一种适用于大吨位frp拉索的锚固方法
【专利摘要】本发明公开了一种适用于50吨以上大吨位FRP拉索的锚固方法，采用夹片式锚具对FRP拉索进行锚固，在所述FRP拉索的锚固端形成有一长度不小于所述夹片式锚具锚固区长度的、与FRP拉索成一体的保护过渡层，并将夹片式锚具锚固在保护过渡层上。将FRP拉索与保护层模压成整体后，在增大FRP拉索与保护层界面的剪切强度的同时，能够避免横向强度较弱的FRP拉索在锚固区直接与刚度很大的荷载传递介质接触，形成一个受力缓冲层，起到间接保护FRP拉索的作用。本发明用于FRP拉索的锚固方法具有施工方便、锚固效率高等优点，可以保证锚固体系的长期性能，也可用于FRP拉索的拉伸试验，试样准备简单方便，与粘结式锚固方法相比可以避免因树脂剪切变形过大带来的试验误差。
【专利说明】—种适用于大吨位FRP拉索的锚固方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及土建、交通、能源环境等基础设施结构拉索的锚固【技术领域】，尤其涉及采用纤维增强复合材料制备的拉索锚固技术。
【背景技术】
[0002]纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,简称FRP)具有高强、质轻、耐腐蚀和耐疲劳等优点。FRP拉索是由纤维纱按一定比例浸溃树脂，通过拉挤工艺成型的复合材料，是土木工程应用中钢筋和钢索的理想替代品，目前在桥梁、水工建筑物、海港码头及加固工程中已得到应用。
[0003]尽管FRP拉索用于土木工程领域有着广阔的前景，但工程上实用的锚固体系还有待完善，尤其是针对大直径大吨位的FRP拉索，安全可靠的锚固体系还未发展成熟。现有的FRP拉索锚具主要分为粘结式和夹片式两种。
[0004]粘结式锚具依赖于粘结材料(一般为树脂)抵抗剪切变形的能力，该锚固方法的优点是粘结材料对FRP拉索本体无损伤，标准FRP筋/索材拉伸试验一般就采用此法，具体做法是在直套筒中灌注树脂等待树脂固化即可制得试件。该锚固方法存在灌胶工艺复杂、树脂固化时间长和长期性能差等不足，尤其是树脂的弹性模量极小将造成自身剪切变形过大，在试验中就会引入不可忽略的误差，影响试验结果。
[0005]夹片式锚具常见于预应力钢绞线的锚固，通过锥形钢夹片与钢锚杯产生的楔形挤压力夹持住钢绞线，具有施工方便、锚固效率高等优点。但是力学性能各向异性的FRP拉索在横向上的抗压强度和抗剪强度较低，只有纵向拉伸强度的1/10 —1/20，钢夹片与FRP拉索会因刚度突变造成FRP拉索表面径向压应力和剪应力集中，径向压应力过大会引起FRP拉索在锚固区内产生局部挤压破坏，即“切口效应”，在尚未达到极限抗拉强度之前FRP拉索就在锚固区受荷始端产生破断。FRP拉索表面剪应力过大会引起拉索从锚具中滑脱。上述两种因应力集中造成的破坏模式都将引起FRP拉索夹片式锚固体系的提前失效，极大降低了锚具的锚固效率。
[0006]现有锚固方法大多针对单根的小直径FRP筋材，适用于小跨度结构，因此大直径FRP拉索的锚固技术是制约其在重大工程中广泛应用的瓶颈问题。为了更好发挥FRP拉索在中大跨结构中的优势，势必需要开发出多根、大吨位、大直径的FRP拉索锚固体系。
【发明内容】
[0007]发明目的:针对粘结式锚固方法只能锚固小直径FRP拉索，夹片式锚固方法中FRP拉索与钢夹片因为刚度突变会出现应力集中的问题，需要一种施工方便，既能提高锚固效率，又能保证锚固体系长期性能的FRP拉索的锚具方法。
[0008]技术方案:为解决上述技术问题，本发明用于FRP拉索的锚固方法是:
