李承高,郭 瑞,黃翔宇,辛美音,咸貴軍

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程災(zāi)變與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150090;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150090;3.中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司,上海 200540)

由于材料老化、環(huán)境腐蝕、設(shè)計(jì)施工不當(dāng)、使用功能變更及自然或人為因素等原因?qū)е陆▏?guó)初期建造的橋梁逐漸成為病橋、危橋,嚴(yán)重影響橋梁結(jié)構(gòu)的使用與安全[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)通車(chē)公路上現(xiàn)有橋梁接近70萬(wàn)座,其中10萬(wàn)余座橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)腐蝕、損傷等,導(dǎo)致其成為病危橋[2]。為延長(zhǎng)橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命,提高其服役性能,迫切需要對(duì)這些橋梁進(jìn)行修復(fù)與加固[3-4]。

傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)修復(fù)和加固方法主要采用鋼板加固,但存在施工困難、工期長(zhǎng)、抗腐蝕性與耐久性差等缺點(diǎn),無(wú)法有效地延續(xù)被加固橋梁結(jié)構(gòu)的服役壽命[5]。相比之下,碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料(carbon fiber reinforced polymer composite, CFRP)板材具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、耐疲勞和易施工等優(yōu)勢(shì)而逐漸被應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域,如混凝土或鋼結(jié)構(gòu)的加固修復(fù)[6-7]。CFRP板材外粘貼技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型橋梁加固技術(shù),根據(jù)其受力特點(diǎn)可分為普通外粘加固技術(shù)和預(yù)應(yīng)力外粘加固技術(shù)[8-11]。普通外粘加固技術(shù)一般采用樹(shù)脂膠黏劑將CFRP板材粘貼至混凝土構(gòu)件表面(如梁、板和柱等),在受力過(guò)程中CFRP板材與混凝土構(gòu)件共同承受外荷載,屬于被動(dòng)加固方式。由于CFRP板材的彈性模量低于鋼筋的,而其拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)高于鋼筋的,當(dāng)鋼筋屈服時(shí)CFRP板材可發(fā)揮的拉伸強(qiáng)度較低,加固結(jié)構(gòu)的破壞模式一般為CFRP板材/混凝土構(gòu)件界面剝離,從而造成材料浪費(fèi)與加固效率低。與普通外粘加固技術(shù)相比,預(yù)應(yīng)力外粘加固技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì):①充分利用CFRP板材的拉伸性能;②通過(guò)抑制或延遲裂紋形成而顯著提升被加固結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。

預(yù)應(yīng)力CFRP板材外粘加固橋梁結(jié)構(gòu)需解決的關(guān)鍵技術(shù)是CFRP板材的可靠錨固,這是由于CFRP板材具有較低的抗壓與抗剪強(qiáng)度,傳統(tǒng)用于鋼筋的錨固方法(如力學(xué)擠壓錨固)易在錨固區(qū)發(fā)生CFRP板材的剪切/擠壓損傷,導(dǎo)致錨固失效[12-14]。目前,關(guān)于CFRP板材的錨固形式主要包括波形錨具、楔形錨具和平板錨具等。波形錨具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、經(jīng)濟(jì)性好、可靠度高等優(yōu)勢(shì)。范小三[15]研究采用波形錨具夾持CFRP板材的端部效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn),CFRP板材端部應(yīng)力分布不均勻,根據(jù)最大應(yīng)力準(zhǔn)則可預(yù)測(cè)CFRP板材的破壞首先出現(xiàn)在端部區(qū)域內(nèi)。盧莎莎[16]研究鉸式波形錨具錨固CFRP板材預(yù)應(yīng)力加固混凝土箱梁的承載性能時(shí)發(fā)現(xiàn),加固后箱梁結(jié)構(gòu)剛度提升顯著,內(nèi)力分布更加均勻,結(jié)構(gòu)整體承載力顯著提升。但是波形錨具形狀復(fù)雜,對(duì)其加工精度有嚴(yán)格要求,增加了錨具的加工成本。當(dāng)錨固系統(tǒng)處于長(zhǎng)期動(dòng)靜荷載作用下,曲率較大的CFRP板材由于反復(fù)擠壓及剪切作用易發(fā)生損傷甚至失效。此外,波形錨具和CFRP板材間存在縫隙,在潮濕環(huán)境下水分子或其他液態(tài)物質(zhì)會(huì)沿此縫隙進(jìn)入錨具內(nèi)部腐蝕波形板,引起錨固失效。

