CN111206502A - 一种整体浇筑式大拉力复材拉索的锚固方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种整体浇筑式大拉力复材拉索的锚固方法，包括：拉索固定步骤：采用具有内锥度的套筒和两个端部夹具作为锚具对拉索进行固定和对中，其中两个端部夹具为加载端夹具和自由端夹具；浇筑步骤：通过从上往下的浇注方式在锚具内填充刚度分段梯度变化的粘结介质，各区段粘结介质之间布置短切纤维纱。粘结介质刚度的分段梯次变化大大降低了锚固区拉索的径向压应力和纵向剪应力集中。本发明具有施工简单快速、锚固区应力分布平缓的特点，可以实现大拉力复材拉索高效可靠长期的锚固。

Description

一种整体浇筑式大拉力复材拉索的锚固方法
技术领域
本发明涉及土建交通领域的索体锚固技术，主要用于锚固大拉力复合材料拉索。
背景技术
由于具有轻质、高强、耐疲劳、耐腐蚀，减震性能好等优异特性, 复材拉索成为土建交通领域中钢索的理想替代构件。目前已在大跨空间结构和海岛工程建设中得到应用。在大跨空间方面，可以缓解使用传统钢拉索引起的自重大、承载效率低下、抗疲劳不足的问题。在海岛工程建设方面，可以减轻复杂环境和大风强震对建筑物的腐蚀和震动破坏。但是，复材拉索的各项异性(横向强度远低于轴向强度)导致如何可靠高效长期锚固成为工程界亟待解决的技术难题，而这一瓶颈问题直接限制了复材拉索的大规模推广和应用。
现有的复材拉索锚具根据受力机理主要分为粘结式、摩擦式和粘结摩擦式。虽然粘结式锚具对复材拉索本体不会造成损伤，但是需要较长的锚固长度来保证拉索与粘结介质不发生滑移。拉索的锚固力主要借助金属套筒与拉索之间的粘结介质剪切强度来提供。由于粘结介质主要是树脂、水泥砂浆等衍生物（一般刚度较小），故粘结介质的蠕变变形可能会很大。摩擦式锚具是由金属套筒和非粘结介质（钢、铁或者铝夹片）给复材拉索施加压力，由拉索和非粘结介质之间产生的摩擦力来提供锚固力。虽然有施工组装便捷的优点，但是对复材拉索的锚固效果通常不理想。加载端过大的应力集中导致拉索在锚固区早期断裂破坏，不能够充分发挥复材拉索抗拉强度高的特性。粘结摩擦式锚具是国内外普遍用于复材拉索的锚固方法。拉索的锚固力主要有粘结力和摩擦力共同提供。前期主要依靠粘结力平衡索力，随着粘结介质在内锥形金属套筒内的楔进，后期主要靠摩擦力提供锚固力。该种锚固方法原理上可以确保可靠锚固，但是存在着灌注材料难以均匀和密实，拉索同步受力差的问题。
现有锚具系统解决了单筋复材拉索的锚固问题，但是迄今为止工程界还没有一种锚具可以同时确保大拉力复材拉索可以被可靠高效长期锚固。目前，研发一种制作工艺简单、锚固效率高和抗疲劳蠕变性能优越的大拉力复材拉索锚固方法迫在眉睫，这将会极大推动复材拉索在工程界的应用。
发明内容
技术问题：
针对现阶段复材拉索锚具出现的缺陷和不足，本发明旨在为大拉力复材拉索（100-1000T）提供一种制造工艺简单、内部受力合理、安全可靠并能够长期高效服役的锚固系统。
技术方案：
一种整体浇筑式大拉力复材拉索的锚固方法，其特征在于，包括：
拉索固定步骤：采用具有内锥度的套筒和两个端部夹具作为锚具对拉索进行固定和对中，其中两个端部夹具为加载端夹具和自由端夹具；
浇筑步骤：通过从上往下的浇注方式在锚具内填充刚度分段梯度变化的粘结介质，各区段粘结介质之间布置短切纤维纱。
所述拉索固定步骤包括：
将标记好长度的拉索逐根分别固定在加载端夹具中；
将夹持好的拉索两端贯穿套筒，并将加载端夹具固定在套筒的加载端；
把拉索通过自由端夹具固定在套筒的自由端。
所述浇筑步骤包括：
