CN112095466B - 一种frp拉索锚固方法及锚固端头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种FRP拉索锚固方法及锚固端头，步骤为：在FRP拉索锚固区形成沿径向分层变刚度的锥形荷载传递介质；其中，变刚度荷载传递介质是由具有不同弹性模量的材料沿垂直于FRP拉索方向分层平行浇筑而成；荷载传递介质的弹性模量由内而外逐层减小；分层界面位于相邻内层FRP筋与外层FRP筋包络的区域之内；采用与荷载传递介质相匹配的内锥形套筒进行锚固。本锚固方法具有制备难度低、装配精度高、同步受力好和锚固效率高等特点。径向分层变刚度荷载传递介质能够减小锚固区FRP拉索内层FRP筋的拉伸应力和提高外层FRP筋的拉伸应力，从而提升FRP拉索全截面同步受力性能和承载效率。

Description

一种FRP拉索锚固方法及锚固端头

技术领域

本发明涉及一种FRP拉索锚固技术，属于FRP拉索锚固技术领域。

背景技术

纤维增强复合材料（Fiber-reinforced- Polymer or Plastics，简称FRP），是指由纤维和树脂基体通过一定工艺固化后形成的具有一定或特定形状的结构材料。其中，纤维一般包括碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等，而树脂包括环氧树脂、乙烯基树脂、不饱和聚酯树脂等。根据制备工艺的不同，FRP制品可分为筋材、索材、型材、网格、格栅、板材等。由于FRP具有轻质、高强、耐腐蚀和耐疲劳等优异性能，因而在结构加固、海港码头、海洋岛礁、房屋建筑等领域均有实际应用。

斜拉桥是当前千米级大跨桥梁的主要结构形式，其核心受力部件之一是钢拉索。然而，随着斜拉桥跨度的不断增加以及服役时间的不断增长，钢拉索固有的性能缺陷已不容忽视，如腐蚀退化、自重大（承载效率低）、垂度效应、施工复杂等。考虑到FRP材料的优异性能，利用FRP拉索替换钢拉索被认为是有效解决钢拉索性能缺陷的理想方案。尽管采用FRP拉索建造的桥梁工程已被多次报道，如瑞士Stork bridge（建于1996年，是世界上第一座采用FRP拉索建造的桥梁）以及江苏大学人行桥（建于2005年，是我国首座采用全FRP建造的桥梁），但FRP拉索的工程实践仅限于小跨径拉索桥梁，与理想的千米级大跨桥梁的工程应用相差甚远。究其原因，FRP拉索的锚固问题是限制其进一步应用于大跨桥梁的瓶颈。基于此，国内外研究学者针对FRP拉索的锚固问题进行了大量的研究工作。如针对FRP拉索锚固的切口效应问题，开发了沿轴向变刚度的锚固方法来缓解加载端应力集中的现象。针对FRP拉索锚固体系荷载传递介质的成型问题，开发了灌注式、缠绕式、机械夹持式等成型方法。根据FRP拉索受力特点的不同，总结了FRP拉索的主要锚固类型，如粘结型锚固体系、摩擦型锚固体系以及挤压式锚固体系等。针对FRP拉索材料的不同，开发了适用于不同FRP拉索材料的配套锚具。

