一种用于FRP筋的夹片式锚具的制作方法

本实用新型涉及一种岩土锚固、空间索网和结构加固工程领域专门的用于FRP筋的夹片式锚具，特别是涉及一种高性能纤维增强复合材料(FRP)筋的专用端头锚固的夹片式锚具。

背景技术：

高性能纤维增强复合材料(FRP)具有高强度、耐腐蚀、低松弛等优异性能，近年来碳纤维增强复合材料(CFRP)、玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)和芳纶纤维增强复合材料(AFRP)已应用于结构加固工程、岩土锚固工程、空间索网工程和桥梁工程。一个世纪以来在岩土锚固工程领域，作为岩土锚杆受力主筋的钢筋、钢绞线存在易腐蚀、耐久性不足的弊病。而利用高性能纤维增强复合新型材料CFRP、BFRP、AFRP筋替换钢筋、钢绞线作为岩土锚杆的受力主筋是解决上述技术难题的可靠途径之一。

高性能纤维增强复合材料FRP(包括CFRP、BFRP、AFRP和GFRP)是各向异性材料，其纤维的平行与垂直方向的强度/刚度差异显著，其抗剪强度与抗拉强度之比约为1:20。若采用传统钢夹片型锚具易引发FRP筋在端头锚固过程中发生早期断裂破坏，致使锚固体系整体失效。如何降低因近受荷端的应力集中而出现的切口效应、解决CFRP或BFRP筋的早期剪断破坏，一直是国内外岩土锚固工程界急于打破的技术瓶颈，其技术关键之一就在于能否成功开发用于CFRP、BFRP筋的专用锚具。

目前，国内外土木工程界正在致力于研究开发适用于高性能纤维增强复合材料筋的锚固系统，特别是用于CFRP和BFRP筋的具有安全可靠、尺寸较小、安装方便与经济实用特点的新型夹片型锚具，以期推动新型高性能纤维增强复合材料筋在岩土锚固、空间索网和结构加固及海洋工程领域中的应用。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种安全可靠、装配方便、经济实用，并且适用于高性能纤维增强复合材料筋的一种用于FRP筋的夹片式锚具。

本实用新型一种用于FRP筋的夹片式锚具，包括锚筒，所述锚筒中部开设有沿其中心线延伸的内锥孔，所述内锥孔内放置有外形与其匹配的楔形夹片式结构，所述楔形夹片式结构的中部开设有沿其中心线延伸的圆柱状中心孔，所述中心孔内设有中空圆柱状的软金属护管，所述软金属护管内穿设有线材，所述锚筒的一端与中部开设圆柱状通孔的锚板吻合相接，另一端设有插接机构，密封盖通过插接机构与所述锚筒连接，所述内锥孔、中心孔、通孔、线材的中心线重合，轴向受拉的所述线材贯穿所述通孔、内锥孔后最终贯穿并固定于所述中心孔之中。

本实用新型一种用于FRP筋的夹片式锚具，其中所述楔形夹片式结构的细端的中心孔的边缘处设有圆弧倒角。

本实用新型一种用于FRP筋的夹片式锚具，其中所述楔形夹片式结构的倾斜角度θ大于所述内锥孔的倾斜角度α。

本实用新型一种用于FRP筋的夹片式锚具，其中所述锚板为球面锚板或平面锚板，所述锚筒靠近锚板一端的外表面的形状与所述球面锚板或平面锚板配合。

本实用新型一种用于FRP筋的夹片式锚具，其中所述软金属护管采用铝箔、铜箔、铅箔或锌箔中的任一种卷制而成且内壁表面涂刷有环氧石英砂，所述软金属护管的横截面为圆环形或双半圆环形，且所述软金属护管的轴向长度a大于所述楔形夹片式结构的轴向长度L及所述锚筒的轴向长度W。

本实用新型一种用于FRP筋的夹片式锚具，其中所述楔形夹片式结构包括相互分离且中部对称开设有半圆形凹槽的上夹片、下夹片，所述上夹片、下夹片的横截面为半圆形或矩形且各自纵剖面的外包络线均为斜线，所述上夹片、下夹片上的半圆形凹槽对接后形成所述中心孔，所述半圆形凹槽的表面加工有横向牙纹。