通过中空导管，将粘结介质垂直依次浇筑到套筒中，每层浇筑完并固化后布置一层位于两段粘结介质之间的短切纤维纱，短切纤维纱层的厚度为5mm-10mm；最后一段粘结介质固化后，拆除锚具。
所述复材拉索包括平行或者绞线索，复材拉索的材料包括碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维或芳纶纤维。
分段设置的所述粘结介质的刚度从加载端到自由端梯度变化范围从2GPa到40GPa。
分段设置的所述粘结介质包括至少一段环氧或乙烯基树脂石英砂及至少一段高强水泥砂浆：
环氧或乙烯基树脂石英砂的抗压强度为90-100MPa，由树脂和石英砂或金属粒子按照1：0.2～1：1的质量比混合而成；
高强水泥砂浆的抗压强度为100-120MPa，由高强水泥、水、石英砂、聚磷酸减水剂按照1：(0.3-0.5)：(0.1-0.2)：(0.02-0.04)的质量比混合。
分段设置的所述粘结介质的径向刚度梯度沿着金属套筒纵向变化区段为3-5段；
当径向刚度梯度的变化区段为三段时，包括两段不同配比的环氧或乙烯基树脂石英砂和一段高强水泥砂浆；各段的组分配比为：
第一段：
环氧或乙烯基树脂石英砂，树脂：石英砂或金属粒子=1：0.2；
第二段：
环氧或乙烯基树脂石英砂，树脂：石英砂或金属粒子=1：0.6；
第三段：
高强水泥砂浆，高强水泥：水：石英砂：聚磷酸减水剂=1：0.4：0.2：0.02；
从加载端到自由端粘结介质各段长度比例为3：2：1，刚度比为33：5：2；
当径向刚度梯度的变化区段为四段时，包括两段环氧或乙烯基树脂石英砂、一段聚合物砂浆及一段高强水泥砂浆；各段的组分配比为：
第一段：
环氧或乙烯基树脂石英砂，树脂：石英砂或金属粒子=1：0.4；
第二段：
环氧或乙烯基树脂石英砂，树脂：石英砂或金属粒子=1：0.8；
第三段：
聚合物砂浆，骨料：固化剂=1：0.2；
第四段：
高强水泥砂浆，高强水泥：水：石英砂：聚磷酸减水剂=1：0.4：0.2：0.02；
从加载端到自由端粘结介质各段长度比例为3：3：2：2，刚度比为33：27：7：3；
当径向刚度梯度的变化区段为五段时，包括三段环氧或乙烯基树脂石英砂、一段聚合物砂浆及一段高强水泥砂浆；各段的组分配比为：
第一段：
环氧或乙烯基树脂石英砂，树脂：石英砂或金属粒子=1：0.2；
第二段：
环氧或乙烯基树脂石英砂，树脂：石英砂或金属粒子=1：0.6；
第三段：
环氧或乙烯基树脂石英砂，树脂：石英砂或金属粒子=1：1；
第四段：
聚合物砂浆，骨料：固化剂=1：0.2；
第五段：
高强水泥砂浆，高强水泥：水：石英砂：聚磷酸减水剂=1：0.4：0.2：0.02；
从加载端到自由端粘结介质各段长度比例为3：3：2：2：1，刚度比为33：27：10：5：2。
所述复材拉索适用于平行或者绞线索，包括碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维和芳纶纤维。构成拉索的各根筋材的横向间距设置为0.5-1倍的单筋直径。
所述粘结介质的径向刚度从加载端到自由端梯度变化范围为2-40GPa，包括环氧树脂石英砂，聚合物砂浆，高性能水泥砂浆。
所述金属套筒内部抛光，内锥度是2-7度。最佳内锥度依据拉索在锚固区的应力分布设计，而抛光程度根据拉索在锚固区的径向应力峰值与荷载传递介质的滑移量进行设计。金属套筒材质采用不锈钢，铁合金或铜合金。其中，粘结介质的锥度与金属套筒的内锥度吻合。
所述短切纤维纱长度2-3cm，直径为1-2mm，包括碳纤维和玄武岩纤维纱。短切纤维纱的布置密度取决于实际锚固要求和构造要求,目的是增强各刚度区段粘结介质的同步受力性能。
