CN113585796A - 一种frp板锚固装置及锚固方法 - Google Patents

一种frp板锚固装置及锚固方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种FRP板锚固装置及锚固方法，其中锚固装置包括：锚板，具有一横截面形状为等腰梯形的锚固通道；楔形块，填充在FRP板锚固端的分层之间；夹片，填充在FRP板的上下表面与锚固通道之间；所述夹片在FRP板的宽度方向上具有不同的刚度，刚度分布规律为刚度从中间向两端线性或阶梯减小；金属膜，固定在所述夹片与所述锚板接触的一面上，以减小复合材料夹片与金属锚板之间的摩擦。本发明公开的一种FRP厚板用分层变刚度锚固体系可以有效、可靠地实现FRP厚板的锚固，充分发挥FRP板条的拉伸强度，使其发生理想的炸断式破坏。

Description

一种FRP板锚固装置及锚固方法
技术领域
本发明一种FRP厚板用分层变刚度锚固体系属于复合材料锚固领域，特别涉及分层变刚度锚固方法。
背景技术
随着经济的发展，越来越多已建成的建筑结构需要加固改造，以满足新的使用要求，预应力FRP板条外贴加固技术是一种良好的工程加固方法。对FRP板施加预应力后外贴于被加固结构受拉侧表面可有效提高结构的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载，减小挠度，提升FRP材料的使用效率。但是由于FRP材料的抗拉强度较高，横向抗压及抗剪能力较弱，因此FRP材料的锚固是一个难点问题。
目前的加固工程中主要应用预应力FRP薄板进行外贴加固，但是在一些大型加固工程中，往往需要提供较大预应力，使用多条薄板同时加固增加了锚具的数量与加固成本，因此使用FRP厚板进行加固有着更高的性价比。针对FRP厚板，所需要的锚固力较大，在锚固长度有限的条件下，极容易因加载端刚度突变引起应力集中而将FRP板夹碎；或锚具因无法提供足够的锚固力导致FRP板滑移。因此，需要研发一种可以有效锚固FRP厚板、并且避免应力集中的锚具，以扩展FRP厚板的使用范围。
发明内容
本发明针对目前现有预应力FRP板夹片式锚具无法有效锚固FRP宽、厚板，易发生FRP板夹碎、滑移等问题，提出了一种FRP厚板用分层变刚度锚固体系。该种锚固方法将FRP厚板分成多层薄板分别进行锚固，将楔形夹片提供的楔紧力分散至每层，缓解了应力集中的问题，并增大了锚具的整体锚固能力。
本发明的具体方案是：
一种FRP板锚固装置，其特征在于，包括：
锚板，具有一横截面形状为等腰梯形的锚固通道；
楔形块，填充在FRP板锚固端的分层之间；
夹片，填充在FRP板的上下表面与锚固通道之间；所述夹片在FRP板的宽度方向上具有不同的刚度，刚度分布规律为刚度从中间向两端线性或阶梯减小；
金属膜，固定在所述夹片与所述锚板接触的一面上，以减小复合材料夹片与金属锚板之间的摩擦。
一种FRP板锚固方法，其特征在于，包括：
在FRP板端部沿板的厚度方向劈裂成2层或多层，劈裂深度150mm～200mm；
将已分层的FRP板插入锚板内，锚板大开口端接近分层部位；将楔形顶块嵌入到分层处，可使用环氧树脂或结构胶黏结；
在变刚度夹片外表面粘贴金属膜，并在夹片的外表面与锚板外表面涂抹润滑剂；
在锚板自由端的FRP板上、下两侧同时推入变刚度夹片，使变刚度夹片伸出锚板小开口端5～10mm，推入变刚度夹片的推力大小为70％fu～80％fu或夹片达到预定位置，即夹片末端距离锚板1～2厘米，其中，fu为FRP板极限拉伸强度；
