CN107143091A - 用于碳纤维索股的内曲面分区式粘结型锚具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于碳纤维索股的内曲面分区式粘结型锚具，包括锚环、大孔端堵和小孔端堵，所述锚环内部为喇叭形曲面形状；所述锚环内部设置分区槽，分区槽的每个分区内均填充碳纤维索；所述锚环内部的喇叭形曲面与碳纤维索之间形成的空腔内填充环氧树脂胶；所述锚环内部曲面的纵轴向截面线为曲线段，该曲线段在锚环的小孔端接近于直线，该曲线段的曲率从小孔端向大孔端逐渐增大，使锚环内部呈喇叭形曲面。锚环内部的喇叭形曲面可使索股受到的径向挤压力在纵向上达到最佳分布状态；采用分区布置索股的方式，能够改善大直径索股在横向上受力不均匀的状态，降低尺寸效应，在碳纤维索股直径较大时，锚固效率系数可达100%，具有优异的静力和动力性能。

Description

用于碳纤维索股的内曲面分区式粘结型锚具

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种用于碳纤维索股的内曲面分区式粘结型锚具。

背景技术

众所周知，碳纤维聚合材料筋（CFRP）具有轻质、高强、耐疲劳、耐腐蚀及低松弛等突出优点，是理想的钢绞线替代材料，可广泛的应用于土木工程中。锚固碳纤维的锚具有夹片型锚具、粘结型锚具、复合型锚具，碳纤维索股（即CFRP索股）的锚具大多为内锥形粘结型锚具。当索股承担拉力后，锚具内部结构（粘结介质及锚固区索股）与锚环发生相对滑移，锚环提供楔紧力与索股拉力相平衡。由于内锥形粘结型锚具所锚固的碳纤维索股含有多根碳纤维索，在锚固区碳纤维索股受力不均匀，主要表现在纵向和横向上：纵向上，碳纤维索股受到的径向挤压应力分布不均匀，应力集中现象较为严重，进而导致碳纤维索股在高挤压应力区（即小孔端附近）很容易被剪坏；横向上，以外缘CFRP丝受力最为不利，在中心CFRP丝未达到极限强度之前提前破坏，不能发挥所有CFRP丝的极限强度。目前，现行的一些锚具的锚固性能较差，虽然有一些锚具的锚固性能较好，但是结构复杂、制作和组装都存在一定困难，因此，急需开发一种结构简单、易于施工、锚固效率高，并且能够改善径向挤压应力不均匀的粘结型锚具。

申请公布号为CN102002911A的发明专利公开了一种碳纤维索股内套管锥形粘结型锚具，由具有内锥形孔的锚环、置于锚环内用于包裹住索股的套管等组成，锚环的外螺纹上套接限位固件螺母，在套管外侧设置有加劲螺纹钢筋，所述套管具有轴向楔形镂空槽，镂空槽的楔尖朝向所述锚环锥形孔的小孔端，所述加劲螺纹钢筋的一端呈楔形结构，锚环上设置有排气孔和灌胶孔，锚环锥形孔的大孔端及小孔端设置有用于固定索股定位端堵。虽然该锚具可以改善索股受力不均匀的状态，提高锚固效率，但是对于直径较大的索股，其横向受力仍不均匀，而且索股直径越大，横向受力越不均匀。在锚环内部设置带镂空槽的套管，虽然能够改善纵向受力不均匀的问题，但在小孔端附近内套管阻止强大的挤压力的能力有限，导致碳纤维索股在小孔端附近仍然受到一定程度的不利剪切作用，且索股直径的越大这种不利作用就越大。内套管的镂空槽的宽度是渐变的，需要较高的制作工艺。同时加劲螺纹钢组件，使锚具结构变得极其复杂，这不仅增加制作成本，而且降低制作效率。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于碳纤维索股的内曲面分区式粘结型锚具，其目的在于：使碳纤维索股（即CFRP索股）在横向和纵向的受力均匀，避免产生应力集中现象，锚固大直径碳纤维索股时降低尺寸效应的影响，提高锚固性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于碳纤维索股的内曲面分区式粘结型锚具，包括锚环、大孔端堵和小孔端堵，所述大孔端堵和所述小孔端堵分别设置在所述锚环的两端；所述锚环内部为喇叭形曲面形状；所述锚环内部设置分区槽，所述分区槽的每个分区内均填充碳纤维索，所述碳纤维索簇集在一起形成碳纤维索股；所述锚环内部的喇叭形曲面与所述碳纤维索之间形成的空腔内填充环氧树脂胶；所述大孔端堵和所述小孔端堵的中心部位均设有炭纤维索限位孔。

