CN109797910B

CN109797910B - 一种frp筋锚固用夹片、加工方法及锚固方法

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Publication number: CN109797910B
Application number: CN201910162243.8A
Authority: CN
Inventors: 汪昕; 吴智深; 张磊; 史健喆; 朱中国
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2019-03-04
Filing date: 2019-03-04
Publication date: 2021-02-26
Anticipated expiration: 2039-03-04
Also published as: CN109797910A

Abstract

本发明公开了一种FRP筋锚固用夹片、加工方法及锚固方法，其中FRP筋锚固用夹片呈扇形，在所述夹片的内部为用于放置FRP筋的圆弧形槽，所述夹片的外表面为圆锥面，所述夹片沿长度方向包括变刚度荷载传递第一介质段和变刚度荷载传递第二介质段，夹片刚度自加载端至自由端逐渐增大；所述变刚度荷载传递第一介质段由经树脂浸润的纤维短切纱固化而成；所述变刚度荷载传递第二介质段由经树脂浸润的石英砂固化而成。本发明变刚度荷载传递介质的纤维、石英砂含量和横向刚度自加载端至自由端逐渐增大，可以缓解或消除FRP筋在加载端的“切口效应”，避免应力集中造成FRP筋的横向剪切破坏先于拉伸破坏。

Description

一种FRP筋锚固用夹片、加工方法及锚固方法

技术领域

本发明涉及一种采用变刚度荷载传递介质的FRP筋夹片式锚具的锚固技术，属于FRP单筋锚固技术领域。

背景技术

纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，FRP)是以纤维为增强材料，以树脂为基体材料，并掺加浸润剂等辅助材料，经拉挤工艺形成的一种新型复合材料。FRP具有轻质、高强、耐腐蚀、耐疲劳和减震性能好等诸多优异性能，是土木工程结构中替换钢筋的理想材料，目前在既有结构的加固以及新建桥梁、海港码头、岛礁建设等结构中均已得到应用。

随着人类的发展，现今建筑结构所处的环境日益严峻，钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土的缺点也逐渐显露出来：1)由于腐蚀、材料老化和人为等因素，导致结构开裂，使结构的承载能力下降；2)在钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土结构中，钢筋锈蚀的问题尤为严重，钢筋尤其是预应力钢筋锈蚀后导致结构的承载能力大大下降，严重的还会使结构失效。这不仅严重影响结构的正常使用功能和服役寿命，增加其后期维修管理费用，还造成了大量的安全隐患等问题。FRP材料由于具有轻质、高强、耐腐蚀和耐疲劳等优良特性，因此已逐渐成为钢筋的理想替换材料。但是，如何有效建立安全可靠的FRP筋锚固体系仍然是限制FRP材料在工程应用的瓶颈问题。目前，常见的FRP筋锚具形式主要有：粘结型锚具、摩擦型锚具和夹片型锚具。

粘结式锚具是通过树脂等粘结材料将FRP筋本体与外部套管粘结成整体，工作时主要依赖于粘结材料的抗剪切变形能力。这种锚固方式具有受力明确，且粘结材料对FRP筋本体无损伤，只要保证足够的锚固长度以及筋表面的粗糙程度，筋的锚固就能得以实现。但该锚固方法仍存在灌胶工艺复杂、树脂蠕变变形过大和抵抗疲劳性能较弱等不足，并且随着锚固吨位的增大，锚固长度和安装难度也相应显著增加。

摩擦式锚具是在FRP筋与套管之间灌注膨胀材料，固化后的膨胀材料会对套管内的FRP筋表面形成预压力，以增大FRP筋表面的摩擦力，从而实现FRP筋的有效锚固。但该锚固方式仍存在膨胀材料本身抗压强度有限、锚固长度较长、所需空间大、在疲劳荷载、长期持荷等作用下膨胀材料性能难以保证等诸多不足。

夹片式锚具常用于预应力钢绞线的锚固，楔形钢夹片在锚杯内随钢绞线跟进，从而产生较大的挤压力来实现钢绞线的锚固。夹片式锚具应用于钢绞线锚固时，不仅施工方便，而且锚固效率高。FRP材料具有各向异性的特征，与纵向抗拉强度相比，FRP材料的横向抗剪切强度则较弱，只有抗拉强度的十分之一左右。采用夹片式锚具来锚固FRP筋时，锚固区内夹片会对FRP筋产生横向挤压变形，在夹片式锚具加载端出现应力集中现象，容易造成FRP筋的横向剪切破坏先于拉伸破坏。

因此，在综合分析各种形式锚具的优缺点及腐蚀等环境问题情况下，若要推广预应力FRP筋在工程的应用中，开发出安全可靠且施工方便的FRP筋锚固装置已成为亟待解决的问题。