在FRP板末端伸出锚板的部分涂抹环氧树脂或结构胶，将辅助顶块粘贴并固定于FRP板上，靠近锚板一侧紧贴夹片高刚度部分，待树脂固化锚固完成。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
1)本发明通过将FRP厚板分层进行锚固，增大锚具整体锚固能力，避免锚具因锚固力不足导致FRP板滑脱的现象发生；在夹片的外表面增设金属膜，可以减小夹片与锚板二者之间的摩擦使得夹片更易跟进，避免FRP板滑出破坏，提升锚具的锚固力和锚固效率；夹片为横向变刚度夹片，很好的解决了板材横向上应力集中问题，这是传统锚具在锚固时没有发现的。
2)金属膜的厚度为0.3～0.5mm，此厚度保证钢膜不被集中应力撕破，同时能减小对夹片刚度的影响。
3)不同于常规钢夹片锚具试验中100％fu的推力值，本发明方案采用的推力大小为70％fu～80％fu，可保证变刚度夹片在推入过程中的受力，保证了夹片在推入过程中对FRP板稳定的夹持。
4)通过改变FRP板外侧夹片的刚度，缓解了夹片式锚具加载端由于刚度突变引起应力集中的问题。
5)通过在夹片的内侧以及楔形顶块的外侧增设齿纹，加强了夹片、FRP板以及楔形顶块的一体性，更好地发挥夹片式锚具的楔紧作用。
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FRP厚板用分层变刚度锚固体系组装图。
图2为本发明一种FRP厚板用分层变刚度锚固体系纵向剖面图。
图3为本发明一种FRP厚板用分层变刚度锚固体系内变刚度夹片。
图4为本发明一种FRP厚板用分层变刚度锚固体系锚板内组装图。
图5为本发明一种FRP厚板用分层变刚度锚固体系辅助顶块
图6为本发明一种FRP厚板用分层变刚度锚固体系楔形顶块俯视图
图7为本发明一种FRP厚板用分层变刚度锚固体系与钢夹片锚具锚固效果对比图
图8为本发明一种FRP厚板用分层变刚度锚固体系与单向变刚度夹片锚具长度方向径向应力对比图
图9为本发明一种FRP厚板用分层变刚度锚固体系与单向变刚度夹片锚具宽度方向径向应力对比图
图中有：1、钢锚板；2、FRP厚板；3、变刚度夹片低弹模段；4、变刚度夹片中弹模段；5、变刚度夹片高弹模段；3-1、变刚度夹片低弹模段中部；3-2、变刚度夹片低弹模段边缘；4-1、变刚度夹片中弹模段中部；4-2、变刚度夹片中弹模段边缘；5-1、变刚度夹片高弹模段中部；5-2、变刚度夹片高弹模段边缘；6、楔形顶块；7、辅助顶块；8、金属膜。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式做出进一步详细阐明，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板夹片式锚具存在的无法有效夹持FRP厚板导致使用过程中FRP板发生滑移和锚具加载端FRP板局部压碎的问题，提出一种将FRP厚板分层锚固、能有效提升锚具整体锚固性能的分层变刚度锚固体系，可以充分发挥FRP板的拉伸强度、使其发生理想的完全炸断式破坏。
以下结合附图对发明做进一步说明。
如图1所示，本发明一种FRP板锚固装置，包括：
锚板，具有一横截面形状为等腰梯形的锚固通道；
楔形块，填充在FRP板锚固端的分层之间；
