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1、第四届全国预应力结构理论与工程应用学术会议论文集实验研究 C F R P 波形齿锚具设计实验研究 刘磊李唐宁陈小英王鹏飞 ( 重庆大学土木工程学院，重庆4 0 0 0 4 5 ) 提要波形齿锚具的试验研究己取得初步的成果，但在此锚具设计方面尚待完善，本课题组拟对波形齿锚 具的设计开展研究。针对波形齿锚具提出的力学理论模型，考虑摩擦力、粘结应力影响锚固长度， 并在试验数据基础上修正和优化设计公式。 关键词波形齿锚具；c F R P ；设计 波形齿锚具系统 目前，国内针对加固工程中碳纤维片材锚固形式的研究大部分停留在u 形箍锚固，但实 际工程中易发生剥离破坏。波形齿锚具针对F R P 片材开发具有
2、锚固效率高，可横向施加预应 力，施工方便，周期短等优点，具有广阔的应用前景。波形齿锚具如图l 所示， 单个波形齿锚具由上下波形齿板( 预留螺栓孔) ，配套螺栓组成，其中波形齿板是由一块 厚钢板经过线切割( 圆弧上下吻合) 加工而成，螺栓通过植筋等途径固定在要加固的构件。 将粘贴好的多层C F K P 片材平行定位于此锚具内，等C E P , P 片材稍硬化后，对螺栓施拧将碳纤 维片材和上下锚板压吻合既盯完成碳纤维片材的锚固。碳纤维片材通过粘结力、摩擦力将拉 力传递到波形齿锚具，最后经螺杆传递到需要加固的构件上。 图l 锚具透视图 文献给出波形齿锚具设计公式，加以变换： k 5 F F 再一z
3、8 万 f m 。I - 一锚固长度； B 。碳纤维极限拉断力 f 珉P 片材与波形齿夹具锚中的波形齿板的粘结强度 剧一浸胶固化后F K P 片材与波形齿板之间界面摩擦系数 D 一波形齿板对F R P 片材施加的预压力； A 承压面积，偏安全考虑取波形齿面的投影面积； ，l H 啦片材的层数； 第四届全国预应力结构理论与工程应用学术会议论文集实验研究 b F R P 片材的宽度； 口锚固长度范围内F R P 片材弯曲的角度总和，单位为弧度。 本课题组针对此公式中两个参数t 、具体取值、设计锚具来展开试验研究。 二试验概况 本试验所用的碳纤维布为s T 一2 0 0 型，厚度0 ，l l l m
4、 m ，极限抗拉强度标准值3 2 5 0 M P a 。 环氧类T H 粘结剂，金属抗拉粘结强度3 5 M P a ，金属抗剪粘结强度2 7M P a ，均为日本辰日公 司提供。为方便观察碳纤维布，我们设计了【碍套组合式锚具，一套为波形齿锚具( 不同波形) ， 由波形齿板和两块预留螺栓孔盖板组成。两个锚具和螺杆( 施加预紧力) 之问固定有压力传 感器。粘贴好的多层碳纤维布在锚具固定后，稍干后既可施加预压力( 螺栓施拧) ，等碳纤维 布硬化后( 自然放置7 日左右) 在万能试验机上张拉，实验照片如下： 图2 锚具透视图图3 张拉试验图 试验分两个阶段，首先。监控碳纤维布应变、以及压力传感器读数，
5、然后不施加预紧力 测碳纤维粘结传递长度和受力规律；然后利用粘结破坏的碳纤维片材，重新锚固在锚具中， 施加预紧力，张拉碳纤维测得两者之间摩擦力以及摩擦系数。 三粘结力试验 目前关于钢和碳纤维粘结性能研究较少。由于波形齿锚具锚固多层碳纤维布有优势，我 们设计了构件1 ( 四层) 、构件2 ( 六层) 碳纤维带。粘贴在波形齿锚具翎平板锚具中作为 张拉构件，波形齿锚具内无法贴片，所以我们利用平板锚具内来模拟波形齿锚具粘结力测试。 构件宽度为3 0 m m ，锚固端长度为2 4 0 m m ，将应变片沿锚固端长度方向隔2 0 m m 定点粘贴， 单面粘贴贴片测粘结强度和传递长度，加盖板不贴片，只测强度，
