新型碳纖維板錨具設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

侯蘇偉， 姜艷， 張昊

(北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院， 北京 102616)

在橋梁工程中，由于自然災(zāi)害和環(huán)境因素，橋梁各部分構(gòu)件均會(huì)受到不同程度的損害。針對(duì)橋梁構(gòu)件的損害，橋梁加固的新工藝、新材料應(yīng)運(yùn)而生。目前針對(duì)橋梁加固，粘貼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(fiber reinforced plastic，F(xiàn)RP)加固法使用廣泛，這種方法是采用高強(qiáng)度的纖維復(fù)合材料，配制粘貼劑貼在橋梁混凝土構(gòu)件表面，使其與橋梁原構(gòu)件組成整體共同工作。其中，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(carbon fiber reinforced plastic，CFRP)加固過(guò)程簡(jiǎn)便易行、成本低、效率高，在加固后基本不影響原結(jié)構(gòu)的自重和尺寸[1]，經(jīng)CFRP加固的混凝土具有優(yōu)異的帶裂縫工作能力，大幅提升其承載能力[2]。

目前CFRP板錨具類型使用較多的是平板式錨具和夾片式錨具。平板式錨具承載力和臨界長(zhǎng)度對(duì)界面壓應(yīng)力和夾板厚度較為敏感[3]。夾片式錨具的夾片需要具有一定的剛度才能夾持住CFRP板，減少錨具在錨固過(guò)程中CFRP板的滑移量，提高錨具的使用效率[4]。如何設(shè)計(jì)更加合理的錨固措施提高CFRP板錨固效率成為現(xiàn)階段需要解決的問(wèn)題[5]。

大多數(shù)錨具類型分為利用化學(xué)粘貼劑的錨和機(jī)械錨?；谕饧踊瘜W(xué)粘貼劑的錨具錨固效率普遍較低[6]，由于CFRP-混凝土界面黏結(jié)剪應(yīng)力分布不均勻，將會(huì)減少CFRP的使用壽命[7],而機(jī)械錨則是利用錨固系統(tǒng)自身的摩擦，機(jī)械錨的整體錨固效率較高[8]。Siwowski等[9]設(shè)計(jì)了一種新型的CFRP板張拉系統(tǒng)，以此來(lái)提高CFRP板錨具的錨固性能。為了增加錨具與CFRP板的接觸面積，汪志昊等[10]研究了預(yù)應(yīng)力CFRP板圓齒紋平板錨具的錨固性能，研究表明合理的齒深、齒距和切線角度能夠提高錨具的錨固效率。吳善能等[11]探究了以力矩為控制方式的錨具的錨固性能，結(jié)果表明不同的螺栓強(qiáng)度可改變CFRP板的錨固效率。

綜上所述，CFRP板錨具的錨固性能會(huì)受到錨具結(jié)構(gòu)形式的影響。在實(shí)際的加固過(guò)程中，由于平板式錨具的夾持力通過(guò)預(yù)緊螺栓提供，如何控制螺栓力大小這一問(wèn)題沒有得到解決。現(xiàn)將新型錨具的夾板設(shè)計(jì)為內(nèi)曲面式，通過(guò)控制夾板位移達(dá)到控制螺栓預(yù)緊力大小的目的。錨具夾板內(nèi)曲面式設(shè)計(jì)可增強(qiáng)夾板對(duì)CFRP板的擠壓效果，避免CFRP板在端口處由于橫向剪應(yīng)力突變而發(fā)生豎向剪切破壞。

1 新型CFRP板錨具設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的平板式錨具通過(guò)螺栓提供預(yù)緊力固定CFRP板，但是實(shí)際工程中，由于無(wú)法很好地控制螺栓的預(yù)緊力大小，預(yù)緊力過(guò)大或者過(guò)小都會(huì)影響錨具的錨固效果。平板式錨具結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 平板式錨具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of flat anchor structure

傳統(tǒng)的夾片式錨具主要是由兩個(gè)部分組成：錨板、夾片。夾片式錨具運(yùn)用其自錨功能，CFRP板在受到橫向拉力的情況下與夾片在摩擦力的作用下一起滑動(dòng)，并且在錨板內(nèi)部被擠壓，從而提供較大的預(yù)應(yīng)力。在錨固過(guò)程中，由于沿著錨具縱向端口處出現(xiàn)擠壓應(yīng)力過(guò)大，導(dǎo)致CFRP在使用過(guò)程中發(fā)生剪切破壞而降低錨具錨固效率。夾片式錨具結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 夾片式錨具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of clip anchor structure

