新型CFRP筋?yuàn)A片式錨具理論與試驗(yàn)研究

概述了杭州灣跨海大橋建設(shè)中所用預(yù)應(yīng)力錨具和鋼絞線的靜載錨固性能檢測(cè),研究了不同質(zhì)量鋼絞線對(duì)錨具靜載試驗(yàn)的影響,找出其合理的配合關(guān)系,以供其他公路橋梁施工參考和借鑒。

碳纖維增強(qiáng)塑料(cfrp)筋良好的工作性能使其可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的預(yù)應(yīng)力鋼筋,但相對(duì)滯后的錨固體系研究已成為影響其使用的關(guān)鍵原因。通過(guò)研制新型的cfrp筋粘結(jié)夾片式球面錨具,研制了3種不同尺寸錨具,共9組試件進(jìn)行錨固性能試驗(yàn)。結(jié)果表明,在錨固國(guó)產(chǎn)光圓碳纖維增強(qiáng)塑料筋時(shí),錨具錨固效率最大達(dá)到80.6%;對(duì)于粘結(jié)夾片式球面錨具,鋼質(zhì)套管長(zhǎng)度和粘結(jié)介質(zhì)的粘結(jié)性能是影響錨固性能的關(guān)鍵因素;球面錨具可以自動(dòng)調(diào)整cfrp筋的中線與錨具錐孔中線,改變孔口的受力特性,減小孔口剪應(yīng)力,提高錨固性能。

以減少夾片與frp筋之間接觸應(yīng)力峰值為基本思路,提出了一種預(yù)應(yīng)力cfrp筋?yuàn)A片-套筒型錨具,并對(duì)此類錨具系統(tǒng)的靜載錨固性能、疲勞性能及周期荷載性能進(jìn)行了試驗(yàn).結(jié)果表明,錨具各部分能協(xié)同工作,形狀保持良好,錨具組裝件靜載錨固效率系數(shù)均大于等于0.95,疲勞及周期荷載性能優(yōu)良,能有效地錨固試驗(yàn)中所用的cfrp筋.

預(yù)應(yīng)力施加后夾片式錨具有效錨固是后張預(yù)應(yīng)力箱梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量的最終體現(xiàn)。本文從鋼絞線的力學(xué)性能、孔道位置線型、錨具質(zhì)量精度、張拉控制程序等多方面探討了錨固失效的原因。提出了相應(yīng)的處理措施,以期為實(shí)際施工提供指導(dǎo)。

針對(duì)用于夾持鋼絞線預(yù)應(yīng)力筋的夾片式錨具張拉施工,提出確定張拉順序、配備張拉機(jī)具的要點(diǎn),以及在張拉施工容易出現(xiàn)的梁體裂紋、鋼絞線劃絲、斷絲、預(yù)應(yīng)力筋的伸長(zhǎng)值異常等問(wèn)題,并分析了它們發(fā)生的原因,最后提出針對(duì)該問(wèn)題的預(yù)防措施和解決方案。

目的研究cfrp筋?yuàn)A片-粘結(jié)型錨具靜載錨固性能、疲勞性能及周期荷載性能.方法在充分利用現(xiàn)有分離夾片式錨具及配套張拉設(shè)備,避免相關(guān)產(chǎn)品二次開發(fā)的前提下,提出了一種預(yù)應(yīng)力cfrp筋?yuàn)A片-粘結(jié)型錨具,利用試驗(yàn)對(duì)此類錨具系統(tǒng)的靜載錨固性能、疲勞性能及周期荷載性能進(jìn)行研究.結(jié)果試驗(yàn)結(jié)果表明,錨具各部分能夠協(xié)同工作,形狀保持良好,錨具組裝件靜載錨固效率系數(shù)均超過(guò)了0.95,平均值為0.99;各錨具組裝件在經(jīng)受循環(huán)疲勞荷載及周期荷載后,錨具夾持區(qū)域cfrp筋均未發(fā)生破壞,錨具組裝件完好,達(dá)到了現(xiàn)行適用于鋼筋(絲)或鋼絞線的規(guī)范要求.結(jié)論筆者研制的夾片-粘結(jié)型錨具能有效地錨固試驗(yàn)中所用的cfrp筋,具有優(yōu)異的靜載錨固性能和良好的動(dòng)載性能,具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值.

