覃巍巍,龐忠華,沈揚波,牙向飛,陳 立,鄧敏杰,黃華甫,方 達(dá)
(柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司,廣西 柳州 545000)
橋梁的鋼制拉索普遍存在腐蝕疲勞損傷,嚴(yán)重威脅橋梁安全和壽命。碳纖維復(fù)合筋拉索(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP cable)具有輕質(zhì)、高強和耐腐蝕優(yōu)點,可廣泛應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)。但CFRP筋為各向異性材料,抗壓和抗剪性能較差,導(dǎo)致CFRP拉索的錨固極其困難[1]。
受原材料成本制約,現(xiàn)階段碳纖維筋依然難以與傳統(tǒng)鋼絞線競爭,但對橋梁整個生命周期成本進(jìn)行評價,考慮橋梁后期的檢測和維護(hù)費用,碳纖維筋比鋼絞線在成本上則具有較大優(yōu)勢,尤其在跨徑大的懸索橋上,輕質(zhì)的碳纖維筋拉索比自重大的鋼索優(yōu)勢更加明顯,且在巖錨的應(yīng)用上,碳纖維筋錨索較傳統(tǒng)的鋼絞線錨索具有更優(yōu)異的耐腐蝕性。
為解決大直徑碳纖維筋的錨固技術(shù)難題,本文對Φ12預(yù)應(yīng)力碳纖維筋的單孔、多孔錨固技術(shù)進(jìn)行研究及相關(guān)試驗,為碳纖維筋拉索應(yīng)用打下基礎(chǔ)。
錨具內(nèi)部填充環(huán)氧樹脂、無機(jī)砂漿等粘結(jié)材料進(jìn)行錨固,待其固化后即可完成錨固。錨固面粘結(jié)力的實質(zhì)為剪切作用力,主要由化學(xué)膠結(jié)力、摩阻力、機(jī)械嚙合作用力構(gòu)成[2],如圖1所示。該方式的優(yōu)點是對碳纖維筋不容易造成損傷;缺點是若粘結(jié)材料流動性不足,則灌注比較困難,易導(dǎo)致灌注不密實,影響錨固性能,并且通常需要較長的錨具粘結(jié)長度來確保碳纖維筋與粘結(jié)介質(zhì)不發(fā)生滑移。
圖1 粘結(jié)式錨固示意圖
夾片式錨具主要依靠金屬夾片與CFRP筋表面的正應(yīng)力(握裹力)和剪應(yīng)力(摩擦力)形成錨固體系[3]。該方式的優(yōu)點是依賴錐形夾片與錨杯產(chǎn)生的擠壓力夾持筋材,施工便捷;缺點是對于橫觀各向同性的碳纖維筋,在錨固過程中因局部的應(yīng)力集中發(fā)生早期斷裂破壞,不能充分發(fā)揮碳纖維筋的高強度,如圖2所示。
圖2 夾片式錨固示意圖
通過擠壓變形進(jìn)行錨固,即擠壓套筒錨具[4]通過將套筒頂推過直徑略小的模具,借助套筒徑向形變產(chǎn)生的擠壓作用,實現(xiàn)對碳纖維筋的錨固,如圖3所示。該方式的優(yōu)點是采用了延展性好的金屬材料作為擠壓套管,使其在錨固套的擠壓過程中起到了過渡層的作用,避免了擠壓力對碳纖維筋造成損傷,擠壓完后套管和碳纖維筋緊密契合,提高了套管和碳纖維筋的界面剪切強度,保證了錨具對碳纖維筋的有效夾持;缺點是對材料要求較高,制造工藝復(fù)雜(錨固套外徑加大,錨固套加長導(dǎo)致擠壓時容易變形、彎曲),錨固技術(shù)難度高。
圖3 擠壓式錨固示意圖
應(yīng)用以上3種錨固方式根據(jù)技術(shù)要求進(jìn)行組合錨固,在灌注黏結(jié)劑前,利用夾片式錨固原理結(jié)合粘結(jié)錨固組合結(jié)構(gòu)對CFRP進(jìn)行張拉錨固,如圖4所示。綜合夾片式單根夾持特點和粘接端整體錨固的特性,保證錨固的可靠性,確保成索后各CFRP筋應(yīng)力的均勻性。
