新型CFRP索股錨固體系設(shè)計及試驗研究

摘" 要" 為改善CFRP索股錨固體系的錨固性能及CFRP索股受力不均問題，研制了錨具內(nèi)壁面帶凹槽的CFRP索股錨固體系，對其進行了試驗測試，分析了錨固體系破壞模式、荷載-位移、錨固效率、CFRP索股應(yīng)變變化規(guī)律，通過應(yīng)力變異系數(shù)評估了錨具內(nèi)壁面凹槽設(shè)置和預(yù)張拉對CFRP索股應(yīng)力不均勻改善的效果。研究結(jié)果表明，錨具內(nèi)壁面設(shè)置凹槽和對CFRP索股進行預(yù)張拉能夠提高錨固體系的錨固效率，錨固效率可達99%以上；試驗觀察到CFRP索股存在受力不均現(xiàn)象，引起CFRP索股受力不均的原因主要與CFRP索股長度不一致和粘結(jié)介質(zhì)的剪切變形相關(guān)；通過在錨具內(nèi)壁面設(shè)置凹槽和對CFRP索股進行預(yù)張拉能夠改善錨固體系CFRP索股的應(yīng)力不均程度，錨具內(nèi)壁面凹槽深度為2 mm、間距為5 mm，預(yù)緊力為10%名義極限荷載時，錨固體系在自由段中點和加載端處的平均應(yīng)力變異系數(shù)分別降低了7.16%、3.86%。

關(guān)鍵詞" CFRP索股錨固體系， 錨固性能， 靜載試驗， 破壞模式， 應(yīng)力不均勻

收稿日期： 2024-05-04

基金項目： 國家自然科學(xué)基金項目（51878488）；江西省交通運輸廳科技項目（2024ZG002，2023H0008）

作者簡介： 賈麗君（1967-），女，副教授，主要研究方向為橋梁結(jié)構(gòu)理論和結(jié)構(gòu)體系以及CFRP橋梁關(guān)鍵技術(shù)與特性。E-mail：jialj@tongji.edu.cn

* 聯(lián)系作者： 裴輝騰（1989-），男，博士研究生，主要從事預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)研究。E-mail： 2180098@tongji.edu.cn

Design and Experimental Research on Novel CFRP Wire Strand Anchoring System

JIA Lijun1" ZHANG Wenchao1" XU Liping1" PEI Huiteng1，2，*

（1.Department of Bridge Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， China； 2.Jiangxi Communication Design and Research Institute Co.， Ltd.， Nanchang 330052， China）

Abstract" To enhance the anchoring performance and address uneven stress distribution in CFRP tendons within anchoring systems， this study developed an anchoring system with grooved inner walls for CFRP tendons. Experimental tests were conducted to analyze failure modes， load-displacement relationships， anchoring efficiency， and CFRP tendon strain variations. The effects of grooved inner walls and pre-tensioning on improving the uneven stress distribution of CFRP tendons were assessed using the stress variation coefficient. The results demonstrate that grooved inner walls and pre-tensioning of CFRP tendons can significantly improve the anchoring efficiency of the system， achieving efficiencies exceeding 99%. Experimental observations identified uneven stress distribution in CFRP tendons， primarily attributed to variations in tendon length and shear deformation of the bonding medium. Implementing grooved inner walls and pre-tensioning of CFRP tendons effectively mitigated stress unevenness in the anchoring system. Specifically， with grooves at a depth of 2 mm and spaced 5 mm apart， and a pre-tensioning force of 10% of the nominal ultimate load， the average stress variation coefficient at the midpoint and loading end of the free segment of the anchoring system decreased by 7.16% and 3.86%， respectively.

