CN111024491B - 一种光面frp棒材锚固方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光面FRP棒材锚固方法，包括：在光面FRP棒材的锚固端从端面沿棒材的轴线方向开用于将光面FRP棒材的锚固端分成可张开的多个部分的切缝，切缝条数为2～4条；通过在锚固端可张开的多个部分之间设置填充物使锚固端形成扩大端头，并用套在锚固端上的套筒锚固。套筒为阶梯内径套筒，包含套筒自由端和套筒加载端，套筒自由端内径大于套筒加载端内径；扩大端头为锥形扩大端头；在套筒自由端与锥形扩大端头间的空隙灌注树脂石英砂混合物，套筒加载端与光面FRP棒材之间的空隙采用树脂填充并固化。本发明公开的一种光面FRP棒材锚固方法可以有效、可靠地实现光面FRP棒材的锚固和连接，充分发挥光面FRP棒材的拉伸强度，使其发生理想的中间段完全炸断式破坏。

Description

一种光面FRP棒材锚固方法
技术领域
本发明一种光面FRP棒材锚固方法属于复合材料锚固领域，特别涉及光面FRP棒材的锚固方法。
背景技术
FRP棒材是以高强连续纤维为增强材料，与树脂、填料等基体结合后经拉挤法、拉缠法或编织法等工艺成型的棒状纤维增强复合材料制品，分为光面棒材、螺纹棒材、喷砂复合棒材等。FRP棒材具有轻质、高强、耐腐蚀等优点，是新一代土建交通工程用结构材料，也是在恶劣环境下的一种很有吸引力的结构材料，同时在航空航天等领域有广泛的应用。光面棒材在体外预应力FRP加固、航空航天等领域具有良好的应用前景，但要将其应用于这些领域，需要充分了解其力学性能。
FRP棒材强度测试的标准锚固方法为：试件两端采用套筒加强，筒内填充膨胀水泥、树脂等(ACI440.3R-04)。该锚固方法能很好地测得FRP螺纹棒材的拉伸强度，但对于光面FRP 棒材，试验效果欠佳，往往发生拔出破坏。也有学者采用缠绕浸渍树脂的纤维布/纤维纱的方法对光面FRP棒材进行锚固，然后用试验机夹头直接夹持锚固端。但是该种锚固方法由于所缠绕的纤维布/纤维纱径向刚度小，试验机的夹持力通过纤维布/纤维纱直接作用于光面FRP 棒材，FRP棒材受纵向拉力和横向剪切力的共同作用，处于不利受力状态，该方法不利于光面FRP棒材强度的充分发挥。也有学者在FRP棒材锚固端缠绕纤维布后将其用膨胀水泥、树脂等锚固在套筒内，该方法施工较复杂，试验结果受工艺水平影响大。
发明内容
本发明针对现有FRP棒材锚固方法存在的无法充分发挥光面FRP棒材强度、光面FRP棒材锚固端发生拉滑破坏及锚固工艺复杂等问题，提出一种光面FRP棒材锚固方法。该种锚固方法可以充分发挥光面FRP棒材的拉伸强度，使其发生理想的中间段完全炸断式破坏，并且施工方便，锚固可靠。
为了实现上述目的，本发明提供的一种光面FRP棒材锚固方法，在试件端部设置锥形扩大端头，楔紧力和粘接力共同作用，增大锚固力，避免光面FRP棒材拔出。
本发明的具体方案是：
一种光面FRP棒材锚固方法，其特征在于，包括：
在光面FRP棒材的锚固端从端面沿棒材的轴线方向开用于将光面FRP棒材的锚固端分成可张开的多个部分的切缝，切缝条数为2～4条；
通过在锚固端可张开的多个部分之间设置填充物使锚固端形成扩大端头，并用套在锚固端上的套筒锚固。
进一步的，所述套筒为阶梯内径套筒，包含套筒自由端和套筒加载端，套筒自由端内径大于套筒加载端内径；所述扩大端头为锥形扩大端头；在套筒自由端与锥形扩大端头间的空隙灌注树脂石英砂混合物，套筒加载端与光面FRP棒材之间的空隙采用树脂填充并固化。