锚环为内部呈喇叭形曲面的钢质环状筒；大孔端堵和小孔端堵分别对锚环两端的碳纤维索股起到固定的作用；炭纤维索限位孔用于穿插碳纤维索，并进行定位。

优选的是，所述锚环中部的外侧面设置外螺纹，所述外螺纹套接限位螺母。限位螺母与外螺纹相互配合，对锚环起到紧固和限位的作用。

在上述任一方案中优选的是，所述锚环上设置灌胶孔和排气孔。

在上述任一方案中优选的是，所述排气孔设置在靠近大孔端的部位，所述灌胶孔设置在所述排气孔与所述外螺纹之间的部位。

在上述任一方案中优选的是，所述灌胶孔的直径大于所述排气孔的直径。

在上述任一方案中优选的是，所述环氧树脂胶从所述灌胶孔内注入到所述锚环内部。

在上述任一方案中优选的是，所述锚环内部曲面的纵轴向截面线为曲线段，该曲线段在锚环的小孔端接近于直线，该曲线段的曲率从小孔端向大孔端逐渐增大，使锚环内部呈喇叭形曲面。

在上述任一方案中优选的是，所述纵轴向截面线为椭圆曲线、圆曲线、幂函数曲线、指数函数曲线、双曲线中的任一种曲线段。

在上述任一方案中优选的是，所述曲线段在大孔端某点切线的斜率绝对值为0.05-0.1。当索股受拉后，锚具内部结构（环氧树脂胶、索股及分区槽）向小孔端移动，内部结构受到锚环的阻力沿纵向不均匀，若大孔端内曲面的曲率较大，则阻力也较大，因此内曲面的曲率在大孔端不易过大，以防止阻力在纵向上差异过大而导致环氧树脂断裂，并与索股滑脱。

在上述任一方案中优选的是，所述曲线段在小孔端某点切线的斜率绝对值为0或无限接近于0。

在上述任一方案中优选的是，所述锚环的大孔端壁厚与小孔端壁厚的比为1:3-4。

在上述任一方案中优选的是，所述锚环的小孔端壁厚与所述锚环的纵向长度的比为1:10-20。

本申请经过大量试验证明，该用于碳纤维索股的内曲面分区式粘结型锚具需要综合考虑上述各个参数，包括曲线段在大孔端某点切线的斜率绝对值为0.05-0.1、锚环的大孔端壁厚与小孔端壁厚的比为1:3-4、锚环的小孔端壁厚与锚环的纵向长度的比为1:10-20等，这样才能使碳纤维索股在横向和纵向的受力都均匀，不会产生应力集中现象，而且锚固大直径碳纤维索股时降低了尺寸效应的影响，进而提高锚固性能。

在上述任一方案中优选的是，所述分区槽沿周向设置分区。

在上述任一方案中优选的是，所述分区槽沿周向设置分区的数量为3-6个。利用分区槽将大直径的索股分成3-6个小索股，化整为零，每个小索股作为一个相对独立的受力区，可以减小大直径索股在横向上受力不均匀的程度。另外，分区槽由钢质材料制成，增加了索股区域的刚度，也可减小索股在横向受力不均匀的程度。试验数据表明，分区后锚具的锚固效率系数可提高6%。

在上述任一方案中优选的是，每个分区内至少填充3根碳纤维索。本发明的锚具能够锚固大直径的碳纤维索股，碳纤维索能够达到几千根，甚至几万根，根据实际工程需要，可任意增大碳纤维索股的直径。

