CN110306728B - 一种frp筋锚固用扩大端头、加工方法及锚固方法 - Google Patents

一种frp筋锚固用扩大端头、加工方法及锚固方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种FRP筋锚固用扩大端头、加工方法及锚固方法，其中FRP筋锚固用扩大端头包括内层以及外层，所述外层具有一截面单向变化的缩紧段；外层的成分包括：纤维：60~70质量份；热固性树脂：30~40质量份；内层的成分包括：双向纤维布：40~50质量份；热塑性树脂：50~60质量份；所述外层包缠在所述内层上并与所述内层一体固化。发明用于FRP筋在混凝土结构（梁、柱、板、墙等）中的端部锚固，可大大缩短构造要求的锚固长度，实现FRP筋与混凝土的有效锚固，该方法具有施工方便、可靠度高的特点。

Description

一种FRP筋锚固用扩大端头、加工方法及锚固方法
技术领域
本发明涉及土建、交通等领域的混凝土结构中纤维增强复合材料筋的锚固技术。
背景技术
纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)具有高强、质轻、耐腐蚀和耐疲劳等优点。FRP筋是由纤维纱按一定比例浸渍树脂，通过拉挤工艺成型的复合材料，是土木工程应用中钢筋的理想替代品，目前在桥梁、水工建筑物、海港码头及加固工程中已得到应用。
尽管FRP筋用于土木工程领域有着广阔的前景，但作为钢筋的替代品应用于混凝土结构中时还存在一定的问题。由于FRP筋不能像钢筋那样进行弯折与焊接，并且由于FRP筋的泊松比较大，在拉力的作用下其横向的收缩往往比钢筋大很多，容易与混凝土层剥离，因此其在端部的锚固问题目前还没有得到十分有效的解决。规范GB50608-2010中对于FRP筋的锚固长度要求是：GFRP筋、AFRP筋、CFRP筋不应小于20d、25d和35d，且不小于下列公式的计算结果
Figure BDA0002092921290000011
式中，la为锚固长度，ffd为FRP筋的抗拉强度设计值，ft为混凝土的抗拉强度设计值，d为FRP筋的直径。
现有的锚固方法大多是将FRP筋伸入节点一定的长度来保证端部不滑移，但现实结构中FRP伸入节点的长度有限，并且这种方法也难以保证锚固性能的稳定。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述FRP筋在混凝土中的锚固问题，而提出一种能有效减少锚固端长度并提高拉拔曲线下降段对应的拉拔力的套施工方便、性能稳定的FRP筋锚固用扩大端头、加工方法及锚固方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种FRP筋锚固用扩大端头，其特征在于：包括内层以及外层，所述外层具有一截面单向变化的缩紧段，缩紧段的角度介于20°到45°之间，以保证锚固端扩大头部分与混凝土之间的有效传力；
外层的成分包括：纤维：60～70质量份；热固性树脂：30～40质量份。外层直接与混凝土接触，对强度的要求较高，因此纤维含量较高。
内层的成分包括：双向纤维布：40～50质量份；热塑性树脂：50～60质量份。内层树脂的含量较高，有利于后期加热软化并与FRP筋形成一体。
所述外层包缠在所述内层上并与所述内层一体固化。
所述纤维为连续纤维；所述热固性树脂为环氧树脂、乙烯基树脂或不饱和树脂。
所述热塑性树脂为热塑性环氧树脂。
所述缩紧段的表面形状为锥形面或弧形面。
所述扩大端头长度应不小于FRP筋直径的4倍，扩大端头外层的最大直径应不小于FRP筋直径的2倍。
一种FRP筋锚固用扩大端头的加工方法，其特征在于：采用模具进行加工，所述模具包括具有型腔的凹模和具有芯棒的凸膜，加工方法具体包括：
在芯棒上缠绕浸渍热塑性树脂的双向纤维布作为内层，为了保证纤维含量达到预期值(质量分数40～50％)，在缠绕浸润树脂后的双向布时应进行拉紧和挤压，使双向布在压紧的情况下充分浸润树脂；
在缠绕好的双向纤维布上继续缠绕浸渍热固性树脂的连续纤维作为外层，在缠绕浸润树脂后的连续纤维时挤出多余树脂，可保证纤维的质量分数在60～70％；
将缠绕好外层的芯棒压入凹模的型腔中，压实后进行高温固化，温度为120～150℃；
固化后脱模。
一种FRP筋锚固用扩大端头的锚固方法，其特征在于：
加热扩大端头至60～100℃，在保温状态下将FRP筋旋入扩大端头的内层，冷却至常温，等待内层的热塑性树脂固化后形成FRP筋-扩大端头的锚固体系。
采用一个带内螺纹和缩紧面的扩大锚头对FRP筋进行锚固，以较短锚固长度实现降低FRP筋在混凝土中的滑移的效果。
扩大端头采用模压成型进行制备，制备材料分为两层，外层为连续纤维和热固性环氧树脂或乙烯基树脂或不饱和树脂混合形成的复合材料；内层(包含内螺纹)为纤维双向布和特殊的热塑性环氧树脂混合形成的复合材料，采用双向纤维布是为了能和FRP筋紧密贴合，采用热塑性树脂是为了安装时加热使树脂软化并膨胀，使其在常温下固化后能够更好地和内部的FRP筋粘结在一起。树脂中所加填料质量百分比不得超过20％。
所述扩大端头的外形成锥形或阶梯锥形，同时，在成型时就已经形成了连续的内螺纹，用于与FRP筋的螺纹连接。
所述锥形扩大端头的扩大端直径应不小于FRP筋直径的2倍。
所述扩大端头的长度不小于FRP筋直径的4倍，且不小于下列公式的计算结果
Figure BDA0002092921290000031
式中，la为锚固长度，ffd为FRP筋的抗拉强度设计值，ft为混凝土的抗拉强度设计值，d为FRP筋的直径。
所述混凝土结构中的FRP筋，外表面是螺纹状的，螺纹与锚固端头内侧的螺纹相一致，以便于二者结合。
所述扩大端头和FRP筋的连接方法是，首先将扩大端头加热至60～100℃，在0.5～1分钟内快速旋入FRP筋上，静置15～20分钟，等待内层的热塑性树脂固化后形成可靠的一体化端头。