进一步的，所述锥形扩大端头的实现方法为：在光面FRP棒材端部横截面沿纵向等角度切若干道切缝，在缝里填充填充物。所述切缝长度应大于100mm，且应小于1/2的锚固长度。并且相邻两条切缝切口长度差值为1.0d-4.0d，以减小切缝对FRP棒材造成的损伤。切口长度相差过小易造成锚固端薄弱点应力集中，切口长度相差过大会降低锥形扩大端头的楔紧作用。所述填充物可以为楔形片、锥状物、细粒状物、纱状物等；所述楔形片可以为薄铁片、薄铝片；所述锥状物可以为细铁钉等；所述细粒状物可以为石英砂等；所述纱状物可以为玄武岩纤维纱、碳纤维纱、玻璃纤维纱等。所述切缝填充填充物后其宽度应大于2mm。
进一步的，该锥形扩大端头，最大外径比原FRP棒材直径大0.2d-0.5d，过大则会导致套管内径相应增大，荷载传递介质层过厚不利于锚固；过小则会导致锥度过小，楔紧作用不明显。
进一步的，所述带锥形扩大端头的FRP棒材锚固区外套阶梯内径套筒。所述阶梯内径套筒包含套筒自由端和套筒加载端。套筒自由端内径与套筒加载端内径之差应大于0.15d，但应小于锥形扩大端头最大外径与棒材直径之差。套筒加载端内径比锥形扩大端头最大外径大 1mm-3mm，以便FRP棒材的锥形扩大端头从套筒加载端穿入至套筒自由端。若采用等内径套筒，锥形扩大端头会造成FRP棒材与套筒内壁间荷载传递介质厚度削弱，故本发明采用阶梯内径套筒，增加了光面FRP棒材与套筒内壁间的荷载传递介质厚度均匀性，保证粘结强度。与锥度内径套筒相比，阶梯内径套筒所形成内径台阶为荷载传递介质与套筒壁之间提供了咬合台阶，在锥形扩大端头与套筒阶梯内径的作用下，该部分荷载传递介质处于楔紧力与咬合力的共同作用，显著增加了荷载传递介质与套筒及树脂与光面FRP棒材两个界面的强度，从而实现光面FRP棒材的可靠锚固。
进一步的，所述阶梯内径套筒长度应大于30d，且不宜大于50d。另外套筒自由端长度与锥形扩大端头长度相同或略大。
进一步的，所述套筒自由端与锥形扩大端头间的空隙以及FRP棒材端部切缝间的空隙采用树脂石英砂混合物进行填充，填充长度略大于锥形扩大端头长度。所述套筒加载端与光面 FRP棒材之间的空隙采用树脂填充并固化。
进一步的，所述树脂石英砂混合物由树脂与细度合适的石英砂均匀拌和而成，树脂里拌和石英砂用于提高荷载传递介质的弹性模量。石英砂与树脂的质量比在0.4∶1至1∶1之间。质量比过小，混合物弹性模量提高程度不明显；质量比过大，混合物流动性变差。树脂石英砂混合物通过注射器进行灌注，质量比超过1∶1后几乎无法灌注，就把针孔给堵了，会造成灌注困难和产生较高的孔隙率。
石英砂与环氧树脂均匀拌和，不同质量比的树脂石英砂混合物的弹性模量如表1所示。
表1不同质量比树脂石英砂混合物弹性模量表
质量比(石英砂∶树脂) 0∶1 0.4∶1 1∶1
弹性模量(GPa) 2.0 5.0 8.5
本发明一种光面FRP棒材锚固方法主要有以下优点：
1)通过在光面FRP棒材外加设阶梯内径套筒，避免试验机夹头直接夹持光面FRP棒材，防止棒材被夹坏；
2)通过在光面FRP棒材外加设阶梯内径套筒，与现有纤维缠绕锚固法相比可有效避免由于试验机夹头夹持而产生的径向应力导致FRP棒材拉伸强度的降低；
3)通过在光面FRP棒材的加载端设置阶梯内径套筒，将光面FRP棒材与阶梯内径套筒一体化，避免锚固加载端的应力集中现象，最大程度减轻径向应力的影响；