一种适用于50吨以上大吨位FRP拉索的锚固方法，采用夹片式锚具对FRP拉索进行锚固，其特征在于:在所述FRP拉索的锚固端形成有一长度不小于所述夹片式锚具锚固区长度的、与FRP拉索成一体的保护过渡层，并将夹片式锚具锚固在保护过渡层上。将FRP拉索与保护层模压成整体后，在增大FRP拉索与保护层界面的剪切强度的同时，能够避免横向强度较弱的FRP拉索在锚固区直接与刚度很大的荷载传递介质接触，形成一个受力缓冲层，起到间接保护FRP拉索的作用。
[0009]所述保护过渡层是在FRP拉索表面沿纵向或与纵向具有一夹角包裹预浸树脂的纤维粗纱通过模压工艺成型，纤维粗纱是碳纤维、玄武岩纤维或玻璃纤维粗纱。
[0010]所述保护过渡层是在FRP拉索周围均匀布置至少两层小直径FRP筋/索，小直径FRP筋/索从内层到外层按照长度和直径都减小的梯度排列。当锚固的FRP拉索直径较大时，保护过渡层采用梯度排列的小直径FRP筋/索的方法。
[0011]保护过渡层的厚度与FRP拉索的直径之比为0.1?0.7。
[0012]所述FRP拉索是表面带肋的FRP拉索或光面的FRP拉索，FRP拉索为单根或多根，多根FRP拉索平行组成或绞捻形成。
[0013]所述夹片式锚具包括荷载传递介质和金属套筒，载传递介质的外表面为锥形，载荷传递介质是内侧有凹齿的金属夹片夹片、固化后体积膨胀的膨胀材料或具有径向刚度变化的材料；所述金属套筒是一种外为圆柱内有锥孔的结构，锥孔的角度与荷载传递介质外表面的锥度相同。荷载传递介质外观为锥形，用于传递锚固区应力，可以选用内侧有凹齿的钢夹片，也可以选用固化后体积膨胀的膨胀材料，还可以选用具有径向刚度变化的材料。钢夹片内侧开有凹齿，凹齿可以与模压成型的保护过渡层产生机械咬合力，从而增大锚固力，保证模压后的FRP拉索和保护过渡层与钢夹片共同工作；膨胀材料在套管和FRP拉索之间固化后膨胀，对套管内壁产生极大的界面正压力，从而增大FRP拉索一膨胀材料和膨胀材料一套管两个界面上的摩擦力实现锚固；具有径向刚度变化的材料可以有效地减小锚固区受荷始端的应力峰值，有利于各向异性FRP拉索在锚固区的受力，能够锚固多根大直径FRP拉索。钢套筒的内锥孔角度与荷载传递材料的锥度相同，钢套筒能够与荷载传递材料紧密契合，依靠楔形锚固机理产生充分的挤压锚固力。
[0014]有益效果:本发明用于大吨位FRP拉索的锚固方法，利用夹片式锚固体系锥形挤压锚固的机理，依靠带内锥的钢套筒与锥形荷载传递介质产生的楔形挤压力提供锚固力，可以保证对FRP拉索的有效夹持。本发明的用于大吨位FRP拉索的锚固方法优势突出:
首先，本发明可以有效避免传统夹片式锚具由于FRP材料与钢夹片刚度突变而引起FRP拉索的局部挤压破坏，即“切口效应”，引入与FRP拉索材料同源的预浸胶纤维粗纱保护在拉索外围，作为受力缓冲层，间接保护横向强度较弱的FRP拉索，具有与FRP拉索界面粘结性能好、增加应力传递等优点。采取上述措施后能有效提高FRP拉索锚固效率，尤其当锚固吨位达到50吨以上时可以有效减小锚固区受荷始端的切口效应，充分发挥FRP拉索的高强度，保证锚固体系的长期性能；
其次，光面FRP拉索的表面光滑，界面摩擦力不足导致传统锚固方法在锚固时极易产生滑丝现象，本发明中模压成型的保护层与内侧有凹齿的钢夹片在界面上产生机械咬合力，而又不会对FRP拉索本身造成损伤。所以本发明能有效解决光面FRP拉索的锚固瓶颈；最后，模压工艺简单方便，模压产品表面光滑整洁、横截面形状十分规整。模压工艺使FRP拉索与保护层形成整体，可以直接夹持在试验机的夹具上用于FRP筋/索的标准抗拉强度试验，试样准备方便省时，与粘结式锚固方法相比可以避免因树脂剪切变形过大带来的试验误差。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明的实施例一之锚具结构示意图。