在上述任一方案中优选的是，所述分区槽的中心设有钢制轴。

在上述任一方案中优选的是，所述钢制轴的两端分别定位于所述大孔端堵和所述小孔端堵的中心位置。所述分区槽沿着整根钢制轴向外延伸设置，分区槽也由钢制材料制成。

本发明的锚具在安装施工时，首选通过分区槽将碳纤维索股平均分配在不同的分区内，并将其穿入锚具内部，采用大孔端堵和小孔端堵将碳纤维索股和分区槽调整并固定在锚环的中心位置，再继续穿入另一端的锚具中，完成碳纤维索股的布置；然后采用玻璃胶对大孔端堵和小孔端堵进行密封处理，玻璃胶凝固后，将调配好的粘结剂（环氧树脂）从灌胶孔内灌注到内部为曲面形的锚具中，灌满后静置1-2小时，再根据实际情况进行一次或多次补灌，补灌结束后，在常温下放置2-3天，使粘结剂充分凝固；最后将大孔端堵取下，将超出大孔端面的碳纤维索股锯断，打磨使断面光滑平顺，再对锚具进行预紧处理，预紧后锚环对碳纤维索股产生径向挤压应力，增大粘结力，即可完成锚具的现场安装。

本发明的用于碳纤维索股的内曲面分区式粘结型锚具，其结构简单、施工方便、造价低廉。安装施工时，无需在锚具内部使用套管和加劲螺纹钢，关键是因为将锚环内部的锥形结构改为曲面形结构，同时在曲面形的锚环内部置入分区槽，将锚具内部的碳纤维索股进行分区布置；然后在锚具两端固定索股的端堵，灌注粘结剂，对锚具进行预紧处理，预紧后锚环对碳纤维索股产生径向挤压应力，增大粘结力。锚环内部的曲面形结构对碳纤维索股的横向挤压力由大孔端向小孔端逐渐减小，小孔端的横向挤压力最小，从而改善了小孔端径向挤压应力的集中程度，避免索股被剪坏。内曲面形的锚环结构使索股受到的挤压应力沿纵向的不均匀程度显著降低。使索股在锚固区处于理想的受力状态，达到了提高锚固效率的目的。本发明的锚具可使碳纤维索股在横向和纵向的受力达到均匀状态，使所有的CFRP丝均能同时发挥极限承载能力，提高锚固效率，并具有优异的静力和动力性能。

与现有技术相比，本发明具有如下显著进步：（1）采用内曲面形的锚环，利用锚环内曲面的曲率沿纵向变化，来调整索股受到的径向挤压力，使其沿纵向分布合理，直接改变锚环的构造，可省去内套管和加劲钢筋等辅助组件，减少制作、组装和施工成本，能达到更好的锚固效果；（2）内套管锥形粘结型锚具在锚固较大直径索股时，小孔端径向挤压力过大，内套管阻碍径向挤压力的能力有限，本发明的内曲面形锚具可直接从力源上解决受力分布不合理的问题，对锚固大直径碳纤维索股更具有优势；（3）可对锚具进行预紧，预紧后粘结剂对碳纤维索股产生径向挤压力，从而对索股提供较大的粘结力；（4）锚环内部采用分区槽，分区槽将碳纤维索股平均分布在不同的分区内，将大直径索股分成若干小直径索股，降低了尺寸效应，从另一个方面为锚固大直径的碳纤维索股提供了可靠保障。

附图说明

图1为按照本发明的用于碳纤维索股的内曲面分区式粘结型锚具的一优选实施例结构示意图；

图2为按照本发明的用于碳纤维索股的内曲面分区式粘结型锚具的图1所示实施例的A-A剖面图；

图3为按照本发明的用于碳纤维索股的内曲面分区式粘结型锚具的图1所示实施例的B-B剖面图；

图4为按照本发明的用于碳纤维索股的内曲面分区式粘结型锚具的图1所示实施例的C-C剖面图；

图5为按照本发明的用于碳纤维索股的内曲面分区式粘结型锚具的图1所示实施例的锚环内部喇叭形曲面示意图。

图中标注说明：1-锚环，2-大孔端堵，3-小孔端堵，4-分区槽，5-碳纤维索股，6-环氧树脂胶，7-外螺纹，8-限位螺母，9-灌胶孔，10-排气孔，11-纵轴向截面线，12-碳纤维索限位孔。

