在楔塊和 CFRP之間沒有使用粘結(jié)劑,只靠它們之間的摩擦力就足以完成錨固任務(wù),從而節(jié)省了粘結(jié)劑的待強(qiáng)時(shí)間。

[1]中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn).碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[M].北京:中國技術(shù)出版社,2003.

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