結(jié)合傳統(tǒng)錨具特點(diǎn)，在原有結(jié)構(gòu)形式上加以改進(jìn)，設(shè)計(jì)一種新型的內(nèi)曲面式錨具。新型的錨具包括上下兩片鋼制夾板，兩夾板通過(guò)螺栓連接，上夾板與下夾板的內(nèi)曲面之間形成通孔，通孔兩側(cè)為纖維片，所述的通孔內(nèi)放置CFRP板，通孔的高度自中間沿著縱向，向其兩端逐漸增大，增大至通孔端部的高度與所夾持的CFRP板的厚度相同。新型錨具發(fā)揮錨固作用需經(jīng)歷兩個(gè)階段：擠壓階段和張拉階段。擠壓階段通過(guò)控制預(yù)緊螺栓使CFRP板受到強(qiáng)大的擠壓作用，預(yù)緊螺栓持續(xù)提供預(yù)緊力直到上下夾板與限位片接觸緊貼時(shí)完成擠壓作用，從而達(dá)到擠壓效果，擠壓階段完成。張拉階段主要通過(guò)千斤頂張拉錨具的兩端使得CFRP板受到強(qiáng)大的拉力，從而起到錨固作用。新型錨具的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，夾板的三視圖如圖4所示。

圖3 新型錨具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of the new anchorage

圖4 夾板三視圖Fig.4 Three views of splint

新型錨具在錨固過(guò)程中，夾板的內(nèi)曲面式設(shè)計(jì)可以增大CFRP板與夾板之間的接觸面積，達(dá)到更好的擠壓效果。夾板內(nèi)曲面式設(shè)計(jì)可以避免CFRP板在夾板端口處由于橫向剪應(yīng)力突變導(dǎo)致的剪切破壞，提高錨具的錨固效率。內(nèi)曲面式的設(shè)計(jì)可以通過(guò)控制夾板的位移來(lái)控制CFRP板的壓縮量，從而達(dá)到預(yù)期的擠壓效果。

2 新型錨具機(jī)理分析

2.1 夾板弧線方程的確立

夾板與CFRP板接觸面的形狀對(duì)于整個(gè)錨具的錨固性能具有重要的影響。假設(shè)CFRP板厚度為t，夾片板長(zhǎng)l，其中l(wèi)為50t～60t，沿縱向漸變率范圍為10%～15%。采用l=50t，漸變率取10%。初步設(shè)定夾板的內(nèi)曲面弧線方程為雙曲線，根據(jù)雙曲線的方程，夾板弧線的函數(shù)示意圖如圖5所示。

在圖5中，設(shè)定A坐標(biāo)為(l/2，t/2)，B坐標(biāo)為(0,0.45t)，其中A點(diǎn)為夾板縱向端點(diǎn)，B點(diǎn)為夾板縱向1/2處。根據(jù)A和B兩點(diǎn)坐標(biāo)，代入雙曲線方程可求解得弧線的雙曲線方程為

圖5 夾板弧線函數(shù)示意圖Fig.5 Schematic diagram of splint arc function

(1)

弧線切角α為弧線切線方向與水平方向的夾角，弧線切角的大小影響CFRP板表面受到的擠壓應(yīng)力和剪應(yīng)力大小，如圖6所示。

圖6 弧線切角示意圖Fig.6 Schematic diagram of arc cutting angle

根據(jù)弧線的雙曲線方程，可確定弧線切角α，其微分關(guān)系為

(2)

可確定弧線的切角α為

(3)

2.2 受力分析

錨具的實(shí)際受力問(wèn)題很難得到理論精確解，為了得到受力的分布趨勢(shì)，對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下假設(shè)。

(1)錨具夾板內(nèi)部結(jié)構(gòu)的縱截面為軸對(duì)稱圖形，將夾板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為彈性力學(xué)中的平面應(yīng)變問(wèn)題。

(2)錨具夾板材料為鋼制材料，其各向彈性模量一致，假設(shè)夾板始終處于彈性狀態(tài)。

(3)CFRP板表面粗糙，假設(shè)CFRP板與內(nèi)曲面式鋼制夾板之間無(wú)滑移。

(4)錨具夾板與CFRP板兩側(cè)的限位片貼近時(shí)為錨具的理想受力狀態(tài)。 夾板與CFRP板接觸面的受力如圖7所示。

圖7 夾板與CFRP板接觸面受力示意圖Fig.7 Schematic diagram of the force on the contact surface of the splint and the CFRP plate