楔形錨具通過(guò)在錨體內(nèi)設(shè)置楔形孔,同時(shí)在楔形孔內(nèi)配置上下兩片楔形夾片,當(dāng)夾片夾緊CFRP板材后與楔形孔配合錨固CFRP板材。陳紅川[17]研究預(yù)應(yīng)力碳纖維板材楔形夾片式錨具的受力性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，碳纖維板的滑移量較大,引起預(yù)應(yīng)力損失較多,可通過(guò)在楔形夾片與碳纖維板的接觸面上增加刻痕或噴砂處理增大楔形夾片與碳纖維板間的摩擦力;靜載試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),碳纖維板中部從錨具前端被拉出,發(fā)生劈裂破壞,這是由于在錨具組裝及張拉階段受力不均勻,對(duì)碳纖維板的夾持力不夠。羅仕剛等[18]針對(duì)碳纖維板材錨固過(guò)程易產(chǎn)生滑移問(wèn)題,開(kāi)發(fā)了一種基于角度差異理論的楔形錨具,分析了其錨固機(jī)制,結(jié)果發(fā)現(xiàn)該楔形錨具錨固碳纖維板材的抗拉強(qiáng)度高達(dá)2.9 GPa。而楔形錨具由于上下楔板合錐度較大,在大頭端通孔內(nèi)易造成錨體尾端變形,同時(shí)這種變形隨板材寬度和預(yù)應(yīng)力增大而增大,導(dǎo)致錨固效率低。

平板錨具系統(tǒng)主要由上、下兩塊夾板、錨固螺栓和黏結(jié)樹(shù)脂等組成。表面均勻涂有黏結(jié)樹(shù)脂的CFRP板材通過(guò)螺栓固定到上、下兩塊夾板中,通過(guò)樹(shù)脂和夾板間摩擦力以及錨固螺栓貫穿CFRP板材提供錨固承載力。儲(chǔ)焙宇等[19]提出了平板錨具承載力理論模型并預(yù)測(cè)了平板錨具錨固CFRP 板的臨界錨固長(zhǎng)度,通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試獲得了界面剪應(yīng)力的縱向折減系數(shù);同時(shí)發(fā)現(xiàn),界面剪應(yīng)力折減率隨錨固長(zhǎng)度增大而增大, 橫向壓應(yīng)力分布不均勻性隨錨固寬度增大而增大,臨界錨固長(zhǎng)度隨夾板厚度增大而減小,隨界面壓應(yīng)力增大,界面剪應(yīng)力增大,臨界錨固長(zhǎng)度減小。汪志昊等[20]研究預(yù)應(yīng)力碳纖維板圓齒紋平板錨具錨固性能時(shí)發(fā)現(xiàn),預(yù)應(yīng)力碳纖維板圓齒紋平板錨具錨固碳纖維板的拉伸應(yīng)變僅可達(dá)極限應(yīng)變的50%,預(yù)應(yīng)力錨固損失小于規(guī)范規(guī)定的計(jì)算值。