有益效果：本发明一种纤维增强材料(FRP)筋在混凝土中锚固方法，利用带内螺纹的FRP锥形扩大端头和FRP筋之间依靠螺纹连接，并且同时借助热塑性树脂的粘结力结合在一起，使之形成整体式混凝土结构FRP筋锚固体系。本发明用于混凝土结构FRP筋锚固的方法优势突出：
首先，所述纤维增强复合材料在混凝土中的锚固方法，最突出的优点就是，扩大端头的内层采用了热塑性树脂，在现场施工时，通过加热到树脂软化温度，在其固化之后，可以形成和内部FRP筋之间的无缝、密实的可靠粘结。
其次，由于采用了带内螺纹的扩大锚头的可靠的机械式锚固措施，其所需的锚固长度仅为规范中规定长度的一半，因此有效地解决了FRP筋在混凝土中锚固长度不足的问题。
最后，FRP锚固扩大端头强度高、质量轻，耐腐蚀性能优越，尤其在用于沿海的海砂混凝土中时不会受到氯离子的腐蚀，可以表现出比钢材更加优越的耐久性。
附图说明
图1为混凝土结构FRP筋锥形螺栓锚头体系纵向剖面图；
图2为混凝土结构FRP筋阶梯锥形螺栓锚头体系纵向剖面图；
图3为模具锥形槽侧剖面图；
图4为模具锥形槽俯视图；
图5为模具芯棒侧视图；
图6为模具芯棒俯视图；
图7为模具芯棒压入锥形槽的示意图；
图8为锥形螺栓锚头俯视图；
图9为锥形螺栓锚头侧视图；
图10为锥形螺栓锚头侧剖面图；
图11为阶梯锥形螺栓锚头俯视图；
图12为阶梯锥形螺栓锚头侧视图；
图13为阶梯锥形螺栓锚头侧剖面图；
图14为有锚头和无锚头试件的拉拔力-滑移曲线图。
其中：1、FRP筋，2、外层，3、内层，4、缩紧面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例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。
如图1、图2所示，本发明扩大端头，用于锚固FRP筋1。扩大端头包括外层2和内层3，外层2具有截面直径逐渐变小的缩紧面4，内层3具有内螺纹面。
对于FRP扩大端头的生产方式，以锥形扩大端头生产工艺为例，生产FRP扩大端头的模具分为两部分，一部分是锥形槽(图3、图4)，用于端头的整体成型，一部分是带螺纹的芯棒(图5、图6)，用于在扩大端头的内表面形成螺纹。将双向纤维布浸渍热塑性环氧树脂后，缠绕在芯棒上达到既定的厚度；再以连续纤维浸渍热固性树脂并缠绕在刚才的纤维布层上，形成既定的形状之后，以一定的压力压入锥形槽中(图7)，使之压实后进行高温固化。树脂中所加填料(滑石粉等)质量百分比不得超过20％，主要用于增加刚度。脱模后，取出FRP扩大端头成型产品(图8、图9、图10)，由外层2和内层3组成，其中外层2具有截面直径延长度方向递减的缩紧面4，在本实施例中，缩紧面4为锥形面。
在施工现场，将所需锚固的FRP筋进行定位，首先将扩大端头加热至60～100℃，在0.5～1分钟内快速旋入FRP筋上，静置15～20分钟，等待内层的热塑性树脂在常温下固化后形成可靠的一体化端头。
实施例1
一种FRP筋锚固用扩大端头，包括内层以及外层，外层的成分包括：纤维：60质量份；热固性树脂：40质量份；内层的成分包括：双向纤维布：40质量份；热塑性树脂：60质量份；纤维采用连续纤维；热固性树脂采用环氧树脂；热塑性树脂采用热塑性环氧树脂。
本发明FRP筋锚固用扩大端头采用模具进行加工，其中模具包括具有型腔的凹模和具有芯棒的凸膜，加工方法具体包括：
在芯棒上缠绕浸渍热塑性树脂的双向纤维布作为内层，内层的缠绕厚度应比肋高大2～5mm，保证缠绕层将肋完全包裹；
在缠绕好的双向纤维布上继续缠绕浸渍热固性树脂的连续纤维作为外层，形状为锥形，锥形底面半径比筋半径大20～30mm，长度介于40～50mm，角度介于20°到45°之间；
将缠绕好外层的芯棒压入凹模的型腔中，压实后进行高温固化，温度范围在120～150℃之间。
固化后脱模。
实施例2
一种FRP筋锚固用扩大端头，包括内层以及外层，外层的成分包括：纤维：70质量份；热固性树脂：30质量份；内层的成分包括：双向纤维布：45质量份；热塑性树脂：55质量份；纤维采用连续纤维；热固性树脂采用环氧树脂；热塑性树脂采用热塑性环氧树脂。
本发明FRP筋锚固用扩大端头采用模具进行加工，其中模具包括具有型腔的凹模和具有芯棒的凸膜，加工方法具体包括：
在芯棒上缠绕浸渍热塑性树脂的双向纤维布作为内层，内层的缠绕厚度应比肋高大2～5mm；
在缠绕好的双向纤维布上继续缠绕浸渍热固性树脂的连续纤维作为外层，形状为锥形，锥形底面半径比筋半径大20～30mm，长度介于40～50mm，角度介于20°到45°之间；
将缠绕好外层的芯棒压入凹模的型腔中，压实后进行高温固化，温度范围在120～150℃之间。
固化后脱模。
实施例3
一种FRP筋锚固用扩大端头，包括内层以及外层，外层的成分包括：纤维：65质量份；热固性树脂：35质量份；内层的成分包括：双向纤维布：50质量份；热塑性树脂：50质量份；纤维采用连续纤维；热固性树脂采用环氧树脂；热塑性树脂采用热塑性环氧树脂。
本发明FRP筋锚固用扩大端头采用模具进行加工，其中模具包括具有型腔的凹模和具有芯棒的凸膜，加工方法具体包括：
在芯棒上缠绕浸渍热塑性树脂的双向纤维布作为内层，内层的缠绕厚度应比肋高大2～5mm；
在缠绕好的双向纤维布上继续缠绕浸渍热固性树脂的连续纤维作为外层，形状为锥形，锥形底面半径比筋半径大20～30mm，长度介于40～50mm，角度介于20°到45°之间；
将缠绕好外层的芯棒压入凹模的型腔中，压实后进行高温固化，温度范围在120～150℃之间；
固化后脱模。
通过拉拔试验对比了带端头的筋和无端头筋在混凝土中的锚固性能。依据JSCE-E53规范，试验粘结段长度为60mm。扩大端头形状为锥形(图9，实例1)，端头长度为48mm，实验结果参见图14，从试验结果来看，带端头和无端头的筋拉拔极限荷载接近，但带端头筋的拉拔曲线下降段对应的拉拔力明显高于无端头筋的相应值。因此，锚固端头对FRP筋混凝土结构的可恢复性的贡献十分显著。