本实用新型一种用于FRP筋的夹片式锚具，其中所述锚筒为由至少两块可分离的锚筒构件构成的分体式结构，所述分体式结构的各锚筒构件通过紧固螺栓紧固连接，相邻锚筒构件的相对面上均开设有凹槽，所述凹槽对接形成内锥孔，所述锚板上开设有至少1个通孔。

本实用新型一种用于FRP筋的夹片式锚具，其中所述锚筒为具有圆形或矩形横截面的一体式结构，所述锚筒上设置有至少1个内锥孔，所述锚板上开设有至少1个通孔。

综上所述，与现有技术相比，本实用新型的锚具至少具有以下有益效果：

通过采用楔形夹片式结构、分体式与一体式锚筒承载、软金属护管保护、球面锚板的张拉角度可调、分段喷涂石英砂的增摩技术，以及锚筒与楔形夹片式结构倾斜角度的差异化技术，优化了锚固区内的压应力分布，使作用在CFRP、BFRP筋等线材上的压应力能够在锚固区域内沿线材轴线相对均匀地分布，有效降低了CFRP、BFRP筋等线材在加载端承受的应力峰值，从而避免了由于缺口效应或弯折损伤引发的CFRP、BFRP筋等线材的早期断裂破坏和锚固体系的整体失效。可见，与现有锚具相比，本实用新型的用于FRP筋的夹片式锚具具有安全可靠、夹持力大、体积小、长度短、干作业、易装配、承载快及可复用等突出优势，特别适用于岩土锚固、空间索网与结构加固等工程领域。