具体实施方式

为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例详细阐述本发明。

实施例一：

如图1-4所示，按照本发明的用于碳纤维索股的内曲面分区式粘结型锚具的一实施例，包括锚环1、大孔端堵2和小孔端堵3，所述大孔端堵2和所述小孔端堵3分别设置在所述锚环1的两端；所述锚环1内部为喇叭形曲面形状；所述锚环1内部设置分区槽4，所述分区槽4的每个分区内均填充碳纤维索，所述碳纤维索簇集在一起形成碳纤维索股；所述锚环1内部的喇叭形曲面与所述碳纤维索之间形成的空腔内填充环氧树脂胶6；所述大孔端堵2和所述小孔端堵3的中心部位均设有炭纤维索限位孔12。

锚环为内部呈喇叭形曲面的钢质环状筒；大孔端堵和小孔端堵分别对锚环两端的碳纤维索股起到固定的作用；炭纤维索限位孔用于穿插碳纤维索，并进行定位。

所述锚环1中部的外侧面设置外螺纹7，外螺纹7套接限位螺母8，限位螺母与外螺纹相互配合，对锚环起到紧固和限位的作用。所述锚环1上设置灌胶孔9和排气孔10，排气孔10设置在靠近大孔端的部位，灌胶孔9设置在排气孔10与外螺纹7之间的部位；所述灌胶孔9的直径大于所述排气孔10的直径。所述环氧树脂胶6从9灌胶孔内注入到锚环1内部。

所述锚环内部曲面的纵轴向截面线为曲线段，该曲线段在锚环的小孔端接近于直线，该曲线段的曲率从小孔端向大孔端逐渐增大，使锚环内部呈喇叭形曲面。

如图5所示，所述锚环1内部曲面的纵向截面线11为椭圆曲线，如图5中的实线所示，两条曲线段形成喇叭形状。曲线段在大孔端某点切线的斜率绝对值为0.05；曲线段在小孔端某点切线的斜率绝对值为0或无限接近于0，即曲线段在小孔端为直线或者无限接近于直线。所述锚环1的大孔端壁厚与小孔端壁厚的比为1:3；所述锚环1的小孔端壁厚与所述锚环1的纵向长度的比为1:20。本实施例经过大量试验证明，该用于碳纤维索股的内曲面分区式粘结型锚具需要综合考虑上述各个参数，包括曲线段在大孔端某点切线的斜率绝对值为0.05、锚环的大孔端壁厚与小孔端壁厚的比为1:3、锚环的小孔端壁厚与锚环的纵向长度的比为1:20等，这样才能使碳纤维索股在横向和纵向的受力都均匀，不会产生应力集中现象，而且锚固大直径碳纤维索股时降低了尺寸效应的影响，进而提高锚固性能。

所述分区槽4沿周向设置六个分区，根据实际情况，每个分区内可任意填充碳纤维索的数量，任意增大碳纤维索股的直径。利用分区槽将大直径的索股分成六个小索股，化整为零，每个小索股作为一个相对独立的受力区，可以减小大直径索股在横向上受力不均匀的程度。另外，分区槽由钢质材料制成，增加了索股区域的刚度，也可减小索股在横向受力不均匀的程度。试验数据表明，分区后锚具的锚固效率系数可提高6%。所述分区槽的中心设有钢制轴，钢制轴的两端分别定位于所述大孔端堵和所述小孔端堵的中心位置。

