陳雅云

(福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院　福建福州　350002)

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新型碳纖維布錨具的研究應(yīng)用

陳雅云

(福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院福建福州350002)

為了解決普通碳纖維布加固鋼筋混凝土構(gòu)件的缺陷，提高碳纖維布的強(qiáng)度利用率，針對(duì)工程需要研制出一套簡(jiǎn)單輕便、造價(jià)合理的新型碳纖維布錨具。文章詳細(xì)介紹了試驗(yàn)的材料性能、試驗(yàn)裝置、錨具錨固碳纖維布的具體操作步驟和錨具的構(gòu)造特點(diǎn)。通過(guò)多次對(duì)碳纖維布錨具的夾持能力進(jìn)行張拉試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)新型錨具可以使碳纖維布發(fā)揮出80%的強(qiáng)度，滿足實(shí)際工程的需要。

碳纖維布；錨具；研究

0　引言

與其他鋼筋混凝土構(gòu)件加固方式相比，利用普通碳纖維(carbon fiber reinforced plastic 以下簡(jiǎn)稱CFRP)布加固具有耐腐蝕、方便施工、強(qiáng)度高、重量輕等優(yōu)勢(shì)，這使得CFRP布在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展[1]。但是從目前的研究成果中發(fā)現(xiàn)，普通CFRP布加固鋼筋混凝土構(gòu)件雖然具有上述優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在一些不足：

(1)在正常的受力狀態(tài)下，普通CFRP布加固鋼筋混凝土構(gòu)件，CFRP布的強(qiáng)度利用率不高[2]。

(2)普通CFRP布加固鋼筋混凝土構(gòu)件，碳纖維布很容易發(fā)生早期破壞，如端部剝離破壞或有裂縫引起的剝離破壞等，這使得加固效果大大降低。

(3)普通碳纖維布的加固對(duì)于已有一定損傷的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷恢復(fù)不會(huì)有很大的幫助，而且加固效果還會(huì)受到加固后二次受力的影響[3]。

為了解決普通碳纖維布的缺陷，可以利用碳纖維布錨具張拉裝置以形成碳纖維布-混凝土構(gòu)件的體外預(yù)應(yīng)力體系。該預(yù)應(yīng)力體系不僅能提高碳纖維布的強(qiáng)度利用率，還能平衡掉一部分荷載效應(yīng)，同時(shí)對(duì)已有損傷的結(jié)構(gòu)起到恢復(fù)作用，而預(yù)應(yīng)力碳纖維布的良好加固效果的實(shí)現(xiàn)，需要一套錨固效果良好的碳纖維布錨具。碳纖維布的張拉錨固在實(shí)際工程中是一個(gè)較難解決的問(wèn)題，因?yàn)樘祭w維布的材料特點(diǎn)是抗擠壓能力差，各向異性，抗剪強(qiáng)度不高。通過(guò)分析已有的研究成果發(fā)現(xiàn)，目前市面上已有的碳纖維布張拉錨固體系具有以下不足之處：尺寸較大，造價(jià)較高，施工工藝復(fù)雜，可靠性不高。這使得碳纖維布錨固體系在實(shí)際工程中的應(yīng)用較少。

通過(guò)分析已有的研究成果，目前碳纖維布錨固系統(tǒng)需要解決的問(wèn)題有：

(1)碳纖維布錨具應(yīng)具有足夠的夾持能力，保證在使用過(guò)程中，不會(huì)出現(xiàn)錨固不足導(dǎo)致碳纖維布從錨具中滑移出來(lái)的現(xiàn)象。

(2)錨具操作簡(jiǎn)單，方便施工，輕巧方便，造價(jià)合理。

本文從錨固原理出發(fā)，研究并開(kāi)發(fā)出一套新型的碳纖維布夾具，為以后進(jìn)一步的預(yù)應(yīng)力碳纖維布錨固系統(tǒng)的研發(fā)做準(zhǔn)備。

1　錨具系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1錨具系統(tǒng)的材料

碳纖維布錨具鋼材為Q345，高強(qiáng)度螺栓為10.9級(jí)，其物理力學(xué)性能為表1和表2所示。

表1　鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值　N / m2

表2　螺栓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值　N / m2

CFRP布采用高強(qiáng)度一級(jí)布，規(guī)格為：寬度×厚度=100mm×0.167mm，其物理力學(xué)性能為：E=2.3×105MPa,ftk=2 100MPa。試驗(yàn)粘貼材料采用TH-RESIN 型膠，其膠體性能符合結(jié)構(gòu)加固規(guī)范相應(yīng)規(guī)定。

