田 川 馬 佩 賀建濤

(1.北京建筑大學(xué)工程結(jié)構(gòu)與新材料北京市高等學(xué)校工程研究中心，北京 100044； 2.華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

?

·建筑材料及應(yīng)用·

填充材料對粘結(jié)型錨具錨固性能影響分析★

田 川1馬 佩2賀建濤1

(1.北京建筑大學(xué)工程結(jié)構(gòu)與新材料北京市高等學(xué)校工程研究中心，北京 100044； 2.華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，介紹了目前新型錨具的主要類型，分析了粘結(jié)型錨具的錨固原理，通過張拉試驗(yàn)，對比了使用樹脂和微膨脹水泥作為填充材料的直筒式粘結(jié)型錨具的錨固性能，結(jié)果表明，以微膨脹水泥作為填充材料的粘結(jié)型錨具錨固性能較好。

CFRP，粘結(jié)型錨具，錨固性能

0 引言

懸索橋與斜拉橋?yàn)槟壳按罂鐝綐蛄旱膬煞N主要形式，隨著橋梁向更大跨度的方向發(fā)展，傳統(tǒng)鋼索易腐蝕、承載效率低等問題逐漸顯現(xiàn)，成為制約橋梁發(fā)展的重要因素之一。針對傳統(tǒng)拉索材料的缺陷，國內(nèi)外學(xué)者提出使用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼索。相對于傳統(tǒng)鋼制預(yù)應(yīng)力拉索，CFRP筋具有抗拉強(qiáng)度高，自重輕，抗疲勞，耐腐蝕，熱膨脹系數(shù)低，應(yīng)力—應(yīng)變曲線呈線性分布，減震性能好等優(yōu)點(diǎn)[1-5]。但由于其抗剪強(qiáng)度較低，導(dǎo)致無法使用傳統(tǒng)夾片式錨具進(jìn)行錨固，否則CFRP筋將會被傳統(tǒng)錨具夾傷，使錨固區(qū)過早失效。為了開發(fā)出適用于CFRP筋的新型錨具，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。日本學(xué)者通過對新型錨具的研究，于1990年建造了第一座采用CFRP筋為拉索的斜拉橋[6]；呂志濤等針對CFRP拉索研制出套筒粘結(jié)型錨具，于江蘇大學(xué)建成我國第一座CFRP索斜拉橋[7，8]。目前已研發(fā)完成適用于CFRP筋的錨具從受力原理上可分為夾具型錨具、粘結(jié)型錨具和復(fù)合型錨具三類，其中粘結(jié)型錨具類似于鋼筋混凝土的受力原理，通過粘結(jié)力、摩擦力和機(jī)械咬合力來傳遞剪力，避免了由于CFRP筋抗剪強(qiáng)度低被錨具夾傷的現(xiàn)象[9]。影響粘結(jié)型套筒工作性能的主要因素有：套筒內(nèi)徑、套筒壁厚和填充材料。其中填充材料在錨具中起到傳力的作用，是粘結(jié)型錨具錨固性能的重要保障。本文分別選用樹脂和水泥作為填充材料，比較兩種材料在應(yīng)用于粘結(jié)型錨具中的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 粘結(jié)式錨具理論分析

CFRP筋粘結(jié)式錨具的粘結(jié)強(qiáng)度取決于膠體的粘結(jié)力、膠體與CFRP筋材的摩擦力以及二者之間的機(jī)械咬合力，所以膠體的性能直接決定錨具的錨固性能。不同膠材在凝固時會發(fā)生收縮或膨脹，粘結(jié)式錨具的填充材料應(yīng)盡量選用凝固時發(fā)生膨脹的膠材，這種填充材料在膨脹時會對筋材產(chǎn)生較大的橫向壓力，可以有效提高膠材與CFRP筋材之間的靜摩擦力，進(jìn)而提高錨具的錨固性能。

一般來說，膠體和筋材之間的粘結(jié)力與粘結(jié)長度呈線性關(guān)系，通過拔出試驗(yàn)得到的粘結(jié)強(qiáng)度表達(dá)式為：

(1)

其中，T為拉拔力；d為CFRP直徑；l為粘結(jié)長度。

由于填充材料凝固后發(fā)生膨脹，導(dǎo)致膠體與筋材之間的粘結(jié)強(qiáng)度增強(qiáng)，則錨固體系的總承載能力為：

T=UL×(τ+μP)

(2)

其中，τ為筋材與膠體之間的粘結(jié)強(qiáng)度;P為膠體凝固發(fā)生膨脹對筋材產(chǎn)生的橫向壓力;μ為膠體與筋材之間的靜摩擦系數(shù);L為膠體長度;U為筋材的計算周長。

本文中粘結(jié)型錨具的錨固性能通過錨具靜載錨固效率系數(shù)判斷，錨具效率系數(shù)：

(3)

其中，F(xiàn)TU為實(shí)測極限荷載；Fcu為理論極限荷載。

粘結(jié)型錨具的實(shí)測極限荷載主要取決于錨具的破壞形式。當(dāng)破壞形式為筋材被拔出時，極限荷載是指錨具破壞時的最大拉拔力；當(dāng)破壞形式為筋材劈裂破壞時，極限荷載是指筋材的破壞荷載。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試件設(shè)計

