CN107575257A - 用于纤维增强高分子材料杆的锚具系统及其锚固方法 - Google Patents

Abstract

用于纤维增强高分子材料杆的锚具系统及其锚固方法，本发明的目的是基于现有大直径FRP杆在长期环境及反复疲劳荷载下FRP杆的锚固力不足的问题。该锚具系统是沿FRP杆的锚固长度方向切割有切口，在FRP杆的切口处插嵌有涂覆有环氧树脂填充剂的楔块，在FRP杆的切口端的杆体上缠绕有多层碳纤维布，碳纤维布中浸润有环氧树脂填充剂，内部锚固钢管紧密套设在FRP杆外，外部固定钢管通过螺纹连接套设在内部锚固钢管上，FRP杆内注射有环氧树脂填充剂，在外部固定钢管的管端设置有固定螺栓。本发明所述的锚具系统结构设计简单、内部受力合理，锚固方法方便，可将不同直径的FRP杆拉伸至断裂，可靠性高。

Description

用于纤维增强高分子材料杆的锚具系统及其锚固方法

技术领域

本发明涉及一种用于土木工程中纤维强复合材料杆(FRP杆)的锚具及其新型锚固方法。

背景技术

近二十年来，纤维增强树脂复合材料以其轻质、高强、优越的耐腐蚀性和耐疲劳性能而广泛的应用于土木工程中。作为替代钢筋的一种新型材料，土木工程领域中常用的FRP杆的形式有受力筋、体外预应力筋、斜拉索和地锚等。

目前，针对于小直径的FRP杆的锚固技术已经发展成熟，锚固系统所提供的锚固力已经足够将FRP杆拉断，锚固效率较高。但当FRP杆直径增大时，其与连接构件之间的锚固技术尚未发展成熟，仍需要进一步的研究与开发。目前适用于大直径FRP杆锚固方法主要有粘结型、摩擦型和夹片型三种。

对于粘结式锚固系统，主要采用填充树脂将FRP杆连接至钢管中。此锚固技术的优点为：采用树脂填充对FRP杆体无损伤。其缺点在于树脂在长期使用过程中会产生较大的蠕变变形，可能造成预应力结构的应力损失；其次，树脂依赖其自身的抗剪性能提供锚固力，一般对于大直径的FRP杆并不适用，往往由于树脂的抗剪承载力不足而造成FRP杆从锚固钢管中发生脱粘破坏。

对于摩擦型锚固系统，其采用膨胀材料(如膨胀水泥浆等)作为荷载传递介质，实现将外荷载通过FRP杆传递至锚固钢管上，作用机理为通过膨胀材料固化后膨胀而产生对锚固钢管内壁上的挤压力，进而增大两者之间的摩擦力。然而，膨胀材料所提供的膨胀力和自身的抗压承载力有限，对于大尺度的FRP杆可能并不适用。此外，膨胀材料在长期荷载作用下可能发生较大的蠕变变形，从而使其提供的锚固力大大的下降。

夹片式锚具是较为常用的FRP杆的锚固方式，通过楔形夹片与FRP杆之间的挤压力提供锚固力，其具有施工方便、锚固效率高等优势。对于一般的各向异性的FRP杆而言，其纵向拉伸性能较大，然而其径向抗剪性能较低，夹片式锚具在使用前通过较大的挤压力夹持住FRP杆，从而对FRP杆产生较大的径向剪切力，并剪切力集中现象严重，使其材料形成一定的初始损伤甚至破坏，即“缺口效应”。当锚固系统长期承受车辆及行人等动荷载时往往在初始损伤处首先发生破坏，随即破坏进一步扩展导致锚固失效。另一方面，夹片式锚固对于FRP杆承受静力拉伸性能时的锚固效果较好，但当FRP杆在实际结构中承受反复荷载时，往往发生锚具内部FRP杆与夹片之间的剥离破坏。