下面结合附图对本实用新型的一种用于FRP筋的夹片式锚具作进一步说明。

附图说明

图1为本实用新型一种用于FRP筋的夹片式锚具实施例一的主视结构示意图；

图2为本实用新型一种用于FRP筋的夹片式锚具实施例一的俯视结构示意图；

图3为图1的A-A截面的剖视图；

图4为图2的B-B截面的剖视图；

图5为图1中G部位的局部放大图；

图6a为本实用新型一种用于FRP筋的夹片式锚具实施例一中锚筒的一端的横向剖面图；

图6b为本实用新型一种用于FRP筋的夹片式锚具实施例一中锚筒的另一端的横向剖面图；

图7为本实用新型一种用于FRP筋的夹片式锚具实施例一的楔形夹片式结构的立体结构示意图；

图8a为本实用新型一种用于FRP筋的夹片式锚具实施例一的软金属护管的一种形式的立体结构示意图；

图8b为本实用新型一种用于FRP筋的夹片式锚具实施例一的软金属护管的另一种形式的立体结构示意图；

图9为本实用新型一种用于FRP筋的夹片式锚具实施例二的结构主视图；

图10a为图9的C-C截面的剖视图；

图10b为图9的D-D截面的剖视图；

图11为本实用新型一种用于FRP筋的夹片式锚具实施例二的楔形夹片式结构的立体结构示意图；

图12为本实用新型一种用于FRP筋的夹片式锚具实施例三的结构主视图；

图13为本实用新型一种用于FRP筋的夹片式锚具实施例三的结构俯视图；

图14a为图12的E-E截面的剖视图；

图14b为图12的F-F截面的剖视图；

图15a为图12的一种变形结构的E-E截面的剖视图；

图15b为图12的一种变形结构的F-F截面的剖视图；

图16a为本实用新型一种用于FRP筋的夹片式锚具实施例三的锚固方法中步骤a的施工状态主视图；

图16b为本实用新型一种用于FRP筋的夹片式锚具实施例三的锚固方法中步骤b的施工状态主视图；

图16c为本实用新型一种用于FRP筋的夹片式锚具实施例三的锚固方法中步骤c的施工状态主视图；

图16d为本实用新型一种用于FRP筋的夹片式锚具实施例三的锚固方法中步骤d的施工状态主视图；

图16e为本实用新型一种用于FRP筋的夹片式锚具实施例三的锚固方法中步骤e的施工状态主视图；

图16f为本实用新型一种用于FRP筋的夹片式锚具实施例三的锚固方法中步骤f的施工状态主视图；

图17a为本实用新型一种用于FRP筋的夹片式锚具实施例四的使用状态主视图；

图17b为图17a中H处的局部放大图；

图18a为本实用新型一种用于FRP筋的夹片式锚具实施例五的使用状态主视图；

图18b为图18a中K处的局部放大图。

具体实施方式

实施例一：

如图1至图8a所示，本实用新型的锚具包括由高强度GFRP材料制作的两块分离的锚筒构件13，两块锚筒构件13配套8个紧固螺栓构成分体式结构的锚筒3。两块锚筒构件13的相对面上均开设有沿各自中心线延伸的凹槽，凹槽对接后形成内锥孔8，该内锥孔8的几何形态为前小后大变截面的内锥孔。内锥孔8内放置有外形与其匹配的楔形夹片式结构1。为增强锚固效果，楔形夹片式结构1的倾斜角度θ大于内锥孔8的倾斜角度α，两者的角度可以为1°至9°，两者的角度差为0.1°至0.3°。具体的，楔形夹片式结构1的倾斜角度θ为3.1°，内锥孔8的倾斜角度α为3°，两者的角度差为0.1°。

楔形夹片式结构1的中部开设有沿其中心线延伸的圆柱状中心孔9。楔形夹片式结构1包括相互分离且中部对称开设有半圆形凹槽11的上夹片101、下夹片102，上夹片101、下夹片102的横截面为半圆形且各自纵剖面的外包络线均为斜线。上夹片101、下夹片102拼接后形成细长台柱结构。上夹片101、下夹片102上的半圆形凹槽11对接后形成中心孔9。半圆形凹槽11的表面加工有横向牙纹，便于增加与线材2之间的摩擦力，改善夹持效果。

为保护线材2，中心孔9内设有中空圆柱状的软金属护管4，软金属护管4内穿设有线材2，该线材2为直径为16mm的CFRP筋。在锚固长度范围内的CFRP筋的光圆表面均匀喷涂有120目环氧石英砂。在锚固长度范围内，可以在CFRP或BFRP筋表面进行石英砂均匀喷涂处理，也可以采用前端局部范围内进行低密度石英砂喷涂，而后部大部分范围内进行高密度石英砂喷涂处理。软金属护管4采用铜箔卷制而成，厚度为0.2mm至1.2mm，本实施例的厚度为0.3mm，内壁表面涂刷有环氧石英砂，软金属护管4的横截面为圆环形或双半圆环形，且其轴向长度a大于楔形夹片式结构1的轴向长度L及锚筒3的轴向长度W。

在锚固区域内，CFRP筋套装软金属护管4后，将楔形夹片式结构1的上夹片101、下夹片102放入分体式锚筒3的内锥孔8位置中，再将两块可分离的锚筒构件13拼合在一起，并通过8个紧固螺栓在从前向后的递增扭力作用下锁紧，使楔形夹片式结构1的外壁面与分体式锚筒3的内壁面紧密接触。锚筒3的左端设有插接机构，密封盖6通过插接机构与锚筒3连接。锚板5、密封盖6分别位于楔形夹片式结构1的细端、粗端。内锥孔8、中心孔9、通孔7、线材2的中心线重合，轴向受拉的线材2贯穿通孔7、内锥孔8后最终贯穿并固定于圆柱状中心孔9之中。在按设计要求完成张拉锁定工作后，在分体式锚筒3的后端插接密封盖6。

锚筒3的一端与中部开设圆柱状通孔7的锚板5吻合相接。分体式结构的锚筒3的前端即右端设计为外凸球面，锚板5为正方形且带内凹球面，通过内凹球面与外凸球面紧密配合与转动调整，实现远端CFRP筋的轴线与锚筒3的轴线对中，保证锚固效果。