Keywords" CFRP wire strand anchoring system， anchoring performance， static load test， failure mode， uneven stress

0" 引" 言

大跨度、超大跨度橋梁的建設(shè)使鋼纜自重較大的缺點變得突出［1］。此外，在纜索承重橋中，長期處于高應(yīng)力狀態(tài)的鋼纜由于較差的腐蝕、疲勞性能，面臨著耐久性問題［2］。碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）具有輕質(zhì)、高強、耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)良性能，將其應(yīng)用在纜索承重橋中有著廣闊的應(yīng)用前景［3］。

雖然CFRP的優(yōu)點可以有效解決橋梁跨徑增大帶來的問題，但CFRP橫向受力性能差，在應(yīng)用過程中存在突出的錨固問題［4］。因此，CFRP的有效錨固是目前一項重大挑戰(zhàn)。為了更有效地利用CFRP的拉伸性能，研究人員提出了不同類型的CFRP錨具，主要包括機械夾持型錨具、粘結(jié)型錨具、復(fù)合型錨具［5-7］。粘結(jié)型錨具由于能充分發(fā)揮CFRP筋的抗拉強度，國內(nèi)外學(xué)者研制了各種粘結(jié)型錨具。目前CFRP粘結(jié)型錨具設(shè)計主要以內(nèi)錐形為主，錨具內(nèi)錐形設(shè)計不僅能利用粘結(jié)介質(zhì)的粘結(jié)力來錨固CFRP筋，還能通過內(nèi)壁的楔形面產(chǎn)生擠壓應(yīng)力，顯著增強錨固效果。然而，CFRP筋對剪切作用較為敏感，內(nèi)錐型錨具雖然通過增大徑向擠壓力提高了承載力，但易在加載端產(chǎn)生過大的徑向壓應(yīng)力導(dǎo)致CFRP筋損傷［8］。

CFRP筋錨具的設(shè)計原則是避免在錨固區(qū)域產(chǎn)生過大或突變的徑向應(yīng)力。為了解決這一問題，研究人員開發(fā)了兩類典型的優(yōu)化錨具，包括開發(fā)縱向變剛度粘結(jié)介質(zhì)和避免加載端錨固內(nèi)錐的錨具［9-10］。前者通過分段澆筑不同彈性模量的粘結(jié)介質(zhì)，實現(xiàn)了錨具內(nèi)部徑向應(yīng)力的均勻分布，但其制作及組裝程序復(fù)雜，施工難度較高。后者通過在內(nèi)錐小孔處增加直筒段，以降低錨具加載端處的應(yīng)力集中，雖然內(nèi)錐+直筒型錨具相比內(nèi)錐型錨具降低了錨具端口的應(yīng)力峰值，但在直筒與內(nèi)錐變截面處出現(xiàn)了應(yīng)力峰值。為了改善錨具內(nèi)部CFRP索股的應(yīng)力分布，本研究團隊提出了一種內(nèi)錐+圓弧+直筒型的三段式錨固體系，三段式結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要目的是使錨具內(nèi)壁面沿錨固長度方向連續(xù)變化，以使CFRP索股受到的徑向應(yīng)力沿錨固長度方向均勻分布，同時也避免錨具內(nèi)部因突變截面產(chǎn)生應(yīng)力集中［11］。

此外，相比于單根CFRP筋錨具，多筋CFRP錨具的受力狀態(tài)更為復(fù)雜。鄧年春等［12］對7絲粘結(jié)型錨具進行靜載拉伸試驗時發(fā)現(xiàn)，CFRP筋之間存在不均勻受力，且CFRP筋受力不均會導(dǎo)致部分CFRP先破壞，引起錨固體系整體提前失效。Fang等［13］對9絲CFRP錨固體系進行了靜載拉伸試驗，也發(fā)現(xiàn)了CFRP筋之間存在受力不均勻，受力不均勻會導(dǎo)致錨固體系的承載能力降低。Zhou等［14］對采用變剛度粘結(jié)介質(zhì)的錨固體系進行了試驗研究和有限元分析，結(jié)果顯示錨固區(qū)CFRP筋間存在不均勻的軸向拉伸應(yīng)力，且在錨具的加載端容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。課題組前期對大噸位CFRP索股錨固體系有限元分析和靜載試驗時也觀察到了CFRP索股應(yīng)力不均的現(xiàn)象［11］。

