CN105547816A - 基于长期性能的碳纤维筋锚固系统及其转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于桥梁施工设备技术领域，具体涉及一种旨在提高长期性能的碳纤维筋锚固系统和力学试验转换装置。本发明包括钢套筒、变刚度胶砂粘结剂、端堵和转换头，其中钢套筒包括变截面套筒和不超过变截面套筒长度1/4的无锥角平直段；钢套筒两端设有中间开圆孔的铜质圆薄片端堵；钢套筒内灌注植筋胶加入石英砂组合的变刚度胶砂粘结剂；转换头包括锚具连接段和加载系统夹头连接段。本发明有效提高了碳纤维筋锚固的有效性，增强其耐疲劳、抗蠕变性能，并提供其适用于通用测试系统上的试验转换装置。

Description

基于长期性能的碳纤维筋锚固系统及其转换装置

技术领域

本发明属于桥梁施工设备技术领域，具体涉及一种旨在提高长期性能的碳纤维筋锚固系统和力学试验转换装置。

背景技术

碳纤维筋是以合成树脂为基体、碳纤维为增强材料并掺入适量辅助剂，经拉挤成型的新型复合材料筋材。碳纤维筋具有不锈蚀、无磁性、轻质、抗蠕变、耐疲劳性能好、比弹性模量与极限抗拉强度高等优良性能，在土木工程领域具有非常广泛的应用前景。尤其，将之应用于环境较恶劣、载荷比要求较高的大跨度跨海大桥的拉索结构中，具有传统钢索无可比拟的优势。近年来，对大跨度桥梁碳纤维索的应用研究已成为热点。

碳纤维筋虽然具有较高的顺筋向抗拉强度，但由于碳纤维的单向布置，其横向力学性能相对较弱。若采用传统的预应力钢筋锚具锚固碳纤维筋，则极易发生筋材剪切破坏。研究表明，配置碳纤维预应力筋的结构，其最终承载能力将更多地取决于锚固系统的锚固性能而不是预应力筋本身的强度。由此可见，尽快研发稳定可靠的碳纤维筋锚具具有非常重要的现实意义。

目前开发的碳纤维筋锚具主要有粘结式和机械式两种。机械式锚具起源于传统预应力钢筋锚具，主要通过带有倾角的夹片对碳纤维筋施加横向夹持力来达到锚固目的。由于该类锚具可能使碳纤维筋产生过大的剪切应力而导致筋材被剪断，故此类锚具应用于碳纤维筋的锚固时局限性较大。粘结式锚具通过粘结介质对筋材产生的粘结力来达到锚固的目的。该类锚具对碳纤维筋的损伤小，也是常用的碳纤维筋锚固形式。

然而，若将锚固系统投入到大跨桥梁拉索的锚固，则大跨桥梁所承受的风荷载、道路交通荷载等反复荷载的存在要求结构和锚固系统具有较高的疲劳性能。常用的碳纤维筋粘结式锚固系统通常是以环氧树脂等材料为粘结介质，大多能满足静荷要求，但在疲劳加载状况下易出现粘结介质以及筋-粘结介质界面的损伤，并最终导致锚固系统疲劳失效，尤其以筋材-粘结介质界面以及粘结介质-套筒界面的粘结失效为常见疲劳破坏形式。

同时，粘结型锚具中，环氧树脂等粘结材料在长期载荷作用下会发生蠕变，导致预应力损失，从而引起锚固性能的下降。因此，提高粘结介质的抗蠕变性能也是增强粘结式锚固系统长期性能的一个重要方面。

此外，在对碳纤维筋锚固系统进行疲劳试验时，常需要对疲劳试验机进行改装，程序和操作均较复杂。因此，开发性能稳定、操作简单且适用范围广泛的转换装置，使之适用于锚固系统的试验加载将为其短期与长期力学性能试验带来极大的便利。

发明内容

针对现有碳纤维筋锚固技术中存在的不足，本发明提供一种碳纤维筋的锚固系统与加载系统转换装置，目的在于提高碳纤维筋锚固的有效性，增强其耐疲劳、抗蠕变性能，并提供其适用于通用测试系统上的试验转换装置。

本发明通过以下技术手段实现上述技术目的。

一种基于长期性能的碳纤维筋锚固系统及其转换装置，包括钢套筒、变刚度胶砂粘结剂、端堵和转换头，其中钢套筒内壁经粗糙化处理，包括变截面套筒和不超过变截面套筒长度1/4的无锥角平直段，钢套筒一端壁厚较小，外表面刻有螺纹；钢套筒两端设有端堵，端堵为中间开圆孔的铜质圆薄片，该圆薄片外径与对应的钢套筒口外径相同，内径比碳纤维筋大1～3mm；钢套筒内灌注变刚度胶砂粘结剂，变刚度胶砂粘结剂为在基体Lica300A/B植筋胶中按比例加入石英砂组合而成；转换头包括锚具连接段和加载系统夹头连接段，两个连接段为一体成型的两个圆柱体；直径较大的圆柱体为空心圆柱体，空心圆柱体内壁设有与钢套筒外表面相匹配的螺纹，用于与锚具的连接；直径较小的圆柱体为实心圆柱体，用于与疲劳加载系统的夹头连接。

