CN111535174A

CN111535174A - 一种适用于大吨位frp拉索的分散锚固装置及分散锚固方法

Info

Publication number: CN111535174A
Application number: CN202010345199.7A
Authority: CN
Inventors: 汪昕; 周竞洋; 吴智深
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2020-04-27
Filing date: 2020-04-27
Publication date: 2020-08-14

Abstract

本发明公开了一种适用于大吨位FRP拉索的分散锚固装置及分散锚固方法，其中分散锚固装置包括内锥形套筒以及位于内锥形套筒小端端部的小端盖板和位于内锥形套筒大端端部的大端盖板，其特征在于：所述小端盖板为第一分丝板，所述大端盖板为第二分丝板，在内锥形套筒内部还设置有至少一个第三分丝板；在所述第一分丝板上设置有按照第一规律分布的筋材孔；在所述第二分丝板上设置有按照第二规律分布的筋材孔；在所述第三分丝板上设置有按照第三规律分布的筋材孔。本发明的核心在于锚固区FRP拉索的整体弯折以及局部劈叉，能够显著降低FRP拉索在长期持荷下的蠕变变形和避免FRP拉索出现拔出破坏，同时有利于缩减锚具尺寸、降低造价。

Description

一种适用于大吨位FRP拉索的分散锚固装置及分散锚固方法

技术领域

本发明涉及一种利用FRP拉索整体弯折和局部劈叉的大吨位FRP拉索分散锚固技术，属于大吨位FRP拉索锚固技术领域。

背景技术

桥梁是道路网络中的关键性枢纽，在交通运输中起着至关重要的作用。随着社会经济的发展，跨海大桥、跨越山谷的大跨度桥梁的需求进一步增大。随着现代桥梁技术的发展，缆索支承桥梁成为大跨度桥梁的主要结构形式，更是成为千米级超大跨桥梁的唯一结构形式。缆索支承桥梁根据其缆索布置方式的不同，又可分为斜拉桥和悬索桥。两种桥梁各具特色，如斜拉桥的稳定性更好，而悬索桥的跨度更大。迄今为止已建成的大跨桥梁，其拉索和吊杆几乎都采用钢绞线和高强钢丝。然而，随着桥梁跨度的增加和服役时间的增长，传统钢拉索的不足日益凸显，集中体现的问题包括自重大、腐蚀破坏、疲劳破坏、抗风稳定性降低、施工难度和后期维护成本增加等。

为了解决桥梁钢拉索存在的上述问题，学术界提出采用纤维增强复合材料来替代钢拉索。纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer，简称FRP）具有抗拉强度高、质量轻、疲劳性能好、耐腐蚀、热膨胀系数低、无磁性等良好特性，因而在土木工程领域被广泛应用于既有结构的加固与修复。然而，FRP是各向异性材料，横向抗剪强度仅为纵向抗拉强度的十分之一左右，既有钢拉索的锚固方法会对FRP拉索造成剪切破坏，使横向破坏先于拉索纵向拉伸破坏，所以既有钢拉索的锚固方法不适用于FRP拉索。因此，限制FRP拉索进一步应用的关键瓶颈问题在于FRP拉索的锚固。

自FRP拉索替换钢拉索的设想被提出以来，FRP拉索的锚固一直是热点研究方向之一。目前，小吨位FRP拉索的锚固问题基本已经解决。目前较成熟的商业应用案例为日本东京制纲的CFCC，但是仅用于小跨径的桥梁。针对小吨位FRP拉索开发的锚固体系有粘结锚、摩擦锚和挤压锚等三种受力形式。研究表明，挤压锚是发展大吨位FRP拉索锚固体系最具前景的结构形式。现有基于挤压锚固原理开发的大吨位FRP拉索锚固体系多种多样，如锚杯内填充超高性能混凝土、树脂包裹的不同直径的铝球、树脂石英砂、水泥砂浆等材料。为了充分利用挤压锚对FRP拉索的粘结/挤压的复合作用，同时考虑FRP拉索各项异性的特点，其荷载传递介质刚度的刚度一般小于40GPa。为了缓解挤压锚加载端切口效应，有学者提出一种沿轴向分段变刚度的荷载传递介质。为了防止FRP拉索被拔出，既有研究提出可在锚杯内侧刻槽。对于光圆FRP筋而言，还可通过打磨表面树脂来增大粘结力。