本实施例的锚具在安装施工时，首选通过分区槽将碳纤维索股平均分配在不同的分区内，并将其穿入锚具内部，采用大孔端堵和小孔端堵将碳纤维索股和分区槽调整并固定在锚环的中心位置，再继续穿入另一端的锚具中，完成碳纤维索股的布置；然后采用玻璃胶对大孔端堵和小孔端堵进行密封处理，玻璃胶凝固后，将调配好的粘结剂（环氧树脂）从灌胶孔内灌注到内部为曲面形的锚具中，灌满后静置1-2小时，再根据实际情况进行一次或多次补灌，补灌结束后，在常温下放置2-3天，使粘结剂充分凝固；最后将大孔端堵取下，将超出大孔端面的碳纤维索股锯断，打磨使断面光滑平顺，再对锚具进行预紧处理，预紧后锚环对碳纤维索股产生径向挤压应力，增大粘结力，即可完成锚具的现场安装。

本实施例的用于碳纤维索股的内曲面分区式粘结型锚具，其结构简单、施工方便、造价低廉。安装施工时，无需在锚具内部使用套管和加劲螺纹钢，关键是因为将锚环内部的锥形结构改为曲面形结构，同时在曲面形的锚环内部置入分区槽，将锚具内部的碳纤维索股进行分区布置；然后在锚具两端固定索股的端堵，灌注粘结剂，对锚具进行预紧处理，预紧后锚环对碳纤维索股产生径向挤压应力，增大粘结力。锚环内部的曲面形结构对碳纤维索股的横向挤压力由大孔端向小孔端逐渐减小，小孔端的横向挤压力最小，从而改善了小孔端径向挤压应力的集中程度，避免索股被剪坏。内曲面形的锚环结构使索股受到的挤压应力沿纵向的不均匀程度显著降低。使索股在锚固区处于理想的受力状态，达到了提高锚固效率的目的。本实施例的锚具可使碳纤维索股在横向和纵向的受力达到均匀状态，使所有的CFRP丝均能同时发挥极限承载能力，提高锚固效率，并具有优异的静力和动力性能。

与现有技术相比，本实施例具有如下显著进步：（1）采用内曲面形的锚环，利用锚环内曲面的曲率沿纵向变化，来调整索股受到的径向挤压力，使其沿纵向分布合理，直接改变锚环的构造，可省去内套管和加劲钢筋等辅助组件，减少制作、组装和施工成本，能达到更好的锚固效果；（2）内套管锥形粘结型锚具在锚固较大直径索股时，小孔端径向挤压力过大，内套管阻碍径向挤压力的能力有限，本实施例的内曲面形锚具可直接从力源上解决受力分布不合理的问题，对锚固大直径碳纤维索股更具有优势；（3）可对锚具进行预紧，预紧后粘结剂对碳纤维索股产生径向挤压力，从而对索股提供较大的粘结力；（4）锚环内部采用分区槽，分区槽将碳纤维索股平均分布在不同的分区内，将大直径索股分成若干小直径索股，降低了尺寸效应，从另一个方面为锚固大直径的碳纤维索股提供了可靠保障。

实施例二：

按照本发明的用于碳纤维索股的内曲面分区式粘结型锚具的另一实施例，其基本结构、各部件之间的连接关系、工作原理和有益效果等均与实施例一相同，不同的是：所述锚环内部曲面的纵轴向截面线为圆曲线，曲线段形成喇叭形状，曲线段在大孔端某点切线的斜率绝对值为0.1，曲线段在小孔端某点切线的斜率绝对值为0或无限接近于0。所述锚环的大孔端壁厚与小孔端壁厚的比为1:4，所述锚环的小孔端壁厚与所述锚环的纵向长度的比为1:10。

实施例三：

按照本发明的用于碳纤维索股的内曲面分区式粘结型锚具的另一实施例，其基本结构、各部件之间的连接关系、工作原理和有益效果等均与实施例一相同，不同的是：所述锚环内部曲面的纵向截面线为幂函数曲线，曲线段形成喇叭形状，曲线段在大孔端某点切线的斜率绝对值为0.08，曲线段在小孔端某点切线的斜率绝对值为0或无限接近于0。所述锚环的大孔端壁厚与小孔端壁厚的比为1:3.5，所述锚环的小孔端壁厚与所述锚环的纵向长度的比为1:15。

