朱俊峰，于 飛，陳 燕，朱云安，薛 超

（1南京市溧水區(qū)城鄉(xiāng)建設(shè)局，江蘇南京 210000；2南京溧水城市建設(shè)集團有限公司，江蘇南京 210000；3南京河西工程項目管理有限公司，江蘇南京 210000；4中鐵四局集團有限公司南京分公司，江蘇南京 210000）

為了防止地下管廊錨桿發(fā)生變化進而影響周圍圍巖變形產(chǎn)生災(zāi)害等風(fēng)險，需要對施工地下管廊進行支護防護，以提升其抵抗變形的能力，增加安全儲備。當(dāng)前，多數(shù)地下管廊為抑制其易于開裂和承載力不足等問題，通常在地下管廊中加入碳纖維/鋼支撐錨桿結(jié)構(gòu)以提升管廊承載能力和抵抗變形的能力，且研究表明該支撐方式效果較好[1]。而碳纖維與鋼屬于不同類型的結(jié)構(gòu)材料，常用的焊接、鉚接等連接方式不并適用于二者，因為這些連接方式會對結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生損傷且質(zhì)量難以穩(wěn)定[2]，較為可行的是采用膠粘劑將二者進行連接。然而，碳纖維與錨桿的粘結(jié)過程中經(jīng)常出現(xiàn)由于膠粘劑選擇不當(dāng)、粘結(jié)層厚度控制不當(dāng)而造成脫粘等問題[3-5]，這主要與碳纖維/錨桿界面粘結(jié)界面的粘結(jié)質(zhì)量和穩(wěn)定性等有關(guān)。目前，建筑地下管廊支護中的碳纖維/鋼結(jié)構(gòu)也有采用線性膠粘劑進行粘結(jié)的應(yīng)用，而關(guān)于非線性膠粘劑的報道較少，且粘結(jié)層厚度是否對粘結(jié)質(zhì)量有影響及其作用規(guī)律不清楚[6-9]?；诖?，本文研究了膠粘劑種類和厚度對碳纖維復(fù)合錨桿剪切性能的影響，通過基于界面斷裂能計算方法得到了界面極限承載力，并與實測值進行了對比，結(jié)果可對碳纖維復(fù)合錨桿試件的膠粘劑選擇和應(yīng)用提供參考，并有助于提高地下管廊支護的穩(wěn)定性和安全性。

1 材料與方法

1.1 實驗原料

以市售Q345方鋼管(壁厚6mm、屈服強度365MPa、抗拉強度515MPa、斷后伸長率38%、彈性模量2.08×105、泊松比0.28)、碳纖維復(fù)合板(簡稱CFRP，厚度2mm、寬度25mm，拉伸強度1663MPa、斷后伸長率0.96、彈性模量174.51GPa)，Tc結(jié)構(gòu)膠粘劑(非線性膠粘劑，彈性模量1.74GPa、拉伸強度39.81MPa、應(yīng)變能2.01N/mm)和T1結(jié)構(gòu)膠粘劑(線性膠粘劑，彈性模量3.16GPa、拉伸強度52.92MPa、應(yīng)變能0.68N/mm)為實驗材料。

1.2 試樣制作

為了制備碳纖維復(fù)合錨桿試件，預(yù)先采用800#砂紙對碳纖維表面進行輕微打磨，清水沖洗后轉(zhuǎn)入丙酮溶液中超聲30min，取出干燥后備用；錨桿試樣依次進行除油和表面砂紙打磨，清水沖洗和丙酮清洗后在鋼基體上劃線以確定碳纖維板粘結(jié)區(qū)域。使用Tc和T1膠粘劑對碳纖維復(fù)合錨桿進行粘結(jié)，膠層厚度在0.5~1.5 mm，粘結(jié)過程中避免膠粘劑逸出，室溫固化3天后轉(zhuǎn)入烘箱中進行45℃/周期6天的固化處理，空冷后得到碳纖維復(fù)合錨桿試件[10]，并將試樣命名為膠粘劑種類-粘結(jié)層厚度-相同條件試件編碼形式，如Tc-0.5-1表示采用Tc膠粘劑、粘結(jié)層厚度0.5mm、編號為1的試件。

1.3 測試方法

采用單面剪切的方法對碳纖維復(fù)合錨桿試件進行剪切實驗[11]，實驗前在試件上預(yù)置應(yīng)變片，碳纖維復(fù)合錨桿試件示意圖如圖1所示。采用MTS-810型萬能材料試驗系統(tǒng)對碳纖維復(fù)復(fù)合錨桿試件進行剪切實驗（位移加載）[12]，加載速度為0.1mm/min、頻率1Hz。