此外，与钢拉索分散锚固相比，FRP拉索平行锚固是当前FRP拉索锚固的主要形式。尽管FRP拉索平行锚固可以实现FRP拉索的轴心受力，但随着锚固吨位增大，FRP拉索与荷载传递介质的粘结长度就要相应增加，锚固失效的薄弱面由与FRP拉索最外层筋接触的荷载传递介质界面的剪切破坏控制，所以存在锚具尺寸大、长期性能难以保证等不足。综上所述，尽管基于挤压锚的大吨位FFRP拉索锚固研究很多，但是尚未针对大吨位FRP拉索的锚固变形、尺寸缩减等问题提出有效的解决方案，需要开发相应的锚固体系来有效解决上述问题。

发明内容

技术问题：

针对既有FRP拉索锚固技术存在的长期锚固性能难以保障、锚具尺寸过大等问题，本发明旨在提供一种锚具尺寸更小且不易发生界面剪切破坏的适用于拉力大于50吨的FRP拉索锚固技术。该锚固技术的核心内容在于实现FRP拉索的整体弯折和局部劈叉，从而实现FRP拉索长期服役的稳定性以及尺寸优化。

技术方案：

一种适用于大吨位FRP拉索的分散锚固装置，包括内锥形套筒以及位于内锥形套筒（1）小端端部的小端盖板和位于内锥形套筒大端端部的大端盖板，其特征在于：所述小端盖板为第一分丝板，所述大端盖板为第二分丝板，在内锥形套筒内部还设置有至少一个第三分丝板；在所述第一分丝板上设置有按照第一规律分布的筋材孔；在所述第二分丝板上设置有按照第二规律分布的筋材孔；在所述第三分丝板上设置有按照第三规律分布的筋材孔；按第一规律分布的所述筋材孔包括第一中心孔以及以第一中心孔为圆心的同心圆上分布的第一周向孔；按第二规律分布的所述筋材孔包括第二中心孔以及以第二中心孔为圆心的同心圆上分布的第二周向孔；按第三规律分布的所述筋材孔包括第三中心孔以及以第三中心孔为圆心的同心圆上分布的第三周向孔；所述第一中心孔、第二中心孔以及第三中心孔位于同一直线上；所述第三周向孔分布的同心圆层数及每层同心圆上分布的周向孔数与第一周向孔分布的同心圆层数及每层同心圆上分布的周向孔数相同，同层上第三周向孔的同心圆半径大于第一周向孔的同心圆半径；所述第二周向孔的孔数是第三周向孔的N倍，N个第二周向孔构成一组；一组第二周向孔的中心分布的同心圆层数及每层同心圆上分布的第二周向孔数组数与第一周向孔分布的同心圆层数及每层同心圆上分布的周向孔数相同，同层上第二周向孔的同心圆半径大于第三周向孔的同心圆半径。

所述第二中心孔为位于大端盖板中心未知的N个小孔。

一组所述第二周向孔的个数为2-5个。

在第二分丝板上预留一个注料孔。

一种适用于大吨位FRP拉索的分散锚固方法，其特征在于，步骤为：

步骤一、在内锥形套筒的加载端和中间位置分别配置一个分丝板；

步骤二、利用加载端分丝板和中间位置分丝板将锚固区FRP拉索固定成具有一定弯折角度的分散形状；

步骤三、将组成FRP拉索的所有单根FRP筋的端部劈成一定长度的对称花瓣，并在花瓣缝隙之间塞入具有花瓣孔的分丝板；

步骤四、将内锥形套筒竖直放置，自由端在上，加载端在下，并沿注料孔灌入填充介质，经固化形成荷载传递介质；

步骤五、将锚环拧在内锥形套筒上，形成锚具组装件。

所述加载端分丝板和自由端分丝板分别位于内锥形套筒的加载端端部和自由端端部，而中间分丝板的数量和位置视锚固性能而定。所有分丝板的通孔数量、通孔倾角、通孔间距等技术参数均与FRP拉索的整体特性和端部劈叉要求相匹配，且所有分丝板的材料弹性模量的变化范围为1GPa~40GPa。分丝板的材质可以是橡胶、塑料或金属等材料。