优选的，为避免中心孔9边缘处对线材2造成切割伤害，楔形夹片式结构1的细端的中心孔9的边缘处设有圆弧倒角12。

实施例二：

如图9至图11所示，本实施例与实施例一的不同之处在于，三块钢制可分离的锚筒构件13通过紧固螺栓在从前向后的递增扭力作用下紧固后构成分体式结构的锚筒3。锚筒3内放置有2个楔形夹片式结构1。锚板5为平面锚板，锚筒3右端外表面也为平面。线材2为2根具有浅压纹的BFRP筋，直径为18mm且在锚固段表面粘贴有环氧石英砂。上夹片101、下夹片102的横截面为矩形。上夹片101、下夹片102拼接后形成一端粗一端细的细长棱柱结构。轴向受拉的2根BFRP筋贯穿平面锚板、锚筒3，最终放置于楔形夹片式结构1的2个中心孔9中。楔形夹片式结构1的倾斜角度θ为2.8°，内锥孔8的倾斜角度α为2.6°，两者的角度差为0.2°。软金属护管4采用铝箔制成，厚度为0.4mm。

在锚固区域内的2根BFRP筋套装软金属护管4后，将2个楔形夹片式结构1的4个夹片推入锚筒3的2个内锥孔8中，并使楔形夹片式结构1的外壁面与锚筒3的内壁面紧密接触。采用千斤顶和工具锚对2根圆形BFRP筋施加100KN的轴向预应力，张拉后，通过将楔形夹片式结构1的4个夹片锁定在锚筒的2个内锥孔8中，完成用于FRP筋的夹片式锚具与锚固结构体系的锚定。

实施例三：

如图12至图14b所示，本实施例与实施例二的区别在于，锚筒3为一体式结构且横截面为圆形。楔形夹片式结构1的数量为1个。线材2为CFRP加肋筋，直径为20mm。软金属护管4采用锌箔制成，厚度为0.3mm。上夹片101、下夹片102的横截面为半圆形。楔形夹片式结构1的倾斜角度θ、内锥孔8的倾斜角度α可以为2°至10°，本实施例的楔形夹片式结构1的倾斜角度θ为2.6°，内锥孔8的倾斜角度α为2.5°，两者的角度差为0.1°。

在锚固区域内的CFRP筋套装锌箔护管4后，将楔形夹片式结构1的夹片推入一体式锚筒3的内锥孔8中，并使楔形夹片式结构1的外壁面与一体式锚筒3的内壁面紧密接触。利用千斤顶和工具锚对CFRP筋施加160KN的轴向预应力，张拉完成后，将CFRP筋通过楔形夹片式结构的2个夹片锁定在一体式锚筒3的内锥孔8中，即通过平面锚板将用于FRP筋的夹片式锚具与锚固结构体系锚定。

如图15a、15b所示，为本实施例的一种变形结构，该变形结构与本实施例的不同之处在于，锚筒3的横截面为矩形。上夹片101、下夹片102的横截面也为矩形。

如图16a至图16f所示，使用本实施例的锚具的锚固方法，包括如下步骤：

a.将平面锚板从CFRP筋的尾端穿入，并与锚定结构的表面固定连接；

b.将一体式锚筒3从CFRP筋的尾端穿入，并将一体式锚筒3的前端平面与平面锚板的板面紧密配合接触；

c.在锚固区域为CFRP筋套装锌箔护管4，并将楔形夹片式结构1的2个夹片置放在套装有锌箔护管4的CFRP筋的周围；

d.将内夹持有锌箔护管4和CFRP筋的楔形夹片式结构1的2个夹片推入一体式锚筒3的内锥孔8中；

e.采用千斤顶和工具锚对CFRP筋按设计要求施加轴向预应力，然后将楔形夹片式结构1的2个夹片锁定在一体式锚筒3的内锥孔8中，完成了用于FRP筋的夹片式锚具与锚固结构体系锚定工作；

f.切割多余长度的CFRP筋的尾端，利用密封盖6将用于FRP筋的夹片式锚具的尾端密封。

实施例四：

如图17a、图17b所示，本实施例用于深基坑支护结构的拉力型BFRP筋土层锚杆外锚头的锚定。本实施例与实施例三的区别在于，线材2为长24m、直径为18mm的2根表面加肋的BFRP筋。