試驗(yàn)采用廠家提供，外形螺旋交叉纏絲，名義直徑7.9 mm的CFRP筋。試驗(yàn)所得的拉伸力學(xué)性能實(shí)測值如下：極限抗拉強(qiáng)度平均值2 566 MPa，彈性模量平均值152 GPa。金屬筒為無縫鋼管，屈服強(qiáng)度為240 MPa，極限強(qiáng)度為400 MPa，試驗(yàn)中金屬筒長度為450 mm，厚度為3 mm；粘結(jié)材料采用樹脂和微膨脹水泥，樹脂灌膠養(yǎng)護(hù)7 d，微膨脹水泥養(yǎng)護(hù)18 d，試驗(yàn)中膠體厚度為2 mm；錨具形式為直筒式。直筒式粘結(jié)型錨具結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及加載程序

張拉設(shè)備采用穿心式千斤頂，張拉時采用振弦式測力計測量其張拉力，試驗(yàn)設(shè)備如圖2所示。

在CFRP筋材表面和金屬筒表面粘貼應(yīng)變片測試各根筋材及金屬筒的應(yīng)力，采用手持應(yīng)變儀測量CFRP筋材的彈性模量和伸長量。試驗(yàn)中采用分級加載，加載速率為300 MPa/min～400 MPa/min，約達(dá)到CFRP筋材張拉控制應(yīng)力的10%后持荷5 min，待數(shù)值穩(wěn)定，記錄數(shù)據(jù)，之后荷載每增加10%均采用相同方法觀測記錄。荷載達(dá)到80%后，每5%記錄一組數(shù)據(jù)，直至張拉破壞。

3 試驗(yàn)結(jié)果

CFRP直筒式粘結(jié)型錨具靜載錨固性能試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 CFRP直筒式粘結(jié)型錨具靜載錨固性能試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，單根筋材進(jìn)行張拉試驗(yàn)過程中，當(dāng)膠材與筋材的粘結(jié)長度為200 mm時，采用微膨脹水泥作為填充材料的粘結(jié)型錨具的破壞形式為筋材破壞，滿足設(shè)計要求；采用樹脂作為填充材料的粘結(jié)型錨具的破壞形式為鋼筋被拔出，不能滿足設(shè)計要求；粘結(jié)長度達(dá)到250 mm時，兩種膠材作為填充材料的粘結(jié)型錨具的破壞形態(tài)均為筋材破壞，滿足設(shè)計要求；對11孔以及16孔錨具進(jìn)行張拉時，以微膨脹水泥作為填充材料的錨具性能略高于以樹脂作為填充材料的錨具性能。

4 結(jié)語

粘結(jié)材料的性能對粘結(jié)型錨具的錨固性能影響較大。其中，膠材凝固發(fā)生膨脹將增大膠材與筋材之間的橫向應(yīng)力，從而增加二者間的靜摩擦力，對錨固性能起到重要作用；單根筋材進(jìn)行張拉試驗(yàn)過程中，當(dāng)膠材與筋材的粘結(jié)長度為200 mm時，采用微膨脹水泥作為填充材料的粘結(jié)型錨具的破壞形式為筋材破壞，滿足設(shè)計要求；采用樹脂作為填充材料的粘結(jié)型錨具的破壞形式為鋼筋被拔出，不能滿足設(shè)計要求；粘結(jié)長度達(dá)到250 mm時，兩種膠材作為填充材料的粘結(jié)型錨具的破壞形態(tài)均為筋材破壞，滿足設(shè)計要求；對11孔以及16孔錨具進(jìn)行張拉時，以微膨脹水泥作為填充材料的錨具性能略高于以樹脂作為填充材料的錨具性能。

[1] MUFTI A A. FRPs and FOSs Lead to Innovation in Canadian Civil Engineering Structures[J]. Construction and Building Materials，2003，17(6/7):379-387.

[2] 葉列平，馮 鵬.FRP在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用與發(fā)展[J].土木工程學(xué)報，2006，39(3):24-36.

[3] HOLLAWAY L C.A Review of the Present and Future Utilisation of FRP Composites in the Civil Infrastructure with Reference to Their Important In-service Properties[J].Construction and Building Materials，2010，24(12):2419-2455.

[4] 楊慶生.復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)力學(xué)與設(shè)計[M].北京:中國鐵道出版社，2000.

[5] 周先雁,王蘭彩.碳纖維復(fù)合材料(CFRP)在土木工程中的應(yīng)用綜述[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2007(5):26-32.

[6] 韋達(dá)潔.碳纖維拉索斜拉橋非線性分析[D].長沙：湖南大學(xué),2005.

[7] 梅葵花，呂志濤，張繼文.CFRP斜拉索錨具的靜載試驗(yàn)研究[J].橋梁建設(shè)，2005(4):20-23.

[8] 呂志濤,梅葵花.國內(nèi)首座CFRP索斜拉橋的研究[J].土木工程學(xué)報,2007(1):54-59.

[9] 周兆鵬,李 飛,趙啟林.FRP筋粘結(jié)型錨具研究進(jìn)展[J].工業(yè)建筑,2011(S1):663-666.

Analysis of the influence of filling material to anchorage performance of the bond-type anchors★

Tian Chuan1Ma Pei2He Jiantao1

(1.BeijingHigherInstitutionEngineeringResearchCenterofStructuralEngineeringandNewMaterials,BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture,Beijing100044,China; 2.SchoolofCivilEngineeringandMechanics,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)

Combining with the research at home and abroad, the main types of anchor are introduced and the anchoring principle of the bond-type anchor is analyzed. The anchorage performance of straight bond-type anchors using resin as filling material and the one using low-grade cement are compared by tension test.

Carbon Fiber Reinforced Polymer， bond-type anchor， anchorage performance

1009-6825(2016)10-0094-02

2016-01-23★：本研究由北京建筑大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)與管理產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合研究生培養(yǎng)基地資助

田 川(1988- )，男，在讀碩士; 馬 佩(1993- )，女，在讀碩士; 賀建濤(1989- )，男，在讀碩士

TU502

A