所述加载端分丝板和自由端分丝板均与内锥形套筒的内壁紧密接触，以起到封闭和固定作用。中间分丝板与内锥形套筒的内壁保持一定的间距，从而确保灌注料可以从内锥形套筒的自由端流向加载端。

所述FRP拉索是由多个单根FRP筋组成，且多根FRP筋的端部均被劈成对称花瓣。花瓣形状为两瓣、三瓣和四瓣。所有FRP筋的弯折角度范围为0°~30°。FRP拉索的纤维可以是碳纤维（CFRP）、玄武岩纤维（BFRP）、芳纶纤维（AFRP）和玻璃纤维（GFRP）。FRP拉索可由单一FRP筋材料组成，也可以由多种材料的FRP筋组成。

所述荷载传递介质的弹性模量变化范围为2GPa~40GPa，其材料可以是树脂石英砂、纤维混凝土、超高性能混凝土等。将内锥形套筒竖直放置，自由端向上，加载端向下。从自由端分丝板上预留的注料孔灌入填充料，经固化形成荷载传递介质。在内锥形套筒的外侧拧上锚环，即可形成大吨位FRP拉索分散锚固体系。

本发明所述大吨位FRP拉索分散锚固体系的主要部件包括FRP拉索、分丝板、荷载传递介质、内锥形套筒和锚环。其中，整体弯折和局部劈叉的FRP拉索及分丝板是本发明锚固技术的核心。FRP拉索整体弯折的作用在于充分利用内锥形套筒的锥形空间，同时提升FRP拉索的锚固效率。FRP拉索局部劈叉的作用在于增加FRP拉索与荷载传递介质的接触面积，并在端部形成“扩大端”，从而确保FRP拉索不会发生滑脱破坏。

有益效果：

本发明涉及一种适用于大吨位FRP拉索的分散锚固装置及分散锚固方法，是一种利用分丝板实现FRP拉索整体弯折和局部劈叉的一种大吨位FRP拉索分散锚固技术。与现有FRP拉索锚固技术相比，本发明具有以下特点：

1、锚固成果的关键在于FRP拉索与荷载传递介质的粘结长度以及挤压作用。本发明一种适用于大吨位FRP拉索的分散锚固装置及分散锚固方法，与既有分散锚固技术相比，本发明通过多个定位板来实现FRP拉索的曲线弯折，有效避免了FRP拉索因直线弯折而造成的本体损伤。此外，将FRP拉索端部劈叉形成“扩大端”，因为分散锚拉索的内部荷载传递介质呈楔状，可以提供额外的挤压力和摩擦力，可以有效防止FRP拉索在长期持荷下发生滑脱破坏，提高了锚固效率。

2、本发明一种适用于大吨位FRP拉索的分散锚固装置及分散锚固方法，与平行FRP拉索锚固体系相比，本发明分散锚可以用更小的尺寸提供与平行锚相同的粘结长度，达到有效缩减锚具尺寸的目的。因为锚具尺寸减小，所以所需材料相应减少和建造成本降低。此外，从工程运用角度考虑，小尺寸锚具更加符合工程实际需求。

3、本发明一种适用于大吨位FRP拉索的分散锚固装置及分散锚固方法，与传统锚固锚杯侧孔注料方法相比，本发明采用垂直浇筑的方式，即灌注料从自由端流向加载端。本发明技术的成型方法具有质量可控、操作简易、易于观察等优点。此外，该浇筑方式还可实现荷载传递介质的弹性模量沿FRP拉索轴向梯度变化。

