CFRP體外預(yù)應(yīng)力筋錨固裝置受力性能的試驗研究

于海波，張元

(1.黑龍江省公路勘察設(shè)計院，哈爾濱 150080；2.黑龍江工程學(xué)院，哈爾濱 150050)

1 研究現(xiàn)狀及研究內(nèi)容

1.1 研究現(xiàn)狀

基于錨固裝置的力學(xué)特點和在體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)構(gòu)造中的重要地位，國內(nèi)外學(xué)者對其進行了研究。

Perry Adebar，Brian S.Chen等人對預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位進行了拉壓桿模型的研究，對拉壓桿原理和設(shè)計步驟進行了詳細介紹[1-2]。

楊美良對兩座不同截面類型的體外預(yù)應(yīng)力橋梁錨固結(jié)構(gòu)的空間應(yīng)力分析，獲得了其應(yīng)力分布特點，指出了其薄弱環(huán)節(jié)。探討了角鋼、錨墊板、體外預(yù)應(yīng)力鋼管對錨固結(jié)構(gòu)受力性能的影響，并采用拉壓桿模型方法，建立了錨固結(jié)構(gòu)拉壓桿配筋計算模型，提出了配筋建議[3-5]。

從研究成果來看，體外預(yù)應(yīng)力加固法錨固裝置試驗研究相對較小，未見針對黏結(jié)-摩擦型錨固裝置受力性能的研究；錨固塊多采用空間有限元分析及采用拉壓桿模型的平面配筋計算研究，但空間受力分析較為簡單，對細部構(gòu)件的局部受力分析研究較少，研究深度不夠；預(yù)應(yīng)力筋材主要采用的是鋼絲或鋼絞線，而應(yīng)用于CFRP預(yù)應(yīng)力筋加固的錨固裝置的研究甚少[6-8]。

1.2 研究內(nèi)容

(1)研究CFRP體外預(yù)應(yīng)力錨固裝置錨固齒板應(yīng)變特點。

(2)研究高強螺栓螺桿的應(yīng)變分布規(guī)律。

2 試驗方案

2.1 試件設(shè)計

采用矩形斷面普通鋼筋混凝土簡支梁，尺寸和配筋情況如圖1所示。

圖1 試驗梁尺寸和配筋情況(cm)

圖2 直線型布筋錨固裝置構(gòu)造圖(mm)

錨固裝置設(shè)計類型為黏結(jié)-摩擦型，采用A3鋼，主要由側(cè)鋼板、底鋼板、齒板及高強螺栓組成，如圖2所示。錨固裝置組件焊接成整體后，在側(cè)鋼板與梁側(cè)混凝土接觸面間進行涂膠及噴撒金剛砂處理，梁內(nèi)預(yù)留對穿孔內(nèi)涂膠，并采用高強螺栓對穿側(cè)鋼板施加預(yù)緊力；CFRP筋定型錨具安裝在錨固齒板一側(cè)，如圖3所示。

圖3 直線型錨固裝置布置情況(mm)

2.2 材料性能

主要材料實測性能指標見表1和表2。

表1 鋼板性能指標

表2 高強螺栓連接副性能指標

3 測點布置

在錨固齒板圓孔邊緣布置應(yīng)變測點AH1；在錨固齒板根部布置應(yīng)變測點AH2，如圖4所示；在梁端側(cè)梁內(nèi)螺桿布置應(yīng)變測點AG1～AG3和BG1～BG3，如圖5所示。在預(yù)應(yīng)力筋齒板附近布置應(yīng)變測點1-NC5；在側(cè)鋼板和附近梁體布置位移測點Φ1～Φ4，如圖6所示。

圖4 錨固齒板應(yīng)變布置圖(mm)

圖5 試驗梁錨固螺栓測點示意圖

圖6 側(cè)鋼板位移和碳纖維筋測點布置圖

4 試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

4.1 錨固齒板應(yīng)變分析

(1)預(yù)應(yīng)力筋張拉階段。錨固齒板主拉應(yīng)變值與預(yù)應(yīng)力筋張拉力呈正比，線性關(guān)系明顯，如圖7所示。齒板圓孔邊緣應(yīng)力較根部大，可見在預(yù)應(yīng)力張拉階段，齒板圓孔邊緣為應(yīng)力控制點，該部分正是齒板與錨具接觸部分，設(shè)計中需給予重視。

圖7 張拉階段錨固齒板主拉應(yīng)變值

(2)試驗梁加載及破壞階段

圖8 加載階段錨固齒板主拉應(yīng)變值

如圖8所示，錨固齒板主拉應(yīng)變值與預(yù)應(yīng)力筋力值呈正比，線性關(guān)系較明顯。齒板圓孔邊緣應(yīng)力較根部變化快，在梁體破壞的前一級荷載，齒板主拉應(yīng)力均達到了相應(yīng)最大值，且均小于鋼板屈服強度，說明錨固齒板組件連接及相關(guān)尺寸能夠保證其正常使用，且尚有強度儲備。

4.2 側(cè)鋼板滑移分析

側(cè)鋼板相對梁體的位移，即為側(cè)鋼板的滑移量。經(jīng)數(shù)據(jù)分析可知，在試驗梁破壞階段，滑移量在0.4 mm以內(nèi)，能夠滿足要求。較小的滑移量說明在界面采用涂膠及噴砂處理可以有效提高界面抗滑移系數(shù)，錨固裝置安全性得到提高。

