（固体力学专业论文）碳纤维增强预应力筋锚具的设计研究.pdf

山东大学硕士学位论文 曼! 詈! ! ! ! ! ! ! 曼曼皇曼曼曼曼曼! ! 鼍! ! ! ! 皂! ! ! ! ! ! ! 曼! ! 曼曼曼! ! 曼曼! 曼! ! 曼! ! ! 苎! ! ! ! 曼! ! ! ! 曼曼曼鼍! 鼍 摘要 c f r p ( 碳纤维增强塑料) 筋作为一种新型的复合材料，和钢筋相比具有比 强度高、抗腐蚀能力强、抗疲劳性能好、耐电磁等优点，在预应力结构中作为预 应力筋代替传统的预应力用高强度钢绞线，具有很好的发展前景。 目前使用的c f r p 筋在具有上述优点的同时，还存在一些不足，主要表现为： 材料各向异性，抗剪强度低，造成受力上有许多不同于传统材料的现象。碳纤 维锚具的研究目前已成为全球预应力科研的研究热点。c f r p 作为预应力材料， 首先要解决锚固问题，其最终承载能力取决于锚具系统的锚固性能而不是预应力 筋本身的强度。 现有的碳纤维筋锚具主要有两大类：楔紧型锚具和粘结型锚具。在工程应用 中仍然存在以下几个重要问题：( 1 ) 楔紧型锚具在锚固区对碳纤维筋产生过大的 夹持力，导致碳纤维筋的剪切破坏；( 2 ) 粘结型锚具中，粘结材料在长期载荷作 用下会发生蠕变，导致过大的预应力损失。 本课题研究以碳纤维锚具的基本锚固单元为研究对象，设计一种新型c f r p 筋锚具，从静载试验、数值计算两个方面着手确定该锚具的最佳参数，并通过静 载试验、疲劳试验研究该锚具性能，旨在设计一种适用于c f r p 筋的新型c f r p 筋夹片式锚具，解决c f r p 筋在预应力结构中的锚固问题，推动c f r p 筋在预应 力结构中的应用。 关键词：碳纤维筋；钢筋预应力混凝土结构；楔紧型锚具；粘结型锚具 i v 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a san e wt y p eo fc o m p o s i t em a t e r i a l s ，c o m p a r e dw i t hs t e l l ，c f r p ( c a r b o n f i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c ) t e n d o n sh a v em a n ya d v a n t a g e ss u c ha sh i g h s t r e n g t h t o - w e i g h tr a t i o 、e x c e l l e n tc o r r o s i o nr e s i s t a n c e 、e x c e l l e n t f a t i g u er e s i s t a n c e 、h i g hf a t i g u es t r e n g t ha n de l e c t r o m a g n e t i c n e u t r a l i t y ，a n ds oo n r e p l a c i n gt r a d i t i o n a lh i g hs t r e n g t hs t e e lt e n d o n w i t hc f r p ，w h i c he s s e n t i a l l ys o l v e st h ep r o b l e m so fc o r r o s i o na n df a t i g u e o fr e i n f o c e dc o n c r e t es t r u c t u r e ，e s p e c i a l l yp e r s t r e s s e ds t r u c t u r e ，h a s p r e t t yf o r e g r o u n d b u tc f r pb eu s e da tp r e s e n th a ss o m ed e f i c i e n c i e s ，s u c ha sm a t e r i a l a nis o t r o p y ，a n dt h o s ec a u s em a n yp h e n o m e n o n sd if f e rin gf r o mc o n v e n tio n a l m a t e r i a l t h er e s e a r c ho fc a r b o nf i b e ra n c h o r a g ea t t r a c t sm u c hm o r e a t t e n t i o ni nt h ew o r l dp r e s t r e s s e dr e s e a r c h a sap r e s t r e s s e dm a t e r i a l ， c f r pf i r s t l ys h o u l ds o l v et h ea n c h o r a g ep r o b l e mt h a tt h el o a d 。