6、将粘贴好的构件放置在万 能实验机进行张拉实验，逐级加载并监控碳纤维应变，各做两次试验做对比。 第四届伞囝预应力结构理论与工程应用学术会议论文集实验研究 7 0 0 0 争c5 0 0 0 型 邕| 4 0 0 0 虫 氍3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 B 0 张挂蚺：! 竺! ! ! 竺竺竺竺竺? 黝4 k 。 图46 层碳纤维布粘结拉拔试验锚固端应变分布图 我们可以看出粘结力的传递是有定的梯度的，在距锚固端1 0 0 m m 处粘结力梯度有下降 的趋势。我们监测传感器资料中，也发现远离张拉端的传感器数值较前端的要小。粘结力按 照文献【4 】公式计算，其分布规律较为复杂，本文暂
7、不深入研究。 构件l 在拉力为2 3 K N 拔出破坏，构件2 在拉力为3 7 K N 时拔出破坏。所以碳纤维和钢平 板锚具之间的粘结强度随层数增多而增大，但极限粘结应力并无明显的提高。其原因是张拉 过程中，碳纤维和钢材之间的固化胶所受剪切变形随拉力的加大而增大。我们假设碳纤维和 胶层是变形协调的，随着碳纤维受拉变形增大，胶层发生的剪切变形也会随之增大，剪切变 形到了极限值后的胶层界而就破坏了，胶层和钢板界面粘结力瞬间消失碳纤维就被拔出破 坏。随着层数的增加，胶层要达到极限剪切变形所需要的拉力越大。我们对比了双面粘结( 加 盖板) 和单面粘结破坏荷载，发现两者极限拔出力差距不大( 双面粘结极限
8、拉力为3 8 K N ) 我 们可以认为粘结强度和单双面粘结方式无关。随着胶层剪切变形的增大，碳纤维在锚具中就 会向锚具外滑移，我们试验观察粘结破坏前碳纤维滑移量最大达到了5 m m ，而波形齿锚具端 碳纤维布并没有发生明显的滑移，这对加固构件的二次受力以及预应力碳纤维加固工程是有 优势的。 四摩擦力实验 摩擦力测试实验是利用粘结破坏构件( 粘结层破坏，浸胶碳纤维片材并未破坏) ，再次锚 固在不刷胶的平板锚具上，另一端为粘结试验未拆除的波形齿锚具作为固定端。其中平板锚 具预紧力由螺栓提供，张拉前用压力传感器测得预压力。用张拉试验机张拉构件，测得最大 破坏荷载。 碳纤维和钢材的摩擦系数很低，但浸
9、胶后碳纤维在粘结破坏后，接触钢的界面完全由硬 化后加固胶组成，所以摩擦力发生在钢和固化的平滑胶层之间。我们试验验证，浸胶的碳纤 维和钢之间还是有较大的摩擦力。构件张拉破坏荷载和预压力如下表： 表1 碳纤维摩擦拉拔试验数据 预压力J 滑移荷载F 烈面摩擦系数m 单而摩擦系数“ 试件l 4 8 1 3 7 - = N O 7 60 3 8 试件23 9 0 k N3 3 k N08 40 4 2 由表1 可知，本锚具和浸胶硬化碳纤维之间摩擦力是相当可观的，我们估算出单而摩擦 系数在O r 4 左右。而文献【6 】指出，固化后的环氧胶和定速试验机铸铁摩擦盘摩擦系数大于O 3 0 ， 第四届全国预应力
10、结构理论与工程应用学术会议论文集实验研究 与我们试验得出结果较接近。另外，我们也在探讨一种施工时施加预压力的方法，可以用扭 矩扳手对螺栓施拧，用设计扭矩来对应设计预压力，我们就可以用扭力扳手将螺拴拧到设计 扭矩就完成了预压力的施加。实验中我们也对此施工方法进行了验证，基本上呈线性对应关 系。故我们在加固工程中可以用扭力扳手对波形齿系列锚具施加预压力。 五波形齿锚具设计公式 经粘结拉拔试验证明，碳纤维在平板锚具中粘结力传递长度是有限的，我们认为，在波 形齿锚具中，粘结力传递长度也是在一定范围内的；但我们应该注意，弯曲放大效应对摩擦 力是可以认为随着口增大而增大。公式l 推导中涉及一个微分方程(