[0016]图2为本发明的实施例一之缠绕纤维锚固示意图。
[0017]图3为本发明的实施例一之钢夹片结构示意图。
[0018]图4为本发明的实施例一之钢锚杯结构示意图。
[0019]图5为FRP拉索锚固体系的切口效应示意图。
[0020]图6为本发明的实施例二之锚具结构示意图。
[0021]图7为本发明的实施例三之锚具结构示意图。
[0022]图8为荷载传递介质弹性模量示意图。
[0023]图9为FRP拉索表面径向压应力在锚固区内的分布曲线。
[0024]图10为FRP拉索表面径向剪应力在锚固区内的分布曲线。
[0025]图11为本发明的实施例四之锚具结构示意图。
[0026]图12为本发明的实施例四之锚具截面示意图。
[0027]图13为本发明的实施例五之FRP筋/索抗拉强度试验示意图。
[0028]图14为FRP拉索的结构示意图。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例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。
[0030]实施例1:请参阅图1、图2、图3、图4和图5所示。图1为本发明的用于FRP拉索锚具结构示意图，图2为本发明的实施例一之缠绕纤维锚固示意图，图3为本发明的实施例一之钢夹片结构不意图，图4为本发明的实施例一之钢锚杯结构不意图，图5为FRP筋/索锚固体系的切口效应示意图。本实施例所使用的荷载传递介质300为钢夹片3，包括FRP拉索1、模压成型的保护层2、锥形钢夹片3和钢套筒4。先在FRP拉索表面缠绕预浸树脂5的纤维粗纱6，根据锚固FRP拉索直径的不同选择不同的缠绕层数，通过模压工艺，将FRP拉索1与保护过渡层2模压成整体后，FRP拉索1与保护过渡层2界面有极高的剪切强度，能够避免横向强度较弱的FRP拉索1在锚固区直接与锥形夹片3接触，形成一个受力缓冲层，避免切口效应，起到间接保护FRP拉索的作用。再将一分为二、内侧开有凹齿锥形钢夹片3夹持在模压成型的保护过渡层2表面，凹齿可以与模压成型的保护过渡层2产生机械咬合力，从而增大锚固力。最后将上述组件穿入钢套筒中，钢套筒4具有内锥孔，内锥角度与锥形夹片3的锥度一致，能够与锥形夹片3紧密契合，依靠楔形锚固机理产生充分的挤压锚固作用，钢套筒上设有外螺纹，通过外螺纹可与外部结构相连接。
[0031]实施例2:请参阅图6所示。其基本结构同实施例1，所不同之处在于所述荷载传递介质3为膨胀材料5。先在FRP拉索表面缠绕预浸树脂的纤维粗纱，根据锚固FRP拉索直径的不同选择不同的缠绕层数，通过模压工艺成型，将FRP拉索1与保护层2模压成整体后，FRP拉索1与保护过渡层2界面有极高的剪切强度，形成一个受力缓冲层间接保护FRP拉索。再向钢锚杯4与模压后带保护过渡层2的FRP拉索1之间灌注膨胀材料5，依靠膨胀材料5固化膨胀后产生的界面正压力提供锚固力，即形成一个FRP拉索锚固体系。
[0032]实施例3:请参阅图7所示。其基本结构同实施例1，所不同之处在于所述荷载传递介质3为具有径向刚度变化的材料6。图8、图9、图10为FRP拉索表面径向压应力和剪应力的分布曲线，实线为未进行力学性能设计的荷载传递材料A，虚线为按照锚固区应力分布设计的荷载传递材料B，进行力学性能设计后的锚固体系可以有效地减小锚固区受荷始端的应力峰值，有利于各向异性FRP拉索在锚固区的受力，能够锚固多根FRP拉索。