4.3 螺桿拉應(yīng)變分析

預(yù)應(yīng)力筋張拉階段和試驗梁加載破壞階段測試數(shù)據(jù)如圖9～圖11所示。

圖9 張拉階段螺桿拉應(yīng)變實測值

圖10 加載階段螺桿A拉應(yīng)變實測值

圖11 加載階段螺桿B拉應(yīng)變實測值

數(shù)據(jù)分析表明：

(1)在預(yù)應(yīng)力筋張拉階段，螺桿拉應(yīng)變隨張拉力值近似呈線性變化；加載破壞階段，線性關(guān)系不顯著。

(2)遠離錨固齒板的螺桿A受預(yù)應(yīng)力筋偏心彎矩影響較大，導(dǎo)致拉應(yīng)變值增長較快。

(3)各螺桿中測點較邊測點應(yīng)變值偏大。

預(yù)留孔內(nèi)涂膠可使螺桿與梁內(nèi)孔壁的接觸邊界變得趨于均勻密實，在桿端微小剪力作用下，螺桿中部存在較桿端偏大的彎矩作用，導(dǎo)致中部應(yīng)變值偏大；而由于孔內(nèi)涂膠豐滿度不易保證，導(dǎo)致在桿端承受較大剪力時，孔內(nèi)膠層向未涂膠留下的空隙移動，接觸邊界變得復(fù)雜，螺桿各斷面應(yīng)變離散性變大。

設(shè)計中，遠離齒板的螺桿可所為計算控制單元，需重點考慮螺桿間的相對位置，盡量使螺桿受力趨于均勻。施工中，孔內(nèi)填充介質(zhì)可在一定程度上使螺桿受力明確，采取有效措施保證螺桿與孔壁空隙填充質(zhì)量具有實用性。

表3 加載階段螺桿拉應(yīng)力實測值和計算值

按式(1)[9]計算試驗梁破壞時的前一級荷載作用下的螺桿拉應(yīng)力值，見表3。螺桿實測拉應(yīng)力小于按式(1)計算的拉應(yīng)力值。

(1)

式中：M為彎矩設(shè)計值；y1為最外排螺栓到螺栓群形心軸的距離；yi為第i排螺栓到螺栓群形心軸的距離；m為螺栓縱向列數(shù)。

分析表明，對穿孔內(nèi)涂膠在一定程度上提高了螺桿抵抗外拉力的能力，亦說明在設(shè)計中按公式(1)考慮螺桿拉力是偏于保守的。

4.4 錨固安全系數(shù)

在試驗梁破壞時的前一級荷載作用下，螺桿有效預(yù)緊力計算值見表4。

表4 螺桿有效預(yù)緊力

按文獻[10]中規(guī)定：一個摩擦型高強度螺栓的抗拉承載力設(shè)計值為0.8P，即至少要保證摩擦型高強螺栓的20%的預(yù)緊力。表4表明，螺桿有效預(yù)緊力均在施加值的20%以上，能夠滿足要求。

根據(jù)式(2)[11]的計算方法，求得實際的錨固安全系數(shù)K=1.98，接近文獻[7]取用的K=2建議值。

(2)

式中：n為用于錨固的高強度螺栓個數(shù)；P為一個高強度螺栓的設(shè)計拉力，N；K為錨固安全系數(shù)，取K=2；nm為摩擦面的個數(shù)；Apb,e為體外索斜筋(束)的面積，mm2；σpub,e為體外索斜筋(束)的極限應(yīng)力，MPa；μ為包含黏結(jié)力影響的摩擦系數(shù)，取μ=0.5。

5 結(jié) 論

(1)設(shè)計的錨固裝置是安全可靠的，可以滿足要求。

(2)設(shè)計中，齒板圓孔邊緣可作為應(yīng)力控制點，需給予重視；遠離齒板的螺桿可所為計算控制單元，需重點考慮螺桿間的相對位置，盡量使螺桿受力趨于均勻；按公式(1)計算螺桿拉應(yīng)力是偏于安全的。

(3)施工中，在界面采用涂膠及噴砂處理可以有效提高界面抗滑移系數(shù)，錨固裝置安全性得到提高；孔內(nèi)填充介質(zhì)可在一定程度上使螺桿受力明確，采取有效措施保證螺桿與孔壁空隙填充質(zhì)量具有實用性；對穿孔內(nèi)涂膠可在一定程度上提高螺桿抵抗外拉力的能力。

【參 考 文 獻】

[1]Adebar.Design of Deep Pile Caps by Strut-and-Tie Models[J].ACI Structural，1996，93(4)：437-447.

[2]Chen B S，Hagenberger M J，Breen J E.Evaluation of Strut-and Tie Modeling Applied to Dapped Beam with Opening.ACI Structural，2002，99(4)：445-450.

[3]楊美良.體外預(yù)應(yīng)力橋梁錨固結(jié)構(gòu)的受力性能與配筋研究[J].工程力學(xué)，2008(6)：159-164.

[4]曹 偉，宋文峰.體外預(yù)應(yīng)力在大跨連續(xù)剛構(gòu)橋加固工程中的應(yīng)用[J].公路工程，2011，36(5)：111-114.

[5]呂士軍，孫建淵.面向?qū)ο髽蛄撼绦颉w外預(yù)應(yīng)力效應(yīng)類的設(shè)計和實現(xiàn)[J].公路工程，2009，34(2)：95-100.

[6]于海波.體外CFRP筋加固混凝土梁錨固裝置受力性能的研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2010.

[7]于天來，黃 巍.原梁參數(shù)對體外預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固RC梁抗剪性能的影響[J].森林工程，2014，30(3)：147-152.

[8]趙曉春.體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)計算的接觸分析方法[J].公路工程，2014，39(2)：281-283+287.

[9]徐占發(fā).鋼結(jié)構(gòu)與組合結(jié)構(gòu)[M].北京：人民交通出版社，2008.

[10]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB50017-2003)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[11]公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范(JTG/TJ22-2008)[S].北京：人民交通出版社，2008.