圖1 碳纖維復(fù)合錨桿試件示意圖Fig. 1 Schematic diagram of carbon fiber composite anchor specimen

2 結(jié)果與分析

表1為碳纖維復(fù)合錨桿試件的剪切試驗結(jié)果。可見，在膠粘劑為Tc前提下，當(dāng)界面粘結(jié)層實際粘結(jié)厚度為0.5mm時，兩個平行纖維錨桿的界面極限承載力平均值為54.11kN，界面破壞模式為CFRP 板層間剪切破壞；厚度為1mm時，平均值為67.46kN，界面破壞模式為膠粘劑破壞+CFRP 板層間剪切破壞；厚度為1.5mm時，平均值為69.58kN，界面破壞模式為CFRP 板斷裂破壞+CFRP 板層間剪切破壞。在膠粘劑為T1前提下，當(dāng)纖維錨桿界面粘結(jié)層實際粘結(jié)厚度為0.5mm時，兩個平行纖維錨桿的界面極限承載力平均值為48.86kN，界面破壞模式為CFRP 板層間剪切破壞；厚度為1mm時，平均值為48.74kN，界面破壞模式為CFRP 板層間剪切破壞；厚度為1.5mm時，平均值為45.17kN，界面破壞模式為CFRP 板層間剪切破壞。綜合而言，在相同粘結(jié)層厚度時，采用Tc的膠粘劑試件的界面極限承載力都高于T1膠粘劑試件；此外，隨著粘結(jié)層厚度增加，Tc為膠粘劑時試件的極限承載力平均值逐漸增大，而T1為膠粘劑時纖維錨桿的極限承載力平均值逐漸減小。根據(jù)膠粘劑的基本力學(xué)性能可知，Tc結(jié)構(gòu)膠粘劑的拉伸強度為39.81MPa、T1結(jié)構(gòu)膠粘劑的拉伸強度為52.92MPa，可見，并不是結(jié)構(gòu)膠黏劑拉伸強度越大，碳纖維復(fù)合錨桿試件的極限承載力平均值越大。此外，Tc為膠粘劑時，粘結(jié)層厚度從1mm增加至1.5mm時，碳纖維復(fù)合錨桿試件的極限承載力變化幅度不大；T1為膠粘劑時，粘結(jié)層厚度從1mm增加至1.5mm時，碳纖維復(fù)合錨桿試件的極限承載力有所減小。因此，碳纖維復(fù)合錨桿試件適宜的Tc膠粘劑和T1膠粘劑的粘結(jié)層厚度都為1mm。

表1 碳纖維復(fù)合錨桿試件的剪切試驗結(jié)果Table 1 Shear test results of carbon fiber composite anchor specimens

圖2為碳纖維復(fù)合錨桿試件的荷載-位移曲線，分別列出了Tc為膠粘劑、T1為膠粘劑以及Tc/T1為膠粘劑時試件的荷載-位移曲線。在初始加載階段，碳纖維復(fù)合錨桿試件的荷載都會隨著位移增加而快速增大，但是不同碳纖維復(fù)合錨桿試件的荷載-位移曲線斜率存在明顯差異。當(dāng)Tc為膠粘劑時，碳纖維復(fù)合錨桿試件的荷載-位移曲線斜率從大至小順序為：0.5mm>1mm>1.5mm，這也就說明碳纖維復(fù)合錨桿試件的剛度會隨著粘結(jié)層厚度增加而減?。淮送?，對比分析還可以發(fā)現(xiàn)，粘結(jié)層厚度為1mm和1.5mm時碳纖維復(fù)合錨桿試件的最大位移要大于粘結(jié)層厚度為0.5mm的試件，這說明粘結(jié)層厚度增加可以提升纖維錨桿的韌性和協(xié)調(diào)變形能力[13-14]。當(dāng)T1為膠粘劑時，碳纖維復(fù)合錨桿試件的荷載-位移曲線斜率差異性較小，這也就說明此時粘結(jié)層厚度對纖維錨桿試件的剛度影響較小。對比Tc和T1為膠粘劑時碳纖維復(fù)合錨桿試件的荷載-位移曲線[圖(2c)]可知，T1為膠粘劑時碳纖維復(fù)合錨桿試件的剛度要相對Tc為膠粘劑時更大，結(jié)合前述的兩種膠粘劑的彈性模量可知，彈性模量更大的膠粘劑可以為碳纖維復(fù)合錨桿試件提供更大的剪切剛度，而T1為膠粘劑時碳纖維復(fù)合錨桿試件的最大位移要相對Tc為膠粘劑時更小，即Tc為膠粘劑時碳纖維復(fù)合錨桿試件的協(xié)調(diào)變形能力更強，這主要與后者的彈性模量較小，有助于提高纖維錨桿的韌性有關(guān)[15]。