所述夹具的通孔布置形式与拉索的截面形式保持一致，包括正六边形和圆形等有利于拉索均匀受力的截面形式。其中加载端夹具尺寸与金属套筒直径接近，起到固定对中和封堵粘结介质的作用。
所述金属夹具的通孔略大于筋材的直径，夹持部位的拉索表面涂抹薄层硅胶防止拉索夹持损伤，并且两端夹具的中心线与金属套筒的中心线重合。
所述粘结介质的刚度梯度变化区段设计为3-5段，过少的区段达不到大大减缓应力集中的目的，而过多的区段给施工带来了不便。
大拉力复材拉索锚固方法包括刚度分段梯度变化的粘结介质、内锥形金属套筒和固定对中夹具。各区段填充介质通过短切纤维纱的连接形成整体锥形粘结介质,其内部径向刚度从加载端至自由端梯度增强。金属套筒的内锥度与粘结介质的锥形角一致。区段刚度变化的粘结介质可以缓解加载端过大的径向压应力,使锚固区应力分布平缓，确保提供足够锚固力的同时不损伤拉索。金属套筒的内壁进行抛光处理可以确保粘结介质与拉索同步楔进，进而增强锚固拉索的能力。此设计方法即保留了粘结式锚固体系的优势,又具有摩擦型锚固体系的特点，同时避免了它们各自的缺点。
本发明用于大拉力复材拉索的锚固方法,由内锥型金属套筒与刚度分段梯度变化的粘结介质产生的均匀挤压力和粘结介质的粘结力共同提供持久锚固力，能够实现大拉力复材拉索高效可靠的锚固。与现有技术相比,本发明具有以下优势：
首先，本发明中的粘结介质刚度可以做到准确控制，并且完全固化时间短(1-3天)，有利于快速施工。采用垂直分层浇筑的技术，粘结介质可以充分填充到拉索与金属套筒之间，保证了其密实度。此外，各层之间添加了一层短切纤维纱，确保了粘结介质在金属套筒内的整体跟进能力。相同荷载工况下，各层不添加纤维纱粘结介质在套筒内的位移要大于添加纤维纱的试件，反映了不添加纤维纱的粘结介质各层之间受拉易产生缝隙，故协同工作性能较差，不利于对拉索整体锚固，如图13所示。
其次，本发明采用不同组份和比例的粘结介质实现刚度从加载端到自由端分段梯度增强，这样有效降低了拉索在加载端的应力集中程度。无论剪应力还是径向应力，随着刚度区段数的增加使锚固区拉索的应力分布渐缓，应力峰值最高可降低50%左右，如图11和12所示。这样可以避免拉索的径向损伤并充分发挥复材拉索高强和抗疲劳特性。此外，粘结介质的同步楔进提供了持久挤压力，确保了锚固区的长期持荷性能。
最后，本发明中自由段夹具具有精确对中作用，不仅可以确保由各根筋材组成的大拉力拉索在浇注时位置固定，而且可以实现拉索在锚固区和自由段均具有良好的同步拉伸性能，这样会显著提高其整体锚固效率。该发明具有施工简便、安全可靠、强度形成快，特别适用于桥梁等大跨空间结构领域。
附图说明
图1为大拉力复材拉索锚具结构示意图。
图2为锚固系统加载端夹具结构示意图。
图3为锚固系统自由端夹具结构示意图。
图4为两刚度区段粘结介质设置示意图。
图5为三刚度区段粘结介质设置示意图。
图6为四刚度区段粘结介质设置示意图。
图7为五刚度区段粘结介质设置示意图。
图8为金属套筒结构示意图。
图9为金属夹具固定拉索示意图。
图10为锚固系统制造工艺示意图。
图11为锚固区拉索剪切应力分布图。
图12为锚固区拉索径向应力分布图。
图13为锚固区粘结介质位移图。
其中，1，复材拉索；2，加载端夹具；3，套筒；4，短切纤维纱；5，粘结介质；6，自由端夹具；7，灌注导管。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明的技术方案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。