在國(guó)內(nèi)首座cfrp索斜拉橋上使用并獲得國(guó)家專利的錨具結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上,研究了直筒+內(nèi)錐+直筒的新型錨固方案;建立有限元模型,對(duì)比分析了優(yōu)化前后的錨具筒壁接觸應(yīng)力和摩擦應(yīng)力,結(jié)果定性地表明,在錨具末端設(shè)置直筒段的有效性;對(duì)改進(jìn)后的錨具進(jìn)行靜載張拉試驗(yàn),主要測(cè)試靜載張拉過(guò)程中錨固區(qū)筋材表面的應(yīng)力分布和變化情況;試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果吻合良好,表明該優(yōu)化方案有效可行;據(jù)錨具破壞前錨固區(qū)的應(yīng)力轉(zhuǎn)移現(xiàn)象提出了對(duì)粘結(jié)式cfrp錨具的破壞監(jiān)測(cè)方法。

當(dāng)復(fù)合材料frp(fiberreinforcedpolymer/plastics)筋或拉索應(yīng)用到斜拉橋的拉索體系時(shí),黏結(jié)式錨具和夾片式錨具均有其自身的局限性。對(duì)此,根據(jù)普通拉索錨固體系的特點(diǎn),并結(jié)合cfrp筋?yuàn)A片式錨具和黏結(jié)式錨具的研究成果,提出了錨固cfrp筋的復(fù)合式錨具。復(fù)合式錨具由楔緊錨固端和黏結(jié)錨固端組成,其中楔緊錨固端包括錨杯、帶有凹齒的夾片、鋁套管以及塑料薄膜,黏結(jié)錨固端包括鋼套筒和黏結(jié)介質(zhì)活性粉末混凝土rpc(reactivepowerconcrete)。靜載試驗(yàn)研究了錨杯長(zhǎng)度、鋼套筒長(zhǎng)度、夾片預(yù)緊力、筋材預(yù)張拉力等試驗(yàn)參數(shù)對(duì)復(fù)合式錨具錨固性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,復(fù)合式錨具的試件極限荷載最大為208kn,相應(yīng)的錨固效率系數(shù)為104%,大于95%,滿足規(guī)范要求。復(fù)合式錨具兩種錨固形式的錨固長(zhǎng)度較合理組合為:對(duì)不預(yù)張拉錨具,錨杯長(zhǎng)度40mm,黏結(jié)錨固長(zhǎng)度100mm;對(duì)預(yù)張拉錨具,錨杯長(zhǎng)度60mm,黏結(jié)錨固長(zhǎng)度60mm。提出的復(fù)合式錨具極限荷載計(jì)算式具有較好的適用性。

提出了一種預(yù)應(yīng)力碳纖維增強(qiáng)塑料(carbonfiberreinforcedpolymer,cfrp)筋?yuàn)A片-黏結(jié)型錨具系統(tǒng),通過(guò)靜載錨固性能試驗(yàn),研究了不同幾何參數(shù)對(duì)其錨固性能的影響.試驗(yàn)結(jié)果表明,通過(guò)試驗(yàn)改進(jìn)后的夾片-黏結(jié)型錨具能有效地錨固試驗(yàn)中所用的cfrp筋.

預(yù)應(yīng)力碳纖維增強(qiáng)塑料(cfrp)筋?yuàn)A片式錨具的研究引起我國(guó)土木工程界的廣泛關(guān)注.為研制適合cfrp筋的錨固裝置,根據(jù)cfrp筋的特性,研制了60,90mm及2×60mm串聯(lián)式單根直徑7mmcfrp筋?yuàn)A片式錨具,并對(duì)其進(jìn)行錨固性能的張拉試驗(yàn).通過(guò)錨具錨固性能試驗(yàn),分析了錨固失效的原因.研究表明,cfpr筋的性能和品種、錨具長(zhǎng)度、緩和介質(zhì)及預(yù)緊力的大小是影響夾片式cfrp筋錨具錨固性能的主要因素.