c a r r y i n g c a p a c i t yi st od e p e n d e n to nt h ea n c h o rp e r f o r m a n c eo fa n c h o r a g es y s t e m ，n o t t h es t r e n g t h e no fp r e s t r e s s e dt e n d o ni t s e l f a v a il a b l ea n c h o r sf o rf r pt e n d o nm a i n l yc o n t a i nt w ot y p e s ：w e d g e t y p e o n c h o r a g ea n db o n d t y p ea n c h o r a g e 。t h e r ea r es o m ei m p o r t a n tp r o b l e mi n p r a c t i c a lp r o j e c t ：1 ，e x c e s s i v er a d i a lp r e s s u r eo nf r pt e n d o ne x e r t e db y w e d g er e s u l ti np r e m a t u r ef a i l u r ei na n c h o r a g ez o n e ，2 ，t h ec r e e po fr e s i n a sb o n e dm a t e r i a lr e s u l t s i nt h el o s s e so fp r e s t r e s s i n gs t r e s sa n dt h e l o n g t e r m s t a b ili t yisp o o r t h i sp a p e rw h o s er e s e a r c ho b j e c ti sb a s i ca n c h o r a g ee l e m e n t ，u s i n g ac o m b i n a t i o nm e t h o do ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lm e a n s ，d e s i g nan e wt y p eo f c f r pt e n d o nw e d g e t y p ea n c h o r a g e t os o l v et h ea n c h o r a g ep r o b l e mo fc f r pt e n d o na p p li e di np r e s t r e s s e d s t r u c t u r ea n dt op r o m o t et h ea p p li c a t i o no fc f r pt e n d o ni np r e s t r e s s e d s t r u c t u r e v 山东大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：c a r b o nf i b e rt e n d o n ；p r e s t r e s s e dr e i n f o c e dc o n c r e t e s t r u c t u r e ：w e d g e t y p ea n c h o r a g e ：b o n d t y p ea n c h o r a g e v i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：适垫避日论文作者签名：遣坠燃 日期：竺! ! ：三：! 兰 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人 授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：赵庭垫师签名：垃日 期： 2 o oc 箩乙o 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 概述 由于混凝土价格低廉、抗压能力强和具有良好的耐久性能，使得近一百年来 在建筑工程中得到了广泛的应用。钢筋混凝土，特别是预应力钢筋混凝土的出现， 使得各类结构向高层、超高层、大跨、超大跨方向发展成为了可能。但是，钢筋 混凝土结构中普遍存在着锈蚀问题，钢筋，特别是预应力钢筋的锈蚀后会导致结 构承载能力大大下降，严重的甚至会使结构失效。 钢筋、预应力钢筋的锈蚀问题，一方面是由于结构所处的环境造成的，混凝 土保护层过薄或者密实性较差，致使空气中的酸、碱、盐、水和钢筋发生电化学 反映，对钢筋产生腐蚀；另一方面是材料方面的原因造成的，作为金属材料，钢 筋较容易和化学物质发生反应。据估计，仅美国境内的1 6 万座桥梁因钢筋锈蚀 而每年需要的维修费就达数百亿美元【1 1 ，而欧洲每年在此项上的花费就高达1 8 亿美元 2 1 。