圖2 碳纖維復(fù)合錨桿試件的荷載-位移曲線Fig. 2 Load displacement curve of carbon fiber composite anchor specimen

纖維錨桿的界面極限承載力主要受斷裂能控制[16]，而試驗過程中的界面斷裂能一方面主要通過滑移曲線與橫坐標(biāo)的面積來測定，另一方面可以通過計算來獲得，具體界面極限承載力P的計算公式為[17]：

式（1）中，b為CFRP板厚度（mm），G為界面斷裂能（N?mm-1），E為CFRP板彈性模量，t為CFRP板厚。碳纖維復(fù)合錨桿試件的界面極限承載力試驗值與預(yù)測值列于表2?？梢?，無論是Tc為膠粘劑還是T1為膠粘劑，不同粘結(jié)層厚度碳纖維復(fù)合錨桿試件的界面極限承載力試驗值與預(yù)測值都較為接近，預(yù)測值/試驗值基本都保持在0.8以上；此外，計算得到的界面斷裂能結(jié)果表明，Tc-1和Tc-2試件的界面斷裂能要明顯大于其他，究其原因，這主要是因為Tc-1斷裂模式為膠粘劑破壞+CFRP 板層間剪切破壞，Tc-2斷裂模式為CFRP 板斷裂破壞+CFRP 板層間剪切破壞有關(guān)[18]；此外，Tc膠粘劑試件的界面斷裂能要大于相同粘結(jié)層厚度的T1試件，這主要與Tc為膠粘劑時碳纖維復(fù)合錨桿試件的協(xié)調(diào)變形能力更強、彈性模量較小、有助于提高試件的韌性有關(guān)[19]。

表2 碳纖維復(fù)合錨桿試件的界面極限承載力試驗值與預(yù)測值Table 2 Test and predictive values of the ultimate bearing capacity of the interface of carbon fiber composite anchor specimens

圖3為碳纖維復(fù)合錨桿試件的極限承載力試驗值與預(yù)測值關(guān)系曲線?？梢姡祭w維復(fù)合錨桿試件的極限承載力試驗值與預(yù)測值較為吻合，預(yù)測值和試驗值的線性方程為y=0.93x，相關(guān)系數(shù)R2=0.86。眾多研究表明，相關(guān)系數(shù)R2值越接近1，擬合曲線的吻合度越高[20-21]。整體而言，碳纖維復(fù)合錨桿試件的極限承載力測試結(jié)果與基于界面斷裂能的測試結(jié)果較好吻合，可以有效對纖維錨桿的極限承載力進行預(yù)測。

圖3 碳纖維復(fù)合錨桿試件的極限承載力試驗值與預(yù)測值關(guān)系曲線Fig. 3 Relation curve between test value and predicted value of ultimate bearing capacity of carbon composite fiber anchor specimen

3 結(jié)論

（1）Tc為膠粘劑時，粘結(jié)層厚度從1mm增加至1.5mm時，纖維錨桿的極限承載力變化幅度不大；T1為膠粘劑時，粘結(jié)層厚度從1mm增加至1.5mm時，纖維錨桿力學(xué)性能呈下降趨勢；碳纖維復(fù)合錨桿試件適宜的Tc膠粘劑和T1膠粘劑的粘結(jié)層厚度都為1mm。

（2）當(dāng)Tc為膠粘劑時，碳纖維復(fù)合錨桿試件的荷載-位移曲線斜率從大至小順序為：0.5mm>1mm>1.5mm；當(dāng)T1為膠粘劑時，粘結(jié)層厚度對試件的剛度影響較小。T1為膠粘劑時碳纖維復(fù)合錨桿試件的剛度要相對Tc為膠粘劑時更大，彈性模量更大的膠粘劑可以為纖維錨桿提供更大的剪切剛度，而Tc為膠粘劑時纖維錨桿的協(xié)調(diào)變形能力更強。

（3）無論是Tc為膠粘劑還是T1為膠粘劑，不同粘結(jié)層厚度碳纖維復(fù)合錨桿試件的界面極限承載力試驗值與預(yù)測值都較為接近，預(yù)測值/試驗值基本都保持在0.8以上，可為碳纖維復(fù)合錨桿的極限承載力預(yù)測提供參考。