改進(jìn)型CFRP筋黏結(jié)式錨具靜載試驗

劉榮桂，陳 蓓，，李十泉，謝桂華

(1.江蘇大學(xué)土木與力學(xué)學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013;2.南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院土木工程學(xué)院，江蘇泰州 225300)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展對材料提出了新要求.即要求混凝土具有高強(qiáng)度和高性能，包括延性、施工性能以及耐久性;要求混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋、鋼絲和鋼絞線抗腐蝕;要求加固、修補(bǔ)既有混凝土結(jié)構(gòu);要求回收及再利用混凝土結(jié)構(gòu)中的材料［1］.與此同時，許多性能優(yōu)異的新材料在工程結(jié)構(gòu)中相繼出現(xiàn).其中，纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料(fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP)就是其中一大類.目前，F(xiàn)RP在土木工程中的應(yīng)用主要以2種形式出現(xiàn):一是對已建結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)和加固;二是新建結(jié)構(gòu)中的設(shè)計應(yīng)用.以橋梁工程為例，方志等研究表明:如果將FRP索應(yīng)用到整個橋梁中去，將減少結(jié)構(gòu)恒載，使得結(jié)構(gòu)的有效承載力大為提高.?.?avdar等［2］對CFRP大跨度橋梁的拉索在模擬地震作用下進(jìn)行了有限元分析.K.Inoue等［3］對拉索結(jié)構(gòu)振動特性與控制橋塔的地震響應(yīng)方面進(jìn)行了相應(yīng)研究.劉榮桂等［4-5］開展了CFRP索斜拉橋的動態(tài)測試與地震響應(yīng)分析.劉榮桂等［6］對國內(nèi)首座CFRP索斜拉橋的CFRP拉索進(jìn)行了長期的現(xiàn)場觀測和試驗，結(jié)果表明CFRP拉索在風(fēng)雨條件下發(fā)生大幅度的振動均有“限速”和“限幅”現(xiàn)象.

FRP主要包括碳纖維(CFRP)、玻璃纖維(GFRP)、芳綸纖維(AFRP)和連續(xù)玄武巖纖維(CBF)［7］.FRP 與鋼材的部分力學(xué)性能見表 1［1］.由表1可知，CFRP具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、高彈模的特點，性能較為突出.此外，CFRP還具有抗腐蝕能力強(qiáng)、較高的電阻和較低的磁感應(yīng)等特點.

表1 FRP與鋼材的部分力學(xué)性能

目前，CFRP片材、筋材已被用于許多已建結(jié)構(gòu)的加固及新建結(jié)構(gòu)中.由于CFRP橫向強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度較低，傳統(tǒng)的錨固體系不能直接適用.A.Nanni等［8］研究表明:配置CFRP預(yù)應(yīng)力筋的結(jié)構(gòu)，其最終承載能力將更多地取決于錨具系統(tǒng)的錨固性能，而不是預(yù)應(yīng)力筋本身的強(qiáng)度.可見，CFRP應(yīng)用所面臨的一個關(guān)鍵問題是開發(fā)合適的錨固系統(tǒng).據(jù)錨固機(jī)理不同，CFRP筋錨具可分為黏結(jié)式、夾片式和復(fù)合式［9］.本課題組對CFRP筋黏結(jié)式錨具進(jìn)行靜載張拉試驗.

1 黏結(jié)式錨具試驗

CFRP筋黏結(jié)式錨具的構(gòu)造形式主要分為直筒式、內(nèi)錐式和直筒+內(nèi)錐式，如圖1所示.本課題組前期研究［10］表明:在錨具內(nèi)錐段長度和直筒段總長度都不改變的前提下，在錨具末端設(shè)置短直筒段，可使錨具部分范圍內(nèi)筋材的徑向擠壓應(yīng)力值和黏結(jié)應(yīng)力值都有所減小，且錨具中筋材的徑向擠壓應(yīng)力在錨固長度內(nèi)分布更趨于均勻，錨具的錨固能力得到了提高.

圖1 已有的黏結(jié)式錨具構(gòu)造

選用直筒式和改進(jìn)后的內(nèi)錐式錨具(見圖1d).相應(yīng)的黏結(jié)式錨具構(gòu)造參數(shù)見表2.灌膠后，養(yǎng)護(hù)中的錨具見圖2.

表2 試件結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 灌膠后的錨具

1.1 試驗材料

筋材采用國產(chǎn)8 mm CFRP筋材單根長度1.5 m.該CFRP筋采用進(jìn)口12K碳纖維和特種樹脂加工，抗拉強(qiáng)度1 800 MPa，彈性模量140 GPa，極限應(yīng)變大于1.5%.黏結(jié)介質(zhì)為Lica300建筑結(jié)構(gòu)膠.室溫條件下黏結(jié)強(qiáng)度為24.29 MPa，彈性模量為2.61 GPa.錨固區(qū)CFRP筋材表面黏結(jié)應(yīng)力(此處所說的黏結(jié)應(yīng)力是指錨固區(qū)筋材表面軸向應(yīng)力的總和)是建立錨固區(qū)黏結(jié)應(yīng)力分布模型的依據(jù)，對錨具結(jié)構(gòu)優(yōu)化有重要意義.在CFRP筋表面黏貼應(yīng)變片測試CFRP筋應(yīng)力分布.考慮應(yīng)變片對黏結(jié)力的影響，測點間距不宜太小，測點間距取4 cm.導(dǎo)線選用直徑0.3 mm導(dǎo)線，以減小對黏結(jié)力的影響.