夹片，填充在FRP板的上下表面与锚固通道之间；所述夹片在FRP板的宽度方向上具有不同的刚度，刚度分布规律为刚度从中间向两端线性或阶梯减小；
金属膜，固定在所述夹片与所述锚板接触的一面上，以减小复合材料夹片与金属锚板之间的摩擦。
在一个实施例中，FRP板锚固装置还包括：
辅助顶块，包括一基体，在基体上设置有第一紧固面、第二紧固面和第三紧固面；第一紧固面用于与夹片的端面紧固；第二紧固面用于与FRP板伸出夹片部分的上表面紧固第三紧固面用于与FRP板伸出夹片部分的下表面紧固。
在一个实施例中，在辅助顶块的基体上设置有一支撑，在该支撑上设置有上支撑点和下支撑点，在上支撑点与上第二紧固面之间形成FRP板伸出夹片部分的紧固空间；在下支撑点与上第三紧固面之间形成FRP板伸出夹片部分的紧固空间。
在一个实施例中，楔形顶块后端宽度与FRP板宽度保持一致，前端宽度较FRP板宽度小1～2cm，以减小FRP板分层末端边缘应力集中的问题。
在一个实施例中，楔形顶块的长度为50～150mm，不得超过锚具总长度的2/3，末端厚度为8～15mm，不得超过单侧锚板最薄厚度，倾角为1.5°～8.5°；楔形顶块末端应伸出钢锚板1～3cm。
夹片在FRP板的长度方向上也具有不同的刚度，刚度分布规律为刚度从自由端向内线性或阶梯减小。不同区段的弹性模量范围在3～50GPa。变刚度楔形夹片自加载端至自由端可由2～4个不同弹性模量的部分模压而成，每个部分的长度为40～100mm，夹片最薄端厚度不宜小于5mm，最厚端厚度不宜超过30mm。
夹片不同梯度刚度的长度比例包括但不限于以下几种方案：1:1、1:2、2:1、1:1:1、1:2:2、1:1:3、3:3:4、2:3:5、3:3:4、1:1:1:2。夹片自中部向两侧采用梯度变刚度的方法，弹性模量逐渐降低，可由3～4个梯度达到变刚度的目的，两侧的刚度较中部刚度低10％～40％，不同梯度刚度的长度比例包括但不限于以下几种方案：1:2:1、1:1:1、2:1:1:2等。
变刚度楔形夹片的倾角与外侧钢锚板相同，倾角范围在1°～6°之间；
夹片与钢锚板接触的四边进行1mm～10mm的倒角削弱以减小由于夹片刚度不够引起的FRP板边缘较大的压应力。
变刚度夹片的自由端超过锚板1～3cm，保证与楔形顶块平齐；加载端超过钢锚板5～10mm，并且在夹片的端部设置圆弧形倒角，内表面增设齿纹，外表面粘贴0.3～0.5mm厚钢膜并外涂润滑剂以减小夹片与锚板之间的摩擦。
夹片由树脂及增强材料以不同比例配合而成。增强材料包括但不限于金刚砂、石英砂、短切纤维和双向纤维布等。
FRP板自由端超过锚板3～8cm，在FRP板末端使用环氧树脂或结构胶将辅助顶块粘贴至分层处，内侧紧贴变刚度楔形夹片自由端与楔形顶块末端；加大锚具的锚固能力以阻止FRP板整体滑出锚具。
可适当调整夹片与楔形顶块的倾角或减小楔形顶块的长度，使FRP板分层部分与夹片贴合更紧密。
FRP板锚固方法的步骤如下：
步骤一：选择外表无损伤、完好的3mm及以上厚度的FRP板2；
步骤二：结合工程需要确定FRP板的尺寸，并使用角磨机切割好相应长度的FRP厚板2；
步骤三：在切割好的FRP厚板2端部沿横截面中线水平向切缝，切缝长度在150mm～200mm之间，将FRP厚板均匀地分成2层或多层。
步骤四：将楔形顶块6嵌入固定在已分层的FRP板2端部；将嵌入楔形顶块6的FRP厚板2另一端从钢锚板1的自由端(大开口端)插入锚板。楔形顶块的制作材料包括但不限于铝合金、树脂基复合材料；并在所述楔形顶块的上、下两侧增设齿纹以增大FRP板和楔形顶块之间的摩擦。