本文針對(duì)現(xiàn)有錨固系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題,研究拉擠CFRP板材的錨固機(jī)制,提出一種基于楔形-擠壓錨固機(jī)制的新型錨固系統(tǒng),結(jié)合力學(xué)分析及有限元模擬研究錨固系統(tǒng)的應(yīng)力分布及錨固承載力,通過(guò)靜力及循環(huán)荷載下的拉伸試驗(yàn)驗(yàn)證錨固系統(tǒng)的錨固機(jī)制及極限錨固承載力,以期為CFRP板材在橋梁結(jié)構(gòu)中的加固應(yīng)用提供一種可靠的錨固方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 CFRP拉擠板材

本文采用的CFRP板材通過(guò)拉擠技術(shù)進(jìn)行制備,其工藝參數(shù):拉擠牽引速率為20 cm/min、模具溫度為120/185 ℃、后固化溫度為200 ℃,纖維張力為600 N。碳纖維源于上海石化股份有限公司,環(huán)氧樹(shù)脂體系主體為E51環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑為甲基四氫鄰苯二甲酸酐(MeTHPA)、促進(jìn)劑為叔胺(DMP30)、脫模劑為AXEL 1890M,上述配比為100∶80∶2∶1。采用上述工藝制備的CFRP拉擠板材尺寸為25 mm×1.50 mm,采用兩端鋁片錨固后的拉伸強(qiáng)度為(1.95±0.12) GPa、拉伸模量為(168.4±1.4) GPa、斷裂伸長(zhǎng)率為1.16±0.08。

1.2 錨固系統(tǒng)組成

錨固系統(tǒng)包括CFRP板材、鋼板錨具、填充環(huán)氧樹(shù)脂、楔形槽、平槽和錨固螺栓,填充環(huán)氧樹(shù)脂采用Tc和T1樹(shù)脂,錨具系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮避免板材在錨具內(nèi)產(chǎn)生損傷并考慮其在實(shí)際服役環(huán)境下長(zhǎng)期使用。

1.3 錨固系統(tǒng)有限元模擬

1)材料基本參數(shù)。錨固系統(tǒng)由CFRP板材、填充樹(shù)脂和錨具鋼板3部分組成,其中錨具鋼板長(zhǎng)度為150 mm、寬度為120 mm、厚度為20 mm；CFRP板材長(zhǎng)度為160 mm、寬度為25 mm、厚度為1.50 mm。CFRP板材、填充樹(shù)脂及鋼板的彈性模量分別設(shè)置為170、3.5和206 GPa,泊松比分別設(shè)置為0.15、0.35和0.30。此錨固系統(tǒng)中,兩個(gè)楔槽長(zhǎng)度均為65 mm、寬度為50 mm、最大深度為10 mm；兩端平槽長(zhǎng)度為10 mm、寬度為27 mm、深度為1.5 mm。為簡(jiǎn)化模擬分析,上述3種材料特性均設(shè)置為彈性。

2)部件組裝及接觸設(shè)置。假定CFRP板材、楔形樹(shù)脂和錨具鋼板沿板材寬度方向受力狀態(tài)保持不變,將錨固系統(tǒng)簡(jiǎn)化成平面受力問(wèn)題。以錨固的固定端處CFRP板材與楔形樹(shù)脂交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),建立部件組裝圖，如圖1所示。CFRP板材在固定端和拉伸端處設(shè)置10 mm平槽,用于固定CFRP板材位置,楔形樹(shù)脂總長(zhǎng)度為130 mm。對(duì)于CFRP板材與楔形樹(shù)脂間接觸面,其切向采用“粗糙”方式,保證兩者間不產(chǎn)生相對(duì)滑移;法向采用“硬接觸”方式,一旦接觸后不發(fā)生分離。這是由于CFRP板材寬厚比較大,其與楔形樹(shù)脂接觸面積大,界面黏結(jié)強(qiáng)度高。對(duì)于楔形樹(shù)脂和鋼板間接觸面,其切向定義為庫(kù)倫摩擦力,摩擦因數(shù)設(shè)置為0.5[21],法向允許兩者間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。

