CN102747811B - 一种碳纤维增强复合材料索锚具 - Google Patents

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本发明公开了一种碳纤维增强复合材料索锚具，包括用于锚固CFRP索的锚筒、第一堵板、第二堵板和粘结介质，锚筒内同轴开设有锥形通孔，特点是锚筒的自由端的锥形通孔内设置有环绕所述CFRP索的夹片组件，锚筒内填充有防腐材料；优点是使得夹片组件处对应的CFRP索表面压应力远高于其他区域CFRP索表面压应力，避免了受荷端的CFRP索表面因应力集中而受损现象的出现，这从根本上优化了锚固区内部压应力的分布形式，内部受力更趋合理，大幅度地缩小了锚具的体积，进而大大地提高了锚固性能，使得锚具的锚固效率系数达到100%，且具备良好的耐久性。

Description

一种碳纤维增强复合材料索锚具
技术领域
本发明涉及一种锚具，尤其是涉及一种碳纤维增强复合材料索锚具。
背景技术
碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer，简称CFRP)具有高强度、高模量、耐腐蚀、耐疲劳及低松弛等优异特性，在土木工程中获得较为广泛的应用。CFRP索（由几十上百根CFRP筋集合而成）可作为主要的受力构件应用于大跨屋盖、悬索桥、斜拉桥、拱桥及预应力结构的前景良好。
现有的CFRP索锚具大部分采用内锥式锚筒对CFRP索进行锚固，内锥式锚筒同轴开设有锥形通孔，锥形通孔为锚具的锚固区，该类锚具在组装时，先将CFRP索放进锥形通孔内，接着往锥形通孔中灌注粘结介质，使得CFRP索、内锥式锚筒与粘结介质固定粘结成型，最后再连接有关附属的装置从而完成组装，锚具靠内部CFRP索与粘结介质间界面的粘结应力实现对CFRP索的锚固，锚固区内CFRP索表面压应力由锚筒的自由端（对应锥形通孔的大口径端）至受荷端（对应锥形通孔的小口径端）呈从小到大的线性分布，造成受荷端的CFRP索表面出现压应力集中的现象很普遍，容易造成受荷端的CFRP索过早受损而导致CFRP索提前进入破坏状态现象的发生，从而不能使CFRP索的设计强度获得充分发挥，故该类锚具存在着内部受力不合理、锚固效率偏低的问题；且现有的锚具由于锚固区CFRP索受力的不合理性，导致其体积过大，生产成本高，不利于组装，且后期维护成本高；另外，现有的CFRP索锚具均未有防腐功能，导致锚固体系的耐久性不好。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种体积小，内部受力合理，可有效提高锚固效率的碳纤维增强复合材料索锚具。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种碳纤维增强复合材料索锚具，包括用于锚固CFRP索的锚筒、第一堵板、第二堵板和粘结介质，所述的锚筒内同轴开设有锥形通孔，所述锥形通孔的孔径由所述锚筒的受荷端至自由端呈从小到大分布，所述的第一堵板设置在所述锥形通孔的小口径端，所述的第二堵板设置在所述锥形通孔的大口径端，所述的CFRP索依次穿过所述的第一堵板和所述的第二堵板设置在所述的锥形通孔内，所述自由端的所述锥形通孔内设置有环绕所述CFRP索的夹片组件，所述的粘结介质灌注在所述锥形通孔的剩余空间内。
所述的夹片组件包括至少三块结构相同的夹片，夹片与夹片之间设置有第一间隙，所述的夹片环绕设置在所述锥形通孔的孔壁上，所述夹片的外壁与所述锥形通孔的孔壁贴紧，所述夹片的内壁与所述的CFRP索之间设置有第二间隙，所述的锚筒、所述的夹片、所述的第一堵板、所述的第二堵板及所述的CFRP索五者之间形成灌注区域，所述的灌注区域内灌注有粘结介质。
所述的第一间隙内设置有海绵，所述夹片的外壁上开设有安装槽，所述的安装槽内设置有将所有夹片捆扎成整体的橡胶圈，粘结介质灌注完成后，需用千斤顶对锚筒内部的CFRP索、粘结介质及夹片从自由端进行施压，施压后夹片沿轴向向受荷载端发生位移，进而使得夹片间的缝隙减少，海绵的设置使得夹片间的间隙可自由调节。
所述夹片的内壁上沿轴向开设有多条凹槽，它可有效阻止粘结介质与夹片间发生相互脱离。
所述的粘结介质采用环氧树脂胶或环氧树脂砂浆。
所述锚筒的受荷端上螺接有前封盖，所述的CFRP索穿过所述的前封盖，所述锚筒的受荷端开设有与所述锥形通孔相连通的沉孔，所述沉孔的孔径大于所述锥形通孔与所述沉孔的连接处的锥形通孔的孔径，所述的第一堵板设置在所述的沉孔内，所述的前封盖与所述的第一堵板之间填充有防腐材料，所述锚筒的自由端上螺接有后封盖，所述的后封盖与所述的第二堵板之间填充有防腐材料，可较大程度地减少外部不利环境因素（如雨水、酸或碱性物质、冻融循环作用、干湿循环作用及湿热作用等）对锚固区的腐蚀作用，从而有效地提高了锚固体系的耐久性。