我国上世纪5 0 年代前建造的桥梁大部分因钢筋锈蚀而严重破坏，目 前有近1 0 万座桥梁钢筋腐蚀严重，1 9 8 1 年我国对华南地区1 8 座钢筋混凝土码 头的调查表明：尽管使用期仅有7 1 5 年，但有1 6 座码头的水上部分构件已发生 了严重地损坏【3 】。1 9 8 4 年对浙江镇海的2 2 座中小沿海水工建筑物进行了调查， 9 6 7 根构件中由于钢筋锈蚀导致出现顺筋裂缝破坏的有5 3 8 根1 4 1 。随着时间的推 移，各类构件中的钢筋锈蚀问题将更加严重。目前，我国正处于大规模的基础设 施建设时期，如何采用新技术和新材料提高结构的耐久性、延长结构的使用寿命 和降低结构的维护成本，是一个急需解决的问题。 解决钢筋锈蚀问题比较传统的方法是提高钢筋和预应力筋的耐腐蚀能力，比 如采用高质量的混凝土保护层、在混凝土表面涂敷防水涂料、用不锈钢作钢筋、 开发新型涂层钢筋、在混凝土中增加阻锈剂等【5 】，均是从沿用钢筋的角度去考虑， 未能长期有效的解决钢筋锈蚀问题【6 】【7 】o 而目前，一个很有发展前景的方法是利 用纤维增强塑料( f r p ) 代替预应力混凝土中的钢筋和预应力钢筋【引| 9 1 。 1 2 纤维 按原材料不同，纤维可以分为碳纤维( c f i 冲) 、玻璃纤维( g f l 冲) 、芳纶纤 维( a f i 冲) 三大类，还有其他如陶瓷纤维、聚丙烯纤维等。 山东大学硕士学位论文 c f r p 是由有机纤维在惰性气体中经高温炭化合成的无机纤维。c f r p 原丝 具有质量轻、比强度高、比模量高、耐腐蚀、耐疲劳、耐磨、蠕变小、化学惰性、 振动衰减稳定、耐电磁干扰和生物相容性好等优越性能【0 1 1 1 】，同时具有良好的 传热和导电性能，但c f r p 原丝的极限延伸率低，仅为7 2 2 1 1 2 j ，故其抗冲击 性能较差。目前，c f r p 原丝抗拉强度可以达到7 0 0 0 m p a ，拉伸模量为2 9 3 g p a 3 1 。 g f r p 是技术含量较低而应用量最大的纤维。其特点是强度高、松弛率低、 制造成本低和绝缘性能好，但其弹性模量低，且在碱性、潮湿环境和长期荷载作 用下性能有较大幅度的降低。应用较多的g f r p 主要有e g l a s s 和s - g l a s s 两种【1 3 】。 a f r p 是芳香聚酸胺纤维的简称，是一种人造有机纤维，由苯二甲酸和苯二 胺化合而成。a f r p 主要有两类：一类是聚对苯二甲酰对苯二胺( p p d a ) 纤维， 另一类是聚对苯甲酰胺( p b a ) 纤维【14 1 。a f r p 于1 9 7 1 年由美国杜邦公司发明， 它的拉伸强度和初始模量较高，刚性、受拉韧性好，且极限延伸率比c f r p 高， 具有优越的耐冲击性能。a f r p 的弹性模量和抗拉强度均比c f r p 低，其抗拉强 度为2 6 0 0 3 5 0 0 m p a ，弹性模量为8 3 18 6 g p a ；紫外线直接照射会降低a f r p 的 力学性能；a f r p 的松弛率较大，尤其是在潮湿的环境中；a f r p 的密度比c f r p 小，且是低导电的。 1 3f r p 筋的简介 f r p 筋是多股连续纤维通过基底材料进行胶合后，再经过特制的模具挤压、 拉拔和固化成型而成的复合材料”】。这种挤压拉拔工艺具有费用低、质量高且 纤维方向性好等特点。f r p 筋包括纤维和基底粘结树脂两部分，其中f r p 纤维 一般为直径在5 2 0um 的连续纤维，在f r p 筋中起加劲作用，作为受力的主体； 基底粘结树脂的主要作用是粘结、传递剪力和保护f r p 纤维，它将纤维束粘结 成整体，既能保护纤维免受机械破坏和化学腐蚀，又能使纤维整体受力，给纤维 提供横向支撑【1 6 】。按纤维原丝材料不同，f i 冲筋可分为碳纤维( c f r p ) 筋，玻 璃纤维( g f i 冲) 筋和芳纶纤维( a f r p ) 筋。 1 3 1f r p 筋的特点 f p r 筋的物理、力学性能与其内的纤维种类、纤维含量、粘结基体、表面 处理及成型工艺等因素有关。相对于钢筋和预应力钢筋，f r p 筋主要有以下优点： ( 1 ) 比强度高。f r p 筋顺纤维方向抗拉强度远高于普通钢筋，也高于一般预 2 山东大学硕士学位论文 应力筋，但比重仅为钢筋的1 4 1 6 ，如c f r p 筋的抗拉强度一般在1 5 0 0 2 5 0 0 m p a 之间，高的可达3 7 0 0 m p a ，但密度仅为钢筋的1 5 1 7 】。 ( 2 ) 抗腐蚀能力强，这是f r p 筋最突出的优点之一。在一些水利工程、桥梁、 码头等环境潮湿、易受腐蚀的工程中，用f r p 筋代替钢筋和预应力钢筋，可以 显著地延长结构的耐久性，减少结构的后期维护成本【1 羽。 ( 3 ) 抗疲劳性能好。其中c f r p 筋和a f r p 筋的抗疲劳性能为钢筋的3 倍1 9 1 。 ( 4 ) 电磁绝缘性好。可以适用于一些对电磁影响有特殊要求的结构。 ( 5 ) 减震性能好。f r p 材料自振频率较高，可以避免早期共振：同时，f r p 材料自身阻尼比较大，一旦振动，能迅速衰减。 