取CFRP板與夾板接觸面微元進(jìn)行計(jì)算，則CFRP板縱向上某一點(diǎn)的擠壓應(yīng)力為

(4)

式(4)中：Fbs為擠壓力；Abs為擠壓計(jì)算面積；q為CFRP板與夾板接觸面處某一點(diǎn)的荷載集度；dA為微元面積。因此CFRP板表面擠壓應(yīng)力分布如圖8所示。

圖8 CFRP板表面擠壓應(yīng)力分布圖Fig.8 CFRP board surface extrusion stress distribution diagram

新型錨具橫向上的豎向剪應(yīng)力可運(yùn)用截面法計(jì)算。CFRP的擠壓區(qū)域內(nèi)，將其視為簡(jiǎn)支梁，在CFRP板擠壓端口處橫向剪力最大。實(shí)用計(jì)算方法假定切應(yīng)力在CFRP板的剪切面上規(guī)律分布，于是得到CFRP板的名義切應(yīng)力為

(5)

式(5)中：Fs為在CFRP板橫向剪切力；As為CFRP板橫向剪切面積。

CFRP板沿著縱向上橫向剪力大小分布同夾板擠壓力大小分布規(guī)律相同：在擠壓區(qū)域內(nèi)，沿著縱向呈現(xiàn)中間大兩端小。在計(jì)算CFRP板橫向剪應(yīng)力沿著縱向上的分布時(shí)，將CFRP板視為簡(jiǎn)支梁，故可根據(jù)CFRP板與夾板接觸面的剪力分布規(guī)律得出CFRP板橫向剪應(yīng)力沿著縱向上的分布規(guī)律如圖9所示。

圖9 CFRP板表面橫向剪應(yīng)力沿縱向分布規(guī)律圖Fig.9 The longitudinal distribution of transverse shear stress on the surface of CFRP plate

3 有限元分析

3.1 有限元建立

利用軟件workbench進(jìn)行有限元建模。由于限位片在錨固過(guò)程中僅起到約束作用，對(duì)受力無(wú)影響，建模時(shí)不予考慮。新型錨具有限元模型圖如圖10所示。

圖10 有限元模型圖Fig.10 Finite element model diagram

為了獲得錨具的最佳尺寸參數(shù)，采用控制變量法對(duì)不同參數(shù)的錨具進(jìn)行受力模擬。主要控制參數(shù)包括CFRP板壓縮量和CFRP板厚度。具體參數(shù)取值如表1和表2所示。

表1 CFRP板錨具尺寸Table 1 CFRP board anchor size

表2 CFRP板錨具尺寸Table 2 CFRP board anchor size

新型錨具加載分為擠壓階段和張拉階段。擠壓階段，在夾板上邊緣螺栓孔附近施加荷載；張拉階段，在施加螺栓荷載的基礎(chǔ)上，施加張拉荷載，張拉荷載施加在夾板端部。加載方式如圖11所示。

P表示加載在錨具兩端的張拉力；F1、F2分別表示兩個(gè)大小不同的螺栓預(yù)緊力圖11 錨具加載示意圖Fig.11 Schematic diagram of anchor loading

3.2 結(jié)果分析

現(xiàn)提取受力模擬的錨具模型結(jié)果進(jìn)行分析，其CFRP板厚度為2 mm，壓縮量為0.3 mm。擠壓階段主要考慮夾板和CFRP板的位移。選取夾板和CFRP板接觸區(qū)域內(nèi)豎向位移進(jìn)行比較，如圖12所示。

由圖12可知，在擠壓階段，擠壓區(qū)域內(nèi)的CFRP板中部位移最大達(dá)到0.090 2 mm，同一位置處夾板位移為0.097 2 mm，CFRP板和夾板的變形相互協(xié)調(diào)。比較CFRP板和夾板的位移變化發(fā)現(xiàn)：沿著縱向，CFRP板從中部向兩端的位移變化大，夾板的位移變化小但位移始終大于CFRP板位移。這是由于夾板和CFRP板彈性模量不同導(dǎo)致的。