[0033]实施例4:请参阅图11和图12所示。图11为本发明的实施例四之锚具结构示意图，图12为本发明的实施例四之锚具截面示意图。其基本结构同实施例2，所不同之处在于所述保护过渡层2为在FRP拉索1周围梯度排列的小直径FRP拉索7。再向钢锚杯4与FRP拉索1之间灌注膨胀材料5，等膨胀材料5固化膨胀后依靠界面正压力提供锚固力，即形成一个FRP拉索锚固体系。
[0034]实施例5:请参阅图13、14所示。图13为本发明的用于FRP筋/索抗拉强度试验示意图，先在FRP筋/索1表面沿纵向和环向缠绕预浸树脂的纤维粗纱，通过模压工艺成型，将FRP筋/索1与保护过渡层2模压成整体，能够增大FRP筋/索1与保护过渡层2界面的剪切强度，形成一个受力缓冲层，起到间接保护FRP筋/索1的作用。然后将其夹持到试验机的夹具8上，即可进行抗拉强度试验。
[0035]本发明针对FRP拉索横向上抗压强度和抗剪强度较弱的问题，避免FRP拉索锚固体系在锚固区出现应力集中，提供一种施工简单方便的锚固方法，提高锚固效率，保证锚固体系的长期性能。采用模压成型工艺将FRP拉索与缠绕在其表面的预浸树脂纤维粗纱压成整体，可以作为缓冲层有效地减缓锚固区受荷始端锥形夹片对FRP拉索表面的径向压应力和剪应力峰值，有利于各向异性FRP拉索在锚固区的受力。本发明能够解决夹片式锚具对FRP损伤大的问题，又同时解决光面FRP拉索的锚固瓶颈，更可以用于FRP拉索抗拉强度试验，试样准备方便省时，与粘结式锚固方法相比可以避免因树脂剪切变形过大带来的试验误差。
【权利要求】
1.一种适用于大吨位FRP拉索的锚固方法，采用夹片式锚具对FRP拉索(1)进行锚固，其特征在于:在所述FRP拉索的锚固端形成有一长度不小于所述夹片式锚具锚固区长度的、与FRP拉索成一体的保护过渡层(2)，并将夹片式锚具锚固在保护过渡层上。
2.如权利要求1所述的一种适用于大吨位FRP拉索的锚固方法，其特征在于:所述保护过渡层(2)是在FRP拉索(1)表面沿纵向或与纵向具有一夹角包裹预浸树脂的纤维粗纱通过模压工艺成型，纤维粗纱是碳纤维、玄武岩纤维或玻璃纤维粗纱。
3.如权利要求1所述的一种适用于大吨位FRP拉索的锚固方法，其特征在于:所述保护过渡层(2)是在FRP拉索(1)周围均匀布置至少两层小直径FRP筋/索，小直径FRP筋/索从内层到外层按照长度和直径都减小的梯度排列。
4.如权利要求2或3所述的一种适用于大吨位FRP拉索的锚固方法，其特征在于:保护过渡层的厚度与FRP拉索的直径之比为0.1?0.7。
5.如权利要求1、2或3所述的一种适用于大吨位FRP拉索的锚固方法，其特征在于:所述FRP拉索(1)是表面带肋的FRP拉索或光面的FRP拉索，FRP拉索为单根或多根，多根FRP拉索平行组成或绞抢形成。
6.如权利要求1所述的一种适用于大吨位FRP拉索的锚固方法，其特征在于:所述夹片式锚具包括荷载传递介质(3)和金属套筒(4)，载传递介质(3)的外表面为锥形，载荷传递介质(3)是内侧有凹齿的金属夹片夹片、固化后体积膨胀的膨胀材料或具有径向刚度变化的材料；所述金属套筒(4)是一种外为圆柱内有锥孔的结构，锥孔的角度与荷载传递介质(3 )外表面的锥度相同。
【文档编号】E02D5/74GK103669208SQ201310645316
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月5日 优先权日:2013年12月5日
【发明者】吴智深, 汪昕, 徐鹏程, 朱中国 申请人:东南大学, 江苏绿材谷新材料科技发展有限公司