f i 冲筋虽然有上述优点，但也有一些不利特性，如抗剪强度低，作为各向异 性的复合材料，横向抗剪强度仅为其纵向抗拉强度的1 1 0 左右；无塑性，f r p 筋在加载过程中没有明显屈服点，应力应变曲线始终保持线弹性2 0 1f 2 l 】：极限延 伸率低于高强度预应力钢筋，远低于普通钢筋；弹性模量相对与钢材较低；当持 续荷载高于极限抗拉强度的7 5 , - - 8 0 时，f r p 筋的使用寿命会受到影响，容易 发生蠕变断裂；热稳定性差等【捌。 1 3 2f r p 筋的性能比较 不同f r p 筋的力学性能及其与普通钢筋和高强度钢筋的力学性能的对比见 表1 1 2 3 1 1 2 4 【2 5 1 。 表1 1 纤维增强塑料筋的力学性能 密度弹性模量抗拉强度极限应变1 0 0 小时松弛率 纤维筋类型 ( g m m 3 ) ( g p a )( m p a )( )( ) 普通钢筋 7 8 52 1 0 4 9 0 - 7 0 01 0 o 高强度钢筋 7 8 51 8 0 2 0 01 4 0 0 - l8 6 04 o1 1 0 1 2 5 碳纤维筋 1 5 1 61 2 0 1 8 015 0 0 3 7 0 0 0 5 1 7 1 - 3 碳纤维绞线 1 5 1 61 3 716 8 0 2 4 5 01 1 5 玻璃纤维筋 1 2 5 2 13 5 6 56 0 0 16 7 01 2 3 11 8 芳纶纤维筋 1 2 5 1 4 l o 1 2 5 1 2 0 0 2 5 5 01 吵4 4 也o 注：由于生产工艺的差别，不同的f r p 筋力学性能也有一定差别。 3 山东大学硕士学位论文 作为复合材料，c f r p 筋、g f r p 筋、a f r p 筋在物理、力学性能上有许多 共性，但也存在许多差异： ( 1 ) c f i 冲筋纵向抗拉强度最高，达到甚至超过高强度钢筋；a f r p 筋居中， 与高强度钢筋相近；g f r p 最低，略低于高强度钢筋； ( 2 ) c f r i 筋弹性模量最高，相当于高强度钢筋的7 5 ，a f r p 和g f r p 依次 降低； ( 3 ) 和高强度钢筋相比，f r p 筋存在着蠕变变断裂问题。g f r p 筋最容易发生 蠕变断裂，c f r p 不易断裂，而a f r p 筋居中； ( 4 ) c v r r 筋和a f r p 筋抗疲劳性能明显优于钢筋，而g f r p 筋抗疲劳性能略 低于钢筋； ( 5 ) c f r p 筋和g f r p 筋松弛率和高强度钢筋比较接近，而a f r p 抗疲劳性能 较高2 6 1 2 7 1 ： ( 6 ) 相比而言，c f r p 筋的耐腐蚀性能要明显优于g f r p 筋和a f r p 筋。 由以上比较可以看出，c f r p 筋的总体性能最好，应优先考虑用c f r p 筋代 替钢筋和预应力钢筋。 1 4c f r p 筋的研究和在工程中的应用现状 由于c f r p 筋在性能上优于a f r p 和g f r p ，目前对f r p 筋的研究重点主要 集中在c f r p 上。可用于混凝土结构的c f r p 筋主要有四种类型：光圆筋、螺纹 筋、巨型截面筋和工字型截面筋，这是目前比较常用的c f r p 筋，其中c f r p 纤 维的含量一般为6 5 , - , 7 5 ，树脂的含量为2 5 0 0 , , 3 5 。 1 4 1c f r p 筋的基本性能 ( 1 ) 物理性能：c f r p 筋密度在1 5 9 m m 3 1 6 9 m m 3 ，为普通钢材的1 5 ；热膨 胀系数在c f r p 纵向和横向上不同，纵向热膨胀系数主要取决于c f r p 的性质， 而横向热膨胀系数主要取决于树脂的特性。 ( 2 ) 力学性能：c f r p 筋在受拉破坏之前不表现出任何塑性，应力应变为线弹 性关系；现常用的c f r p 筋纵向抗拉强度在1 5 0 0 m p a 3 7 0 0 m p a 之间，其抗拉强 度和刚度主要取决于c f r p 纤维的性能和含量；c f r p 筋的抗剪强度很低，通常 不超过抗拉强度的1 0 ，c f r p 筋的破坏形式通常是横向剪切破坏，而非横向受 4 山东大学硕士学位论文 拉破坏。 ( 3 ) 持续荷载下c f r p 筋的特性：c f r p 筋在持续荷载作用下，经历一定的时 间后会发生突然破坏，这种现象称为蠕变断裂，相应的时间称为耐受时间。在三 种纤维筋中，g f r p 筋对蠕变断裂最敏感，a f r p 筋居中，c f r p 筋最不敏感。 有试验结果表明：在1 0 0 小时之内，蠕变断裂强度与时间对数值之间存在线性关 系。按此规律进行线性外部插值，c f r p 筋的蠕变断裂应力与其短期抗拉强度的 比值为o 9 3 时，耐受时间为5 0 年l 8 1 。随着持续拉应力与抗拉强度比值的增大， 在极度恶劣环境下，如高温、紫外线辐射、强碱、干湿循环或冰冻循环，c f r p 筋的耐受时间会发生不可逆的降低。 ( 4 ) 耐久性：c f r p 对一些环境变化具有一定的敏感性，包括水、紫外线辐射、 高温、酸碱环境以及盐溶液等，特别是强碱性孔隙水。处于这些环境中时，c f r p 筋的性能将出现一定程度的衰减，衰减幅度取决于材料成分、性能、生产及施工 过程中的质量控制等。 