进一步地，上述钢套筒长200～280mm之间，钢套筒内壁倾角突变处做圆角处理，无锥角平直段外表面无倾角，变截面套筒的锥角4°～8°。

进一步地，上述转换头中两个圆柱体的连接部分做圆角处理，圆角半径R＝10～30mm；转换头的实心圆柱体外径小于疲劳加载系统夹头的最大夹持直径；转换头的空心圆柱体的壁厚10～25mm。

进一步地，上述变刚度胶砂粘结剂基体为植筋胶Lica300A型与B型按2：1配制；石英砂按0.5-1mm砂：1-2mm砂：40-70目砂＝5:3:1混合而成；变刚度胶砂粘结剂中植筋胶与石英砂的掺配比例分段不同：在无锥角平直段灌注不添加石英砂的植筋胶，变截面套筒均匀分成2段灌注变刚度胶砂粘结剂，配比依次为植筋胶：石英砂＝1：0.5和1：0.8。

本发明通过设置内壁分段处理的钢套筒、变刚度胶砂粘结剂和端堵组合成一个碳纤维筋锚固系统，能有效锚固单根碳纤维筋，并具有较好的耐疲劳性能和蠕变性能；通过在植筋胶中配入石英砂，可提高粘结介质的刚度和与筋材间的界面摩擦，从而增加其抗蠕变性能和抗筋材滑移性能，降低因筋材滑移引起的累积疲劳损伤，进而提高锚固系统的长期性能；通过分段改变胶砂配比，可以使套筒内的变刚度胶砂粘结剂刚度逐渐变化，结合使用内锥角分段设置的钢套筒，可降低套筒内筋材端口处的剪应力峰值，均匀化套筒内筋材的剪应力分布状况，提高系统的抗剪切破坏性能；通过测试系统试验转换装置，可以有效地利用大多数常规力学加载装置对锚固系统进行拉拔、疲劳、蠕变等多种试验，操作方便、稳定可靠，且可以重复使用。

附图说明

图1为碳纤维筋锚固系统及其转换装置的总体结构示意图。

图2为本发明的钢套筒透视图。

图3为本发明的变刚度胶砂粘结剂剖切图。

图4为本发明的转换头透视图。

附图标记说明如下：

1-转换头，2-钢套筒，3-变刚度胶砂粘结剂，401-钢套筒前端端堵(钢套筒内径较小一端为前端)，402-钢套筒后端端堵((钢套筒内径较大一端为后端)，5-碳纤维筋，301-无砂植筋胶，302-植筋胶与石英砂质量比为1：0.5的变刚度胶砂粘结剂，303-植筋胶与石英砂比例为1：0.8的变刚度胶砂粘结剂。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1、图2所示，本发明包括钢套筒、变刚度胶砂粘结剂、端堵和转换头，其中钢套筒内壁经粗糙化处理，以提高钢套筒与变刚度胶砂粘结剂界面上的摩擦力；钢套筒包括变截面套筒加一段长度不超过变截面套筒长度1/4的无锥角平直段，钢套筒一端壁厚较小(即钢套筒后端)，外表面刻有螺纹。钢套筒两端设有端堵，端堵为中间开圆孔的铜质圆薄片，该圆薄片外径与对应的钢套筒口外径相同，内径比碳纤维筋大，灌胶前将钢套筒前端端堵401黏贴于钢套筒端口，一方面防止胶砂流出，另一方面使碳纤维筋筋材穿过内孔，保证筋材的对中。作为本发明的优选实施例，铜质圆薄片的内径比碳纤维筋材的直径大1～3mm，优选2mm，使之能穿过碳纤维筋。钢套筒内部灌注变刚度胶砂粘结剂，变刚度胶砂粘结剂为在基体Lica300A/B植筋胶中按比例加入石英砂组合而成。转换头包括锚具连接段和加载系统夹头连接段两个连接部分，为一体成型、直径不等的两个圆柱体；直径较大的圆柱体为空心圆柱体，所述空心圆柱体内部设有与钢套筒外表面相匹配的螺纹；直径较小的圆柱体为实心圆柱体，与疲劳加载系统的夹头连接。

上述钢套筒长200～280mm之间，无锥角平直段表面水平，变截面套筒带内锥，锥角4°～8°,优选5°。钢套筒内壁倾角突变处做圆角处理。钢套筒选用材料为45#钢，钢套筒壁外表面所刻螺纹为2～3mm深、50～60mm长。

转换头中两个圆柱体的连接部分做圆角处理，圆角半径R＝10～30mm，优选R＝10mm；转换头的实心圆柱体外径小于疲劳加载系统夹头的最大夹持直径；转换头的空心圆柱体的壁厚10～25mm，优选15mm。