发明内容

技术问题：本发明针对既有锚固方法技术中存在的不足，旨在提供一种适用于光滑表面的光圆FRP单筋的锚固方法，该锚固方法构造简单、施工简易，既能提高筋锚固的可靠性，又能保证筋在长期荷载作用下的安全性。

技术方案：

一种FRP筋锚固用夹片，所述夹片呈扇形，在所述夹片的内部为用于放置FRP筋的圆弧形槽，所述夹片的外表面为圆锥面，其特征在于：所述夹片沿长度方向包括变刚度荷载传递第一介质段和变刚度荷载传递第二介质段，夹片刚度自加载端至自由端逐渐增大，所述变刚度荷载传递第一介质段位于所述圆锥面的大截面端，所述变刚度荷载传递第二介质段位于所述圆锥面的小截面端；所述变刚度荷载传递第一介质段由经树脂浸润的纤维短切纱固化而成；所述变刚度荷载传递第二介质段由经树脂浸润的石英砂固化而成。

所述石英砂规格100目～300目，含有石英砂的树脂为环氧树脂；纤维短切纱长度6mm～10mm，含有纤维短切纱的树脂为乙烯树脂。选用两种树脂的原因是从施工容易性、基本的力学性能得出的；纤维短切纱的树脂为乙烯树脂的原因缩短制作夹片时间，提高生产效率(环氧树脂不能加热固化，所以自然固化时间长)；石英砂的树脂为环氧树脂的原因当乙烯树脂与石英砂配比时，横向强度与粘结强度小于FRP筋的基本力学性能，介于同源理念，基本的力学性能差不多相同的原则，所以不选乙烯树脂与石英砂形成的浇筑体。

所述变刚度荷载传递第二介质段由石英砂含量不同的至少两段组成，其中石英砂含量高的一段与所述变刚度荷载传递第一介质段相连。

所述变刚度荷载传递第二介质段由两段组成，第一段的质量配比为石英砂/环氧树脂＝20％～40％，第二段的质量配比为石英砂/环氧树脂＝90％～100％；第一段刚度为3GPa～10GPa，第二段刚度为8～12GPa，变刚度荷载传递第一介质段的刚度为20GPa～25GPa；所述变刚度荷载传递第一介质段与变刚度荷载传递第二介质段的第一段及第二段的长度比为：1:0.4～0.9:0.3～0.6。

所述变刚度荷载传递第一介质段与变刚度荷载传递第二介质段的第一段及第二段的长度比为：1:0.5～0.7:0.3～0.4。

所述纤维短切纱的纤维为玄武岩纤维、碳纤维或玻璃纤维。

一种夹片的制备方法，其特征在于，包括：

把不同质量经树脂浸润的纤维短切纱，经模压持荷200KN～220KN加热至100°～110°固化形成变刚度荷载传递第一介质段；

在模压加热固化后的变刚度荷载传递第一介质段小截面端部，浇筑经树脂浸润的石英砂，常温固化为与所述变刚度荷载传递第一介质段小截面端部固连的变刚度荷载传递第二介质段。

一种FRP筋的锚固方法，具体包括：

采用夹片在圆周方向上将FRP筋定位在圆弧形槽内；

采用内部为圆锥状的套筒套在所述夹片外。

本发明FRP单筋锚固方法的锚具包括三片变刚度荷载传递介质夹片和金属套筒。变刚度荷载传递介质的夹片为120°扇形锥体形状，其内部纤维、石英砂含量和刚度自加载端至自由端逐渐增强。金属套筒是一种内腔为圆锥体，外表面为圆柱体的结构。金属套筒的内腔圆锥体角度与变刚度荷载传递介质夹片的外表面角度完全一致。荷载传递介质的变刚度特性可以释放加载端过大的径向压应力，确保锚固区自由端具有足够的锚固力。三片式变刚度荷载传递介质夹片，便于操作便捷，可以确保荷载传递介质与FRP筋同步跟进。此结构设计具有拼装式锚固体系施工方便、锚固可靠、互换性好的特点。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1、本发明开发出的预应力FRP筋锚固方法，具有拼装式锚固体系施工方便、锚固可靠、互换性好的特点，适用于土木工程建设中，推动FRP筋的广泛应用。

2、本发明提供了一种预应力FRP筋锚固方法，相比于常规的钢夹片式锚具，本发明中变刚度荷载传递介质夹片自加载端至自由端的横向刚度逐渐增大，有效缓解了FRP筋在加载端横向应力集中的现象，避免了FRP筋的横向剪切破坏先于纵向拉伸破坏。

3、本发明提供了一种预应力FRP筋的锚固方法，与粘结式锚具相比，本发明适用于工程应用中预应力FRP筋，并且锚具尺寸明显减小。此外，本锚固方法在长期的腐蚀环境作用下仍能保证锚固体系的安全性和可靠性。