步骤五：在变刚度夹片外表面粘贴金属膜8，并在其外面表面与刚锚板外表面均匀涂抹润滑剂。金属膜8的材料可选用钢或铝等。润滑剂包括但不限于润滑油、铅粉、碳粉等。
步骤六：在钢锚板1自由端的FRP板2上、下两侧同时推入变刚度夹片，齿纹一侧紧贴FRP板2，保证两侧夹片夹紧并对齐；使用千斤顶在端部顶推变刚度夹片高弹模端5-1和5-2，将夹片顶入锚板1中，最终使变刚度夹片高弹模端5伸出钢锚板1～2cm，顶推力大小为70％fu～80％fu(fu为FRP板极限拉伸强度)。
步骤七：在FRP板2末端伸出锚板1部分涂抹环氧树脂或结构胶，将辅助顶块7粘贴并固定于FRP板2上，靠近锚板一侧紧贴夹片高刚度部分，待树脂固化锚固完成。
重复步骤一至步骤七，完成另一端的锚固。
实施例：
如图1、图2、图4所示。
FRP板锚固方法的步骤如下：
将尺寸为100(宽)×5(厚)mm的BFRP从中间切缝为2层，切口长100mm；
将分层后的BFRP板插入锚板内，保证锚板大开口端更接近BFRP板分层处；
将铝合金制楔形顶块推入分层的BFRP板中，使用环氧树脂进行粘结；
树脂完全固化后，将上、下夹片置于端部嵌入楔形顶块6的BFRP板两侧共同推入锚板内。推入时可使用千斤顶对变刚度夹片进行顶推，顶推力与计算得到的FRP板极限拉力相同。有限元模拟结果表明BFRP厚板被拉断时所受拉力为624kN，锚具内部FRP板最大正向挤压应力为85.3MPa，锚固效率系数高达96％(注：BFRP板极限拉应力为1300MPa)。
采用普通钢夹片锚具(单层钢夹片锚具，无楔形顶块、辅助顶块、金属膜)锚固BFRP厚板与本发明的锚具对比如图7所示，普通夹片锚具夹持的BFRP板破坏时极限应力为800MPa，而本发明BFRP厚板用变刚度分层锚具夹持的BFRP板破坏时极限应力为1250MPa，显著提升锚固效率，有效提高了BFRP板材料利用率。
采用双向变刚度削弱夹片(本实施例中，变刚度夹片的弹性模量区域为9个，即纵向上3个刚度，横向上3个刚度，变刚度夹片的弹性模量分布如下：从薄端到厚端，中间部分的弹性模量分别为10GPa-30GPa-50GPa，两侧部分的弹性模量分别为8GPa-24GPa-40GPa。变刚度夹片由三悠环氧树脂与不同掺量的T300短切碳纤维混配而成，其中碳纤维质量分数越大，所配出材料的弹性模量越大；沿夹片长度方向的刚度分配比例为1:1:3)与单长度方向变刚度削弱夹片(变刚度夹片的纵向弹性模量分布与前者相同)对FRP宽板横向应力分布对比如图8所示。
从图8和图9可以看出，单宽度变刚度比传统的单长度变刚度不管是在FRP板宽度方向上的径向应力分布还是在FRP板长度方向上的应力分布，削弱夹片有更好的受力表现，应力集中得到了缓解，大幅度缓解了应力集中问题。双向变刚度削弱夹片具有比单长度方向变刚度和单宽度方向变刚度削弱夹片有更好的受力表现，但相比单横向变刚度，改善幅度较小。
经过有限元计算，带有钢膜的双向变刚度削弱夹片锚具(其中变刚度夹片的纵向弹性模量分别为10GPa-30GPa-50GPa，刚度分配比例为1:1:3；横向弹性模量分别为0.8E-E-0.8E，刚度分配比例为1:2:1，E分别为10GPa、30GPa和50GPa)锚固效率系数为96％，较没有钢膜的锚具的锚固效率系数提高2％，达到了规范要求的锚固效率系数95％以上。