现有的锚固方法对于大直径FRP杆的锚固技术尚未成熟，考虑到FRP杆在实际结构中承受侵蚀性环境及反复疲劳荷载作用，一种对于新型并适用于上述条件的FRP杆锚固技术的研发势在必行。

发明内容

本发明的目的是基于现有对大直径FRP杆在长期环境及反复疲劳荷载下的锚固方式易受侵蚀性环境的影响，以及FRP杆的锚固力不足的问题，而提供用于纤维增强高分子材料杆的锚具系统及其锚固方法。

本发明用于纤维增强高分子材料杆的锚具系统包括外部固定钢管、内部锚固钢管、环氧树脂填充剂、(高强)楔块、FRP杆和固定螺栓，沿FRP杆的锚固长度方向从杆端起切割有切口，楔块的表面涂覆有环氧树脂填充剂，在FRP杆的切口处插嵌有涂覆有环氧树脂填充剂的楔块，在FRP杆的切口端的杆体上缠绕有多层碳纤维布，碳纤维布中浸润有环氧树脂填充剂，内部锚固钢管紧密套设在FRP杆外，内部锚固钢管的管腔带有锥度，外部固定钢管通过螺纹连接套设在内部锚固钢管上，FRP杆内注射有环氧树脂填充剂，在外部固定钢管的管端设置有固定螺栓，固定螺栓的栓杆端部与楔块紧密接触。

本发明用于纤维增强高分子材料杆的锚固方法按以下步骤实现：

一、采用切割设备从FRP杆的端部沿锚固长度方向进行切割，沿FRP杆的锚固长度方向从杆端起切割出切口，将环氧树脂填充剂均匀的涂抹至楔块的表面，得到涂有环氧树脂填充剂的楔块；

二、使用重锤将涂有环氧树脂填充剂的楔块沿着切口方向敲击进入FRP杆中，待楔块表面的环氧树脂填充剂固化后，用碳纤维布在FRP杆的切口端部杆体上缠绕多层，并在碳纤维布上均匀涂抹环氧树脂填充剂，待碳纤维布中浸润的环氧树脂填充剂固化后，将FRP杆插入内部锚固钢管内，使FRP杆与内部锚固钢管接触紧密，保证FRP杆的切口端从内部锚固钢管的管端露出；

三、将外部固定钢管采用螺纹连接套设在内部锚固钢管上，在外部固定钢管的管端开有螺栓孔，采用压力注射器将环氧树脂填充剂从螺栓孔注射至内部锚固钢管内，最后将固定螺栓拧入外部固定钢管的螺栓孔中，待环氧树脂填充剂固化后完成纤维增强高分子材料杆的锚固。

本发明用于纤维增强高分子材料杆的锚具系统及其锚固方法包含以下有益效果：

1、本锚固方式的受力包括两部分：第一部分利用材料自身开缝加入楔块而形成一定梯度承受外荷载过程中通过挤压锚固钢管内壁提供主要的锚固力；第二部分利用具有一定梯度的锚固钢管通过填充环氧树脂连接FRP杆与钢管之间来提供次要的锚固力。该锚固系统受力合理，传力明确。

2、针对于FRP杆开缝端部采用碳纤维布进行张力包裹加固并填充环氧树脂，有效的避免其应力集中现象，同时也将高强楔块与FRP杆包裹成一个整体，共同承受外力。此外，亦可减小开缝长度并增加锚固长度进一步减小开缝端部的应力集中现象。

3、高强楔块在承受外荷载作用下，受到FRP杆的压力作用，这将导致其脱离FRP杆，本发明采用固定螺栓将其紧紧的固定于FRP杆内部，并使其与FRP杆共同工作。此外，在锚固系统使用一段时间后，亦可通过进调节固定螺栓的位置使高强楔块与FRP杆共同工作，从而保证了锚固系统长期使用的可靠性。

4、为增加填充环氧树脂提供的锚固力，可在环氧树脂内部加入一定量一定粒度的铁砂，以增加FRP杆与钢管之间的粘结性能，同时亦可有效改善填充环氧树脂长期使用时发生蠕变。