圖12 CFRP板與夾板的豎向位移Fig.12 Vertical displacement of CFRP board and splint

為進(jìn)一步分析擠壓階段錨具的應(yīng)力分布，選取如圖13所示夾板3個(gè)截面對(duì)應(yīng)的CFRP板應(yīng)力進(jìn)行分析，CFRP板截面在擠壓階段豎向正應(yīng)力如圖14所示。其中x表示橫向距離，x=0 mm位置取為夾板縱向1/2處，x=25 mm表示與x=0 mm的距離為25 mm。

圖13 選取截面示意圖Fig.13 Schematic diagram of selected cross-section

由圖14可知，各截面處CFRP板表面豎向正應(yīng)力變化保持一致，橫向上CFRP板表面豎向正應(yīng)力差值最大處出現(xiàn)在x=0 mm截面，沿著縱向，從x=0 mm到x=75 mm截面，CFRP板表面豎向正應(yīng)力絕對(duì)值逐漸減小。這是由于夾板的內(nèi)曲面設(shè)計(jì)，導(dǎo)致在x=0 mm截面處擠壓最為明顯，符合夾板弧線切角α從x=0 mm截面到x=75 mm截面逐漸增大的曲率變化規(guī)律。

圖14 擠壓應(yīng)力Fig.14 Extrusion stress

新型錨具的內(nèi)曲面設(shè)計(jì)可以避免橫向剪應(yīng)力在夾板端口處發(fā)生突變，在擠壓階段CFRP板截面橫向剪應(yīng)力如圖15所示。

由圖15可知，新型錨具的CFRP板錨固區(qū)橫向上豎向剪應(yīng)力沿著縱向從中間向兩端逐漸增大，在x=0 mm截面CFRP板的橫向上的豎向剪應(yīng)力為0 MPa，其橫向上豎向剪應(yīng)力最小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：錨具的夾板與CFRP板接觸面為曲面設(shè)計(jì)，相較于平面設(shè)計(jì)可有效避免橫向上豎向剪應(yīng)力在夾板端口處出現(xiàn)剪應(yīng)力突變現(xiàn)象。

圖15 橫向剪應(yīng)力分布Fig.15 The distribution of vertical and horizontal shear stresses

4 靜力試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中使用的CFRP板的厚度為2 mm，其性能如表3所示，錨具夾板選用屈服強(qiáng)度為345 MPa的鋼材，材料性能如表4所示。

表3 CFRP板的材料性能Table 3 Material properties of CFRP board

錨具中使用的鋼制限位片能夠使得錨具的上下夾板在預(yù)緊螺栓的作用下確定夾板位移，使夾板與限位片密貼，同時(shí)固定碳纖維板位置，限制其發(fā)生側(cè)向位移。

4.2 試驗(yàn)加載設(shè)計(jì)

利用DH3820靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)采集應(yīng)變和位移。試驗(yàn)正式拉伸前對(duì)CFRP板施加一定的初始荷載將CFRP板拉至與試驗(yàn)機(jī)中心一致，之后采用分級(jí)加載的方式進(jìn)行張拉。荷載的加載速率為50 N/s，每級(jí)荷載為48 kN，荷載持續(xù)時(shí)間為3 min。試驗(yàn)前在受荷端對(duì)CFRP板進(jìn)行標(biāo)記，待試驗(yàn)結(jié)束后觀測(cè)標(biāo)記位置，以此來(lái)測(cè)定錨具的滑移距離。試驗(yàn)中使用的加載裝置如圖16所示，其中通過(guò)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)采集試件1～16共16個(gè)試件A、B、C三點(diǎn)應(yīng)變，應(yīng)變片布置如圖17所示。

圖16 加載裝置圖Fig.16 Loading device diagram

圖17 應(yīng)變片張貼位置Fig.17 Posting position of strain gauge

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.3.1 錨具性能分析

試驗(yàn)制作5個(gè)錨具試件，現(xiàn)將5組試件編號(hào)為N0～N4。為探究夾板弧面對(duì)CFRP板端口處橫向剪應(yīng)力的影響，試驗(yàn)設(shè)定一組試件作為對(duì)照，對(duì)照組螺栓預(yù)緊力沿縱向采用150 kN-122 kN-122 kN-150 kN布置方式，試驗(yàn)組縱向預(yù)緊力均采用縱向預(yù)緊力122 kN-150 kN-150 kN-122 kN布置方式，通過(guò)控制夾板位移使其與限位片緊密貼合。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。