对于大吨位拉索而言，无论是钢拉索还是FRP拉索，都无一例外的采用了粘结挤压式锚固原理。显然，在材料强度一定的前提下，提升拉索承力吨位最直接的方法便是增加锚固根数。与钢拉索相比，随着锚固根数的不断增多（承力吨位不断增大），FRP拉索的截面应力不均效应也愈加显著，具体表现为FRP拉索内层FRP筋的轴向拉伸应力小，而FRP拉索外层FRP筋的轴向拉伸应力小。产生上述现象的主要原因在于，首先钢拉索是各项同性材料，基本不存在加载端“切口效应”。其次，钢拉索锚具内的荷载传递介质的弹性模量基本与拉索本体相当，甚至大于钢拉索本体的弹性模量。高弹性模量的荷载传递介质使得钢拉索单根钢丝之间的协同传力十分可靠。因此，增加钢拉索锚固数量来提高锚固吨位的做法基本不产生截面受力不均问题。然而，组成FRP拉索的FRP筋是由拉挤工艺制备而成，其具有纵向抗拉强度高（如T700碳纤维筋抗拉强度可达3400MPa），而径向抗剪强度低（通常仅为纵向抗拉强度的十分之一左右）的特点，属于典型的各项异性材料。FRP拉索径向抗压强度弱的特性也决定了FRP拉索锚固体系的荷载传递介质的弹性模量不能过大，否则将造成FRP拉索径向剪切破坏或径向挤压力不足（针对挤压锚）。尽管通过降低荷载传递介质的刚度可以使FRP拉索的拉伸破坏先于剪切破坏，但是荷载传递介质的刚度过小将导致其本身变形较大，进而导致FRP拉索截面应力不均，即内层FRP筋的轴向拉伸应力大于外层FRP筋的轴向拉伸应力。从当前的国内外研究现状可知，一些有限元模拟结果以及试验现象均表明由多根FRP筋构成的大吨位FRP拉索存在截面应力不均问题，同时这也是导致FRP拉索锚固效率不高的重要原因。综上所述，大吨位FRP拉索截面应力不均是影响FRP拉索锚固效果的重要因素，但是目前缺乏行之有效的优化措施，需要开发相应的锚固体系来有效提升FRP拉索的同步受力性能和锚固效率。

发明内容

技术问题：

针对既有大吨位FRP拉索存在单根FRP筋轴向受力不均问题，本发明提供一种具有同步受力性能好的FRP拉索锚固方法及锚固端头。

技术方案：

在FRP拉索的锚固区，根据FRP筋的分布将FRP拉索由内向外分成至少两个区域，在分成的不同区域内用不同弹性模量的材料包裹FRP筋形成层状的变刚度荷载传递介质；所述荷载传递介质不同层的弹性模量由内而外逐层减小。

所述荷载传递介质的分层界面与FRP拉索平行，且位于相邻内层FRP筋与外层FRP筋包络的区域内。

弹性模量的数值变化范围为2GPa~40GPa。

变刚度荷载传递介质是由具有不同弹性模量的材料沿垂直于FRP拉索方向分层平行浇筑而成。

所述荷载传递介质分层平行浇筑的顺序为由内而外或由外而内。

采用与所述荷载传递介质匹配的内锥形套筒进行锚固。

将内锥形套筒与锚环连接，形成完备的FRP拉索锚固体系。

一种FRP拉索锚固端头，包括FRP筋以及将FRP筋固定的荷载传递介质层，其特征在于：所述荷载传递介质层由内而外分为至少两层，所述FRP筋分布在不同的层内；荷载传递介质不同层的弹性模量由内而外逐层减小。

所述荷载传递介质层的层数为N层，所述FRP筋分布在内圈的N-1层，其中N≥4。

在所述载传递介质层外设置有内锥形套筒。

本发明FRP拉索锚固方法，其中荷载传递介质是本发明的核心内容，其作用在于利用径向梯度变化的弹性模量来提升FRP拉索内外层FRP筋的同步受力性能，从而提升FRP拉索的锚固效率。内锥形套筒既是灌注荷载传递介质的模具，同时也是受力锚杯。封堵板放置于内锥形套筒加载端端部，用于阻止垂直灌注时荷载传递介质溢出锚具和固定FRP筋的排布形式。将锚环旋拧在内锥形套筒的外部，并承担压力。本锚固方法从受力类型上来看，属于粘结挤压式，是大吨位FRP拉索锚固体系最具发展潜力的一种受力形式。

有益效果：

本发明一种FRP拉索锚固方法，核心在于利用径向分层变刚度的荷载传递介质来提升FRP拉索内层FRP筋与外层FRP筋的同步受力性能。与现有锚固技术相比，本发明具有以下特点：

1、本发明一种FRP拉索锚固方法，针对FRP拉索截面应力不均问题，能够降低锚固区FRP拉索内层FRP筋的拉伸应力，同时提升FRP拉索外层FRP筋的拉伸应力，进而实现FRP拉索全截面的均匀受力。