Claims (7)

1.一种FRP筋锚固用扩大端头，其特征在于：包括内层以及外层，所述外层具有一截面单向变化的缩紧段；外层的成分包括：纤维：60~70质量份；热固性树脂：30~40质量份；
内层的成分包括：双向纤维布：40~50质量份；热塑性树脂：50~60质量份；
所述外层包缠在所述内层上并与所述内层一体固化。
2.根据权利要求1所述的FRP筋锚固用扩大端头，其特征在于：所述纤维为连续纤维；所述热固性树脂为环氧树脂、乙烯基树脂或不饱和树脂。
3.根据权利要求1所述的FRP筋锚固用扩大端头，其特征在于：所述热塑性树脂为热塑性环氧树脂。
4.根据权利要求1-3任一所述的FRP筋锚固用扩大端头，其特征在于：所述缩紧段的表面形状为锥形面或弧形面，当缩紧段为锥形面时，缩紧段的角度介于20°到45°之间。
5.根据权利要求1-3任一所述的FRP筋锚固用扩大端头，其特征在于：所述扩大端头长度应不小于FRP筋直径的4倍，扩大端头外层的最大直径应不小于FRP筋直径的2倍。
6.一种如权利要求1-5任一所述FRP筋锚固用扩大端头的加工方法，其特征在于：采用模具进行加工，所述模具包括具有型腔的凹模和具有芯棒的凸膜，加工方法具体包括：
在芯棒上缠绕浸渍热塑性树脂的双向纤维布作为内层；
在缠绕好的双向纤维布上继续缠绕浸渍热固性树脂的连续纤维作为外层；
将缠绕好外层的芯棒压入凹模的型腔中，压实后进行高温固化；
固化后脱模。
7.一种如用权利要求1-5任一所述FRP筋锚固用扩大端头的锚固方法，其特征在于：
加热扩大端头至60~100℃，在保温状态下将FRP筋旋入扩大端头的内层，冷却至常温，等待内层的热塑性树脂固化后形成FRP筋-扩大端头的锚固体系。
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