CN112942685B - 用于纤维增强树脂复合材料杆的新型锚固系统及锚固方法 - Google Patents

Abstract

一种用于纤维增强树脂复合材料杆的新型锚固系统及锚固方法，属于复合材料锚固技术领域。本发明解决了现有的锚固方法存在的受力不均及在锚固过程中轴向滑移较大的问题。FRP杆的端部通过沿轴向切缝形成等分的四瓣，四瓣FRP杆之间插设有双梯度高强楔块，“十”字形的双梯度高强楔块的每个侧棱对应插设在每相临两瓣FRP杆之间，内锚固钢管内部开设有两级锥形通孔，等分成四瓣的FRP杆配合插设在一级锥形通孔内，其余锚固段配合插设在另一级锥形通孔内，且双梯度高强楔块与一级锥形通孔之间、每瓣FRP杆与一级锥形通孔之间以及其余锚固段与另一级锥形通孔之间均填充有环氧树脂填充剂；FRP杆的端部为伸出内锚固钢管设置且位于外锚固钢管内。

Description

用于纤维增强树脂复合材料杆的新型锚固系统及锚固方法

技术领域

本发明涉及一种用于纤维增强树脂复合材料杆的新型锚固系统及锚固方法，属于复合材料锚固技术领域。

背景技术

纤维增强树脂基复合材料(FRP)因其比强度和比模量高、耐腐蚀、抗疲劳性能优越而广泛应用于土木工程领域。FRP可以作为替代钢筋的一种新型材料，由于其截面性质与钢材存在差异，传统锚固方法并不能起到良好效果，因此，需要开发出针对FRP材料的锚固方法。

目前，已经开发出多种用于FRP的锚固方法并在实际中得以运用，主要有板式锚具、夹片式锚具、锥塞式锚具和粘结式锚具四种类型。

对于板式锚具，主要由上下两块夹板、锚固螺栓和粘结树脂等组成。此锚固技术的优点为设计简单，施工方便，保证了板材在拉伸过程中所受到的拉力可均匀可靠的传递给夹板。其缺点在于穿入板材的螺栓孔处可能会由于应力集中而先发生断裂；另一方面，传力可靠性主要依赖于粘结树脂的拉伸强度以及与FRP之间粘结强度，导致在长期服役的条件下树脂的蠕变和老化会不可避免地影响到锚固效率。

对于夹片式锚具，主要由一个具有内锥孔的锚杯、内夹片和软金属套组成，软金属套起到避免局部剪应力过大造成局部破坏。具有安装实用简便、锚固效率高等优势。然而在使用过程中需要考虑到其“切口效应”，即在张拉过程中，夹片小端应力远大于夹片大端，这种在夹片小端剪切应力集中使得锚固系统提前发生破坏。且夹片式锚固系统抗疲劳性能不佳，在承受反复荷载时易发生杆与夹片之间的剥离破坏。

对于锥塞式锚具，由锥形锚杯和锥塞组成，其锚固原理与夹片式锚具相类似。在静力荷载作用下锚固性能较好。但是由于锚具前段具有一定角度，在此处易产生应力集中现象，不利于发挥出FRP筋的全部强度，在实际工程中应用较少。

对于粘结式锚具，由外套筒和粘结填充材料组成。其优点在于采用树脂填充对FRP杆体无损伤，可以把多根FRP筋锚固于同一个锚具内。但也存在以下问题：施工困难，灌胶后等待胶体凝固影响工期，且这种锚具主要靠粘结材料传递荷载，锚固效率受胶体性能影响较大。