圖4 復(fù)合式錨固示意圖
為解決大直徑(≥Φ12)碳纖維筋的錨固問題,本文采用復(fù)合式錨固技術(shù),即對于單根Φ12碳纖維筋采用粘結(jié)與擠壓式相結(jié)合的方式進(jìn)行錨固,對于多根Φ12碳纖維筋則在單孔錨固單元的基礎(chǔ)上,又增加UHPC(超高性能混凝土)作為錨杯內(nèi)部的灌漿填充材料,對錨固單元進(jìn)行充分握裹及防護(hù),從而形成多層級復(fù)合式錨固,可有效提高碳纖維筋錨索的可靠性及耐久性,最終研制出OVM12-1及OVM12-5碳纖維筋錨具。
OVM12-1單孔錨固單元主要由如下材料組成:Φ12碳纖維筋,錨固套,膠黏劑。其中單根Φ12碳纖維筋的主要技術(shù)性能為公稱截面積113.1 mm2,抗拉強度2 500 MPa,公稱破斷力282.8 kN,如圖5所示。
圖5 單孔錨固單元
OVM12-5多孔錨索主要由如下材料組成:5根Φ12碳纖維筋錨固單元,錨索主要技術(shù)性能為公稱截面積565.5 mm2,抗拉強度2 500 MPa,公稱破斷力1 414 kN,如圖6所示。
圖6 錨索組成示意圖
錨索錨杯內(nèi)部的灌漿料采用常溫型UHPC,是OVM公司開發(fā)的一種超高性能水泥基材料,具有超高強、超早強、自密實、高耐久性、高韌性和低孔隙率等性能,利用超高性能混凝土代替普通水泥砂漿作為粘結(jié)介質(zhì)填充錨筒,具有更高的抗壓強度與耐久性,使錨固區(qū)碳纖維筋受力更合理,避免其過早受損而提前破壞,使設(shè)計強度得到充分發(fā)揮。
本文參照GB/T 14370—2015《預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器》、GB/T 26743—2011《結(jié)構(gòu)工程用纖維增強復(fù)合材料筋》、GB 50608—2020《纖維增強復(fù)合材料工程應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》等標(biāo)準(zhǔn)并高于標(biāo)準(zhǔn)要求對OVM12-1碳纖維筋單孔錨固單元進(jìn)行嚴(yán)格的靜載、疲勞試驗對比。
3.1.1 錨固單元靜載錨固試驗
將OVM12-1碳纖維筋單孔錨具組裝件與夾具、拉伸試驗機(jī)配套安裝,如圖7所示,按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定速度分級加載至碳纖維筋公稱極限抗拉力的80%,按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定速度緩慢加載至碳纖維筋破壞,觀察碳纖維筋及錨具組裝件的情況,試驗過程中記錄碳纖維筋的受力長度、相對位移、組裝件的實測抗拉力等數(shù)據(jù)記錄。
圖7 單孔錨固單元靜載試驗示意圖
試驗結(jié)論:當(dāng)加載力達(dá)到碳纖維筋公稱極限抗拉力的80%時(226.3 kN),持荷30 min,碳纖維筋及錨具無異常、無滑移且無異響;破斷時碳纖維筋從中部發(fā)散破壞,筋材與錨具無滑移,錨具無塑性變形或碎裂??勺C明OVM12-1碳纖維筋單孔錨具在采用2 500 MPa級別的高強度碳纖維筋且保壓力、保壓時間均高于標(biāo)準(zhǔn)要求的情況下,碳纖維筋單孔錨具靜載錨固試驗結(jié)果均滿足表1標(biāo)準(zhǔn)要求。
表1 Φ12碳纖維筋單孔錨固單元靜載錨固試驗技術(shù)要求及數(shù)據(jù)
3.1.2 錨固單元疲勞荷載試驗