4)本发明通过在光面FRP棒材表面切缝，使光面FRP棒材自身在自由端形成扩大端头，而不像现有通过缠绕等方式在光面FRP棒材的表面形成扩大端头，从而可保证光面FRP棒材直接与阶梯内径套筒接触而并非与缠绕层接触，从而减少了中间层的传递，可以有效、可靠地实现光面FRP棒材的锚固和连接，避免发生滑脱破坏，充分发挥光面FRP棒材的拉伸强度，使其发生理想的中间段完全炸断式破坏；
5)锥形扩大端头周边荷载传递介质受挤压力和剪切力的共同作用，通过在套筒自由端与锥形扩大端头间的空隙采用弹性模量更高的树脂石英砂混合物进行填充，可减少荷载传递介质的变形，提高耐久性，更好地实现锚固。
6)施工工艺简单，锚固性能可靠。
附图说明
图1为本发明一种光面FRP棒材锚固方法的试件图。
图2为本发明一种光面FRP棒材锚固方法的试件左视图。
图3为本发明一种光面FRP棒材锚固方法的结构示意图。
图4为本发明一种光面FRP棒材锚固方法的光面FRP棒材锥形扩大端头主视图。
图5为本发明一种光面FRP棒材锚固方法的光面FRP棒材锥形扩大端头俯视图。
图6为本发明一种光面FRP棒材锚固方法的光面FRP棒材锥形扩大端头左视图。
图7为本发明一种光面FRP棒材锚固方法的阶梯内径套筒示意图。
图8为图7阶梯内径套筒的左视图。
图中有：1、光面FRP棒材；2、切缝；3、填充物；4、锥形扩大端头；5、阶梯内径套筒；6、套筒自由端；7、套筒加载端；8、树脂石英砂混合物；9、树脂。
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。
本发明所要解决的技术问题是克服现有FRP棒材锚固方法存在的无法充分发挥光面FRP 棒材强度、光面FRP棒材锚固端发生拉滑破坏的问题，提出一种可以充分发挥光面FRP棒材的拉伸强度、使其发生理想的中间段完全炸断式破坏的新型光面FRP棒材拉伸强度锚固方法。
以下结合附图所示实施例对发明做进一步说明。
试件制作步骤如下：
步骤一：选择外表无损伤、完好的光面FRP棒材1；
步骤二：结合规范及试验机试验范围确定试件尺寸，并使用角磨机切割好相应长度的光面FRP棒材1；
步骤三：在切割好的光面FRP棒材1试件端部横截面沿纵向等角度切若干道切缝2，在缝里填充填充物3。切缝长度应大于100mm，且应小于1/2的锚固长度，另相邻两条切缝切口长度相差1.0d-4.0d。锥形扩大端头4制作完成。
步骤四：所选择的钢管其内径应比锥形扩大端头4的最大外径大1mm-3mm，可比光面FRP 棒材1直径大2mm-5mm。
步骤五：钢管一端采用铣刀进行内扩，形成套筒自由端6，其内径应比套筒加载端内径大0.15d以上，但应小于锥形扩大端头最大外径与棒材直径之差；套筒自由端6长度与锥形扩大端头4长度相同或略大。钢管另一端未进行内扩的部分即为套筒加载端7；阶梯内径套筒5制作完成。
步骤六：将光面FRP棒材锥形扩大端头4从套筒加载端7穿入至套筒自由端6末端。
步骤七：在套筒自由端6与锥形扩大端头4间的空隙灌注树脂石英砂混合物8，套筒加载端7与光面FRP棒材1之间的空隙采用树脂9填充，静置数天待其固化。
重复步骤一至步骤七，制作另一锚固端。
例如直径为10mm的光面FRP棒材，其套筒自由端内径可为16mm，套筒加载端内径可为 14mm，阶梯内径套筒总长度400mm，套筒自由端长度120mm。
对直径为10mm的光面FRP棒材分别采用纤维布缠绕锚固法和本发明锚固方法进行拉伸强度测试，试验结果如表2所示。
采用标准锚固方法对光面FRP棒材进行锚固，拉伸测试结果表明，该试件在拉伸荷载为 97.4kN时发生了拔出破坏，锚固失效，试件完好。采用标准锚固方法对名义直径10mm(底径8.8mm)的深肋纹FRP棒材进行锚固，试件发生测试段完全炸断式破坏，其拉伸强度为1340MPa。