1 4 2 国外0 f r p 筋在工程中的应用 自2 0 世纪8 0 年代中期以来，欧美及日本等发达国家开始研究c f r p 这种新 型人工纤维复合材料，并已成功地应用于工程实际中，在一些领域中呈现出替代 预应力钢筋的趋势。 c f r p 筋在工程中的应用有一个共同点，就是利用了c f r p 筋作为非金属材 料的耐腐蚀性和抗电磁性的特点。但从发挥材料强度方面来讲，则分为两大类， 一类是低应力水平的，如高速公路、隧道等；一类是高应力水平的，如预应力桥 梁。由于桥梁所处的环境比较恶劣，预应力钢筋锈蚀问题比较严重，所以c f r p 筋作为预应力筋代替预应力钢筋应用于桥梁中，以充分发挥c f r p 筋的高强特性 和防腐特性，是目前c f r p 筋应用于工程的重点。也可以说，c f r p 筋在桥梁中 的应用，基本上代表了一个国家c f r p 的应用水平。 1 、日本 日本于7 0 年代开始研究f i 冲，于8 0 年代取得重大突破，可以说日本f i 心 的制造及应用相关技术引领世界的。同本对f r p 的研究集中在f r p 筋、板及网 产品的研制、试验方法以及应用于混凝土构件、地下工程的设计方法等2 9 1 。日 本关于f i 冲材料的规程、指南也比较有权威，主要又( ( f r p 加固混凝土结构设 5 山东大学硕士学位论文 计指南、使用连续纤维补强材料的混凝土结构设计、施工指南、连续纤维补 强材料的质量规范、连续纤维补强材料的试验方法等。 日本f r p 筋的应用最为广泛，在1 9 9 8 年f r p 应用于工程的项目就达几百个 1 3 0 。特别是1 9 8 8 年至1 9 9 2 年间进行了大量的工作，建成了多座预应力f i 冲筋 混凝土桥梁，有先张法也有后张法，极大地促进了f r p 筋的应用和发展。 1 9 8 8 年，c f r p 绞线第一次作为预应力筋，应用于石川县的新宫桥，该桥为 先张预应力混凝土板式公路桥，所用c f r p 绞线公称面积为7 6 m m 2 ，弹性模量为 1 3 2 g p a 1 4 7 g p a ，抗拉强度为1 8 4 0 m p a ，保证破断力为1 3 7 k n ，张拉和锚固后的 瞬时c f r p 绞线拉应力分别为o 6 f p 。k 和0 5 5 f p t k ，f d t l ( 为c f r p 绞线的保证强度。 1 9 9 2 年，在日本爱知县南设乐郡郊区俱乐部内建成的飞翔桥，全长1 1 l m ， 净跨7 5 m ，宽度3 6 m ，是世界上第一座采用c f r p 筋作为预应力筋的预应力混 凝土桥梁，该桥全面使用了耐腐蚀优良的c f r p 作为预应力筋，并获得成功1 3 ， 这说明只要重视设计和施工中的各个环节，密切配合试验，严格管理，以c f r p 筋取代钢筋作为预应力筋是完全可行的。 在随后的几年间，日本应用c f r p 材料作为预应力筋修建了一系列桥梁，不 同类型的c f r p 筋性能试验以及所需锚固系统的研究也都已完成。日本在f r p 领域的蓬勃发展与日本政府、企业及各大研究机构的精诚合作和积极投入是分不 开的，日本在f r p 研究和应用方面取得成功的发展道路是值得其他国家学习和 借鉴的。 2 、美国 可以说，美国是世界上首先研发f r p 的国家【3 2 】。1 9 5 9 年美国联合碳化物公 司就生产出世界上第一根c f f u p ，1 9 7 1 年美国杜邦公司又发明了a f r p t 3 3 1 。六七 十年代，为解决近海地区和气候寒冷地区的钢筋混凝土结构遭受盐蚀危害的问 题，美国m a r s h a l l v e g a 公司生产出一种c f r p 加强筋用于混凝土结构【3 4 1 。可以 说，这是对c f r p 研究和应用的开始，后来虽然也有一些复合材料方面的研究应 用，但是f r p 筋用于混凝土结构的大规模研究和应用并没有展开。 日本在1 9 8 8 1 9 9 2 年间f r p 在工程中的应用成果令世人瞩目，引发了其他 国家的研究兴趣。在对日本f r p 研究和应用状况全面总结的基础上，美国各学 6 山东大学硕士学位论文 会广泛开展了对f r p 筋混凝土的研究活动。在美国，几乎每个大学都有学者在 研究f r p 的相关课题，几乎每个州都有f r p 在桥梁工程中的实际应用。国家科 学基金会( n s f ) 、美国联邦公路局( f h w a ) 、美国混凝土学会( a c i ) 、塑料工 业协会( s p i ) 等有关部门和组织在f i 冲研究和应用上都给予了很大的帮助和支 持，美国材料实验协会( a s t m ) 还专门制定了f r p 材料的标准试验方法和材料 规格。1 9 9 1 年，美国成立了相应的专业委员会( a c ic o m m i t t e e4 4 0 ) ，指导国内 研究工作，并于1 9 9 6 年公布了一个综述报告，对f r p 筋的背景、组成成分的性 能、试验方法、设计准则、构件性能、实际应用及需要研究方向等进行论述。2 0 0 1 年该委员会提出f r p 筋应用在混凝土结构中的设计和施工准则。