实施例四：

按照本发明的用于碳纤维索股的内曲面分区式粘结型锚具的另一实施例，其基本结构、各部件之间的连接关系、工作原理和有益效果等均与实施例一相同，不同的是：所述锚环内部曲面的纵向截面线为指数函数曲线，曲线段形成喇叭形状，曲线段在大孔端某点切线的斜率绝对值为0.06，曲线段在小孔端某点切线的斜率绝对值为0或无限接近于0。所述锚环的大孔端壁厚与小孔端壁厚的比为1:3.2，所述锚环的小孔端壁厚与所述锚环的纵向长度的比为1:18。

实施例五：

按照本发明的用于碳纤维索股的内曲面分区式粘结型锚具的另一实施例，其基本结构、各部件之间的连接关系、工作原理和有益效果等均与实施例一相同，不同的是：所述锚环内部曲面的纵向截面线为双曲线，曲线段形成喇叭形状，曲线段在大孔端某点切线的斜率绝对值为0.09，曲线段在小孔端某点切线的斜率绝对值为0或无限接近于0。所述锚环的大孔端壁厚与小孔端壁厚的比为1:3.8，所述锚环的小孔端壁厚与所述锚环的纵向长度的比为1:12。

本领域技术人员不难理解，本发明的用于碳纤维索股的内曲面分区式粘结型锚具包括上述本发明说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于碳纤维索股的内曲面分区式粘结型锚具，包括锚环、大孔端堵和小孔端堵，所述大孔端堵和所述小孔端堵分别设置在所述锚环的两端，其特征在于：所述锚环内部为喇叭形曲面形状；所述锚环内部设置分区槽，所述分区槽的每个分区内均填充碳纤维索，所述碳纤维索簇集在一起形成碳纤维索股；所述锚环内部的喇叭形曲面与所述碳纤维索之间形成的空腔内填充环氧树脂胶；所述大孔端堵和所述小孔端堵的中心部位均设有炭纤维索限位孔。

2.如权利要求1所述的用于碳纤维索股的内曲面分区式粘结型锚具，其特征在于：所述锚环中部的外侧面设置外螺纹，所述外螺纹套接限位螺母。

3.如权利要求2所述的用于碳纤维索股的内曲面分区式粘结型锚具，其特征在于：所述锚环上设置灌胶孔和排气孔。

4.如权利要求3所述的用于碳纤维索股的内曲面分区式粘结型锚具，其特征在于：所述排气孔设置在靠近大孔端的部位，所述灌胶孔设置在所述排气孔与所述外螺纹之间的部位。

5.如权利要求4所述的用于碳纤维索股的内曲面分区式粘结型锚具，其特征在于：所述灌胶孔的直径大于所述排气孔的直径。

6.如权利要求5所述的用于碳纤维索股的内曲面分区式粘结型锚具，其特征在于：所述环氧树脂胶从所述灌胶孔内注入到所述锚环内部。

7.如权利要求1所述的用于碳纤维索股的内曲面分区式粘结型锚具，其特征在于：所述锚环内部曲面的纵轴向截面线为曲线段，该曲线段在锚环的小孔端接近于直线，该曲线段的曲率从小孔端向大孔端逐渐增大，使锚环内部呈喇叭形曲面。

8.如权利要求7所述的用于碳纤维索股的内曲面分区式粘结型锚具，其特征在于：所述纵轴向截面线为椭圆曲线、圆曲线、幂函数曲线、指数函数曲线、双曲线中的任一种曲线段。

9.如权利要求8所述的用于碳纤维索股的内曲面分区式粘结型锚具，其特征在于：所述曲线段在大孔端某点切线的斜率绝对值为0.05-0.1。

10.如权利要求9所述的用于碳纤维索股的内曲面分区式粘结型锚具，其特征在于：所述曲线段在小孔端某点切线的斜率绝对值为0或无限接近于0。