為改善錨固體系CFRP索股的受力，本文在前期設(shè)計的三段式CFRP索股錨固體系基礎(chǔ)上，研制了錨具內(nèi)壁面帶凹槽的新型CFRP索股錨固體系，首先對研制的錨固體系試件進行靜載試驗，分析了錨固體系破壞模式、荷載-位移、錨固效率變化規(guī)律，探明了錨固區(qū)CFRP索股應(yīng)力分布情況，最后通過應(yīng)力變異系數(shù)評估了錨具內(nèi)壁面凹槽設(shè)置和CFRP索股預(yù)張拉對錨固體系應(yīng)力不均勻改善的效果，為CFRP索股錨固體系在實際工程中的應(yīng)用提供參考。

1" 新型錨固體系設(shè)計

1.1 錨固體系構(gòu)造

為了改善錨固體系CFRP索股應(yīng)力不均勻和提高錨固體系的錨固性能，本文在前期設(shè)計的內(nèi)錐+圓弧+直筒型三段式錨固體系的基礎(chǔ)上通過在錨具內(nèi)壁面設(shè)置V形凹槽對錨固體系進行改進，三段式設(shè)計的主要目的是使錨具內(nèi)壁面沿錨固長度方向連續(xù)變化，以使CFRP索股受到的徑向應(yīng)力沿錨固長度方向均勻分布，V形凹槽的設(shè)計是為了增大粘結(jié)介質(zhì)-鋼套筒界面的摩擦系數(shù)減小粘結(jié)介質(zhì)的楔入量，改善CFRP索股的應(yīng)力分布。CFRP索股錨固體系由鋼套筒、粘結(jié)介質(zhì)、CFRP筋、限位螺母、端蓋板和灌膠孔組成，如圖1所示。

錨固體系尺寸參數(shù)如圖2（a）所示，l1為錨具內(nèi)錐段，l2為圓弧段，l3為直筒段，D1為加載端內(nèi)徑，D2為自由端內(nèi)徑。圖2（b）展示了錨具的橫截面，dc為單根CFRP筋直徑，ds為CFRP筋凈距，de為加載端處最外層CFRP筋圓心至套筒內(nèi)邊緣距離，R為圓弧段曲率半徑，θ為內(nèi)錐角。圖2（c）展示了錨具內(nèi)壁面凹槽的形式，△h為凹槽深度，△s為凹槽間距。三段式錨固體系參數(shù)可由式（1）計算得到，同時為了研究凹槽參數(shù)對錨固性能的影響規(guī)律，在凹槽深度為2 mm的基礎(chǔ)上，設(shè)計了凹槽間距分別為5 mm、10 mm、15 mm的3根錨固體系試件，各項參數(shù)的設(shè)計取值如表1所示。

（1）

1.2 錨固體系組裝件

本研究中使用的是采用拉擠工藝制造的CFRP筋，CFRP筋直徑為5 mm，如圖3（a）所示。在制作多筋CFRP錨固體系試件之前，對CFRP筋進行了拉伸性能測試。錨固體系的粘結(jié)介質(zhì)采用了性能穩(wěn)定的喜利得RE-100HC環(huán)氧樹脂，如圖3（b）所示，粘結(jié)介質(zhì)性能滿足規(guī)范GB 50728—2011要求的I類粘結(jié)介質(zhì)A級性能標準［15］。錨固體系組件的材料性能參數(shù)如表2所示。

圖4展示了組裝后的錨固體系試件，試件總長度為4 200 mm，其中錨固區(qū)長度為400 mm、自由段長度為3 400 mm。圖5展示了錨固體系試件組裝過程，首先通過CFRP筋定位板將CFRP筋按照六邊形排布方式安裝至標記位置，然后在CFRP筋表面粘貼應(yīng)變片，連接應(yīng)變片導(dǎo)線。第二步將CFRP筋從錨具加載端穿入，自由端穿出，同時從自由端整理出應(yīng)變片導(dǎo)線，然后將CFRP筋與錨具兩端對齊，固定端蓋板，對CFRP索股進行預(yù)張拉，預(yù)緊力為10%的名義極限荷載Fcu，其中MT1試件為對照組未施加預(yù)緊力。第三步使用電動膠槍從錨具灌膠口灌注環(huán)氧樹脂，直至錨具灌膠口環(huán)氧樹脂溢出。灌膠后試件進行72 h室溫養(yǎng)護，養(yǎng)護結(jié)束后試件制作完成。