2 0 0 2 年正式出 版了体外粘贴法加固混凝土结构的设计施工，2 0 0 3 年正式出版了f i 冲筋混 凝土结构的设计及施工指南，近年来，美国已建成1 0 0 多座f r p 桥梁，可见f r p 筋在美国研究和应用速度的惊人。 3 、欧洲 在欧洲，将f r p 应用于混凝土建筑中的研究始于1 9 7 0 年【3 5 1 ，并取得了一 定的研究成果。2 0 世纪7 0 年代，德国斯图加特大学开始了关于f r p 的研究， 重点放在g f r p 预应力丝束上。制造商于1 9 7 8 年生产出g f r p 棒材( 直径为 7 1 5 m m ) 和一种用于后张拉设备的锚具，在德国和奥地利的几座桥梁中得到应 用。1 9 8 3 年，荷兰人开发出基于a f r p 的预应力构件，呈片状和棒状，但工程应 用很少。1 9 8 6 年德国修建了世界上第一座使用f r p 后张预应力拉索的高速公路 桥【3 5 】。 近年来，欧洲一些国家进行了一项名为“欧洲混凝土”( e u r o e r c t e ) 的泛欧 合作计划，着手c f r p 材料在工程上的开发应用，并在英国和挪威已建成一批示 范结构。丹麦在海宁建造的一座6 0 m 长斜拉桥上大量应用c f r p 合成材料。该 桥由1 6 根锚固于中央桥塔的斜拉索及其所支承的桥面组成，桥面板用6 根直经 1 2 5 m m 的7 股c f r p 绞线的作预应力后张拉。瑞士s t o r c h e n 的斜拉桥为世界上 第一座f r p 拉索斜拉公路桥，全长1 2 4 m ，2 4 根拉索中，除了钢拉索外，还用了 2 根3 5 m 长的c f r p 拉索，并为此专门开发了享有专利的锚固系统【3 6 j 。1 9 9 1 年 德国在路德维希港建成一座采用c f r p 筋束施加部分预应力，全长8 0 m 的预应 力混凝土桥梁。 7 山东大学硕士学位论文 1 4 3 国内c f r p 筋在工程中的应用 我国早在7 0 年代开始，就开始对f r p 进行研究，但由于种种原因，发展很 缓慢，与发达国家相比，我国f r p 研究和应用水平还很弱后f 3 7 】。但是近十多年 来，随着国家对f l i p 研究的大力投入和支持，我国f r p 事业有了飞快的发展。 1 9 9 8 年，我过正式开始了碳纤维增强塑料在加固修复土木建筑结构的工程应用 p 引，目前国内已完成多项工程，并已有多种碳纤维加固修复用片材。 目前，国家工业建筑诊断与改造技术研究中心、清华大学、东南大学、天津 大学、同济大学、湖南大学等单位均对f r p 在土木工程中的应用进行了不同程 度的研究，并取得了一定的成果。制约我国c f r p 筋在桥梁工程中应用的一个关 键因素是我国c f r p 筋相应的锚具体系还不完善，目前我国正致力于c f r p 筋以 及其他f r p 筋锚具的研发，并且已经取得一定的成果，但是还有一些不足，如 c f r p 筋容易产生剪切破坏，不能完全发挥c f r p 筋高强度的特性；种类参差不 齐，不能形成一定体系；缺少相关的使用规程等。也未有c f r p 筋作为预应力筋 应用于桥梁工程的实例。 1 5 本课题的研究内容 c f r p 筋以其自身特性，非常适合作预应力筋，但由于其横向抗剪强度很低， 仅为纵向抗拉强度的1 0 左右，传统的预应力筋锚具不再适用于c f r p 筋【3 9 】， 否则将会由于横向强度过低导致c f r p 筋横向剪切破坏。c f r p 作为预应力材料， 首先要解决锚固问题，其最终承载能力取决于锚具系统的锚固性能而不是预应力 筋本身的强度【4 0 1 。因此，c f r p 筋若想在预应力混凝土结构，特别是后张预应力 混凝土结构中得到应用和推广，必需要研制出与其材料特性相适应、能传递c f r p 筋高强度的新型锚固系统。 本课题以一c f r p 筋厂家提供的直径为9 m m 的c f r p 筋作为预应力筋，并 以c f r p 筋的基本锚固单元为研究对象，从静载试验、数值计算、疲劳试验三个 方面着手，设计和研究一种适用于c f r p 筋的新型c f r p 筋夹片式锚具。 本文对现有的c f r p 筋锚具做了归纳总结，为后期的新型锚具的开发和研究 做了启示和指导作用；在此基础上进行c f r p 筋锚具的设计和研究，首先通过静 载锚固试验对比不同夹片倾角和不同长度锚具的锚固性能，通过试验确定适宜的 尺寸，再通过有限元分析计算不同尺寸下c f r p 筋所受的径向压应力大小和分布 8 山东大学硕士学位论文 情况，验证试验结果；最后，对于静载锚固试验结果最佳的锚具进行重复静载试 验和疲劳试验，为c f r p 筋作为预应力筋的应用提供一定的参考。 9 山东大学硕士学位论文 第2 章现有的c f r p 筋锚具综述 目前，针对c f r p 筋的横向效应，国内外一些研究机构相继研制了一系列新 型锚具。国外对c f r p 筋锚具研究主要集中在几个发达国家，已经设计出一些形 式的锚具系统，但大部分是应用于先张预应力筋【4 ，其预应力的传递是利用预 应力筋与混凝土的粘结作用，而不是锚具。从锚固原理上，基本可分为两类：楔 形夹持式锚具和粘结型锚具【4 2 1 ，其各种形式如下所述。 