1.2錨具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

碳纖維布錨具M(jìn)J是由鋼材經(jīng)線切割加工而成，其主要由上波形柱體、下波形柱體以及鎖定裝置等組成，如圖1所示。新型錨具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：兩個(gè)波形柱體的凹凸剛好吻合，且兩者之間留有0.2mm的縫隙，用來(lái)夾住CFRP布。

圖1　碳纖維布錨具M(jìn)J組件實(shí)例照片

碳纖維布錨具主要依靠幾根高強(qiáng)度螺栓來(lái)壓緊和鎖定CFRP布，組裝完整的碳纖維布錨具系統(tǒng)，如圖2所示。錨具兩側(cè)留有安裝高強(qiáng)度螺栓的鉆孔，用來(lái)加強(qiáng)整個(gè)碳纖維布錨具的緊固效果。

圖2　夾具錨MJ實(shí)例照片

組裝錨具系統(tǒng)前，先要把碳纖維布的兩端(長(zhǎng)度約200mm)均勻地涂抹上環(huán)氧樹(shù)脂，自然養(yǎng)生8h，待加固膠有了一定的硬化程度后，將碳纖維布夾持于上、下波形柱體之間，并將碳纖維布沿圓柱體纏繞數(shù)圈，然后在鉆孔位置安裝并鎖定高強(qiáng)度螺栓，最后，通過(guò)對(duì)螺栓施加一定的壓力使兩波形柱體更緊密地結(jié)合在一起，加強(qiáng)CFRP布的夾持效果。

2　張拉試驗(yàn)

本文主要對(duì)CFRP布錨具的夾持能力進(jìn)行了初步的試驗(yàn)研究，其他影響因素，因條件受限暫時(shí)不予考慮。

2.1試驗(yàn)裝置

碳纖維布采用高強(qiáng)度Ⅰ級(jí)布。張拉試驗(yàn)設(shè)備采用INSTRON材料實(shí)驗(yàn)機(jī)，錨具系統(tǒng)所受到的張拉力通過(guò)電腦記錄，保證了試驗(yàn)精度。將安裝完整的碳纖維布錨具設(shè)備固定在材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上，荷載從零開(kāi)始逐漸單調(diào)遞增，直到錨具所夾持的碳纖維布發(fā)生破壞。

2.2試驗(yàn)原理

碳纖維布錨具系統(tǒng)是利用各材料之間的摩擦力，螺栓所提供的緊固力和粘膠的膠結(jié)力來(lái)夾持和固定碳纖維布片材。兩波形柱體與碳纖維布的接觸面為曲面，既增大了兩者之間的接觸面，也通過(guò)錨具的彎曲效應(yīng)加強(qiáng)了摩擦力效應(yīng)。同時(shí)，碳纖維布在錨具外部纏繞數(shù)圈，不僅加強(qiáng)了三大內(nèi)力(即緊固力，摩擦力和膠結(jié)力)，也使錨具夾持碳纖維布的效果更好。由于在整個(gè)受力過(guò)程中，該錨具不會(huì)對(duì)碳纖維布產(chǎn)生橫向剪切力，這也保證了抗剪能力不好的碳纖維布在試驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)被夾斷。

為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，以僅由上波形柱體和下波形柱體組成的夾具為例闡述其力學(xué)模型，如圖3所示，整個(gè)錨具所受到的橫向壓力主要來(lái)自螺栓裝置和錨具外圍纏繞的CFRP布。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，碳纖維布承受的荷載有：材料設(shè)備提供的張拉力，粘膠的膠結(jié)力，碳纖維布與錨具之間的摩擦力和碳纖維布纏繞在錨具外圍所產(chǎn)生的側(cè)向緊固力。

圖3　碳纖維布錨具的工作原理圖

2.3試驗(yàn)操作步驟

(1)對(duì)CFRP布夾具的上、下波形柱體進(jìn)行除銹、除垢、打磨等表面處理。

(2)把碳纖維布的兩端(長(zhǎng)度約200mm)均勻地涂抹上環(huán)氧樹(shù)脂，自然養(yǎng)生8h以后，待加固膠有了一定的硬化程度以后，將CFRP布對(duì)中、夾持于上、下波形柱體之間，并沿圓柱體纏繞數(shù)圈。目的是為了增大碳纖維布與夾具之間的摩擦力和粘結(jié)力，從而提高錨具夾持碳纖維布的能力。組裝完整的碳纖維布錨具系統(tǒng)，如圖4所示。因?yàn)樘祭w維布錨具系統(tǒng)是以CFRP布為張拉對(duì)象，但CFRP布張拉受力過(guò)程中，很容易產(chǎn)生受力不均勻的現(xiàn)象，所以在夾持CFRP布時(shí)必須仔細(xì)定位，確保對(duì)中精度。然后在鉆孔位置安裝并鎖定高強(qiáng)度螺栓，通過(guò)對(duì)螺栓施加一定的壓力使兩波形柱體更緊密地結(jié)合在一起，加強(qiáng)CFRP布的夾持效果。