11、文献“式8 ) 的求解，为 云：监( 2 ) 。蘸 六结论 1 波形齿锚具对碳纤维锚固效果明显优于平板式锚具，而且碳纤维布构件在受力充分时 滑移量比平板式小得多可以忽略不计( 如果研究碳纤维损失，必须要考虑) 。 2 平板锚具中粘结力传递长度有一个界限值，在限值以内，剪应力梯度较大，超过限值 梯度较小。限值大小和钢板界面性质、加固胶粘结性能有较大关系，不能简单给出一个定值 以做参考，加大锚固长度并不会明显提高锚固力。粘结强度会随碳纤维层数增多而基本呈线 性变化，但碳纤维粘结破坏时拉应力不会随层数增多而明显增大，为简化计算，粘结应力取 值可以参照( 2 ) 式取较安全的平均值。 3 摩擦系数和钢
12、、胶层界面性质有关，本试验得出的单面摩擦系数约0 4 左右。具体设计 中要根据加固胶，锚具加工所用材料不同做试验求得，我们可以把一系列试验结果换算成数 值表格以供取用。最后，波形锚具设计公式可以修正为式( 3 ) 。 第四届全国预应力结构理论与工程应用学术会议论文集实验研究 参考文献 【l 】卓静李唐宁等波形齿夹具锚与碳纤维布U 形箍锚固作用的对比试验土木工程学报，2 0 0 5 ，v 0 1 3 8 ， N O 1 0 【2 】卓静，李唐宁等锚固多层碳纤维布加固混凝土粱的试验研究建筑结构，2 0 0 6 ( 3 ) 【3 】马建勋，宋松林，蒋湘闽碳纤维布钢构件抗剪性能试验研究工程力学，2 0
13、 0 5 ( 1 2 ) 【4 】岳清瑞等碳纤维布加固钢结构有效粘结长度的试验研究工业建筑2 0 0 4 增刊 【5 张宁，岳清瑞等碳纤维布加固修复钢结构粘结界面受力性能试验研究丁= 业建筑，2 0 0 3 ，v o l3 3 ，N o 5 【6 】朱波，王成国等影响碳纤维增强复合材料摩擦系数的因素材料科学与工程，2 0 0 2 V 0 1 2 0 ，N o 3 T e s to nd e s i g n i n gm e t h o do fw a v e - - s h a p e d - - g e a r 。g r i pa n c h o r “uL e i L iT a n g n
14、 i nC h e nX i a o y i n g W a n gP e n g f e i ( C h o n g q i n gu n i v e r s i t y C h o n q i n g 4 0 0 0 4 5 ) A b s t r a c t E x p e r i m e n tb a s e do nw a v c - s h a p e d - g e a r - g r i p a n c h o rh a s g o t t e nm o r ep r o g r e s s H o w e v e r ，t h et e s tO i ld e s i g n
15、m e t h o do fw s g ga n c h o rd o e sn o ti n i t i a t e S oW ew i l ld e v e l o par e s e a r c h a b o u th o wt od e s i g nw s g ga n c h o rw i t hC F R P A c c o r d i n gt ot h ed a t af r o mt h ee x p e r i m e n t ，W ew i l l a m e n dt h ed e s i g n i n gf o r m u l ao fw s g g - a n c h o r , K e y w o r d sC F R P ；w s g ga n c h o r ：d e s i g n