2、本发明FRP拉索锚固方法，与传统的锚杯侧孔灌注荷载传递介质的方法相比，本发明采用的从内锥形套筒自由端垂直灌注材料的方法具有操作空间大、易于观察、质量可控、精确分层等优点。

3、本发明FRP拉索锚固方法，与粘结式和摩擦式锚固体系相比，本发明采用粘结挤压式锚固方法，具有锚固吨位大、锚固效率高、体积尺寸小、整体造价低等优势。

附图说明

图1为本发明一种FRP拉索锚固方法及锚固端头锚固装置的结构示意图。

图2为图1沿A-A剖切的截面示意图。

图3为封堵板。

图4为内锥形套筒。

图5为荷载传递介质分层灌注时中心层空心薄壁圆柱形套筒。

图6为荷载传递介质分层灌注时中间层空心薄壁圆柱形套筒。

图7为荷载传递介质分层灌注时最外层空心薄壁圆柱形套筒。

图8为图1沿B-B剖切的截面示意图。

图9为锚环示意图。

图10为FRP拉索轴向拉伸应力变异系数。

其中：1、径向分层变刚度荷载传递介质；2、FRP拉索；3、内锥形套筒；4、封堵板；5、锚环。

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。

本发明特别适用于拉力大于50吨、锚固数量大于7根的FRP拉索的锚固，但也不限于拉力大小及FRP拉索筋的数量。

图1为本发明锚固技术的结构剖面图。由图1可知，本发明锚固方法的主要部件包括径向分层变刚度荷载传递介质1、FRP拉索2、内锥形套筒3、封堵板4以及锚环5。首先将FRP拉索2的所有FRP筋按照正六边形、缺角六边形、圆形等形式进行排布，图2给出了FRP拉索2按照正六边形排布的截面示意图。然而，FRP拉索2截面排布形式不仅限于上述三种排布形式，一切满足FRP拉索受力要求的排布形式均可用于本发明。FRP拉索2的纤维材料可为碳纤维（CFRP）、玄武岩（BFRP）、玻璃纤维（GFRP）以及芳纶纤维（AFRP）。FRP拉索2至少由7根FRP筋组成。FRP拉索2的FRP筋可以由同一种FRP筋组成，也可以由多种FRP筋组成。

下面以FRP拉索2（由19根FRP筋组成）为例进行阐述。

将排布好的FRP拉索2穿过封堵板4。如图3所示，封堵板4的通孔数量与FRP拉索2的FRP筋数量相同，且每个通孔的内径与FRP拉索2的FRP筋的外径基本相同。封堵板4的通孔排布形式与FRP拉索2截面排布形式一致。封堵板4的材质应为弹性模量小于2GPa的软质材料。封堵板4的外侧应与内锥形套筒3的内侧紧密接触。封堵板4需要固定在内锥形套筒3的加载端端部。

图4为内锥形套筒3的基本构造示意图。内锥形套筒3的内锥度变化范围为3°～9°，且内壁光滑、不粗糙。此外，内锥形套筒3的外侧有螺纹，与锚环5连接形成锚具组装件。灌注荷载传递介质前，将内锥形套筒3竖向放置，其自由端在上，加载端在下。