從表5可知：N0試件相較于其他4組試件更容易破壞，承受的張拉荷載較小，錨固效率較低。這是由于N0試件采用的縱向螺栓預(yù)緊力排布為中間小兩端大，導(dǎo)致在端口處CFRP板由于豎向剪應(yīng)力過(guò)大產(chǎn)生剪切破壞。N0試件破壞形式如圖18所示。

圖18 N0試件破壞圖Fig.18 Destruction diagram of N0 specimen

表5 試驗(yàn)現(xiàn)象Table 5 Summary of test phenomena

為進(jìn)一步探究拉伸過(guò)程中荷載對(duì)CFRP板的影響，取試驗(yàn)組中4組試件的荷載-位移圖，如圖19所示。

圖19 荷載-位移圖Fig.19 Load-displacement diagram

從4組實(shí)驗(yàn)的曲線圖可以得出：4組試件的最大承載力分別為398、401、396、385 kN，對(duì)應(yīng)的最大加載位移分別7.23、8.38、7.60、7.11 mm。當(dāng)試驗(yàn)荷載達(dá)到最大荷載的50%左右時(shí)，荷載-位移曲線出現(xiàn)波動(dòng)，此時(shí)N1荷載下降50 kN，占峰值荷載的12.9%；N2荷載下降46 kN，占峰值荷載的11.4%；N3荷載下降48 kN，占峰值荷載的12.1%；N4荷載下降58 kN，占峰值荷載的15.3%，各曲線在此區(qū)段內(nèi)位移均有較小幅度的增加。試驗(yàn)結(jié)束后，未發(fā)現(xiàn)螺栓存在破壞現(xiàn)象，解釋荷載-位移曲線在加載過(guò)程中出現(xiàn)波動(dòng)的原因是在試驗(yàn)過(guò)程中夾板與CFRP板之間存在滑移。結(jié)果表明：在荷載加載至最大荷載的一半時(shí)，荷載變化幅度越小，CFRP板的破壞程度越小，其最終能夠承載的外荷載越大。在承載力達(dá)到峰值荷載前，各曲線出現(xiàn)波動(dòng)，變化幅度與承載力達(dá)到最大承載力一半時(shí)的波動(dòng)相近。在CFRP板發(fā)生破壞后，其承載力呈現(xiàn)出斷崖式下降，直到失去承載能力。當(dāng)加載至最大荷載一半時(shí)，CFRP板的破壞如圖20所示，試驗(yàn)組CFRP板的最終破壞形式如圖21所示。

由圖20、圖21可以看出，擠壓區(qū)域內(nèi)CFRP板的破壞為劈裂式破壞，最先在其邊緣發(fā)生破壞。由此證明，錨具在拉伸過(guò)程中擠壓區(qū)域內(nèi)CFRP板在橫向邊緣先發(fā)生劈裂，持續(xù)加載導(dǎo)致非擠壓區(qū)域CFRP板發(fā)生爆炸式破壞。經(jīng)分析可知，由于擠壓區(qū)域內(nèi)CFRP板橫向兩側(cè)靠近螺栓導(dǎo)致預(yù)緊力較大，而中間位置的預(yù)緊力相對(duì)較小，從而造成橫向上CFRP板在擠壓階段產(chǎn)生擠壓不均勻現(xiàn)象。在張拉階段，錨具擠壓區(qū)域內(nèi)CFRP板橫向上中間位置的位移值相對(duì)于兩側(cè)較大，導(dǎo)致擠壓區(qū)域內(nèi)CFRP板發(fā)生剪切變形，隨著張拉荷載的不斷增大，CFRP板縱向剪應(yīng)力逐漸增大導(dǎo)致錨具發(fā)生劈裂破壞，劈裂破壞后CFRP板的橫截面積逐漸下降，導(dǎo)致張拉力隨之降低，使得CFRP板外部最終發(fā)生爆炸式破壞。

圖20 CFRP板破壞圖Fig.20 CFRP board destruction diagram

圖21 CFRP板最終破壞形式Fig.21 The final failure form of the CFRP board

4.3.2 CFRP板應(yīng)變與滑移關(guān)系

試驗(yàn)過(guò)程中，在錨具加載端使用記號(hào)筆做標(biāo)記，便于試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)量錨具在錨具張拉后CFRP板的滑移大小。試驗(yàn)組試件變形及滑移大小如表6所示。