5、本锚固系统处于密封状态，受到环境中侵蚀性介质的影响相对较小。锚固系统通过FRP杆将外荷载传递至高强螺栓和填充树脂，最终传给锚固钢管。由于树脂具有较大的变形能力，故此锚固系统在承受外部反复荷载作用时，锚具内部产生的弹性应变能可通过树脂的变形而及时的耗散，从而避免的局部应变能集中而造成破坏。

综上所述，本发明用于纤维增强高分子材料杆的锚固系统的设计简单、内部受力合理，加工方便，经济性好、适用范围广泛，有效地解决了传统锚固系统存在的问题，可在侵蚀性环境和反复荷载作用下长期使用。

附图说明

图1为本发明用于纤维增强高分子材料杆的锚具系统的主视结构示意图；

图2为本发明用于纤维增强高分子材料杆的锚具系统的端面结构示意图；

图3为FRP杆上的切口示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式用于纤维增强高分子材料杆的锚具系统包括外部固定钢管1、内部锚固钢管2、环氧树脂填充剂、(高强)楔块4、FRP杆5和固定螺栓6，沿FRP杆5的锚固长度方向从杆端起切割有切口7，楔块4的表面涂覆有环氧树脂填充剂，在FRP杆5的切口处插嵌有涂覆有环氧树脂填充剂的楔块4，在FRP杆5的切口端的杆体上缠绕有多层碳纤维布3，碳纤维布3中浸润有环氧树脂填充剂，内部锚固钢管2紧密套设在FRP杆5外，内部锚固钢管2的管腔带有锥度，外部固定钢管1通过螺纹连接套设在内部锚固钢管2上，FRP杆5内注射有环氧树脂填充剂，在外部固定钢管1的管端设置有固定螺栓6，固定螺栓6的栓杆端部与楔块4紧密接触。

具体实施方式二：本实施方式用于纤维增强高分子材料杆的锚固方法按以下步骤实施：

一、采用切割设备从FRP杆5的端部沿锚固长度方向进行切割，沿FRP杆5的锚固长度方向从杆端起切割出切口7，将环氧树脂填充剂均匀的涂抹至楔块4的表面，得到涂有环氧树脂填充剂的楔块4；

二、使用重锤将涂有环氧树脂填充剂的楔块4沿着切口方向敲击进入FRP杆5中，待楔块4表面的环氧树脂填充剂固化后，用碳纤维布3在FRP杆5的切口端部杆体上缠绕多层，并在碳纤维布3上均匀涂抹环氧树脂填充剂，待碳纤维布3中浸润的环氧树脂填充剂固化后，将FRP杆5插入内部锚固钢管2内，使FRP杆5与内部锚固钢管2接触紧密，保证FRP杆5的切口端从内部锚固钢管2的管端露出；

三、将外部固定钢管1采用螺纹连接套设在内部锚固钢管2上，在外部固定钢管1的管端开有螺栓孔，采用压力注射器将环氧树脂填充剂从螺栓孔注射至内部锚固钢管2内，最后将固定螺栓6拧入外部固定钢管1的螺栓孔中，待环氧树脂填充剂固化后完成纤维增强高分子材料杆的锚固。

本实施方式FRP杆的切口长度应根据其杆体的承载力进行计算以获得合适的切割长度。当切割长度太大时，可能对FRP杆破坏较大而发生锚具内部杆体的破坏；当切割长度太小时，FRP杆的梯度较小，可能发生其从锚具内部拔出而形成脱粘破坏。此外，应限制FRP杆的切割精度，避免切割偏差过大造成杆体受力不均匀。而高强楔块在锚固试验中承受一定的压力作用。故此，其抗压强度必须满足承载力要求，设计之前应进行受压承载力验算。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是FRP杆5的直径为8～30mm。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是所述的楔块4呈锥形。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二至四之一不同的是楔块4的材质为金属铜。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二至五之一不同的是FRP杆5的切口端从内部锚固钢管的管端露出的长度为15～20mm。