分析了現(xiàn)行錨索錨具在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中存在的問(wèn)題,提出了研制新型錨索錨具—球型錨具的思路,并研制出了km18型球型錨具,通過(guò)地面試驗(yàn)室試驗(yàn)和在煤礦掘進(jìn)工作面試驗(yàn),得出了結(jié)論。

錨索應(yīng)用于煤巷時(shí),當(dāng)錨孔與頂板斜交,頂板傾斜,或孔口圍巖破壞,錨索將在孔口處受到剪切應(yīng)力,減弱錨索的支護(hù)能力,許多錨索在孔口發(fā)生破斷,因此,設(shè)計(jì)出球面錨索錨具,可以自動(dòng)調(diào)節(jié)錨索中心線和錨孔中心線之間的角度,改變孔口的受力特征,減小剪切應(yīng)力,提高錨索的性能。

探討大噸位錨固下波形齒錨具的錨固性能,研究波形齒錨具緊固螺栓的軸力和cfrp片材縱向拉力的關(guān)系.結(jié)果表明:錨固情況下,波形齒錨具仍能有效錨固cfrp片材;緊固螺栓的軸力n分為拉拔cfrp片材前螺桿上的初始軸力和拉拔cfrp片材時(shí)由彎曲效應(yīng)產(chǎn)生的附加軸力2部分;建議擰緊螺帽后,緊固螺栓的初始軸力為cfrp片材理論極限縱向拉力的0.15倍.

以國(guó)內(nèi)首座cfrp索斜拉橋上使用并獲得國(guó)家專利的直筒加內(nèi)錐式錨具為研究對(duì)象,選取cfrp筋所受徑向擠壓應(yīng)力作為主要研究參數(shù),對(duì)其進(jìn)行影響因素的分析,并提出相應(yīng)的優(yōu)化方案。研究表明:采用優(yōu)化方案后,錨具的擠壓應(yīng)力在錨固長(zhǎng)度范圍內(nèi)有所減少且分布更趨于均勻,錨固能力較原錨具也有所提高,說(shuō)明優(yōu)化方案是可行的。

柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司 代表數(shù)量：批號(hào)： m15-12bt 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值單項(xiàng)判定 合格 合格 合格 試驗(yàn)結(jié)果 / 合格 合格 3089.12 0.97 3.6 / / 夾持處 剪切1根 / ≥0.95 ≥2.0 3078.92 0.97 3.7 夾持處 剪切1根 3067.73 0.97 3.6 夾持處 剪切1根 效率系數(shù)ηa 總應(yīng)變 εapu(%) 靜 載 錨 固 性 能 破 壞 情 況 斷口位置 斷筋檢查 試驗(yàn)后錨 具檢查 委托編號(hào)： 試驗(yàn)日期： mj-20090517-13 2009-06-17 檢驗(yàn)項(xiàng)目 組裝件實(shí)測(cè) 極限拉力 fapu(kn) 試驗(yàn)：技術(shù)負(fù)責(zé)人：?jiǎn)挝唬ㄕ拢?fù)核： 備注預(yù)應(yīng)力筋實(shí)測(cè)平均極限拉力為267.3kn。

結(jié)合新疆高昌故城土建筑遺址保護(hù)工程,將土工長(zhǎng)絲這種新型錨桿應(yīng)用于墻體加固.基于全長(zhǎng)粘結(jié)式錨桿的mindlin解,對(duì)其抗拔力進(jìn)行了理論分析,推導(dǎo)出抗拔承載力計(jì)算公式,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,并就影響錨桿抗拔承載力的因素及其破壞模式進(jìn)行探討.試驗(yàn)結(jié)果表明,土工長(zhǎng)絲錨桿可以滿足土建筑遺址墻體加固的要求;通過(guò)加肋改變錨桿表面狀態(tài)對(duì)錨固力的提高非常顯著.