2" 錨固體系試驗

2.1 張拉裝置

采用如圖6所示的張拉裝置進行測試，千斤頂最大量程為5 800 kN，最大張拉行程為200 mm。錨固體系試件一端錨具通過限位裝置固定在剛支撐架上，另一端錨具固定在與千斤頂相連的可移動支撐架上。試件的位移測量采用型號為NS-WY06的拉線磁吸式位移計，應(yīng)變采用型號為DH3820的靜態(tài)應(yīng)變測試采集系統(tǒng)。錨固體系CFRP索股縱向應(yīng)變測點布置如圖7所示。應(yīng)變編號方式為X-Y，X為應(yīng)變測點位置，范圍是S1～S4；Y為CFRP筋編號，范圍是1～7，僅對角線上的1～3號CFRP筋布置應(yīng)變片。

2.2 CFRP索股錨固體系測試方案

采用勻速加載方案，首先對錨固體系施加5%的名義極限荷載Fcu消除張拉裝置與錨固體系試件之間的縫隙，使試件達到預(yù)定位置；然后正式張拉，加載方式為逐級加載，按10%的極限荷載逐級增加直至極限荷載，當試件發(fā)生界面滑移、多根CFRP筋脆性斷裂、多根CFRP筋局部絲束剝裂時停止加載試驗結(jié)束，張拉過程的時間-荷載曲線如圖8所示。

3" 試驗結(jié)果和討論

3.1 錨固體系失效模式

在靜載拉伸試驗中，錨固體系局部破壞發(fā)生于加載時程后期。在荷載接近峰值前，即可聽見“噼啪”狀響聲，最終錨固體系破壞形式表現(xiàn)為自由段CFRP索股整體破斷，伴隨有CFRP索股拉斷的巨響，同時在加載裝置上有大量纖維爆開的絲狀物。圖9展示了試件最終的破壞形式，可以看出張拉端與固定端CFRP索股出現(xiàn)了CFRP筋局部剝裂、根部脆斷、絲狀炸裂的形狀。從錨固體系自由段也可以看出部分CFRP筋在中間段炸裂為絲狀。根據(jù)加載過程中CFRP索股斷裂聲音的判斷，認為錨固體系的破壞從CFRP筋局部剝裂最先發(fā)生，部分CFRP筋先破壞導(dǎo)致了CFRP索股應(yīng)力進一步集中，最終導(dǎo)致錨固體系整體失效。此外，試件MT4在張拉端出現(xiàn)了最外層1根CFRP筋滑移，相比于其他3根試件MT4試件的錨具內(nèi)壁面凹槽間距最小，這表明MT4試件的粘結(jié)介質(zhì)與鋼套筒之間的摩擦系數(shù)最大，過大的摩擦系數(shù)限制了粘結(jié)介質(zhì)相對鋼套筒的滑動，進而降低了粘結(jié)介質(zhì)對CFRP索股的握裹力，導(dǎo)致了部分CFRP筋的滑移。

3.2 荷載-位移和錨固效率分析

圖10為錨固體系試件的荷載-位移曲線，可以看出荷載-位移曲線近似呈線性變化。4根錨固體系試件的極限荷載分別為306.2 kN、310.2 kN、324.5 kN和352.8 kN，這表明對CFRP索股進行預(yù)張拉和錨具內(nèi)壁面凹痕的設(shè)置提高了錨固體系的錨固性能，且隨著內(nèi)壁面凹痕間距的減小，錨固體系極限承載力的提升更為明顯。此外，試件MT1曲線在上升過程中出現(xiàn)了明顯波動，這表明在加載過程中粘結(jié)介質(zhì)與鋼套筒內(nèi)壁面發(fā)生了相對滑動，這是由于MT1試件鋼套筒內(nèi)壁面未做凹痕處理，粘結(jié)介質(zhì)與鋼套筒接觸面相比其他試件更為光滑，接觸面的摩擦力相對較小，導(dǎo)致了粘結(jié)介質(zhì)相對于鋼套筒的滑移。