圖1 CFRP板材錨固系統(tǒng)部件組裝圖

3)邊界條件及網(wǎng)格劃分。錨固系統(tǒng)的邊界條件及網(wǎng)格劃分設(shè)置:鋼板三邊進(jìn)行固定約束(無(wú)位移、無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng));在CFRP板拉伸端施加集中荷載;網(wǎng)格單元類(lèi)型采用四邊形,CFRP板和楔形樹(shù)脂網(wǎng)格劃分密集,鋼板網(wǎng)格劃分稀疏,如圖2所示。

圖2 CFRP板材錨固系統(tǒng)的網(wǎng)格劃分

1.4 錨固方法

CFRP板材的錨固方法包括以下步驟:

1)采用電動(dòng)切割機(jī)切割CFRP板材,切割長(zhǎng)度為500 mm,切割后采用砂紙將CFRP板材的錨固端進(jìn)行打磨,以增加其與錨固樹(shù)脂的界面黏結(jié)性能。

2)將錨具鋼板內(nèi)部楔槽清理干凈,清理完畢后在其表面均勻地涂抹脫模劑,以保證黏結(jié)樹(shù)脂與鋼板內(nèi)部間無(wú)黏結(jié)作用。

3)將CFRP板材平整地放置于錨具楔槽內(nèi),用高壓注射器將Tc或T1錨固樹(shù)脂注入錨具中,注射完畢后固定錨具螺栓。同時(shí)采用膠帶將錨具縫隙處進(jìn)行封閉處理,防止錨固樹(shù)脂的溢出。

4)錨固完畢后將CFRP板材錨固系統(tǒng)室溫固化24 h,然后置于60 ℃烘箱內(nèi)固化24 h后,取出進(jìn)行拉伸測(cè)試。

1.5 拉伸測(cè)試

參考標(biāo)準(zhǔn)ASTM D638:2010對(duì)錨固填充樹(shù)脂進(jìn)行拉伸測(cè)試,其測(cè)試儀器采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(上海衡翼精密儀器有限公司,型號(hào)為DHY-10080),測(cè)試數(shù)量為5個(gè),拉伸加載速率為2 mm/min。此外,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 28889—2012對(duì)錨固填充樹(shù)脂進(jìn)行面內(nèi)剪切試驗(yàn),測(cè)試數(shù)量為5個(gè),剪切加載速率為1 mm/min。

錨固CFRP板材拉伸性能測(cè)試參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1447—2005,具體拉伸測(cè)試過(guò)程:將錨固系統(tǒng)固定在拉伸機(jī)夾頭處,用加工好的連接件將錨具固定于拉伸機(jī)下夾頭處;測(cè)試過(guò)程中采用引伸計(jì)監(jiān)測(cè)板材拉伸過(guò)程中的變形,將應(yīng)變片沿錨固長(zhǎng)度布設(shè)于錨具內(nèi)部測(cè)試錨具系統(tǒng)拉伸過(guò)程中CFRP板材的應(yīng)力分布,拉伸加載速率為5 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 錨固樹(shù)脂力學(xué)性能

錨固系統(tǒng)組成部件主要包括CFRP板材和填充環(huán)氧樹(shù)脂,其中CFRP板材通過(guò)拉擠工藝制備而成。填充環(huán)氧樹(shù)脂采用兩種結(jié)構(gòu)樹(shù)脂(Tc和T1),均包括A和B組分,混合比例為100∶30.5,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度分別為89.90 ℃(Tc)和87.93 ℃(T1)。

筆者前期研究發(fā)現(xiàn)[22]:Tc樹(shù)脂拉伸強(qiáng)度低于T1樹(shù)脂,但其剪切強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率均高于T1樹(shù)脂,這說(shuō)明Tc樹(shù)脂相比與T1樹(shù)脂具有更高的韌性。此外,T1和Tc樹(shù)脂面內(nèi)剪切強(qiáng)度分別為33.49和22.25 MPa,與CFRP板材界面黏結(jié)強(qiáng)度分別為19.01和30.63 MPa。