在采用2 500 MPa級別的高強度碳纖維筋且提高應(yīng)力上限、應(yīng)力幅及疲勞試驗后增加進(jìn)行靜載錨固試驗的情況下,經(jīng)200萬次循環(huán)荷載后,錨具零件無疲勞破壞,碳纖維筋無滑移且未發(fā)生疲勞破壞,3組疲勞試驗后的靜載試驗的錨具效率系數(shù)分別為0.98、0.99、0.99,試驗結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗數(shù)據(jù)對比見表2。
表2 Φ12碳纖維筋單孔錨固單元疲勞荷載試驗技術(shù)要求及數(shù)據(jù)
3.2.1 多孔錨索靜載錨固試驗
碳纖維筋拉索靜載性能與拉索服役安全性密切相關(guān),研究內(nèi)容涉及極限錨固性能、粘結(jié)損傷評定及索體應(yīng)力均勻性等。相關(guān)研究一般基于橋梁拉索測試規(guī)范,通過逐級單調(diào)加載或循環(huán)加載的方式,對所研發(fā)錨固體系性能進(jìn)行評定。
逐級單調(diào)加載用于研究錨固體系的極限性能,是靜載性能研究的核心。錨固體系的極限性能可通過錨具效率系數(shù)[5]進(jìn)行對比,反映錨固體系對CFRP筋束的錨固損傷程度。
解決Φ12碳纖維筋單孔錨固單元的錨固問題后,本文對由錨固單元與UHPC灌漿料組合式錨固的5孔OVM12-5錨索進(jìn)行相關(guān)試驗研究,具體試驗過程見表3和圖8所示。
表3 5孔Φ12碳纖維筋錨索靜載錨固試驗數(shù)據(jù)
圖8 5孔Φ12碳纖維筋錨索靜載錨固試驗
試驗結(jié)果表明,采用2500MPa級別的復(fù)合式錨固的5孔OVM12-5碳纖維筋錨索具有極高的錨具效率系數(shù),完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
3.2.2 多孔錨索疲勞荷載試驗
現(xiàn)階段對CFRP材料疲勞損傷的試驗研究,主要通過監(jiān)測疲勞試驗中CFRP材料微觀、宏觀損傷狀態(tài)參數(shù)的變化趨勢或?qū)Ρ绕谇昂髶p傷狀態(tài)參數(shù)的變化程度,實現(xiàn)對CFRP材料損傷狀態(tài)的定量描述[6]。
本文研究的拉索的疲勞試驗步驟與單孔錨固單元參照的GB/T 14370—2015要求的試驗步驟一致,具體試驗過程見表4。
表4 5孔Φ12碳纖維筋錨索疲勞荷載試驗技術(shù)要求及數(shù)據(jù)
試驗結(jié)果表明,采用2 500 MPa級別的復(fù)合式錨固的5孔OVM12-5碳纖維筋錨索經(jīng)200萬次循環(huán)荷載后,錨具零件無疲勞破壞,碳纖維筋無滑移且未發(fā)生疲勞破壞,3組疲勞試驗后繼續(xù)進(jìn)行靜載試驗:試驗力分別加載到1 415.7 kN、1 414.9 kN、1 416.2 kN,保壓30 min無異常后卸載(未繼續(xù)加載至破斷),錨具效率系數(shù)3組均為1.00,完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,充分證明該復(fù)合錨固體系的穩(wěn)定性及可靠性。
針對大直徑(≥Φ12)碳纖維筋單根及多根的錨固難題,本文采用粘結(jié)式與擠壓式相結(jié)合的復(fù)合式、多層級錨固方式,設(shè)計了相應(yīng)的錨具組裝件,研究了相關(guān)錨固工藝,按標(biāo)準(zhǔn)要求并高于標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行了靜載錨固試驗、疲勞荷載試驗,試驗結(jié)果表明,該錨固技術(shù)具有較高的錨固可靠性及穩(wěn)定性,具備很高的推廣應(yīng)用價值。