将组成拉索的复材筋准确标记自由段和锚固段长度，逐根穿过加载端金属夹具并按照标记夹持进而对各根筋材进行位置固定。为了防止金属夹具对复材拉索产生夹持损伤，在预计筋材夹持的位置涂抹了一薄层硅胶，可参见图9。将夹持好的复材拉索一端从金属的套筒3中心穿过，分别通过加载端夹具2和自由端夹具6把这一端的拉索固定在金属套筒上，拉索另一端采用相同的方法固定，可参见图1。为了能确保拉索在金属套筒的中心线上，金属夹具进行了对中设计，参见图2和3。垂直吊起锚具的一端，将粘结介质通过中空导管依次分层浇筑到金属套筒中。值得注意的是每层浇筑完后立即铺设一层短切纤维纱，固化后进行另外一层浇筑，参见图10。粘结介质流动性好和筋材之间留有一定空隙，这都保证了粘结介质与拉索之间的密实度和整体性。固化完全后即可进行拉索锚固系统的整体安装与防护。
粘结介质包括环氧或乙烯基树脂石英砂、聚合物砂浆以及高强水泥砂浆三种，三种粘结介质的构成如下：
环氧或乙烯基树脂石英砂(抗压强度90-100MPa)，树脂：石英砂或金属粒子=1：0.2到1：1（质量比，下同）；
聚合物砂浆(抗压强度60-80MPa)，(骨料(水泥\石膏\砂石)：固化剂(丙烯酸酯)=1：0.2)；
高强水泥砂浆(抗压强度100-120MPa)，(高强水泥：水：石英砂：聚磷酸减水剂=1：0.4：0.2：0.02)；
粘结介质以四区段为例每段粘结介质刚度的适宜梯度变化范围从加载端到自由端依次为2-4GPa(环氧树脂石英砂1：0.4)，4-8GPa(环氧树脂石英砂1：0.8)，12-18GPa(聚合物砂浆1：0.2)，28-40GPa(高性能水泥砂浆1：0.3：0.2：0.02)，各区段粘结介质的长度比例宜设置为3：3：2：2。
该发明锚固系统的最优化设计参数是根据有限元法优化所得。金属套筒的内锥度采用3-4度是最佳设计，参见图8。过小的内锥度容易导致粘结介质在锚固区的楔进位移过大甚至整体拔出，过大的内锥度不利于锚固区拉索应力的均匀分布。粘结介质的径向抗压刚度沿着锚固区纵向变化范围为2-40GPa最为合适，参见图11和12。虽然在各粘结介质刚度变化区段相邻位置应力出现了波动，但是与刚度不变相比，应力峰值都有明显降低。其中，采用四区段刚度梯度变化设计对比刚度不变设计，最大径向应力降低了50%，而最大剪应力降低了70%。此时无论是锚固区拉索的剪切应力还是径向应力分布都较平缓，这样有利于获得较长久的疲劳寿命。此外，锚固区自由端设置较大刚度的荷载传递介质可以确保对锚固区整体蠕变效应进行一定限制，从而获得长时间的服役持荷寿命。粘结介质分段数宜设计为3-4段，分段数少不利于降低应力集中，分段数多会对施工造成不便。

Claims (10)

1.一种整体浇筑式大拉力复材拉索的锚固方法，其特征在于，包括：
拉索固定步骤：采用具有内锥度的套筒和两个端部夹具作为锚具对拉索进行固定和对中，其中两个端部夹具为加载端夹具和自由端夹具；
浇筑步骤：通过从上往下的浇注方式在锚具内填充刚度分段梯度变化的粘结介质(5)，各区段粘结介质之间布置短切纤维纱(4)。
2.根据权利要求1所述的大拉力复材拉索锚具的锚固方法，其特征在于，所述拉索固定步骤包括：
将标记好长度的拉索(1)逐根分别固定在加载端夹具(2)中；
将夹持好的拉索(1)两端贯穿套筒(3)，并将加载端夹具(2)固定在套筒的加载端；
把拉索(1)通过自由端夹具(6)固定在套筒(3)的自由端。
3.根据权利要求2所述的整体浇筑式大拉力复材拉索锚具的的锚固方法，其特征在于，所述浇筑步骤包括：
通过中空导管(7)，将粘结介质(5)垂直依次浇筑到套筒(3)中，每层浇筑完并固化后布置一层位于两段粘结介质之间的短切纤维纱(4)，短切纤维纱(4)层的厚度为5mm-10mm；最后一段粘结介质(5)固化后，拆除加载端夹具和自由端夹具。