所述的防腐材料采用高密度聚乙烯。
所有第一间隙的宽度之和为S，所述的锚筒的长度为L1，所述的锥形通孔的内锥角为θ，则1.5°≤θ≤2.5°，120mm≤L1≤350mm。
所述的夹片的长度L2满足
所述的CFRP索的外径为d1，所述的锥形通孔的最小孔径为d2，则d2≥1.2d1。
与现有技术相比，本发明的优点在于由于锥形通孔的大口径端设置有使锚固区内的粘结力的峰值分布在锥形通孔大口径端的夹片组件，使得夹片组件处对应的CFRP索表面压应力远高于其他区域CFRP索表面压应力（压应力大小分布在轴向总体上与现有的锚具相反），使得受荷端CFRP索表面受到较小压应力的作用，当锚具体系受力时，锚固区夹片组件对应部位对CFRP索的锚固起到主要的贡献作用，避免了受荷端的CFRP索表面因应力集中而受损现象的出现，这从根本上优化了锚固区内部压应力的分布形式，内部受力更趋合理，进而大大地提高了锚固性能，使得锚具的锚固效率系数达到100%；另外，由于锚固区受力较现有锚具有了根本性的改变（粘结应力大小分布在轴向总体上与现有锚具相反），且受力的合理性有较大幅度的提高，使得锚筒的长度相对于同类装置可以缩短40~60%，锚筒的外径相对于同类装置可以缩小20~30%，锚具的体积相对于同类装置可以减少73%~90%，大大降低了生产成本，便于组装操作，也有利于后期维护成本的降低。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为图1中A-A处的剖视图；
图3为本发明中夹片的俯视图；
图4为图3中B-B处的剖视图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图所示，一种碳纤维增强复合材料索锚具，包括用于锚固CFRP索1的锚筒2、第一堵板3、第二堵板4和粘结介质10，锚筒2内同轴开设有锥形通孔21，锥形通孔21的孔径由锚筒2的受荷端22至自由端23呈从小到大分布，第一堵板3设置在锥形通孔21的小口径端，第二堵板4设置在锥形通孔21的大口径端，CFRP索1依次穿过第一堵板3和第二堵板4设置在锥形通孔21内，自由端23的锥形通孔21内设置有环绕CFRP索1的夹片组件，夹片组件包括四块结构相同的夹片5，夹片5与夹片5之间设置有第一间隙（图中未标出），第一间隙内设置有海绵6，夹片5环绕设置在锥形通孔21的孔壁上，夹片5的外壁51与锥形通孔21的孔壁贴紧，夹片5的外壁51上开设有安装槽52，安装槽52内设置有将所有夹片5捆扎成整体的橡胶圈7，夹片5的内壁53上沿轴向开设有多条凹槽54，夹片5的内壁53与CFRP索1之间设置有第二间隙8，锚筒2、夹片5、第一堵板3、第二堵板4及CFRP索1五者之间形成灌注区域（图中未标出），通过锚筒2上的注胶孔往灌注区域内灌注有粘结介质10，粘结介质10采用环氧树脂胶或环氧树脂砂浆，锚筒2的受荷端22上螺接有前封盖91，CFRP索1穿过前封盖91，锚筒2的受荷端22开设有与锥形通孔21相连通的沉孔（图中未标出），沉孔的孔径大于锥形通孔21与沉孔的连接处的锥形通孔21的孔径，第一堵板3设置在的沉孔内，前封盖91与第一堵板3之间填充有高密度聚乙烯93，锚筒2的自由端23上螺接有后封盖92，后封盖92与第二堵板4之间填充有高密度聚乙烯93，所有第一间隙的宽度之和为S（图中未标出），锚筒2的长度为L1，锥形通孔21的内锥角为θ，则1.5°≤θ≤2.5°，120mm≤L1≤350mm，夹片5的长度L2满足CFRP索1的外径为d1，锥形通孔21的最小孔径为d2，则d2≥1.2d1。
上述实施例中所述的夹片5的数量根据实际需求也可以为三块、五块或更多。
本发明碳纤维增强复合材料索锚具的组装流程：首先利用橡胶圈7将所有夹片5捆扎成整体形成夹片组件，夹片5间垫以海绵6，从锥形通孔21的大口径端插入夹片组件，将CFRP索1插入锥形通孔21中，通过第一堵板3、第二堵板4将CFRP索1定位好，接着通过锚筒2上的注胶孔往锥形通孔21内灌注粘结介质10，将该锚具在常温下放置7天或50摄氏度环境下放置2个小时后，卸掉第二堵板4，通过千斤顶对锚固区内部进行预紧处理，千斤顶对锚筒2内部的CFRP索1、粘结介质10及夹片5从自由端23进行施压，施压后夹片5沿轴向向受荷端22发生位移，然后将第二堵板4装配回去，在锚筒2的两端填充完高密度聚乙烯93后分别旋接好前封盖91和后封盖92，最后在锚筒2的外表面上旋接上传力螺母，整个锚固体系即可投入使用。