為了提高錨索的承載能力和使用壽命,設(shè)計(jì)了新型球面錨索錨具,通過(guò)錨索靜載拉拔實(shí)驗(yàn),模擬錨索在應(yīng)用中可能出現(xiàn)的各種情況,調(diào)節(jié)錨索中心線與錨固面的角度,加載直到破壞。通過(guò)新型球面錨索錨具與普通錨索錨具的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,驗(yàn)證球面錨索錨具有更好的承載能力和減弱剪切應(yīng)力的能力,從而為新型錨索錨具的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

文章在總結(jié)了多年來(lái)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼絞線、錨夾具檢測(cè)工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)夾片式錨具靜載錨固試驗(yàn)中的各種影響因素進(jìn)行了詳細(xì)的分析。概述錨具、夾具和連接器按照錨固方式不同,可分為夾片式、支承式、錐塞式和握裹式4種。根據(jù)jt/t329—2010《公路橋梁預(yù)應(yīng)力鋼絞線用錨具、夾具和連接器》的靜載錨固要求,用預(yù)應(yīng)力筋-錨具組裝件靜載試驗(yàn)測(cè)定的錨具效

錨固性能結(jié)果除了受錨具自身質(zhì)量的影響,試驗(yàn)所用鋼絞線、試驗(yàn)前樣品的處理、組裝件安裝、試驗(yàn)加載控制以及試驗(yàn)設(shè)備等等均有影響,稍有不慎試驗(yàn)失敗,甚至出現(xiàn)對(duì)錨具性能造成誤判。通過(guò)多年的工作,對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中容易出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了分析總結(jié)。

為研究cfrp筋復(fù)合型錨具的主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)錨固性能的影響及錨具內(nèi)部受力情況,設(shè)計(jì)了5個(gè)復(fù)合型錨具的參數(shù)靜載試驗(yàn),測(cè)量了錨具的極限荷載、錨環(huán)-cfrp筋間滑移變形和金屬筒測(cè)點(diǎn)應(yīng)變,通過(guò)靜載試驗(yàn)對(duì)比分析了各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)錨固效果的影響,以及金屬筒表面應(yīng)力的分布情況與變化規(guī)律.研究結(jié)果表明:當(dāng)金屬筒壁厚為2mm,夾片夾持長(zhǎng)度為65mm,粘結(jié)長(zhǎng)度為500mm時(shí),錨具的錨固性能較好;夾片-金屬筒間錨固良好,無(wú)滑移;金屬筒應(yīng)力分布與變化可反映錨具內(nèi)部受力情況,測(cè)點(diǎn)應(yīng)力曲線峰值預(yù)示該位置附近的膠體與cfrp筋間的粘結(jié)破壞.

為解決cfrp絞線的錨固問(wèn)題,設(shè)計(jì)了7組夾片-粘結(jié)串聯(lián)式錨具進(jìn)行靜載試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明:粘結(jié)錨固段承擔(dān)的荷載較夾片錨固段大,一定范圍內(nèi)在錨具總長(zhǎng)度一定的情況下,隨夾片長(zhǎng)度增大,錨固效率系數(shù)呈下降趨勢(shì);隨荷載逐級(jí)加大夾片端部應(yīng)變成增大趨勢(shì),且為受拉狀態(tài);距離張拉端150mm處錨杯外側(cè)處的徑向應(yīng)變隨荷載增大數(shù)值變化不明顯。該試驗(yàn)設(shè)計(jì)的錨具最高錨固效率系數(shù)能達(dá)到99.4%,滿足預(yù)應(yīng)力筋用錨具技術(shù)規(guī)程,能有效錨固試驗(yàn)所用cfrp絞線。

試驗(yàn)檢測(cè) 日期結(jié)果 1圍護(hù)結(jié)構(gòu)威海銀興預(yù)應(yīng)力線材有限公司17.8mm-186014-052014年10月19日18.53612015年03月30日合格 szgjxl15 -00001 吳樂(lè)文孟聃 2圍護(hù)結(jié)構(gòu)山東旭光得瑞高新材料股份有 限公司 m18-3201410042014年10月19日230套12015年04月01日合格szjs15- 00003 吳樂(lè)文孟聃 3圍護(hù)結(jié)構(gòu) 山東旭光得瑞高新材料股份有 限公司 m18-4201410042014年10月19日230套12015年04月01日合格 szjs15- 00004吳樂(lè)文孟聃 4圍護(hù)結(jié)構(gòu) 山東旭光得瑞高新材料股份有 限公司 m18-5201410042014年10月19日230套12015年04月01日合格 szjs15- 00005吳樂(lè)文孟聃 5圍護(hù)結(jié)