表6 試驗(yàn)變形及滑移關(guān)系表Table 6 Test deformation and slip relationship table

由表6可知，4組試驗(yàn)組的構(gòu)件材料自身引起的變小較小，均未超出理論最大材料變形值。試驗(yàn)過(guò)程中，CFRP板拉斷時(shí)最大荷載對(duì)應(yīng)的CFRP板最大位移為8.38 mm。試驗(yàn)結(jié)果證明：CFRP板的最大承載能力與其變形量相關(guān)。解釋其原因?yàn)椋簥A板的曲面式設(shè)計(jì)使得錨具擠壓更加充分，CFRP板可以受到更大的擠壓應(yīng)力，在錨具張拉階段，CFRP板的縱向抗拉性能可以充分發(fā)揮，在縱向具有更大的縱向張拉應(yīng)力。

4.3.3 CFRP板應(yīng)變及應(yīng)變損失

為進(jìn)一步探究CFRP板在錨固過(guò)程中的應(yīng)變及應(yīng)變損失，進(jìn)行8組16次試驗(yàn)。通過(guò)改變夾板擠壓位移控制試驗(yàn)自變量，為排除試驗(yàn)中存在的偶然性，選擇的夾板位移每組均做2次實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)編號(hào)為1～16，8組試件試驗(yàn)夾板位移如表7所示。

表7 試件表Table 7 Specimen table

首先記錄8組16次試驗(yàn)中極限拉力值，并記錄錨具破壞時(shí)拉力機(jī)的數(shù)值如圖22所示，同時(shí)整理出試驗(yàn)最大拉力與理論最大拉力比值數(shù)據(jù)如圖23所示。

由圖22、圖23可知：隨著夾板位移的增加，試驗(yàn)的極限拉力逐漸增大，錨具的錨固效率逐漸增大。16個(gè)試驗(yàn)試件中1～8號(hào)試件的破壞狀態(tài)為滑脫，9～12號(hào)試件的破壞狀態(tài)為劈裂滑脫，13～16號(hào)試件的破壞狀態(tài)為爆炸式破壞。解釋出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：當(dāng)夾板位移小時(shí)，錨具提供的擠壓力不足，導(dǎo)致CFRP板在錨固過(guò)程中發(fā)生滑脫；當(dāng)錨具的夾板位移逐漸增大時(shí)，盡管錨具提供了較大的擠壓力，但是擠壓不均勻?qū)е翪FRP板的縱向剪應(yīng)力較大而發(fā)生劈裂滑脫，最終造成錨具失去錨固性能；夾板位移繼續(xù)增加后，CFRP板的橫向擠壓不均勻?qū)е铝藱M向出現(xiàn)縱向裂紋，但是由于錨具的擠壓程度高，使CFRP板縱向剪應(yīng)力小，不易發(fā)生剪切破壞，錨具的錨固效率增加，破壞狀態(tài)為炸絲破壞，錨固效率最高可達(dá)89.37%。

圖22 試驗(yàn)極限拉力Fig.22 Test ultimate tensile force

圖23 試驗(yàn)最大拉力與理論最大拉力比值Fig.23 Ratio of test maximum tensile force to theoretical maximum tensile force

現(xiàn)提取試驗(yàn)中編號(hào)為1～16試件的A、B、C三點(diǎn)應(yīng)變數(shù)據(jù)如圖24所示。

由圖24可知，隨著夾板位移的增加，CFRP板上所測(cè)3點(diǎn)的應(yīng)變逐漸增大。當(dāng)夾板的擠壓位移達(dá)到0.65 mm時(shí)，CFRP的最大平均應(yīng)變達(dá)到了4 894 με。由于夾板位移逐漸增大，CFRP板受到的擠壓應(yīng)力逐漸增大，導(dǎo)致CFRP板產(chǎn)生的應(yīng)變逐漸增大。在試驗(yàn)中，A、C兩點(diǎn)的最大應(yīng)變較為接近，且兩點(diǎn)的最大應(yīng)變始終大于B點(diǎn)最大應(yīng)變。解釋這一現(xiàn)象的原因是：A、C兩點(diǎn)對(duì)稱分布在CFRP板橫向兩側(cè)，兩側(cè)靠近螺栓，預(yù)緊力大使得夾板在擠壓過(guò)程中，CFRP板表面產(chǎn)生較大的擠壓應(yīng)力，張拉階段CFRP板在擠壓區(qū)域內(nèi)橫向兩側(cè)擠壓應(yīng)力大的地方產(chǎn)生較小應(yīng)變，在擠壓區(qū)域外產(chǎn)生較大應(yīng)變。CFRP板的回縮及夾板的變形導(dǎo)致錨具在錨固過(guò)程中存在應(yīng)變損失，隨著錨具夾板位移的增加，錨具的應(yīng)變損失不斷增加。16次的試驗(yàn)中，錨具的應(yīng)變損失率均在10%以內(nèi)，平均應(yīng)變損失率為7.67%。編號(hào)16的試驗(yàn)中，平均應(yīng)變?yōu)? 894 με，應(yīng)變損失率為8.65%。