4、本发明提供了一种预应力FRP筋的锚固方法，通过采用不同的材料介质以及同一种材料的不同质量配比来达到变刚度的实现；采用纤维介质与FRP筋为同源材料保证基本的力学性能一致，纤维材料具有低蠕变、耐腐蚀等优点，保证锚具长期性安全使用。

5、变刚度荷载传递第二介质段选用石英砂，首先在于石英砂易于选择，粒径可控，其次石英砂与树脂配比的基本力学稳定，而不像其他颗粒如陶瓷颗粒，颗粒直径不易确定，石英砂的任何种类的颗粒直径均可在市场上购买，陶瓷颗粒与树脂配比的基本力学不稳定，造成连接不可靠。

附图说明

图1为采用实施例1夹片结构对预应力FRP进行锚固的锚固装置结构示意图。

图2为图1沿A-A线的示意图。

图3为采用实施例1夹片结构对预应力FRP进行锚固的锚固装置结构示意图；

图4为实施例2变刚度荷载传递介质为3段夹片的示意图。

图5为图4的侧面示意图。

图6为夹片刚度为25GPa时，FRP筋表面径向压应力分布图。

图7为变刚度夹片，刚度分布沿加载端至自由端依次为3GPa-10GPa-20GPa时，不同的刚度分布长度，FRP筋表面径向压应力分布图对比。

图8为变刚度夹片，刚度分布长度比例为2:3:5，刚度分布沿加载端至自由端依次为如图所示，FRP筋表面径向压应力分布图对比。

图9为变刚度夹片，刚度分布沿加载端至自由端依次为4GPa-10GPa-20GPa时，刚度分布长度比例为2:3:5，FRP筋表面径向压应力分布图。

图中有：1、FRP筋；2、变刚度荷载传递第二介质段；21变刚度荷载传递第二介质段第一段；22、变刚度荷载传递第二介质段第二段；3、变刚度荷载传递第一介质段；4、锚杯；5、夹缝。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作出进一步详细阐明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例一

请参阅图1和图2所示，本发明的用于预应力FRP筋锚具结构，包括变刚度夹片以及锚杯4，其中夹片为一体成型结构，刚度分布沿加载端至自由端依次增大，包括变刚度荷载传递第二介质段2和变刚度荷载传递第一介质段3。变刚度荷载传递第一介质段3由经树脂浸润的纤维短切纱固化而成；变刚度荷载传递第二介质段2由经树脂浸润的石英砂固化而成。变刚度荷载传递第一介质段3的刚度为15GPa～25GPa；变刚度荷载传递第二介质段的刚度为3GPa～12GPa；变刚度荷载传递第一介质段与变刚度荷载传递第二介质段的长度之比为1:0.8～1.5。在本实施例中，分别通过控制的纤维短切纱的含量和石英砂的含量，使变刚度荷载传递第二介质段2和变刚度荷载传递第一介质段3的刚度分别为10GPa和20GPa。变刚度荷载传递第二介质段2和变刚度荷载传递第一介质段3的长度之比为1:1。

本发明夹片是通过模具成型的，具体方法是：不同含量经树脂浸润的玄武岩纤维短切纱和石英砂，玄武岩纤维短切纱长度、与树脂的配比以及石英砂的含量根据实际刚度和使用要求确定。将不同含量经树脂浸润的玄武岩纤维短切纱放在模具中，经加热固化可以形成变刚度荷载传递第二介质段2和变刚度荷载传递第一介质段3。为了确保变刚度荷载传递介质夹片的整体性，将模压加热(经模压持荷200KN～220KN加热至100°～110°)固化后的变刚度荷载传递第一介质段3为基座，通过模具浇筑不同含量的石英砂树脂，自然固化为整体夹片。