圖3為兩種錨固樹(shù)脂的面內(nèi)剪切荷載-位移曲線,其中Tc樹(shù)脂測(cè)試5個(gè)試樣,記為No.1-5,T1樹(shù)脂測(cè)試3個(gè)試樣,記為No.1-3。由圖3可知:兩種樹(shù)脂的剪切荷載-位移曲線主要包括上升階段(彈性階段)、穩(wěn)定階段和下降階段(破壞階段)。①上升階段。樹(shù)脂的荷載-位移曲線幾乎呈線性增長(zhǎng),這一階段荷載達(dá)到最大值;②穩(wěn)定階段。此階段兩種樹(shù)脂位移不斷增加,而剪切荷載基本穩(wěn)定在最大值,樹(shù)脂表現(xiàn)出明顯塑性變形,這一過(guò)程材料發(fā)生不可恢復(fù)塑性變形但沒(méi)有發(fā)生破壞;③下降階段。此階段Tc樹(shù)脂剪切荷載隨位移增加逐漸下降,經(jīng)歷較大塑性變形,裂紋在持續(xù)荷載作用下逐漸形成并發(fā)展,直至樹(shù)脂破壞。綜上可知:相比于T1樹(shù)脂,Tc樹(shù)脂具有較大韌性以及更高的界面黏結(jié)性能。采用上述兩種樹(shù)脂錨固CFRP板材的極限錨固承載力通過(guò)力學(xué)分析及拉伸試驗(yàn)獲得。

圖3 兩種錨固填充樹(shù)脂的剪切荷載-位移關(guān)系

2.2 錨固系統(tǒng)力學(xué)性能分析

圖4給出CFRP板材錨固系統(tǒng)的簡(jiǎn)化力學(xué)計(jì)算模型[21],為簡(jiǎn)化計(jì)算,其基本假定包括:CFRP板材與樹(shù)脂的作用形式有化學(xué)黏結(jié)力與物理擠壓力,由其組成的黏結(jié)-摩擦力與外部拉伸荷載平衡,其中黏結(jié)-摩擦因數(shù)設(shè)置為μ;錨固樹(shù)脂形成的楔槽單元為主要受力單元,不考慮錨具兩端平槽對(duì)錨固承載力的影響。

圖4 CFRP板材錨固系統(tǒng)的簡(jiǎn)化力學(xué)模型[21]

CFRP錨固系統(tǒng)中板材極限拉伸強(qiáng)度和名義尺寸為σc和b×t。取單元1為受力單元,每個(gè)楔槽單元長(zhǎng)度假定為l,梯度角設(shè)置為φ,根據(jù)力學(xué)平衡條件可計(jì)算CFRP板材/錨固樹(shù)脂的界面黏結(jié)-摩擦力Ff、界面正壓力FP與反作用力F1、界面平均剪應(yīng)力σs,ave，具體見(jiàn)式(1)。

(1)

式中:σc為CFRP板材的拉伸強(qiáng)度;t為CFRP板材的厚度;FS為界面的剪切力。

當(dāng)假定CFRP板材的拉伸強(qiáng)度為2.1 GPa,對(duì)于上述錨固系統(tǒng),b=25 mm、t=1.5 mm、l=130 mm、tan φ=0.157 7、μ=0.4。將上述數(shù)值帶入式(1)中計(jì)算，獲得CFRP板材與黏結(jié)樹(shù)脂界面的平均剪應(yīng)力為2.38 MPa,此數(shù)值遠(yuǎn)低于T1和Tc樹(shù)脂拉伸/剪切強(qiáng)度以及與CFRP板材界面黏結(jié)強(qiáng)度,說(shuō)明CFRP板材/樹(shù)脂界面不會(huì)發(fā)生脫黏破壞。