本发明具有的优势是：可以高效、可靠地实现FRP厚板的锚固，充分发挥FRP厚板的拉伸强度，使其发生理想的完全炸开式破坏。

Claims (10)

1.一种FRP板锚固装置，其特征在于，包括：
锚板，具有一横截面形状为等腰梯形的锚固通道；
楔形块，填充在FRP板锚固端的分层之间；
夹片，填充在FRP板的上下表面与锚固通道之间；所述夹片在FRP板的宽度方向上具有不同的刚度，刚度分布规律为刚度从中间向两端线性或阶梯减小；
金属膜，固定在所述夹片与所述锚板接触的一面上以减小复合材料夹片与金属锚板之间的摩擦。
2.根据权利要求1所述的FRP板锚固装置，其特征在于，还包括：
辅助顶块，包括一基体，在所述基体上设置有第一紧固面、第二紧固面和第三紧固面；所述第一紧固面用于与所述夹片的端面紧固；所述第二紧固面用于与所述FRP板伸出夹片部分的上表面紧固，所述第三紧固面用于与所述FRP板伸出夹片部分的下表面紧固。
3.根据权利要求2所述的FRP板锚固装置，其特征在于，在所述基体上设置有一支撑，在该支撑上设置有上支撑点和下支撑点，在所述上支撑点与上第二紧固面之间形成所述FRP板伸出夹片部分的紧固空间；在所述下支撑点与上第三紧固面之间形成所述FRP板伸出夹片部分的紧固空间。
4.根据权利要求1所述的FRP板锚固装置，其特征在于，所述夹片在FRP板的长度方向上也具有不同的刚度，刚度分布规律为刚度从自由端向内线性或阶梯减小。
5.根据权利要求1所述的FRP板锚固装置，其特征在于，所述夹片由树脂及增强材料以不同比例配合而成，采用分段浇筑并模压的方式达到变刚度的目的；其不同刚度区段的弹性模量范围在3～50GPa之间，在长度方向分2～4个梯度段，在宽度方向分3个梯度段；在长度方向，位于同一宽度区域的夹片刚度由自由端向内的刚度变化规律为刚度逐级降低10％～40％。在宽度方向，由中间向两侧的刚度变化规律为刚度逐级降低10％～20％。
6.根据权利要求1所述的FRP板锚固装置，其特征在于，所述金属膜的厚度为0.3～0.5mm；对复合材料夹片的刚度影响控制在10％以下，并且保证在不均匀压力作用下保持完整。
7.根据权利要求1所述的FRP板锚固装置，其特征在于，所述楔形顶块前端宽度较后端宽度小1～2cm，后端宽度与FRP板宽度保持一致。
8.一种FRP板锚固方法，其特征在于，包括：
在FRP板端部沿板的厚度方向劈裂成2层或多层，劈裂深度150mm～200mm；
将已分层的FRP板插入锚板内，锚板大开口端接近分层部位；将楔形顶块嵌入到分层处，可使用环氧树脂或结构胶黏结；
在变刚度夹片外表面粘贴金属膜，并在夹片的外表面与锚板外表面涂抹润滑剂；
在锚板自由端的FRP板上、下两侧同时推入变刚度夹片，使变刚度夹片伸出锚板小开口端5～10mm，推入变刚度夹片的推力大小为70％fu～80％fu，将夹片达到预定位置，即夹片末端距离锚板1～2厘米，其中，fu为FRP板极限拉伸强度；
在FRP板末端伸出锚板的部分涂抹环氧树脂或结构胶，将辅助顶块粘贴并固定于FRP板上，靠近锚板一侧紧贴夹片高刚度部分，待树脂固化锚固完成。
9.根据权利要求8所述的锚固方法，其特征在于，FRP板末端伸出锚板的部分的长度为3～8cm。
10.根据权利要求8所述的锚固方法，其特征在于，所述辅助顶块使用环氧树脂或结构胶粘贴在FRP板上，紧贴变刚度夹片末端。
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