本实施方式FRP杆从内部锚固钢管的管端露出，使得其在拉伸过程中进入并接触锚固钢管内部，从而形成一定的挤压力承受外荷载。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式二至六之一不同的是步骤二用碳纤维布3在FRP杆5的切口端部缠绕多层，并在碳纤维布3上均匀涂抹环氧树脂填充剂，其中在环氧树脂填充剂中含有铁砂。

本实施方式在在环氧树脂填充剂中加入一定比例一定粒度的铁砂，以增加FRP杆与内部锚固钢管之间的粘结强度，同时亦可缓解环氧树脂长期使用过程中产生的蠕变。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式二至七之一不同的是步骤三采用压力注射器分多次将环氧树脂填充剂从螺栓孔注射至内部锚固钢管2内。

本实施方式分多次注入，以保证环氧树脂浸润的充分性，避免气压引起环氧树脂内部形成一定的孔隙而降低其强度。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式二至八之一不同的是步骤三固定螺栓6拧入外部固定钢管1的螺栓孔中，固定螺栓6的栓杆端部与楔块4紧密接触。

本实施方式用扳手将固定螺栓沿着其螺纹方向拧入外部固定钢管中，并保证其与高强楔块紧密接触，以防止FRP杆在受拉过程中产生的压力将高强楔块挤出而发生两者之间的脱粘。

实施例：本实施例用于纤维增强高分子材料杆的锚固方法按以下步骤实施：

一、采用切割设备从整体长度为300mm，直径为19mm的FRP杆5的端部沿锚固长度方向进行切割，沿FRP杆5的锚固长度方向从杆端起切割出切口7，切口的长度为100mm，将环氧树脂填充剂均匀的涂抹至楔块4的表面，得到涂有环氧树脂填充剂的楔块4；其中，采用楔块底面的宽度和厚度均为19mm，与FRP杆的直径保持一致，长度为80mm；

二、使用重锤将涂有环氧树脂填充剂的楔块4沿着切口方向敲击进入FRP杆5中，待楔块4表面的环氧树脂填充剂固化后，用碳纤维布3以一定的张力在FRP杆5的切口端部杆体上缠绕多层，并在碳纤维布上均匀涂抹环氧树脂填充剂，此过程是缠一层碳纤维布3然后涂涂抹一层环氧树脂，以保证树脂能均匀的浸透至碳纤维布中，待碳纤维布3中浸润的环氧树脂填充剂固化后，将FRP杆5插入内部锚固钢管2内，内部锚固钢管2的管腔带有锥度，用胶带封住拉伸端处的孔隙，使FRP杆5与内部锚固钢管2接触紧密，保证FRP杆从内部锚固钢管的管端露出15mm；

三、将外部固定钢管1采用螺纹连接套设在内部锚固钢管2上，在外部固定钢管1的管端开有螺栓孔，采用压力注射器将环氧树脂填充剂从螺栓孔注射至内部锚固钢管2内，最后将固定螺栓拧6入外部固定钢管1的螺栓孔中，固定螺栓6的栓杆端部与楔块4紧密接触，待环氧树脂填充剂固化后完成纤维增强高分子材料杆的锚固。

下面为本实施例锚固的测试数据：

采用两种环氧树脂和一种水泥浆作为填充剂进行FRP杆的锚固。如表1所示，三种填充剂的锚固承载力不同，采用水泥浆锚固FRP杆的破坏方式为FRP杆从锚固钢管内发生脱粘破坏，锚固承载力相对较低，仅为236.8kN；采用两种环氧树脂作为填充剂锚固FRP的破坏方式为FRP杆的劈裂和爆裂，两种破坏方式均反映了材料的极限拉伸性能，其极限锚固承载力约为350-370kN，由此说明本发明锚具具有优越的锚固效果。

表1 FRP杆锚固试验数据

Claims (9)