對(duì)于此楔形-擠壓黏結(jié)型錨固系統(tǒng),還需驗(yàn)算楔形樹(shù)脂對(duì)鋼板楔槽內(nèi)的擠壓作用力Fe1和Fe2(圖4)。考慮2個(gè)楔形單元受力相同,取單元1力學(xué)模型進(jìn)行抗壓承載力計(jì)算,對(duì)單元1進(jìn)行受力分析可獲得作用于鋼板的壓力(Q),具體計(jì)算見(jiàn)式(2)。

(2)

式中:Ae為楔槽鋼板的受力面積。

由式(2)可計(jì)算獲得楔形樹(shù)脂對(duì)楔槽鋼板的擠壓力為25.10 MPa,這說(shuō)明鋼板處于安全工作狀態(tài),且不會(huì)發(fā)生屈服。

考慮到CFRP板材與黏結(jié)樹(shù)脂界面剪應(yīng)力沿錨固長(zhǎng)度分布不均,假定最大/最小剪應(yīng)力關(guān)系為σs1=3σs2[22]。當(dāng)界面剪應(yīng)力呈指數(shù)分布時(shí),楔形單元1出現(xiàn)最大臨界界面剪應(yīng)力σs,cri,進(jìn)一步可預(yù)測(cè)錨固系統(tǒng)的臨界破壞條件,見(jiàn)式(3)[21]。

(3)

式中:σc/a為CFRP板材/錨固樹(shù)脂界面平均黏結(jié)強(qiáng)度,σs和σt為錨固樹(shù)脂拉伸和剪切強(qiáng)度。

當(dāng)T1和Tc為錨固樹(shù)脂時(shí),可將其與CFRP板材平均界面黏結(jié)強(qiáng)度代入式(3)計(jì)算。當(dāng)假定CFRP板材厚度為1.5～2.5 mm、CFRP/樹(shù)脂界面黏結(jié)-摩擦因數(shù)為0.4,可預(yù)測(cè)采用Tc和T1樹(shù)脂錨固CFRP板材的極限錨固承載能力范圍為4.70～7.83 GPa(Tc)及4.10～6.69 GPa(T1)。

2.3 錨固系統(tǒng)有限元模擬

CFRP板材錨固系統(tǒng)的應(yīng)力分布采用有限元模擬進(jìn)行分析,由模擬結(jié)果可知:CFRP板材應(yīng)力隨與拉伸端距離減小而逐漸增加并最終趨于穩(wěn)定,穩(wěn)定應(yīng)力約為2.00 GPa,其穩(wěn)定區(qū)域長(zhǎng)度為20.33 mm,包括錨具外CFRP板長(zhǎng)度(10 mm)、CFRP板材平槽長(zhǎng)度(10 mm)以及CFRP拉伸位移(0.33 mm)。圖5給出不同拉伸荷載下CFRP板材隨距離固定端位置的應(yīng)力分布。由圖5可知:隨荷載增加(5 kN→75 kN),距離固定端60 mm內(nèi)CFRP板材應(yīng)力趨于0,且不隨荷載增大而增大;當(dāng)距離固定端長(zhǎng)度超過(guò)60 mm時(shí),板材同一位置應(yīng)力隨荷載增大而增大,但整體應(yīng)力增幅較小;當(dāng)距離固定端長(zhǎng)度超過(guò)120～140 mm時(shí),CFRP板材應(yīng)力急劇增大,并于距離錨固端140 mm處達(dá)到最大(約為2.10 GPa),這是由于140 mm為楔形樹(shù)脂與CFRP板材的臨界接觸面,楔形樹(shù)脂在拉伸過(guò)程中由于膨脹作用對(duì)CFRP板材產(chǎn)生較大擠壓作用,并在臨界接觸面達(dá)到最大。