考虑到FRP杆在实际结构中承受侵蚀性环境及反复疲劳荷载作用，因此目前对于FRP杆的锚固方法研究是十分必要的。而以上针对于FRP杆的锚固方法存在锚固效率低、施工难度大等问题，为了避免这些问题，现在技术中还有一种锚固系统，沿材料自身径向开一条缝加入横截面呈“一”字形的楔块而形成一定梯度，承受外荷载过程中通过挤压锚固钢管内壁提供主要的锚固力；同时利用具有一定一级梯度的锚固钢管通过填充环氧树脂连接FRP杆与钢管之间来提供次要的锚固力。但是这种方法还存在受力不均的问题，并且在锚固过程中轴向滑移较大，疲劳性能不佳。

发明内容

本发明是为了解决现有的锚固方法存在的受力不均及在锚固过程中轴向滑移较大的问题，进而提供了一种用于纤维增强树脂复合材料杆的新型锚固系统及锚固方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种用于纤维增强树脂复合材料杆的新型锚固系统，它包括FRP杆、套装在FRP杆锚固段上的内锚固钢管以及螺纹套装在内锚固钢管一端部的外锚固钢管，其中FRP杆的端部通过沿轴向切缝形成等分的四瓣，四瓣FRP杆之间插设有双梯度高强楔块，所述双梯度高强楔块呈锥段结构，且其横截面呈“十”字形，“十”字形的双梯度高强楔块的每个侧棱对应插设在每相临两瓣FRP杆之间，

内锚固钢管内部开设有两级锥形通孔，其中等分成四瓣的FRP杆配合插设在一级锥形通孔内，其余锚固段配合插设在另一级锥形通孔内，且双梯度高强楔块与一级锥形通孔之间、每瓣FRP杆与一级锥形通孔之间以及其余锚固段与另一级锥形通孔之间均填充有环氧树脂填充剂；

外锚固钢管的一端为封口结构，FRP杆的端部为伸出内锚固钢管设置且位于外锚固钢管内。

进一步地，外锚固钢管的一端螺纹插装有固定螺栓，且固定螺栓的端部顶设在双梯度高强楔块的端部。

进一步地，内锚固钢管的另一端部与FRP杆之间安装有对中环。

进一步地，对中环的内径与FRP杆的直径相等，对中环的外径与内锚固钢管另一端的内径相等。

进一步地，沿FRP杆轴向的切缝长度与双梯度高强楔块长度一致。

进一步地，所述环氧树脂填充剂中含有铁砂和钢珠。

一种采用上述锚固系统的锚固方法，它包括如下步骤：

步骤一、将对中环及内锚固钢管依次套装在FRP杆上并露出FRP杆的锚固段；

步骤二、采用精密切割设备在FRP杆的锚固段一端部，沿杆的轴向切缝，切缝的数量为两条且沿FRP杆的直径方向相互垂直布置，通过两条切缝将FRP杆的一端部切成等分的四瓣；

步骤三、在双梯度高强楔块的外表面均匀涂抹环氧树脂填充剂，再用重锤将双梯度高强楔块缓缓地沿轴向敲击进入四瓣FRP杆中；

步骤四、待步骤三中的环氧树脂填充剂固化后，用扎带将四瓣FRP杆的一端捆绑固定，然后在捆绑成一体的四瓣FRP杆外表面及双梯度高强楔块外表面均匀涂抹环氧树脂填充剂；

步骤五、待步骤四中的环氧树脂填充剂固化后，将内锚固钢管及对中环向锚固段推动，通过对中环保证内锚固钢管与FRP杆同轴，在锚固拉伸端处轻轻敲击内锚固钢管的另一端，以使得内锚固钢管的一级锥形通孔与四瓣FRP杆的外表面紧密接触，并保证FRP杆的一端露出内锚固钢管；

步骤六、采用高压注射器将环氧树脂填充剂从内锚固钢管一端注入至一级锥形通孔与FRP杆之间的缝隙中；

步骤七、将对中环移出内锚固钢管，再从内锚固钢管的另一端向另一级锥形通孔与FRP杆之间的缝隙中注入环氧树脂填充剂，在环氧树脂填充剂固化之前将对中环放回至内锚固钢管的另一端部与FRP杆之间，然后用密封胶带将对中环与内锚固钢片间的空隙进行密封；