表2试验结果表
Figure BDA0002306034430000051
从表1中可以看出，本发明锚固方法测得的光面FRP棒材极限强度比纤维布缠绕锚固法测得的光面FRP棒材极限强度高，说明本发明锚固方法可以更好地测得光面FRP棒材的拉伸强度，结果更具可靠性。另外本发明锚固方法的测试结果远远超过了名义直径10mm深肋纹棒材按标准试验方法测得的极限强度，进一步证明了本发明锚固方法的有效性。
分析原因为，标准锚固方法荷载传递介质与套筒内壁界面为薄弱部位，故发生了该界面的滑移破坏。纤维布缠绕锚固法由于所缠绕的纤维布径向刚度小，试验机的夹持力通过纤维布直接作用于光面FRP棒材，FRP棒材受纵向拉力和横向剪切力的共同作用，处于不利受力状态。而本发明锚固方法，采用阶梯内径套筒，与等内径套筒相比，增加了光面FRP棒材与套筒内壁间荷载传递介质的厚度均匀性，从而保证了粘结强度。与锥度内径套筒相比，阶梯内径套筒所形成内径台阶为荷载传递介质与套筒壁之间提供了咬合台阶，在锥形扩大端头与套筒阶梯内径的作用下，荷载传递介质受到楔紧力与咬合力的共同作用，显著增加了荷载传递介质与套筒及树脂与光面FRP棒材两个界面的强度，从而实现光面FRP棒材的可靠锚固。另外阶梯内径套筒避免了试验机直接夹持FRP棒材，从而使FRP棒材强度得到了充分地发挥。
套筒自由端与锥形扩大头端之间的空隙采用树脂石英砂混合物而不是树脂作为荷载传递介质是因为树脂石英砂混合物的弹性模量更高，可减少变形，提高锚固端的耐久性。
本发明具有的优势是：可以有效、可靠地实现光面FRP棒材的锚固和连接，充分发挥光面FRP棒材的拉伸强度，使其发生理想的中间段完全炸断式破坏。

Claims (8)

1.一种光面FRP棒材锚固方法，其特征在于，包括：
在光面FRP棒材的锚固端从端面沿棒材的轴线方向开用于将光面FRP棒材的锚固端分成可张开的多个部分的切缝，切缝条数为2~4条；
通过在锚固端可张开的多个部分之间设置填充物使锚固端形成扩大端头，并用套在锚固端上的套筒锚固；
所述套筒为阶梯内径套筒，包含套筒自由端和套筒加载端，套筒自由端内径大于套筒加载端内径；所述扩大端头为锥形扩大端头；所述锥形扩大端头最大外径为原FRP棒材直径的1.2~1.5倍，套筒加载端内径比锥形扩大端头最大外径大1mm-3mm；在套筒自由端与锥形扩大端头间的空隙灌注树脂石英砂混合物，套筒加载端与光面FRP棒材之间的空隙采用树脂填充并固化；
所述切缝位于光面FRP棒材的半径方向，相邻切缝的长度不同，长度差1.0d-4.0d，其中d为FRP棒材直径。
2.根据权利要求1所述的一种光面FRP棒材锚固方法，其特征在于，所述填充物为楔形片、锥状物、细粒状物或纱状物。
3.根据权利要求2所述的一种光面FRP棒材锚固方法，其特征在于，所述楔形片为薄铁片或薄铝片。
4.根据权利要求3所述的一种光面FRP棒材锚固方法，其特征在于，所述锥状物为细铁钉。
5.根据权利要求2所述的一种光面FRP棒材锚固方法，其特征在于，所述细粒状物为石英砂。
6.根据权利要求2所述的一种光面FRP棒材锚固方法，其特征在于，所述纱状物为玄武岩纤维纱、碳纤维纱或玻璃纤维纱。
7.根据权利要求1所述的一种光面FRP棒材锚固方法，其特征在于，所述树脂石英砂混合物为石英砂与树脂按一定质量比均匀拌和后的产物。
8.根据权利要求7所述的一种光面FRP棒材锚固方法，其特征在于，所述树脂为环氧树脂。
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