圖5 錨固系統(tǒng)CFRP板材沿錨固長(zhǎng)度的應(yīng)力分布

同時(shí)可發(fā)現(xiàn)，不同荷載下CFRP板材位移隨距離固定端位置增大而增大。例如對(duì)于F=75 kN,在距離固定端為140 mm處,CFRP板位移為0.09 mm；在距離固定端為140～160 mm處,CFRP板材位移為0.24 mm；在距離固定端為160 mm處,CFRP板材總位移為0.33 mm。由此可計(jì)算出在距離固定端為140～160 mm時(shí),CFRP板材應(yīng)變?yōu)?.20%,而在距離固定端160 mm處應(yīng)變?yōu)?.18%,此應(yīng)變數(shù)據(jù)與CFRP板材拉伸試驗(yàn)結(jié)果吻合。

圖6為錨具內(nèi)填充樹(shù)脂隨距離固定端位置的應(yīng)力分布曲線。由圖6可知:填充楔形樹(shù)脂的最大應(yīng)力發(fā)生在距離錨固端130 mm處,此時(shí)樹(shù)脂應(yīng)力為31.24 MPa<53.6 MPa(樹(shù)脂拉伸強(qiáng)度);當(dāng)錨固系統(tǒng)CFRP板材發(fā)生斷裂時(shí)樹(shù)脂不會(huì)發(fā)生拉伸破壞。此外,也可看出樹(shù)脂主要應(yīng)力傳遞區(qū)域?yàn)榫嚯x錨固端100～130 mm,不同荷載下填充樹(shù)脂位移隨距固定端距離增大而逐漸增大,且最大位移發(fā)生在距離錨固端130 mm處,為0.085 mm。由CFRP板在此位置的最大位移為0.092 mm可知,楔形填充樹(shù)脂和CFRP板材間幾乎沒(méi)有滑移。

圖6 錨固系統(tǒng)填充樹(shù)脂沿錨固長(zhǎng)度的應(yīng)力分布

2.4 錨固系統(tǒng)拉伸驗(yàn)證

CFRP板材錨固系統(tǒng)拉伸驗(yàn)證包括靜力荷載作用下的錨固承載力及循環(huán)荷載下錨具內(nèi)部應(yīng)力分布驗(yàn)證。圖7給出CFRP板材錨固系統(tǒng)在靜載下的拉伸破壞模式。由圖7可知:采用兩種錨固樹(shù)脂(Tc和T1)錨固CFRP板材的破壞模式均為CFRP板材爆裂,且在錨具內(nèi)無(wú)滑移現(xiàn)象。與兩端鋁片錨固相比,采用Tc和T1樹(shù)脂錨固CFRP板材的錨固效率分別為102.6%和102.1%,這說(shuō)明本錨固系統(tǒng)具有較高的錨固承載力。此外,鋁片錨固端的破壞形式為CFRP板材剪切斷裂,這是由于CFRP板材與鋁片黏結(jié)端部位易形成應(yīng)力集中而出現(xiàn)剪切微裂紋,在外荷載作用下剪切裂紋迅速擴(kuò)散直至板材發(fā)生剪切斷裂(圖7)。

圖7 錨固系統(tǒng)CFRP板材的拉伸破壞模式

為分析錨固系統(tǒng)的可靠性與適用性,本文研究了循環(huán)及逐級(jí)加載作用下錨固系統(tǒng)的受力特性。圖8和9給出錨固系統(tǒng)在循環(huán)加載作用下的荷載-變形(位移)曲線,其中圖8為T(mén)1錨固樹(shù)脂,圖9為T(mén)c錨固樹(shù)脂;加載形式為0 kN→15 kN→30 kN→45 kN→30 kN→15 kN,每級(jí)荷載間隔時(shí)間為30 s,循環(huán)次數(shù)為20。圖8和9中荷載為拉伸荷載,變形為引伸計(jì)測(cè)試的板材變形,位置為拉力機(jī)夾頭位移。由圖8和9可知:每個(gè)循環(huán)荷載作用下錨固系統(tǒng)荷載-變形(位移)曲線基本保持一致,經(jīng)歷了20個(gè)循環(huán)荷載后,拉力機(jī)夾頭位移基本保持不變(忽略鋁片端拉伸初始階段的微小滑移量),如兩圖中紅色虛線所示,說(shuō)明楔形-擠壓黏結(jié)型錨固系統(tǒng)在循環(huán)荷載下仍具有優(yōu)異的錨固性能,錨具內(nèi)CFRP板材無(wú)滑移現(xiàn)象。