步骤八、将外锚固钢管螺纹连接至内锚固钢管上，然后用扳手将固定螺栓拧紧使其顶住双梯度高强楔块。

进一步地，步骤二中FRP杆上沿其轴向的切缝深度取决于FRP杆的拉伸强度，保证露出内锚固钢管一端的长度为10mm-15mm。

进一步地，扎带的数量为1-2根。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

(1)本锚固系统受力包括以下两部分：通过将杆体切割后加入双梯度高强楔块而形成一定梯度，在承受外荷载过程中通过挤压内锚固钢管内壁提供一部分锚固承载力；利用在两级锥形通孔内填充环氧树脂粘结FRP杆，提供另一部分锚固力承载力，确保填充环氧树脂形成梯度结构，以此增加环氧树脂与FRP杆之间的粘结力，提供更高的锚固承载力。锚固系统受力均匀合理，传力路径明确。

(2)本申请在杆体长度方向上沿相互垂直的两条直径将FRP杆体平均切成四份，并插入“十字型”双梯度高强楔体。通过增加FRP杆与内锚固钢管环向内壁接触面积，避免杆体偏心受压而造成应力集中。

(3)将内锚固钢管设计成两级锥形通孔形式，一方面可使杆体与钢管内壁间产生更大挤压面积，同时也使得环氧树脂填充剂与钢管内壁间接触面积增大，为FRP杆更大锚固承载力。

综上所述，本申请设计简单、锚具内部受力合理，可将不同直径的FRP杆拉伸至断裂，可靠性高，加工方便，经济性好、适用范围广泛，有效地解决了传统锚固系统存在的受力不均匀、锚固过程滑移较大及锚固效率低等问题，可在侵蚀性环境和反复荷载作用下长期使用。

附图说明

图1为本申请的轴向剖视示意图；

图2为图1的左视图(非等比例)；

图3为双梯度高强楔块的侧视示意图；

图4为双梯度高强楔块的俯视示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～4说明本实施方式，一种用于纤维增强树脂复合材料杆的新型锚固系统，它包括FRP杆4、套装在FRP杆4锚固段上的内锚固钢管2以及螺纹套装在内锚固钢管2一端部的外锚固钢管1，其中FRP杆4的端部通过沿轴向切缝形成等分的四瓣，四瓣FRP杆4之间插设有双梯度高强楔块6，所述双梯度高强楔块6呈锥段结构，且其横截面呈“十”字形，“十”字形的双梯度高强楔块6的每个侧棱对应插设在每相临两瓣FRP杆4之间，

内锚固钢管2内部开设有两级锥形通孔，其中等分成四瓣的FRP杆4配合插设在一级锥形通孔内，其余锚固段配合插设在另一级锥形通孔内，且双梯度高强楔块6与一级锥形通孔之间、每瓣FRP杆4与一级锥形通孔之间以及其余锚固段与另一级锥形通孔之间均填充有环氧树脂填充剂5；

外锚固钢管1的一端为封口结构，FRP杆4的端部为伸出内锚固钢管2设置且位于外锚固钢管1内。本申请中采用双梯度高强楔块6，将其楔入FRP杆4中可确保两者与内锚固钢管2内部间形成环向接触面，通过增大接触面积避免杆体偏心受压而造成应力集中。与切缝FRP杆4体可有效接触形成一体结构，受力更加均匀、稳定。避免出现在受力过程中楔块从FRP杆4体滑出从而影响挤压作用甚至造成锚固失效的问题。

1本锚固系统受力包括以下两部分：通过将杆体切割后加入双梯度高强楔块6而形成一定梯度，在承受外荷载过程中通过挤压内锚固钢管2内壁提供一部分锚固承载力；利用在两级锥形通孔内填充环氧树脂粘结FRP杆4，提供另一部分锚固力承载力，确保填充环氧树脂形成梯度结构，以此增加环氧树脂与FRP杆4之间的粘结力，提供更高的锚固承载力。锚固系统受力均匀合理，传力路径明确。