2 1 楔形夹持式锚具 2 1 1 夹片式锚具 与传统的高强度预应力筋锚固原理相似，c f r p 筋夹片式锚具也是通过楔块 原理来锚固c f r p 预应力筋。锚具由带有内锥孔的锚环和夹片组成，一套夹片通 常为二到四片，夹片呈半圆形或扇形，内表面分为带细齿和不带齿两种，如图 2 1 。夹片式锚具在工地上便于安装，相应的施工规程也比较成熟，因而在预应 力工程中得到广泛使用【4 引。 锚环 图2 1 夹片式锚具不葸图 使用此种锚具时，由于夹片夹持效应，对c f r p 筋产生较大的夹持力，容易 使c f r p 筋局部破坏，进而导致锚具失效；另外在锚固区内c f r p 筋也很可能发 生剪切破坏。 针对夹片式锚具容易发生局部破坏和剪切破坏的特点，设计c f r p 筋夹片式 锚具时，应从减小摩擦力和咬合力以及保证锚固区c f r p 筋受力均匀两个方面着 手。目前，已经采取的一些有效措施归纳如下： ( 1 ) 选取合适的夹片，使用硬度较小的钢材或者其他非金属材料，如高性能 塑料等。 1 0 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 合理选择夹片的牙型参数，采用细齿牙型，同时在齿高h 和齿距t 上做 适当减少，使得在同样长度内承受压力的螺纹数量有所增加，有效地增加摩擦力， 又相应地减少了对c f r p 筋的嵌入深度，减轻了夹片机牙对c f r p 筋的咬伤程度 瞰1 ；或者采用不带牙齿的夹片，适当地增加锚固长度，并对夹片内表面做有效 的表面处理，以增加夹片与c f r p 筋的接触面的摩擦系数以增加摩擦力。 ( 3 ) 保证锚环锥孔内表面和夹片外表面光滑，使用时可涂一层油脂，有利于 锚具组装件的安装和夹片的顺利跟进，防止几片夹片因跟进不同步而导致c f r p 筋局部损伤。 ( 4 ) c f r p 筋与夹片之间加一层软金属套管，当夹片顶进锚具时，软金属套管 受挤压被挤进夹片之间的缝隙中，可以增大锚具对c f r p 筋的锚固面积，同时还 能防止夹片在c f r p 筋上产生压痕，减小c f r p 筋上的应力集中。 ( 5 ) 在c f r p 筋夹片式锚具中，夹片与锚环之间合适的锥角差可以使c f r p 筋上的应力沿轴向分布更加均匀f 4 5 】【4 6 】【4 7 】。如图2 2 ，夹片的锥角稍大于锥孔锥 角，在锚具后部先出现压力，随着夹片的顶进，夹片和锚环出现变形，两者之间 接触面积逐渐增大，锚具后部的压力逐渐向前段发展，当锥角差在一定范围之内 时，能使c f r p 筋受到的径向应力和剪力分布更均匀。 厂一1 i 图2 2c f r p 筋锚具锥角差不恿图 2 1 2 锥塞式锚具 锥塞式锚具的原理同夹片式锚具相似，由锥形锚环和锥塞组成，c f r p 筋束 放置在锚环内，并从中心均匀劈开，沿锚环径向均匀分布，锥塞从c f r p 筋劈裂 处顶进锚环，夹紧c f r p 筋，如图2 3 。 1 1 山东大学硕士学位论文 e 图2 3 锥塞式锚具示意图 该锚具避免了夹片对c f r p 筋的夹持，但是由于c f r p 筋在锚具前段不是直 线型，存在角变现象，容易产生应力集中导致c f r p 筋破坏，对c f r p 筋的强度 发挥有影响，并且对施工技术要求比较高，实际工程中较少使用。 2 2 粘结型锚具 c f r p 筋粘结型锚具基本上由金属或者非金属套管和粘结介质两部分组成， 套筒与c f r p 筋之间通过粘结介质的化学粘结力来达到锚固效果，如图2 4 。 金属套管 。 图2 4 粘结式锚具不恿图 粘结型锚具主要失效型式有两种：粘结强度不足，c f r p 筋从锚具中拔出， 造成粘结失效；粘结剂在持续载荷作用下发生过大的蠕变变形，产生过大的预应 力损失，使锚固失效。同时，粘结型锚具在工程应用中还有些不足之处，比如锚 具长度过大、抗冲击性能差、防潮和热耐久性差等。因此，粘结型锚具主要应用 于先张法锚具，用于后张法的很少。 由于光圆筋粘结性能差，为了增加c f r p 筋与粘结剂间的粘结性能，通常对 c f r p 筋表面进行处理，主要方法有粘砂、缠绕、勒痕等。同时，可对套管内表 面进行一定处理，以提高载荷的传递能力。 粘结剂是c f r p 粘结型锚具的关键，比较常用的粘结剂有环氧树脂、环氧铁 砂、树脂混凝土等，在选取粘结剂时，要考虑到其粘结性能、韧性、耐热性和抗 冲击性能等，减少蠕变，增加粘结剂的长期稳定行，以更好地满足后张法锚具的 1 2 山东大学硕士学位论文 要求。 2 3 楔形树脂锚具 这种锚具结合了夹片式锚具和树脂一套管锚具的特点4 8 1 ，是对树脂套 管锚具的一种改进，外套筒是圆锥形，楔块是树脂材料，利用楔块对c f r p 筋的 压力和树脂对c f r p 筋的粘结力来锚固f r p 筋，从而避免了普通金属夹片上细 齿槽对c f r p 筋的咬合，如图2 5 。只是此类锚具仍然存在蠕变变形以及湿热抵 抗性差的问题。 筋 图2 - 5 楔形树脂锚具示意图 1 3 山东大学硕士学位论文 第3 章新型弹簧夹片式锚具的设计和研究 3 1 新型弹簧夹片式锚具 在参考多种国内外c f r p 筋锚具的基础上，结合c f r p 筋的优缺点，并且通 过试验研究的方法，设计了一种新型的弹簧夹片式锚具。