為分析錨固系統(tǒng)在循環(huán)荷載作用下錨具內(nèi)CFRP板材的應(yīng)力分布,采用應(yīng)變片粘貼至錨具內(nèi)CFRP板材表面,其中錨固樹(shù)脂為T(mén)c,應(yīng)變片位置距離錨固拉伸端分別為0 mm(錨具外)、42.5 mm(楔槽單元1內(nèi))、65.0 mm(楔槽單元1內(nèi))和107.5 mm(楔槽單元2內(nèi))。圖10給出錨固系統(tǒng)在循環(huán)加載作用下錨具內(nèi)CFRP 板材的應(yīng)變分布。由圖10可知:隨距離錨固拉伸端增加,CFRP板材內(nèi)部應(yīng)力逐漸減小,其中錨固拉伸端處應(yīng)力最大,楔槽單元1應(yīng)力其次,楔槽單元2應(yīng)力最小;每個(gè)循環(huán)加載過(guò)程中,CFRP板材不同位置處應(yīng)力基本保持一致,說(shuō)明在循環(huán)拉伸荷載作用下錨具內(nèi)應(yīng)力分布均勻。此外發(fā)現(xiàn)錨具內(nèi)部CFRP板材不同位置處的應(yīng)力與拉伸荷載呈線性關(guān)系,這說(shuō)明錨具內(nèi)CFRP板材處于線彈性工作狀態(tài),隨荷載增加變形增加,隨荷載下降變形可恢復(fù)。

圖8 錨固系統(tǒng)CFRP板材在循環(huán)荷載下的荷載-位移曲線(T1)

圖9 錨固系統(tǒng)CFRP板材在循環(huán)荷載下的荷載-位移曲線(Tc)

圖11給出錨固系統(tǒng)在逐級(jí)加載作用下錨具內(nèi)CFRP板材的應(yīng)變分布,應(yīng)變片布設(shè)位置距離錨固拉伸端分別為0 mm(錨具外)、10 mm(錨具平槽內(nèi))、41 mm(楔槽單元1內(nèi))、67 mm(楔槽單元1內(nèi))、93 mm(楔槽單元2內(nèi))和119 mm(楔槽單元2內(nèi))。逐級(jí)荷載從5 kN增加至70 kN,荷載間隔為5 kN,時(shí)間間隔為30 s。由圖11可知:錨固系統(tǒng)錨固拉伸端處CFRP板材應(yīng)力最大,隨與拉伸端距離增加,應(yīng)力逐漸減小。

圖10 循環(huán)荷載下CFRP板材在錨具內(nèi)應(yīng)變分布(Tc)

圖11 逐級(jí)加載下CFRP板材在錨具內(nèi)的應(yīng)力分布(Tc)

3 結(jié)論

1)錨固系統(tǒng)利用板材與錨固樹(shù)脂間的化學(xué)黏結(jié)力及物理擠壓力提供錨固承載力,CFRP板材拉伸性能得到充分發(fā)揮。

2)靜載作用下錨固系統(tǒng)的破壞方式為CFRP板材爆裂破壞,與力學(xué)分析及有限元模擬結(jié)果相吻合,Tc和T1兩種錨固樹(shù)脂錨固CFRP板材具有較高的錨固承載力。

3)循環(huán)荷載下錨固系統(tǒng)具有優(yōu)異的錨固性能,錨具內(nèi)CFRP板材處于線彈性工作狀態(tài),應(yīng)力分布均勻,無(wú)明顯應(yīng)力集中。