附图说明

图1为本发明一种适用于大吨位FRP拉索的分散锚固装置的结构示意图。

图2为分丝板2结构示意图。

图3为分丝板3结构示意图。

图4为分丝板6结构示意图（两瓣）。

图5为分丝板6结构示意图（三瓣）。

图6为分丝板6结构示意图（四瓣）。

图7为FRP拉索弯折角θ示意图。

图8为内锥形套筒结构示意图。

图9为锚环结构示意图。

图10为FRP拉索平行锚和分散锚的锚固效率对比图。

图11为FRP拉索平行锚和分散锚的界面剪应力对比图。

其中，1、内锥形套筒；2、分丝板（加载端）；3分丝板（中间位置）；4、FRP拉索；5、FRP筋；6、分丝板（自由端）；7、荷载传递介质；8、锚环；9、注料孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步详细阐述，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限定的范围。

图1为本发明锚固技术的结构示意图。由图1可知，本发明锚固技术的全部部件包括内锥形套筒1、分丝板2、分丝板3、分丝板6、FRP拉索4（由FRP筋5组成）、荷载传递介质7、锚环8和注料孔9。下面将介绍具体的实施方式。

首先，将FRP筋5按照正六边形、缺角正六边形、圆形等形状排布形成FRP拉索4。FRP 拉索4的纤维可以是碳纤维（CFRP）、玄武岩纤维（BFRP）、芳纶纤维（AFRP）和玻璃纤维（GFRP）。FRP拉索4可由单一FRP筋组成，也可以由多种材料的FRP筋组成。其次，将FRP拉索4 依次穿过分丝板2和分丝板3。图2和图3分别为分丝板2和分丝板3的结构示意图。图4、图5和图6为分丝板6几种劈叉方式的结构示意图。将FRP拉索4的端部劈成一定长度的对称花瓣，花瓣形状为两瓣、三瓣或四瓣，并在花瓣的缝隙之间插入分丝板6。其中，FRP拉索4的整体弯曲（整体分散）和局部劈叉是通过分丝板2、分丝板3和分丝板6来实现。如图7所示，FRP筋的弯折角θ可按照几何关系得出，即

，其中L为分丝板2与分丝板3之间的距离，H为分丝板3的某一通孔中心与对应FRP筋加载端中心水平线之间的距离。所有FRP筋的弯折角θ 的范围为0°~30°。图8为内锥形套筒的结构示意图。分丝板2和分丝板6均与内锥形套筒1的内壁紧密接触，以起到封闭和固定作用。分丝板3的数量和位置视锚固性能而定。分丝板3与内锥形套筒1的内壁保持一定的间距，从而确保灌注料可以从内锥形套筒1的自由端流向加载端。所有分丝板的通孔数量、通孔倾角、通孔间距等技术参数均与FRP拉索的整体特性相匹配，且分丝板材料的弹性模量的变化范围均为1GPa~40GPa。分丝板的材质可以是橡胶、塑料或金属等。

在制备荷载传递介质7前，先将内锥形套筒1竖直放置，且自由端朝上，加载端朝下。将填充材料从分丝板6上的注料孔9灌入，经一定时间固化形成荷载传递介质7。荷载传递介质7的材料弹性模量范围为2GPa~40GPa，常见材料如树脂石英砂、纤维混凝土、超高性能混凝土等。图9为锚环结构示意图。在内锥形套筒7的外侧拧上锚环8，形成大吨位FRP拉索分散锚固体系。

图10为有限元ABAQUS模拟的FRP拉索3种锚固形式的锚固效率。由图10可知，FRP拉索平行锚的锚固效率为86%，而FRP拉索分散锚（未劈叉和劈叉）的锚固效率为92和98%。由此可知，端部劈叉的FRP拉索分散锚具有最高的锚固效率。图11为有限元ABAQUS模拟的FRP拉索界面剪应力。由图11可知，FRP拉索自加载端至自由端，分散锚固的FRP拉索的界面剪应力小于平行锚固的FRP拉索的界面剪应力。FRP拉索自由端剪应力越小，FRP拉索被拔出破坏的可能性越小。因此，上述模拟结果验证了分散锚可以有效防止FRP拉索被拔出破坏的结论。