如图3所示，钢套筒内壁灌注变刚度胶砂粘结剂，变刚度胶砂粘结剂为在基体Lica300A/B植筋胶中按比例加入石英砂组合而成；基体为植筋胶Lica300A型与B型按2：1配制；所述石英砂按0.5-1mm砂：1-2mm砂：40-70目砂＝5:3:1混合而成；变刚度胶砂粘结剂中植筋胶与石英砂的掺配比例分段不同：在无锥角平直段灌注不添加石英砂的植筋胶，将有锥角段套筒均匀分成2段灌注变刚度胶砂粘结剂，变刚度胶砂粘结剂的配比依次为植筋胶：石英砂＝1：0.5和1：0.8。

如图1、图4中，当进行疲劳试验时，转换头1通过一端的内螺纹固定于钢套筒2的有螺纹端，另一端被夹持于加载系统的夹头中，用以承受设备施加的荷载，并将荷载快捷有效地传递到锚固系统上。本发明装置可解决力学性能试验装置中夹头最大夹持直径不能满足外径较大的锚固系统的加载问题，保证了加载的稳定性与可靠性；装置简单，加工和操作方便；且可以重复使用。

工作过程为：

制备时，先用丙酮清洗所有部件，用快干胶将钢套筒前端端堵401黏贴在钢套筒2前端；待胶固化后，竖直放置钢套筒2，使贴有钢套筒前端端堵401的一端置于地面，用胶枪将规定体积的Lica300A、B两种胶一边混合均匀一边缓慢打入钢套筒2无锥角平直段，通过轻敲或振动钢套筒数次排除其中可能产生的气泡；按配比要求称量并拌和好变刚度胶砂粘结剂302和变刚度胶砂粘结剂303，然后依次缓慢灌入钢套筒2；迅速将钢套筒2表面的变刚度胶砂粘结剂清理干净，并将钢套筒后端端堵402贴于钢套筒2后端；将碳纤维筋5从钢套筒后端端堵402穿过，缓慢地螺旋转动穿过变刚度胶砂粘结剂3，直至最终穿过钢套筒前端端堵401内孔；避开湿冷环境养护1-2周。至此，碳纤维筋的锚固系统制作完成。

采用MTS材料试验系统或其它试验机对锚固系统进行力学性能试验时，若夹头的最大夹持尺寸小于钢套筒2外径，采用转换头3。操作时，只需要使所述转换头3的锚具连接段通过螺纹安装在钢套筒2上，转换头3的加载系统夹头连接段被夹持于试验系统的夹头中。随着试验机的加载，转换头即可将荷载传递到锚固系统中，完成试验加载过程。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于长期性能的碳纤维筋锚固系统及其转换装置，其特征在于：包括钢套筒、变刚度胶砂粘结剂、端堵和转换头，

所述钢套筒内壁经粗糙化处理，包括变截面套筒和不超过变截面套筒长度1/4的无锥角平直段，所述钢套筒一端壁厚较小，外表面刻有螺纹；

所述钢套筒两端设有端堵，所述端堵为中间开圆孔的铜质圆薄片，该圆薄片外径与对应的钢套筒口外径相同，内径比碳纤维筋大1～3mm；

所述钢套筒内灌注变刚度胶砂粘结剂，所述变刚度胶砂粘结剂为在基体为Lica300A/B植筋胶中按比例加入石英砂组合而成；

所述转换头包括锚具连接段和加载系统夹头连接段，两个连接段为一体成型的两个圆柱体；直径较大的圆柱体为空心圆柱体，空心圆柱体内壁设有与钢套筒外表面相匹配的螺纹，用于与锚具的连接；直径较小的圆柱体为实心圆柱体，用于与疲劳加载系统的夹头连接。

2.如权利要求1所述的基于长期性能的碳纤维筋锚固系统及其转换装置，其特征在于：所述钢套筒长200～280mm之间，钢套筒内壁倾角突变处做圆角处理，所述无锥角平直段外表面无倾角，所述变截面套筒的锥角4°～8°。

3.如权利要求1所述的基于长期性能的碳纤维筋锚固系统及其转换装置，其特征在于：所述转换头中两个圆柱体的连接部分做圆角处理，圆角半径R＝10mm～30mm；所述转换头的实心圆柱体外径小于疲劳加载系统夹头的最大夹持直径；所述转换头的空心圆柱体的壁厚10～25mm。

4.如权利要求1所述的基于长期性能的碳纤维筋锚固系统及其转换装置，其特征在于：所述变刚度胶砂粘结剂基体为植筋胶Lica300A型与B型按2：1配制；石英砂按0.5-1mm砂：1-2mm砂：40-70目砂＝5:3:1混合而成；所述变刚度胶砂粘结剂中植筋胶与石英砂的掺配比例分段不同：在无锥角平直段灌注不添加石英砂的植筋胶，变截面套筒均匀分成2段灌注变刚度胶砂粘结剂，配比依次为植筋胶：石英砂＝1：0.5和1：0.8。