圖24 A、B、C三點(diǎn)應(yīng)變數(shù)據(jù)Fig.24 Three-point strain data of A, B and C

4.4 有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

總結(jié)試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果，試驗(yàn)與有限元分析中錨具的錨固效率對(duì)比如圖25所示。

由圖25可知，試驗(yàn)中錨具的錨固效率與有限元中計(jì)算的錨固效率相差不大，誤差范圍在5%以內(nèi)。錨具夾板位移從0.3 mm至0.65 mm，試驗(yàn)的錨固效率為41.98%～89.08%，有限元模型計(jì)算的錨固效率為43.00%～91.00%。由于試件在加工過(guò)程中精度因素的影響，試驗(yàn)中錨具的錨固效率低于有限元中計(jì)算出的錨固效率。隨著錨具夾板擠壓位移的增大，錨具的錨固效率增大，當(dāng)夾板擠壓位移達(dá)到0.5 mm以后，錨具錨固效率的變化趨于平緩。

圖25 試驗(yàn)與有限元錨固效率對(duì)比Fig.25 Anchoring efficiency comparison of finite test and element

4.5 傳統(tǒng)錨具與新型錨具的錨固效果對(duì)比

基于傳統(tǒng)的CFRP板錨具，對(duì)比探究新型曲面式CFRP板錨具的錨固性能，由文獻(xiàn)[12]試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)可知，傳統(tǒng)錨具的錨固特點(diǎn)是未能充分利用碳纖維材料的性能，平板錨具在錨固過(guò)程中碳纖維板容易滑出。平板式錨具在試驗(yàn)中所能承受的最大張拉力為203.19 kN，錨固效率最高達(dá)到70.55%。對(duì)比新型的錨具錨固性能可知，新型錨具的理論張拉力為480 kN，在試驗(yàn)過(guò)程中，錨具的最大錨固效率可達(dá)89.37%，即最大張拉力為428.98 kN。文獻(xiàn)[13]所做試驗(yàn)中不同試件所能承受的極限張拉荷載最大值為147 kN，夾片式錨具存在“切口效應(yīng)”，在錨具端口處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致CFRP板產(chǎn)生破壞。新型曲面式錨具的設(shè)計(jì)可以提高錨具的錨固性能，曲面式設(shè)計(jì)更加充分?jǐn)D壓CFRP板，防止CFRP板在錨固過(guò)程中滑脫，同時(shí)可以避免在CFRP板在端口處出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，使得錨具的錨固效率得到提升，充分利用碳纖維材料。

5 結(jié)論

基于傳統(tǒng)的錨具形式，設(shè)計(jì)了一種新型的CFRP板錨具結(jié)構(gòu)形式，并且對(duì)設(shè)計(jì)的錨具進(jìn)行試驗(yàn)分析，得出以下結(jié)論。

(1)通過(guò)錨具的受力分析，有限元驗(yàn)證，新型錨具的內(nèi)曲面式設(shè)計(jì)可以有效避免CFRP板在夾板端口處出現(xiàn)橫向剪應(yīng)力突變，優(yōu)化錨具性能。

(2)通過(guò)控制夾板位移來(lái)控制錨具預(yù)緊力大小的效果明顯，試驗(yàn)驗(yàn)證了夾板位移對(duì)于新型錨具錨固效率的影響，曲面式設(shè)計(jì)可以使得錨具中CFRP板得到充分?jǐn)D壓，提高錨具的錨固性能。試驗(yàn)過(guò)程中CFRP板的破壞均為炸絲破壞，試驗(yàn)中錨具的最大錨固效率可達(dá)到89.37%，錨固效果可靠。

(3)由于CFRP板的回縮和夾板變形的原因，CFRP板存在應(yīng)變損失，在8組16次試驗(yàn)中CFRP板的平均應(yīng)變損失率為7.67%。