2本申请在杆体长度方向上沿相互垂直的两条直径将FRP杆4体平均切成四份，并插入“十字型”双梯度高强楔体。通过增加FRP杆4与内锚固钢管2环向内壁接触面积，避免杆体偏心受压而造成应力集中。

3将内锚固钢管2设计成两级锥形通孔形式，一方面可使杆体与钢管内壁间产生更大挤压面积，同时也使得环氧树脂填充剂5与钢管内壁间接触面积增大，为FRP杆4更大锚固承载力。

4采用两端灌胶方式可以缓解灌胶过程中因杆体切割段与未切割段间过渡区域较为狭窄而造成的灌胶不均匀现象，减少了因灌胶不均匀而导致锚固效率低。

综上所述，本申请设计简单、锚具内部受力合理，加工方便，经济性好、适用范围广泛，有效地解决了传统锚固系统存在的受力不均匀、锚固过程滑移较大及锚固效率低等问题，可在侵蚀性环境和反复荷载作用下长期使用。

外锚固钢管1的一端螺纹插装有固定螺栓7，且固定螺栓7的端部顶设在双梯度高强楔块6的端部。通过将固定螺栓7沿外部固定钢管挤压双梯度高强楔块6，防止楔块沿FRP杆4体纵向滑出。通过固定螺栓7结合双梯度高强楔块6及环氧树脂填充剂5，在拉伸过程中可完全确保楔块与FRP杆4体共同受力，通过挤压钢管内壁传递外荷载，提供更高的锚固承载力。

内锚固钢管2的另一端部与FRP杆4之间安装有对中环3。

对中环3的内径与FRP杆4的直径相等，对中环3的外径与内锚固钢管2另一端的内径相等。对中环3起到使FRP杆4在内锚固钢管2中位置居中的作用，避免因位置偏移而引起偏心受力。

沿FRP杆4轴向的切缝长度与双梯度高强楔块6长度一致。确保双梯度高强楔块6与FRP杆4体紧密接触成型一体结构，受力更加均匀稳定。

所述环氧树脂填充剂5中含有铁砂和钢珠。为增加填充环氧树脂提供的粘结力，在环氧树脂内部加入一定量一定粒度的铁砂和钢珠，以增加FRP杆4与钢管间粘结性能，同时亦可有效降低填充环氧树脂长期使用时的蠕变变形。通过改变铁砂和钢珠粒径及含量可获得不同刚度的环氧树脂填充剂5。根据锚固区不同位置受力状态不同而填充不同刚度环氧树脂填充剂5，即沿锚固长度形成刚度梯度，根据选取最优刚度环氧树脂填充剂5以获得最佳锚固效果。根据锚具内填充剂受力情况通过调整填充剂刚度可有效避免锚具内填充树脂的应力集中现象。

一种采用上述锚固系统的锚固方法，它包括如下步骤：

步骤一、将对中环3及内锚固钢管2依次套装在FRP杆4上并露出FRP杆4的锚固段；

步骤二、采用精密切割设备在FRP杆4的锚固段一端部，沿杆的轴向切缝，切缝的数量为两条且沿FRP杆4的直径方向相互垂直布置，通过两条切缝将FRP杆4的一端部切成等分的四瓣；

步骤三、在双梯度高强楔块6的外表面均匀涂抹环氧树脂填充剂5，再用重锤将双梯度高强楔块6缓缓地沿轴向敲击进入四瓣FRP杆4中；

步骤四、待步骤三中的环氧树脂填充剂5固化后，用扎带将四瓣FRP杆4的一端捆绑固定，然后在捆绑成一体的四瓣FRP杆4外表面及双梯度高强楔块6外表面均匀涂抹环氧树脂填充剂5；