荷载传递介质1的分层浇筑顺序可以是由内而外，也可以是由外而内，且分层数量取决于FRP拉索2截面单筋包裹的层数，本实施例中，荷载传递介质1的分层数为4层，由内而外分别为第1层、第2层、第3层和第4层，其中第1层包裹1根筋，第2层包裹6根筋，第3层包裹12根筋，第4层内不含筋。本发明以由内而外的成型顺序为例进行阐述。图5为中心层空心薄壁圆柱形套筒。将中心层空心薄壁圆柱形套筒套在FRP拉索2中心FRP筋上，方向与FRP拉索2平行，随后浇筑灌注材料。待灌注材料初凝时，拔出中心层空心薄壁圆柱形套筒。图6为中间层空心薄壁圆柱形套筒。将中间层空心薄壁圆柱形套筒套在FRP拉索2的中间层FRP筋上，方向与FRP拉索2平行，并立刻浇筑灌注材料。待灌注材料初凝时，拔出中间层空心薄壁圆柱形套筒。图7为最外层空心薄壁圆柱形套筒。将最外层空心薄壁圆柱形套筒套在FRP拉索2的最外层FRP筋上，方向与FRP拉索2平行，并立刻浇筑灌注材料。待灌注材料初凝时，拔出最外层空心薄壁圆柱形套筒，并立刻浇筑灌注材料。如图8所示，经过一段时间的凝固和养护，径向分层变刚度荷载传递介质1即可制备完成。其中，荷载传递介质1的弹性模量由内而外逐层减小，且数值变化范围为2GPa~40GPa，灌注材料可以是树脂、树脂石英砂、超高性能活性粉末混凝土等灌注材料。空心薄壁圆柱形套筒与内外层FRP筋之间的间距由锚固性能决定。前述空心薄壁圆柱形套筒的截面形状不局限于圆形，一切适合包裹FRP筋的截面形状均可用于本发明。如图9所示，将锚环5可以直接拧在内锥形套筒3上形成完备的组装件。

本发明实施例中，每层浇筑的材料和弹性模量取决于FRP拉索的锚固吨位相关。一切符合规范要求的浇筑材料均可被用作浇注填料。每层浇筑材料弹性模量总体变化规律为由内而外逐层变大，且最大值与FRP拉索的锚固吨位有关。FRP拉索的锚固吨位越大，内层料的弹性模量越大。反之，则内层料的弹性模量越小。图10为径向等刚度和径向变刚度FRP拉索平均轴向拉伸应力变异系数，其中横坐标为FRP拉索锚固长度。平均拉伸应力变异系数越大，表明多根FRP筋的轴向拉伸应力之间的离散越大，相互之间的同步工作效果越差。由图10可知，当荷载传递介质沿径向变刚度后，FRP拉索轴向拉伸应力变异系数显著小于等刚度工况，表明荷载传递介质沿径向变刚度有利于提升多筋FRP拉索的同步工作性能。

Claims (9)

1.一种FRP拉索锚固方法，其特征在于： 在FRP拉索（2）的锚固区，根据FRP筋的分布将FRP拉索由内向外分成至少两个区域，在分成的不同区域内用不同弹性模量的材料包裹FRP筋形成层状的变刚度荷载传递介质（1）； 所述荷载传递介质（1）不同层的弹性模量由内而外逐层减小；所述荷载传递介质（1）的分层界面与FRP拉索（2）平行，且位于相邻内层FRP筋与外层FRP筋包络的区域内。

2.根据权利要求1所述的FRP拉索锚固方法，其特征在于：弹性模量的数值变化范围为2GPa ~ 40GPa。

3.根据权利要求2所述的一种FRP拉索锚固方法，其特征在于：变刚度荷载传递介质（1）是由具有不同弹性模量的材料沿垂直于FRP拉索（2）方向分层平行浇筑而成。

4.根据权利要求3所述的一种FRP拉索锚固方法，其特征在于，所述荷载传递介质（1）分层平行浇筑的顺序为由内而外或由外而内。

5.根据权利要求1所述的一种FRP拉索锚固方法，其特征在于：采用与所述荷载传递介质（1）匹配的内锥形套筒（3）进行锚固。

6.根据权利要求5所述的一种FRP拉索锚固方法，其特征在于：将内锥形套筒（3）与锚环（5）连接，形成完备的FRP拉索锚固体系。

7.一种FRP拉索锚固端头，包括FRP筋以及将FRP筋固定的荷载传递介质层，其特征在于：所述荷载传递介质层由内而外分为至少两层，所述FRP筋分布在不同的层内；荷载传递介质不同层的弹性模量由内而外逐层减小。

8.根据权利要求7所述的FRP拉索锚固端头，其特征在于：所述荷载传递介质层的层数为N层，所述FRP筋分布在内圈的N-1层，其中N≥4。

9.根据权利要求7所述的FRP拉索锚固端头，其特征在于：在所述载传递介质层外设置有内锥形套筒。

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