实施例2

如图3-图5所示。变刚度荷载传递第二介质段2为两段，分别是；变刚度荷载传递第二介质段第一段21和变刚度荷载传递第二介质段第二段22。在本实施例中，刚度分布沿加载端至自由端依次为4GPa-10GPa-20GPa时，刚度分布长度比例为2:3:5。含有石英砂的树脂为型号WSR618(E-51)凤凰牌环氧树脂，石英砂规格100目～300目，玄武岩纤维短切纱长度6mm～10mm；4GPa质量配比为石英砂/凤凰牌环氧树脂＝30％、10GPa质量配比为石英砂/凤凰牌环氧树脂＝100％、20GPa质量配比为玄武岩纤维短切纱/乙烯树脂＝100％。变刚度荷载传递介质夹片分段数量图参见图5，分段变刚度通过夹片的自由端每段短切玄武岩纤维含量不同及夹片的加载段石英砂含量不同形成的，锚固性能自加载端至自由端逐渐增强。不同含量经树脂浸润的玄武岩纤维短切纱不和石英砂，玄武岩纤维短切纱长度、与树脂的配比以及石英砂的含量根据实际刚度和使用要求确定。将不同含量经树脂浸润的玄武岩纤维短切纱放在特定的模具中，经加热固化可以形成变刚度荷载传递第一介质段3。为了确保变刚度荷载传递介质夹片的整体性，将模压加热固化后的变刚度荷载传递第一介质段3为基座，通过模具浇筑不同含量的石英砂树脂，自然固化为整体夹片。夹缝5数量及结构形式示意图参见图5，但实际夹缝数量不局限于上述图中夹缝数量。变刚度荷载传递介质夹片外夹角与外部为圆柱、内部为圆锥的金属套筒4内夹角完全相同，以保证二者之间可以完全贴合。

请参阅图6～9所示，本发明通过不同长度和刚度下的数据曲线对比，表达了不同的刚度分布长度和刚度分布变化对FRP筋表面径向压应力有较大影响，通过合理的模拟调试出最优变刚度的模具。根据对比试验可以确定，最优刚度分布沿加载端至自由端范围为：加载端第一段3GPa～5GPa，加载端第二段10GPa～12GPa，自由端20GPa～25GPa，自由端：加载端第二段：加载端第一段的长度比为：10:5～7:3～4，最优比例为：10:6：4。

Claims

1.一种FRP筋锚固用夹片，所述夹片呈扇形，在所述夹片的内部为用于放置FRP筋的圆弧形槽，所述夹片的外表面为圆锥面，其特征在于：所述夹片沿长度方向包括变刚度荷载传递第一介质段（3）和变刚度荷载传递第二介质段（2），夹片刚度自加载端至自由端逐渐增大，所述变刚度荷载传递第一介质段位于所述圆锥面的大截面端，所述变刚度荷载传递第二介质段位于所述圆锥面的小截面端；所述变刚度荷载传递第一介质段（3）由经树脂浸润的纤维短切纱固化而成，变刚度荷载传递第一介质段（3）的刚度为15GPa~25GPa；所述变刚度荷载传递第二介质段（2）由经树脂浸润的石英砂固化而成，变刚度荷载传递第二介质段（2）的刚度为3GPa~12GPa；所述变刚度荷载传递第一介质段（3）与变刚度荷载传递第二介质段（2）的长度之比为10: 8～15；所述石英砂规格100目~300目，纤维短切纱长度6mm~10mm；所述变刚度荷载传递第二介质段（2）由石英砂含量不同的至少两段组成，其中石英砂含量高的一段与所述变刚度荷载传递第一介质段（3）相连。

2.根据权利要求1所述的FRP筋锚固用夹片，其特征在于：含有石英砂的树脂为环氧树脂；含有纤维短切纱的树脂为乙烯树脂。

3.根据权利要求1所述的FRP筋锚固用夹片，其特征在于：所述变刚度荷载传递第二介质段由两段组成，第一段的质量配比为石英砂/环氧树脂=20%~40%，第二段的质量配比为石英砂/环氧树脂=90%~100%；第一段刚度为3GPa~5GPa，第二段刚度为8~12GPa，变刚度荷载传递第一介质段（3）的刚度为20GPa~25GPa；所述变刚度荷载传递第一介质段（3）与变刚度荷载传递第二介质段（2）的第一段及第二段的长度比为：10: 4～9: 3～6。

4.根据权利要求3所述的FRP筋锚固用夹片，其特征在于：所述变刚度荷载传递第一介质段（3）与变刚度荷载传递第二介质段（2）的第一段及第二段的长度比为：10: 5～7: 3～4。

5.根据权利要求1-4任一所述的FRP筋锚固用夹片，其特征在于：所述纤维短切纱的纤维为玄武岩纤维、碳纤维或玻璃纤维。

6.一种如权利要求1-5任一所述夹片的制备方法，其特征在于，包括：

把不同质量经树脂浸润的纤维短切纱，经模压持荷200KN~220KN加热至100°~110°固化形成变刚度荷载传递第一介质段（3）；

在模压加热固化后的变刚度荷载传递第一介质段（3）小截面端部，浇筑经树脂浸润的石英砂，常温固化为与所述变刚度荷载传递第一介质段（3）小截面端部固连的变刚度荷载传递第二介质段。

7.一种FRP筋的锚固方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一所述的夹片对FRP筋（1）进行锚固。

8.根据权利要求7所述的锚固方法，其特征在于，具体包括：

采用夹片在圆周方向上将FRP筋（1）定位在圆弧形槽内；

采用内部为圆锥状的锚杯（4）套在所述夹片外。