步骤五、待步骤四中的环氧树脂填充剂5固化后，将内锚固钢管2及对中环3向锚固段推动，通过对中环3保证内锚固钢管2与FRP杆4同轴，在锚固拉伸端处轻轻敲击内锚固钢管2的另一端，以使得内锚固钢管2的一级锥形通孔与四瓣FRP杆4的外表面紧密接触，并保证FRP杆4的一端露出内锚固钢管2；

步骤六、采用高压注射器将环氧树脂填充剂5从内锚固钢管2一端注入至一级锥形通孔与FRP杆4之间的缝隙中；

步骤七、将对中环3移出内锚固钢管2，再从内锚固钢管2的另一端向另一级锥形通孔与FRP杆4之间的缝隙中注入环氧树脂填充剂5，在环氧树脂填充剂5固化之前将对中环3放回至内锚固钢管2的另一端部与FRP杆4之间，然后用密封胶带将对中环3与内锚固钢片间的空隙进行密封；

步骤八、将外锚固钢管1螺纹连接至内锚固钢管2上，然后用扳手将固定螺栓7拧紧使其顶住双梯度高强楔块6。

本申请采用双梯度挤压-粘结模式，即在FRP杆4的切割端和拉伸端分别设置梯度，即将内锚固钢管2内加工成两级锥形通孔。一级锥形通孔确保FRP杆4与其接触形成挤压作用，另一级锥形通孔确保环氧树脂填充剂5形成梯度，增加其对FRP杆4的挤压作用，两者共同作用确保FRP杆4体的锚固效率。

采用两端灌胶方式将环氧树脂填充剂5注入内部锚固钢管，注入过程中应间隔一定时间并多次注入，保证环氧树脂能够充分浸润。两端灌胶可以缓解灌胶过程中因杆体切割段与未切割段之间的过渡区域较为狭窄而造成灌胶不均匀现象。

针对于FRP杆4切缝端部采用扎带进行缠绕约束并填充环氧树脂，扎带提供的环向约束稳定可靠，不易松弛，将双梯度高强楔块6与FRP杆4包裹成一个整体，共同承受外力，整体性受力性能良好。

本锚固系统处于密封状态，受到环境中侵蚀性介质影响相对较小，为在腐蚀环境下的应用创造条件。

步骤二中FRP杆4上沿其轴向的切缝深度取决于FRP杆4的拉伸强度，保证露出内锚固钢管2一端的长度为10mm-15mm。切割深度过大或过小可能降低锚固效率，在考虑切割深度时，确保拉伸过程中露出部分可以进入并均匀接触内锚固钢管2内部，形成挤压力承受外荷载。此外，应保证FRP杆4切割精度达到要求，避免因过大的切割偏差导致杆体受力不均，影响锚固效果。

扎带的数量为1-2根。

Claims (9)

1.一种用于纤维增强树脂复合材料杆的新型锚固系统，其特征在于：它包括FRP杆(4)、套装在FRP杆(4)锚固段上的内锚固钢管(2)以及螺纹套装在内锚固钢管(2)一端部的外锚固钢管(1)，其中FRP杆(4)的端部通过沿轴向切缝形成等分的四瓣，四瓣FRP杆(4)之间插设有双梯度高强楔块(6)，所述双梯度高强楔块(6)呈锥段结构，且其横截面呈“十”字形，“十”字形的双梯度高强楔块(6)的每个侧棱对应插设在每相临两瓣FRP杆(4)之间，

内锚固钢管(2)内部开设有两级锥形通孔，其中等分成四瓣的FRP杆(4)配合插设在一级锥形通孔内，其余锚固段配合插设在另一级锥形通孔内，且双梯度高强楔块(6)与一级锥形通孔之间、每瓣FRP杆(4)与一级锥形通孔之间以及其余锚固段与另一级锥形通孔之间均填充有环氧树脂填充剂(5)；