錨固效率是評價錨固體系整體錨固性能的重要參數(shù)，規(guī)范GB/T 35156—2017要求纖維增強復(fù)合材料筋用錨具的靜載錨固效率η不低于95%［16］，η可由下式計算：

（2）

式中：Ftu為CFRP索股錨固體系試驗測試極限承載力；Fcu為CFRP索股名義極限承載力；n為CFRP筋根數(shù)；為單根CFRP筋橫截面面積；為CFRP筋抗拉強度。

由表2 CFRP筋的抗拉強度實測值2 287 MPa，計算出CFRP索股名義極限承載力Fcu為314.3 kN。表3為由式（2）計算出的4根試件的錨固效率，可以看出試件的錨固效率均在95%以上，這表明設(shè)計的錨固體系能夠?qū)FRP索股進行可靠的錨固，同時也可以看出改進后的錨固效率達到了99%以上，且隨著錨具內(nèi)壁面凹槽間距的減小，錨固效率在增加。

3.3 自由段荷載-應(yīng)變分析

圖11為錨固體系試件自由段中點內(nèi)外層CFRP筋荷載-應(yīng)變曲線，可以看出荷載-應(yīng)變基本呈線性變化，這與CFRP材料的線彈性特征相符。同時也可以看出在低荷載的情況下，內(nèi)外層CFRP筋應(yīng)變變化可以維持較好的一致性，但隨著荷載的增加，CFRP筋應(yīng)變逐漸分離，內(nèi)層CFRP筋應(yīng)變大于外層CFRP筋應(yīng)變，自由段CFRP筋呈現(xiàn)出受力不均勻性。此外，對比4根錨固體系試件可以看出MT2、MT3、MT4相比MT1試件自由段內(nèi)外層CFRP筋的應(yīng)變偏差明顯降低，這表明錨具內(nèi)壁面凹槽設(shè)置和CFRP索股的預(yù)張拉能夠改善錨固體系自由段CFRP索股軸向拉伸應(yīng)變的不均勻。

3.4 錨固區(qū)荷載-應(yīng)變分析

進一步對錨固區(qū)CFRP筋荷載-應(yīng)變進行分析，圖12可以看出錨固區(qū)加載端位置內(nèi)外層CFRP筋的應(yīng)變峰值也不一致，這表明錨固區(qū)內(nèi)外層CFRP筋受力也不均勻。造成CFRP筋受力不均的原因可能有兩點：第一個因素是錨固體系在組裝的過程中可能出現(xiàn)了安裝誤差，CFRP筋自由段長度不一致，導(dǎo)致CFRP筋受力不同步；第二個因素可能與錨固體系粘結(jié)介質(zhì)在外荷載的作用下的剪切變形相關(guān)。內(nèi)層CFRP筋被6根相同的CFRP筋包裹，粘結(jié)介質(zhì)的厚度從加載端到自由端保持一致為3 mm，而外層CFRP筋僅有3根相同的CFRP筋包裹，其余區(qū)域被粘結(jié)介質(zhì)所填充，粘結(jié)介質(zhì)從加載端到自由端的厚度為7.1～19 mm。因此，在軸向拉力作用下粘結(jié)介質(zhì)的剪切變形對內(nèi)外層CFRP筋的限制效應(yīng)不同，最終引起了內(nèi)外層CFRP筋的變形不同。此外，對比MT1與MT2、MT3、MT4試件可以看出，通過在錨具內(nèi)壁面設(shè)置凹槽和對CFRP索股進行預(yù)張拉，可以明顯降低內(nèi)外層CFRP筋的軸向拉伸應(yīng)變差，減小安裝誤差和粘結(jié)介質(zhì)剪切變形帶來的影響。