4.根据权利要求1所述的整体浇筑式大拉力复材拉索的锚固方法，其特征在于：所述复材拉索包括平行或者绞线索，复材拉索的材料包括碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维或芳纶纤维。
5.根据权利要求1所述的整体浇筑式大拉力复材拉索的锚固方法，其特征在于：分段设置的所述粘结介质的刚度从加载端到自由端梯度变化范围从2GPa到40GPa。
6.根据权利要求5所述的整体浇筑式大拉力复材拉索的锚固方法，其特征在于：分段设置的所述粘结介质包括至少一段环氧或乙烯基树脂石英砂及至少一段高强水泥砂浆：
环氧或乙烯基树脂石英砂的抗压强度为90-100MPa，由树脂和石英砂或金属粒子按照1：0.2～1：1的质量比混合而成；
高强水泥砂浆的抗压强度为100-120MPa，由高强水泥、水、石英砂、聚磷酸减水剂按照1：(0.3-0.5)：(0.1-0.2)：(0.02-0.04)的质量比混合。
7.根据权利要求6所述的整体浇筑式大拉力复材拉索的锚固方法，其特征在于：分段设置的所述粘结介质的径向刚度梯度沿着金属套筒纵向变化区段为3-5段；
当径向刚度梯度的变化区段为三段时，包括两段不同配比的环氧或乙烯基树脂石英砂和一段高强水泥砂浆；各段的组分配比为：
第一段：
环氧或乙烯基树脂石英砂，树脂：石英砂或金属粒子=1：0.2；
第二段：
环氧或乙烯基树脂石英砂，树脂：石英砂或金属粒子=1：0.6；
第三段：
高强水泥砂浆，高强水泥：水：石英砂：聚磷酸减水剂=1：0.4：0.2：0.02；
从加载端到自由端粘结介质各段长度比例为3：2：1，刚度比为33：5：2；
当径向刚度梯度的变化区段为四段时，包括两段环氧或乙烯基树脂石英砂、一段聚合物砂浆及一段高强水泥砂浆；各段的组分配比为：
第一段：
环氧或乙烯基树脂石英砂，树脂：石英砂或金属粒子=1：0.4；
第二段：
环氧或乙烯基树脂石英砂，树脂：石英砂或金属粒子=1：0.8；
第三段：
聚合物砂浆，骨料：固化剂=1：0.2；
第四段：
高强水泥砂浆，高强水泥：水：石英砂：聚磷酸减水剂=1：0.4：0.2：0.02；
从加载端到自由端粘结介质各段长度比例为3：3：2：2，刚度比为33：27：7：3；
当径向刚度梯度的变化区段为五段时，包括三段环氧或乙烯基树脂石英砂、一段聚合物砂浆及一段高强水泥砂浆；各段的组分配比为：
第一段：
环氧或乙烯基树脂石英砂，树脂：石英砂或金属粒子=1：0.2；
第二段：
环氧或乙烯基树脂石英砂，树脂：石英砂或金属粒子=1：0.6；
第三段：
环氧或乙烯基树脂石英砂，树脂：石英砂或金属粒子=1：1；
第四段：
聚合物砂浆，骨料：固化剂=1：0.2；
第五段：
高强水泥砂浆，高强水泥：水：石英砂：聚磷酸减水剂=1：0.4：0.2：0.02；
从加载端到自由端粘结介质各段长度比例为3：3：2：2：1，刚度比为33：27：10：5：2。
8.根据权利要求1-7任一所述的整体浇筑式大拉力复材拉索的锚固方法，其特征在于：所述套筒的内锥度为2-7度。
9.根据权利要求1-7任一所述的整体浇筑式大拉力复材拉索的锚固方法，其特征在于：所述短切纤维纱长度2-3cm、直径1-2mm。
10.根据权利要求9所述的整体浇筑式大拉力复材拉索的锚固方法，其特征在于：所述短切纤维为包括碳纤维、玄武岩纤维纱或碳纤维和玄武岩纤维纱的组合。
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