外锚固钢管(1)的一端为封口结构，FRP杆(4)的端部为伸出内锚固钢管(2)设置且位于外锚固钢管(1)内。

2.根据权利要求1所述的用于纤维增强树脂复合材料杆的新型锚固系统，其特征在于：外锚固钢管(1)的一端螺纹插装有固定螺栓(7)，且固定螺栓(7)的端部顶设在双梯度高强楔块(6)的端部。

3.根据权利要求1或2所述的用于纤维增强树脂复合材料杆的新型锚固系统，其特征在于：内锚固钢管(2)的另一端部与FRP杆(4)之间安装有对中环(3)。

4.根据权利要求3所述的用于纤维增强树脂复合材料杆的新型锚固系统，其特征在于：对中环(3)的内径与FRP杆(4)的直径相等，对中环(3)的外径与内锚固钢管(2)另一端的内径相等。

5.根据权利要求1、2或4所述的用于纤维增强树脂复合材料杆的新型锚固系统，其特征在于：沿FRP杆(4)轴向的切缝长度与双梯度高强楔块(6)长度一致。

6.根据权利要求1所述的用于纤维增强树脂复合材料杆的新型锚固系统，其特征在于：所述环氧树脂填充剂(5)中含有铁砂和钢珠。

7.根据上述权利要求1～6中任一权利要求所述锚固系统的锚固方法，其特征在于：它包括如下步骤：

步骤一、将对中环(3)及内锚固钢管(2)依次套装在FRP杆(4)上并露出FRP杆(4)的锚固段；

步骤二、采用精密切割设备在FRP杆(4)的锚固段一端部，沿杆的轴向切缝，切缝的数量为两条且沿FRP杆(4)的直径方向相互垂直布置，通过两条切缝将FRP杆(4)的一端部切成等分的四瓣；

步骤三、在双梯度高强楔块(6)的外表面均匀涂抹环氧树脂填充剂(5)，再用重锤将双梯度高强楔块(6)缓缓地沿轴向敲击进入四瓣FRP杆(4)中；

步骤四、待步骤三中的环氧树脂填充剂(5)固化后，用扎带将四瓣FRP杆(4)的一端捆绑固定，然后在捆绑成一体的四瓣FRP杆(4)外表面及双梯度高强楔块(6)外表面均匀涂抹环氧树脂填充剂(5)；

步骤五、待步骤四中的环氧树脂填充剂(5)固化后，将内锚固钢管(2)及对中环(3)向锚固段推动，通过对中环(3)保证内锚固钢管(2)与FRP杆(4)同轴，在锚固拉伸端处轻轻敲击内锚固钢管(2)的另一端，以使得内锚固钢管(2)的一级锥形通孔与四瓣FRP杆(4)的外表面紧密接触，并保证FRP杆(4)的一端露出内锚固钢管(2)；

步骤六、采用高压注射器将环氧树脂填充剂(5)从内锚固钢管(2)一端注入至一级锥形通孔与FRP杆(4)之间的缝隙中；

步骤七、将对中环(3)移出内锚固钢管(2)，再从内锚固钢管(2)的另一端向另一级锥形通孔与FRP杆(4)之间的缝隙中注入环氧树脂填充剂(5)，在环氧树脂填充剂(5)固化之前将对中环(3)放回至内锚固钢管(2)的另一端部与FRP杆(4)之间，然后用密封胶带将对中环(3)与内锚固钢片间的空隙进行密封；

步骤八、将外锚固钢管(1)螺纹连接至内锚固钢管(2)上，然后用扳手将固定螺栓(7)拧紧使其顶住双梯度高强楔块(6)。

8.根据权利要求7所述的锚固方法，其特征在于：步骤二中FRP杆(4)上沿其轴向的切缝深度取决于FRP杆(4)的拉伸强度，保证露出内锚固钢管(2)一端的长度为10mm-15mm。

9.根据权利要求7所述的锚固方法，其特征在于：扎带的数量为1-2根。

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