该锚具以国内一家c f r p 筋生产厂家提供的一种直径为9 m m 的c f r p 筋为预应力筋，从锚具材料和夹片 型式出发，克服了锚具锥口小端应力集中和应力突变等缺点。锚具由锚环和弹簧 夹片两部分组成，具体构造如下： ( 1 ) 锚环：锚环采用一种新型防腐金属材料，带锥形内孔，内表面光滑，并 在使用时涂一层油脂，以减小锚环和夹片间的摩擦力，增加夹片对c f r p 筋的夹 持力。 ( 2 ) 弹簧夹片：新型弹簧夹片是该锚具的关键，如图3 1 、3 2 ，整个弹簧夹片 为一个整体，采用一种硬度较小的新型防腐金属材料，圆柱形内孔直径为9 m m ， 内孔表面进行粗糙处理，不带牙齿，与c f r p 筋之间不存在咬合作用；沿径向开 六个宽为0 5 m m 的矩形槽，三个槽从锚具大端开始往下，不割透，另三个从锚 具小端往上，也不割透，六个矩形槽沿径向交替分布，这样整个夹片构成一个整 体的弹簧，所以称为弹簧夹片，当夹片顶进锚环的时候，整个夹片同步跟进，并 且当c f r p 筋产生变形时，六个矩形槽同步夹紧，这样使得作用在c f r p 筋上的 压力更均匀，不会对c f r p 筋造成局部损伤，不存在普通夹片式锚具由于夹片跟 进距离过长导致夹片错位和各片夹片分布不均匀导致c f r p 筋受力不均匀等情 况；夹片内孔小端有一个3 。的过渡小倒角，这样使得c f r p 筋在夹片小端受力 得到良好的过度，不会产生应力的突变，有效地减小了端口的应力集中。 ( 3 ) 锥角差：锚环内锥度为1 4 6 。，夹片外锥度为1 5 。c f r p 筋与夹片在 材料性能上存在一定的差异，容易造成切口效应，而锚环与夹片的锥度差异能使 得锚固区内c f r p 筋上的应力分布比较均匀。 1 4 山东大学硕士学位论文 图3 - l 新型弹簧夹片示意图 图3 - 2 新型弹簧夹片实物图 3 2 静载锚固试验 3 2 1 锚具使用要求 新型弹簧夹片式锚具静载试验根据预应力筋用锚具、夹具和连接器) ( o w t 1 4 3 7 0 - 2 0 0 7 ) 4 9 啪预应力筋用锚具、夹具和连接器应用技术规程( j g j8 5 - 2 0 0 2 ) 的规定执行。标准用预应力筋锚具组装件静载试验测定的锚固效率系数n 。 和达到实测极限拉力时组装件受力长度的总应变e 鲫，来判定锚具静载锚固性能 是否合格，具体要求如下： qa 09 5 ；6 删2o 其中，锚固效率系数r l 。可按下式计算： 铲专( 3 1 )“+ ，m 1 5 山东大学硕士学位论文 式中，f p 。厂预应力筋的实际平均极限抗拉力； f 印u _ 预应力筋一锚具组装件的实测极限拉力； r lp _ _ 预应力筋的效率系数，预应力筋为1 至5 根时r l p = l ，6 至1 2 根时 r lp - - 0 9 9 ，1 3 至1 9 根时r lp = 0 9 8 ，2 0 根及以上时r l p _ 0 9 7 。 预应力筋锚具组装件破坏形式应是预应力钢筋的断裂( 逐根或多根同时断 裂) ，锚具零件的变形不应过大或碎裂，并且断裂位置应发生在自由长度内，而 不应在锚固区断裂。 3 2 2 试验方案 预应力筋用锚具、夹具和连接器( g b 厂r1 4 3 7 0 2 0 0 7 ) 和预应力筋用锚 具、夹具和连接器应用技术规程( j g j8 5 2 0 0 2 ) 规定，静载锚固试验施加试验 荷载的步骤为：按预应力筋抗拉强度标准值f p 墩的2 0 、4 0 、6 0 、8 0 ，分4 级等速加载，加载速度宜为1 0 0 m p a m i n 左右；达到8 0 后，持荷1 小时；随后 用低于1 0 0 m p a m i n 加载速度缓慢加载至完全破坏，使荷载达到最大值( f 印) 。 对于单根预应力筋组装件可用试验机加载，不包括夹持部位受力长度不应小于 0 8 m ，并且加载速度可以加快，但不超过2 0 0 m p a m i n ，在应力达到0 8 钆时， 持荷时间可以缩短，但不应少于1 0 m i n ，随后加载速度不应超过1 0 0 m p a m i n 。 c f r p 筋锚具组装件静载锚固试验方案参考预应力筋用锚具、夹具和连接 器( g b t1 4 3 7 0 2 0 0 7 ) 和预应力筋用锚具、夹具和连接器应用技术规程( j g j 8 5 2 0 0 2 ) ，以每级1 0 k n m i n 的速率等速加载，当加载到1 4 2 4 k n 时持荷3 0 分钟， 然后以5 k n m i n 的速率加载直至破坏。 3 2 3 试验设备和试验环境 ( 1 ) 试验设备：试验采用德国制造s c h e n c k r s a 2 5 0 型电子万能试验机进 行加载；采用引伸计和相应采集系统采集负荷轴向变形曲线，以计算弹性模量； 采用激光测距仪采集c f r p 筋自由段的位移，以计算总应变。 ( 2 ) 试验环境：温度：2 0 ；湿度：6 0 。 3 2 4 加载装置和试件的制作 c f r p 筋锚具组装件如图3 3 。为模拟锚具组装件在工程应用中受力状态， 特制作相应加载装置，如图3 - 4 。加载装置由锚垫板模拟装置、带内螺纹的圆桶 形承力架、带外螺纹的连接装置。装配过