3.5 錨固體系CFRP索股受力不均勻性分析

為了量化錨固體系CFRP索股在荷載作用下的受力不均勻程度，以內(nèi)外層CFRP筋應(yīng)力變異系數(shù)的大小來表征CFRP索股受力不均勻的程度。圖13（a）為試件自由段中點內(nèi)外層CFRP筋在0.1Fcu至Ftu十級荷載作用下的變異系數(shù)曲線，試件MT1、MT2、MT3、MT4在自由段的應(yīng)力變異系數(shù)平均值分別為10.70%、5.41%、4.89%、3.54%，可以看出MT2、MT3、MT4試件的平均應(yīng)力變異系數(shù)相比MT1明顯下降。圖13（b）為試件加載端處內(nèi)外層CFRP筋的應(yīng)力變異系數(shù)曲線，試件MT1、MT2、MT3、MT4在加載端的應(yīng)力變異系數(shù)平均值分別為6.80%、5.67%、3.21%、2.94%，這表明通過在錨具內(nèi)壁面設(shè)置凹槽和對CFRP索股進行預(yù)張拉能夠改善錨固體系CFRP索股筋材間的應(yīng)力不均勻，這是因為錨固體系在軸向拉力的作用下加載端處的粘結(jié)介質(zhì)呈“外凸面”，對CFRP筋進行預(yù)張拉后，灌膠后CFRP筋回縮并給粘結(jié)介質(zhì)施加壓應(yīng)力，在此作用下粘結(jié)介質(zhì)可以在加載前形成“內(nèi)凹面”，從而改善粘結(jié)介質(zhì)剪切變形造成的CFRP筋不均勻受力，而錨具內(nèi)壁面設(shè)置凹槽增大了粘結(jié)介質(zhì)與鋼套筒接觸面的摩擦力，這使粘結(jié)介質(zhì)的滑移量降低，進一步降低了粘結(jié)介質(zhì)變形引起的CFRP索股受力不均。

4" 結(jié)" 論

本文在前期設(shè)計的三段式CFRP索股錨固體系的基礎(chǔ)上進一步對錨固體系進行改進，并通過靜載試驗對改進后錨固體系的錨固性能和CFRP索股受力進行了研究，得出結(jié)論如下：

（1） 三段式CFRP索股錨固體系的失效模式為自由段CFRP索股的整體破斷，靜載錨固效率系數(shù)達到97%，具有良好的錨固性能，而在三段式CFRP索股錨固體系的錨具內(nèi)壁面設(shè)置凹槽和對CFRP索股進行預(yù)張拉能夠進一步提高錨固體系的錨固效率，凹槽深度為2 mm、間距為5 mm時，錨固體系的錨固效率可達112%，改進后的錨固體系錨固效率提高了15%。

（2） 錨固體系CFRP索股內(nèi)外層應(yīng)變發(fā)展表明，CFRP索股在自由段和錨固區(qū)存在受力不均行為，分析表明造成CFRP索股受力不均的原因主要與CFRP索股長度不一致和粘結(jié)介質(zhì)的剪切變形相關(guān)。前者是由于安裝誤差造成，后者是由于內(nèi)外層CFRP筋包裹的粘結(jié)介質(zhì)厚度不同導(dǎo)致，在軸向拉力作用下粘結(jié)介質(zhì)的剪切變形對內(nèi)外層CFRP筋的限制效應(yīng)不同，引起了內(nèi)外層CFRP筋的變形不同。

（3） 錨固體系CFRP索股的預(yù)張拉和錨具內(nèi)壁面凹槽設(shè)置改善了錨固體系CFRP索股的應(yīng)力不均程度，試件MT4相比MT1在自由段中點和加載端處的平均應(yīng)力變異系數(shù)分別降低了7.16%、3.86%。預(yù)張拉減小了CFRP索股安裝誤差且通過CFRP筋回縮在加載端處使粘結(jié)介質(zhì)形成“內(nèi)凹面”改善了粘結(jié)介質(zhì)剪切變形造成的CFRP筋不均勻受力，錨具內(nèi)壁面凹槽設(shè)置增大了粘結(jié)介質(zhì)與鋼套筒接觸面的摩擦力降低了粘結(jié)介質(zhì)變形引起的CFRP索股受力不均。

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