通過式(1)間接近似計算CFRP筋材表面平均黏結(jié)應(yīng)力:

1.2 試件張拉

錨具的靜載張拉過程參考JGJ 85—2010《預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行逐級加載.加載步驟:初始加載20 kN，，再加載到30 kN，此后以 5 kN·次-1逐級加載，在加載至100 kN后持載30 min，繼續(xù)以5 kN·次-1加載至錨具失效.整個過程加載速度在100 MPa·min-1左右.錨具失效的特征有筋材斷裂、筋材拔出.

2 結(jié)果及初步分析

2.1 試驗結(jié)果

試件2，5，7，8 發(fā)生筋材拉斷破壞，試件 1，3，4，6發(fā)生筋材滑移破壞(見表2).試件2，5，7，8發(fā)生筋材拉斷破壞荷載依次為 115，112，119，118 kN.其中，試件8在加載至110 kN時，錨具與筋材之間未出現(xiàn)明顯滑移，加載至116 kN時錨具與筋材之間錨固良好，無明顯滑移.

2.2 初步分析

所用筋材的平均極限拉力為116 kN，相應(yīng)的極限拉應(yīng)力為2 308 MPa，且力學(xué)性能穩(wěn)定.試件2拉斷表明，改進(jìn)式錨具在內(nèi)錐角為3°，筋材與筒壁間距為1d，錨固長度為180 mm時，即可錨固極限拉力為115 kN的CFRP筋材.試件7拉斷表明:筋材與筒壁間距為8.0 mm，直筒式錨具長度為280 mm時，可錨固極限拉力為119 kN的CFRP筋材.

對比試件2，7可知，相同條件下，改進(jìn)式錨具具有更短的錨筒長度，這對大噸位錨具的制造、加工及應(yīng)用是十分有利的.兩試件錨固區(qū)筋材表面平均黏結(jié)應(yīng)力可由式(2)求得，即

對比試件2，5可知，錨具內(nèi)壁的不同處理方式對改進(jìn)式錨具承載力影響不明顯.

對比試件2，3，試件3錨固失敗的原因在于灌膠不密實，因此，對于黏結(jié)式錨具而言，灌膠施工質(zhì)量必須得到保證.很有必要研究與之配套的壓力灌膠技術(shù)、施工工法.

3 黏結(jié)應(yīng)力分析

黏結(jié)應(yīng)力主要包括黏結(jié)膠體的黏結(jié)作用力、筋材螺紋與膠體的機(jī)械咬合力、筋材表面的摩擦力3部分.據(jù)試驗數(shù)據(jù)和式(1)計算，試件8在極限狀態(tài)下的黏結(jié)應(yīng)力分布如圖3所示.

圖3 極限狀態(tài)下的黏結(jié)應(yīng)力分布

圖3中黏結(jié)應(yīng)力分布:第1部分為近自由端區(qū)段，第2部分為中間區(qū)段，第3部分為近加載端區(qū)段.極限狀態(tài)下，黏結(jié)應(yīng)力最大值總出現(xiàn)在加載端.加載過程中自由端黏結(jié)應(yīng)力由3.8 MPa增加到5.8 MPa，加載端黏結(jié)應(yīng)力由26.5 MPa降到23.5 MPa.其他區(qū)域黏結(jié)應(yīng)力分布曲線無明顯變化.

圖3中的黏結(jié)應(yīng)力曲線上標(biāo)注點代表各測段平均黏結(jié)應(yīng)力.據(jù)圖3中黏結(jié)應(yīng)力曲線，由式(3)計算黏結(jié)力總和T':

將計算得到的T'與實際加載T進(jìn)行比較，結(jié)果見表3.極限拉力下，軸向力檢算最大誤差為7.20%.據(jù)所測黏結(jié)應(yīng)力，以式(3)計算得到的筋材軸力與實際加載吻合較好.這表明，試驗中選用的直接測試CFRP筋應(yīng)變的方法是可靠的;通過式(1)近似計算黏結(jié)應(yīng)力的方法是可行的.

表3 CFRP筋實際加載與計算所得軸力比較

4 結(jié)論

對黏結(jié)式CFRP錨具靜載張拉試驗進(jìn)行了研究和分析，通過測得的錨固區(qū)黏結(jié)應(yīng)力分布情況，對所測得的黏結(jié)力進(jìn)行檢算，得出以下結(jié)論:

1)改進(jìn)式錨具在錨固長度為180 mm時能有效錨固單根筋材，而直筒式需要280 mm錨固長度.可見，錨具結(jié)構(gòu)形式的改進(jìn)是有效的.

2)錨具內(nèi)壁的不同處理方式對改進(jìn)式錨具承載力影響不明顯.對于黏結(jié)式錨具，灌膠施工質(zhì)量必須得到保證.

3)當(dāng)應(yīng)變片間距適當(dāng)時，直接在CFRP筋表面黏貼應(yīng)變片，通過測點應(yīng)變分析黏結(jié)應(yīng)力分布的方法是可行的.在此基礎(chǔ)上得到的試驗數(shù)據(jù)經(jīng)式(1)，(3)計算，在逐級加載的過程中誤差較大，最大誤差為7.20%，在極限荷載下無誤差.

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