1.用于纤维增强高分子材料杆的锚具系统，其特征在于该用于纤维增强高分子材料杆的锚具系统包括外部固定钢管(1)、内部锚固钢管(2)、环氧树脂填充剂、楔块(4)、FRP杆(5)和固定螺栓(6)，沿FRP杆(5)的锚固长度方向从杆端起切割有切口(7)，楔块(4)的表面涂覆有环氧树脂填充剂，在FRP杆(5)的切口处插嵌有涂覆有环氧树脂填充剂的楔块(4)，在FRP杆(5)的切口端的杆体上缠绕有多层碳纤维布(3)，碳纤维布(3)中浸润有环氧树脂填充剂，内部锚固钢管(2)紧密套设在FRP杆(5)外，内部锚固钢管(2)的管腔带有锥度，外部固定钢管(1)通过螺纹连接套设在内部锚固钢管(2)上，FRP杆(5)内注射有环氧树脂填充剂，在外部固定钢管(1)的管端设置有固定螺栓(6)，固定螺栓(6)的栓杆端部与楔块(4)紧密接触。

2.用于纤维增强高分子材料杆的锚固方法,其特征在于该方法是按以下步骤实现：

一、采用切割设备从FRP杆(5)的端部沿锚固长度方向进行切割，沿FRP杆(5)的锚固长度方向从杆端起切割出切口(7)，将环氧树脂填充剂均匀的涂抹至楔块(4)的表面，得到涂有环氧树脂填充剂的楔块(4)；

二、使用重锤将涂有环氧树脂填充剂的楔块(4)沿着切口方向敲击进入FRP杆(5)中，待楔块(4)表面的环氧树脂填充剂固化后，用碳纤维布(3)在FRP杆(5)的切口端部杆体上缠绕多层，并在碳纤维布(3)上均匀涂抹环氧树脂填充剂，待碳纤维布(3)中浸润的环氧树脂填充剂固化后，将FRP杆(5)插入内部锚固钢管(2)内，使FRP杆(5)与内部锚固钢管(2)接触紧密，保证FRP杆(5)的切口端从内部锚固钢管(2)的管端露出；

三、将外部固定钢管(1)采用螺纹连接套设在内部锚固钢管(2)上，在外部固定钢管(1)的管端开有螺栓孔，采用压力注射器将环氧树脂填充剂从螺栓孔注射至内部锚固钢管(2)内，最后将固定螺栓(6)拧入外部固定钢管(1)的螺栓孔中，待环氧树脂填充剂固化后完成纤维增强高分子材料杆的锚固。

3.根据权利要求2所述的用于纤维增强高分子材料杆的锚固方法，其特征在于FRP杆(5)的直径为8～30mm。

4.根据权利要求2所述的用于纤维增强高分子材料杆的锚固方法，其特征在于所述的楔块(4)呈锥形。

5.根据权利要求2所述的用于纤维增强高分子材料杆的锚固方法，其特征在于楔块(4)的材质为金属铜。

6.根据权利要求2所述的用于纤维增强高分子材料杆的锚固方法，其特征在于步骤二中FRP杆(5)的切口端从内部锚固钢管的管端露出的长度为15～20mm。

7.根据权利要求2所述的用于纤维增强高分子材料杆的锚固方法，其特征在于步骤二用碳纤维布(3)在FRP杆(5)的切口端部缠绕多层，并在碳纤维布(3)上均匀涂抹环氧树脂填充剂，其中在环氧树脂填充剂中含有铁砂。

8.根据权利要求2所述的用于纤维增强高分子材料杆的锚固方法，其特征在于步骤三采用压力注射器分多次将环氧树脂填充剂从螺栓孔注射至内部锚固钢管(2)内。

9.根据权利要求2所述的用于纤维增强高分子材料杆的锚固方法，其特征在于步骤三固定螺栓(6)拧入外部固定钢管(1)的螺栓孔中，固定螺栓(6)的栓杆端部与楔块(4)紧密接触。