圖4　CFRP布夾具錨系統(tǒng)

(3)在張拉實(shí)驗(yàn)機(jī)上，對(duì)CFRP布錨具系統(tǒng)進(jìn)行張拉試驗(yàn)，如圖5所示。先進(jìn)行預(yù)張拉，待碳纖維布夾具之間的CFRP布繃緊后，INSTRON材料實(shí)驗(yàn)機(jī)開(kāi)始采數(shù)并實(shí)施第二次張拉，直到錨具所夾持的碳纖維布發(fā)生破壞。

圖5　碳纖維布錨具系統(tǒng)張拉試驗(yàn)

2.4試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果，如圖6所示，本試驗(yàn)的碳纖維布錨具可實(shí)現(xiàn)的最大拉力約為28kN。張拉實(shí)驗(yàn)機(jī)的荷載從零開(kāi)始逐漸單調(diào)遞增，當(dāng)錨具的張拉力達(dá)到23 kN時(shí)，碳纖維布開(kāi)始出現(xiàn)斷裂縫，碳纖維布的裂縫隨著荷載的增大而增多，但碳纖維布并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的破壞跡象。基于試驗(yàn)安全的角度考慮，當(dāng)荷載達(dá)到30kN左右終止試驗(yàn)的繼續(xù)。在整個(gè)張拉試驗(yàn)中，碳纖維布并沒(méi)有出現(xiàn)滑移，其最大張拉應(yīng)力為1 700MPa，碳纖維布發(fā)揮了80%的強(qiáng)度，滿足實(shí)際工程的需要，試驗(yàn)也達(dá)到了預(yù)設(shè)目標(biāo)。

圖6　試驗(yàn)結(jié)果

3　結(jié)論

新型碳纖維布錨具M(jìn)J的設(shè)計(jì)經(jīng)歷了一個(gè)不斷摸索的過(guò)程，錨具M(jìn)J的弧形粘結(jié)面提高了碳纖維布錨具的張拉力，使得錨具的張拉力得到了較大的提高，碳纖維布發(fā)揮出80%的強(qiáng)度。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在張拉力和其他性能方面，MJ錨具系統(tǒng)很好地達(dá)到了CFRP布預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)對(duì)錨具的基本要求，為以后預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。但MJ錨具系統(tǒng)仍存在一些不足，比如在施工工藝上還有一些缺陷，希望在以后的研究中能繼續(xù)研究開(kāi)發(fā)出更輕巧便捷、更合理的碳纖維布張拉錨具系統(tǒng)。

[1]于清. FRP的特點(diǎn)及其在土木工程中的應(yīng)用[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，33(6)：26-30.

[2]歐陽(yáng)煌，黃奕輝，錢在茲，等. 玻璃纖維片材加固混凝土梁的抗彎性能研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2002， 35(3)：1-6.

[3]王文煒，趙國(guó)藩，黃承逢，等. CFRP布加固已承受荷載的鋼筋混凝土梁抗彎性能實(shí)驗(yàn)研究及抗彎承載力計(jì)算[J].工程力學(xué)，2004，21(4)：172-178.

Research of a New CFRP Anchorage

CHEN Yayun

(College of Traffic and Civil Engineering, Fujian Agriculture And Forestry University,Fuzhou 350002)

To solve the fault of RC component strengthened with carbon fiber reinforced plastic (CFRP) sheets, to improve the rate of utilization of strength of CFRP sheets, a new CFRP anchorage which is simple, portable, economical and practical is developed according to engineering needs. The thesis introduces the characteristic of materials, the experimental device, the experimental procedure and the structural feature of the anchorage. By the anchorage-tension system, the test result indicates that the new anchorage makes the CFRP diplay eighty percent of strength, which is satisfied the needs of the engineering.

CFRP；Anchorage；Research

福建省教育廳B類項(xiàng)目(JB12085)資助

陳雅云(1984.12-)，女，講師。

E-mail:601702022@qq.com

2016-04-26

TU377

A

1004-6135(2016)08-0054-03