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    常见问题

    锚具的性能试验和研究结论

    发布时间:2020-07-26

    性能试验
     
    研究背景
    碳纤维增强塑料(CFRP)筋在桥梁工程中的应用研究日趋成熟,但由于CFRP筋是一种横观各向同性材料,其抗剪强度较低,使得锚固问题成为CFRP筋在应用中遇到的最大困难,因此必须研制适应CFRP筋的锚固系统。Nanni等研究表明:对于配置CFRP筋的混凝土结构,其最终承载能力主要取决于锚具系统的锚固性能而不是筋材本身的强度。各国学者对CFRP筋粘结式锚固系统进行了研究,其粘结介质主要有环氧砂、环氧树脂、水泥浆或膨胀水泥浆等,但这些粘结介质存在强度较低、或徐变过大、或热稳性能较差等不足。活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,RPC)是一种新型的超高性能混凝土,具有高强度、较小的徐变和收缩率、良好的塑性、耐磨性和耐久性,适宜作为粘结式锚具的粘结介质。因此,本文中笔者开发了一种以RPC作为粘结介质的CFRP筋粘结式锚具,并就其锚固性能进行了试验研究。
     
    试验参数
    试验参数包括表面形状、锚固长度、筋间距、根数、套筒内壁倾角以及筋材预张拉。其中,筋材表面形状包括光滑和压纹;锚固长度在100~400 mm范围内;筋间距包括0、d以及2d(d为筋材直径);筋根数包括1根和2根;套筒内壁倾角包括0°、1.5°以及3°;预张比m在0~100%之间。筋材预张比为预张拉荷载F与具有相同锚固长度的普通粘结试件锚具的极限荷载TGB之比,其中采用了筋材预张拉工艺的试件称为预张拉粘结试件。筋材预张拉是指灌注RPC之前对筋材预先张拉,待RPC养护后放张,筋材的回缩力传递到粘结界面,以期部分抵消张拉荷载,从而提高锚固性能。
     
    试验结果分析
    (1)破坏形式


    图1 粘结式锚具的破坏形式
     
    试验表明:对于单根CFRP筋粘结式锚具,其典型的破坏形式有滑移破坏以及拉断破坏2种,其中以充分发挥了材料的抗拉强度的拉断破坏为理想破坏形式;对于双根压纹CFRP筋粘结式锚具,其典型破坏形式是折断破坏。粘结试件破坏形式如图1所示。对于双根表面压纹CFRP筋粘结式锚具,其破坏形式均为折断破坏,且在试验中所观测到的极限荷载平均值要小于单根粘结式锚具的极限荷载。其原因可以归结为:在灌注RPC时,CFRP筋没有完全按预期位置安装,导致CFRP筋之间存在初始偏心,使得CFRP筋在使用荷载作用下不是单纯的轴向受拉状态,而是处于拉弯剪复合状态;另外,双根表面压纹CFRP筋粘结试件的自由长度较短,这使得试件相对刚度更大,在荷载作用下对初始缺陷更加敏感;再次,CFRP筋的抗剪强度较低,使得锚固长度足够大的单根CFRP筋和双根CFRP筋的破坏形式不同,即单根CFRP筋为拉断破坏而双根CFRP筋为折断破坏。
     
    (2)表面形状和锚固长度的影响
     
    图2 锚固长度与极限荷载的关系
    锚固长度与极限拉力的关系曲线如图2所示 。从图2可以看出,对于单根压纹CFRP筋,当其锚固长度为175 mm和250 mm时,极限拉力分别达到了186.36 kN和231.5 kN,效率系数分别为97.1%和120.6%,破坏形式为CFRP筋拉断破坏,满足锚具系统要求。试验表明:在相同的条件下,压纹CFRP筋与粘结介质之间的粘结性能比光滑CFRP筋的粘结性能要强得多。
     
    图3 锚固长度与平均粘结强度的关系
    从图2还可以看出,粘结试件的极限荷载均随锚固长度的增加而增加。对于发生滑移破坏的普通粘结试件,锚固长度每增加25 mm,其极限荷载平均增量为32.87 kN;而对于发生拉断破坏的普通粘结试件,极限荷载由材料的强度决定。对于发生滑移破坏的预张拉粘结试件,其极限荷载增量与普通粘结式锚具的极限荷载增量近似相等,而与预张拉力的大小无关;对于发生拉断破坏的预张拉粘结试件,其极限荷载由材料的强度决定,而与预张拉力的大小无关。

    锚固长度与平均粘结强度的关系曲线如图3所示。从图3可以看出:对于单根光滑CFRP筋的普通粘结试件,其平均粘结强度随锚固长度的变化不明显;对于单根压纹CFRP筋的普通粘结试件,平均粘结强度随锚固长度的增大而增大;对于单根压纹CFRP筋的预张拉粘结试件,预张比小于56%时,平均粘结强度随锚固长度的增大而增大,而预张比大于56%时,平均粘结强度随锚固长度的增大而减小;对于2根压纹CFRP筋的试件,试验结果均为CFRP筋折断破坏,不能反映其粘结强度。
     
    研究结论
    (1)CFRP筋的表面形状对以RPC作为粘结介质的粘结式锚具的锚固性能有着决定性影响。
     
    (2)对于抗拉强度不大于3000 MPa的表面压纹CFRP筋,RPC抗压强度不小于130 MPa,普通粘结试件的临界锚固长度为20倍筋材直径;对于预张拉粘结试件,当预张比为56%时,锚固系统具有的最短临界锚固长度为13倍筋材直径。
     
    (3)多筋同时锚固时,CFRP筋间距不宜小于1倍筋材直径。
     
    (4)筋材预张拉有利于提高粘结试件的极限荷载,但是极限荷载的提高程度由预张拉力值的相对大小决定。当预张比小于56%时,对于发生滑移破坏的预张粘结试件,极限荷载近似提高了预张拉荷载的大小;对于发生拉断破坏的预张拉粘结试件,极限荷载的提高量受到筋材抗拉强度的限制;当预张比大于56%时,预张粘结试件极限荷载的提高量随预张力的增大而急剧减小。
     
    (5)建立了平均粘结强度、平均粘结强度对应的滑移量、临界锚固长度以及粘结滑移本构模型等计算式,分析表明它们均具有较好的适用性。

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