Claims (9)

1.一种碳纤维增强复合材料索锚具，包括用于锚固CFRP索的锚筒、第一堵板、第二堵板和粘结介质，所述的锚筒内同轴开设有锥形通孔，所述锥形通孔的孔径由所述锚筒的受荷端至自由端呈从小到大分布，所述的第一堵板设置在所述锥形通孔的小口径端，所述的第二堵板设置在所述锥形通孔的大口径端，所述的CFRP索依次穿过所述的第一堵板和所述的第二堵板设置在所述的锥形通孔内，所述自由端的所述锥形通孔内设置有环绕所述CFRP索的夹片组件，其特征在于：所述的夹片组件包括至少三块结构相同的夹片，夹片与夹片之间设置有第一间隙，所述的夹片环绕设置在所述锥形通孔的孔壁上，所述夹片的外壁与所述锥形通孔的孔壁贴紧，所述夹片的内壁与所述的CFRP索之间设置有第二间隙，所述的锚筒、所述的夹片、所述的第一堵板、所述的第二堵板及所述的CFRP索五者之间形成灌注区域，所述的灌注区域内灌注有粘结介质。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强复合材料索锚具，其特征在于：所述的第一间隙内设置有海绵，所述夹片的外壁上开设有安装槽，所述的安装槽内设置有将所有夹片捆扎成整体的橡胶圈。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强复合材料索锚具，其特征在于：所述夹片的内壁上沿轴向开设有多条凹槽。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强复合材料索锚具，其特征在于：所述的粘结介质采用环氧树脂胶或环氧树脂砂浆。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强复合材料索锚具，其特征在于：所述锚筒的受荷端上螺接有前封盖，所述的CFRP索穿过所述的前封盖，所述锚筒的受荷端开设有与所述锥形通孔相连通的沉孔，所述沉孔的孔径大于所述锥形通孔与所述沉孔的连接处的锥形通孔的孔径，所述的第一堵板设置在所述的沉孔内，所述的前封盖与所述的第一堵板之间填充有防腐材料，所述锚筒的自由端上螺接有后封盖，所述的后封盖与所述的第二堵板之间填充有防腐材料。
6.根据权利要求5所述的一种碳纤维增强复合材料索锚具，其特征在于：所述的防腐材料采用高密度聚乙烯。
7.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强复合材料索锚具，其特征在于：所有第一间隙的宽度之和为S，所述的锚筒的长度为L1，所述的锥形通孔的内锥角为θ，则1.5°≤θ≤2.5°，120mm≤L1≤350mm。
8.根据权利要求7所述的一种碳纤维增强复合材料索锚具，其特征在于：所述的夹片的长度L2满足
9.根据权利要求8所述的一种碳纤维增强复合材料索锚具，其特征在于：所述的CFRP索的外径为d1，所述的锥形通孔的最小孔径为d2，则d2≥1.2d1。
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