Claims

1.一种适用于大吨位FRP拉索的分散锚固装置，包括内锥形套筒以及位于内锥形套筒小端端部的小端盖板和位于内锥形套筒大端端部的大端盖板，其特征在于：所述小端盖板为第一分丝板，所述大端盖板为第二分丝板，在内锥形套筒内部还设置有至少一个第三分丝板；在所述第一分丝板上设置有按照第一规律分布的筋材孔；在所述第二分丝板上设置有按照第二规律分布的筋材孔；在所述第三分丝板上设置有按照第三规律分布的筋材孔；按第一规律分布的所述筋材孔包括第一中心孔以及以第一中心孔为圆心的同心圆上分布的第一周向孔；按第二规律分布的所述筋材孔包括第二中心孔以及以第二中心孔为圆心的同心圆上分布的第二周向孔；按第三规律分布的所述筋材孔包括第三中心孔以及以第三中心孔为圆心的同心圆上分布的第三周向孔；所述第一中心孔、第二中心孔以及第三中心孔位于同一直线上；所述第三周向孔分布的同心圆层数及每层同心圆上分布的周向孔数与第一周向孔分布的同心圆层数及每层同心圆上分布的周向孔数相同，同层上第三周向孔的同心圆半径大于第一周向孔的同心圆半径；所述第二周向孔的孔数是第三周向孔的N倍，N个第二周向孔构成一组；一组第二周向孔的中心分布的同心圆层数及每层同心圆上分布的第二周向孔数组数与第一周向孔分布的同心圆层数及每层同心圆上分布的周向孔数相同，同层上第二周向孔的同心圆半径大于第三周向孔的同心圆半径。

2.根据权利要求1所述的适用于大吨位FRP拉索的分散锚固装置，其特征在于：所述第二中心孔为位于大端盖板中心未知的N个小孔。

3.根据权利要求1所述的适用于大吨位FRP拉索的分散锚固装置，其特征在于：一组所述第二周向孔的个数为2-5个。

4.根据权利要求1所述的适用于大吨位FRP拉索的分散锚固装置，其特征在于：在第二分丝板上预留一个注料孔。

5.一种适用于大吨位FRP拉索的分散锚固方法，其特征在于，采用权利要求1-3任一所述分散锚固装置进行锚固。

6.根据权利要求5所述的分散锚固方法，其特征在于，步骤为：

步骤一、在内锥形套筒的加载端和中间位置分别配置一个第一分丝板和第三分丝板；

步骤二、利用第一分丝板和第三分丝板将锚固区FRP拉索固定成具有一定弯折角度的分散形状；

步骤三、将组成FRP拉索的所有FRP筋的端部劈成一定长度的对称花瓣，并在花瓣缝隙之间塞入具有花瓣孔的第二分丝板；

步骤四、沿注料孔垂直灌入填充料，固化形成荷载传递介质；

步骤五、将锚环拧在内锥形套筒上形成锚具组装件。

7.根据权利要求6所述的分散锚固方法，其特征在于，第一分丝板和第二分丝板分别位于内锥形套筒的加载端端部和自由端端部，而第三分丝板的数量和位置视锚固性能而定。

8.根据权利要求6所述的分散锚固方法，其特征在于，第一分丝板、第三分丝板和第二分丝板的通孔数量、通孔倾角、通孔间距等技术参数均与FRP拉索的整体弯折特性和劈叉要求相匹配，且第一分丝板、第三分丝板和第二分丝板材料的弹性模量变化范围为1GPa~40GPa。

9.根据权利要求6所述的分散锚固方法，其特征在于，FRP拉索是由多个单根FRP筋组成，且多根FRP筋的端部均被劈成对称花瓣，花瓣形状为两瓣、三瓣和四瓣；所有FRP筋的弯折角度范围为0°~30°。

10.根据权利要求6所述的分散锚固方法，其特征在于，荷载传递介质的材料弹性模量范围为2GPa~40GPa。