使用本实施例的锚具的锚固方法，即拉力型BFRP筋土层锚杆施工步骤如下：

①应用锚杆钻机在已建钢板桩挡墙的内侧基坑中按设计位置、标高及角度施打长23m、直径为140mm的锚孔；

②将带有对中器和注浆管的2根BFRP筋放入锚孔中的设计位置；

③开启注浆泵，以0.5MPa的注浆压力将水灰比为0.48的水泥浆从注浆管的底部灌入锚孔底部直到水泥浆自锚孔溢出为止；

④将带有2个通孔7的平面锚板自2根BFRP筋的尾端穿过，在保证平面锚板与施工锚孔垂直条件下，将平面锚板焊接到双工字钢腰梁结构上；

⑤将带有2个内锥孔8的一体式锚筒3穿过2根BFRP筋的尾端；

⑥将2个楔形夹片式结构1推入一体式锚筒3的2个内锥孔8中，并使楔形夹片式结构1的外壁面与一体式锚筒3的内壁面紧密接触；

⑦采用千斤顶和工具锚对2根BFRP筋施加轴向预应力至设计值，然后利用楔形夹片式结构1的夹片锁定一体式锚筒3中的2根BFRP筋，完成用于FRP筋的夹片式锚具与锚固结构体系的锚定工作；

⑧切割BFRP筋的多余长度的尾端，利用密封盖6将锚筒3的尾端密封，完成单根拉力型BFRP筋土层锚杆的施工。

实施例五：

如图18a、图18b所示，本实施例的锚具用于地下空间的CFRP扩体抗浮锚杆的端头锚定。本实施例与实施例四的不同之处在于，共包含500根CFR P扩体抗浮锚杆，每根CFRP锚杆包括4个楔形夹片式结构1、4个铝箔护管4。其中，线材2为4根CFRP筋、一体式锚筒3上设置有4个内锥孔8。平面锚板上设置有4个通孔7。作为压力型CFRP扩体抗浮锚杆，其4根受拉主筋长为26m、直径为16mm的加肋CFRP筋。

本实施例的锚具锚固方法，即CFRP扩体抗浮锚杆的施工步骤如下：

⑴采用塔式旋喷锚杆钻机，在深基坑基础底板上的抗浮锚杆的设计锚位垂直施打长25m、直径为160mm的锚孔，并用30MPa旋喷压力进行底部长5m、直径为600mm的扩孔，利用高压旋喷技术以水泥浆置换锚孔内的土体；

⑵将底端带有承压型机构、对中器和2套注浆管的4根CFRP筋放入锚孔中的设计位置；

⑶开启注浆泵，以1.0MPa的注浆压力将水灰比为0.46的水泥浆通过第1套注浆管注入锚孔底端，直至注满锚孔为止；

⑷1天后利用第2套注浆管进行水泥浆体的二次劈裂压力注浆；

⑸将4孔平面锚板和4孔一体式锚筒3分别穿过4根CFRP筋，将平面锚板放在基础底板平面上，再将4孔一体式锚筒3置放于平面锚板之上；

⑹在4根CFRP筋分别插入4孔一体式锚筒3的4个内锥孔8内后，将4套夹片分别推入一体式锚筒3的4个内锥孔8中；

⑺利用千斤顶和工具锚等张拉设备对4根CFRP筋施加轴向预应力至设计值，并通过4套夹片逐一锁定4根CFRP筋，完成用于FRP筋的夹片式锚具与锚固结构体系的基础底板的锚定；

⑻利用密封盖6将一体式锚筒3的尾端密封，完成单根压力型CFRP扩体抗浮锚杆的施工。

上述各实施例中，线材2为外表面光滑、压纹或加肋的高性能纤维增强复合材料CFRP或BFRP筋，且线材2外表面局部喷涂有石英砂。楔形夹片式结构1夹持的线材2，如CFRP或BFRP筋可以为一根或多根，CFRP或BFRP筋的直径大于等于6mm。楔形夹片式结构1的长度可大于或小于一体式或分体式锚筒3的长度。楔形夹片式结构1的倾斜角度和锚筒3的倾斜角度均可为1°至9°或2°至10°。当然，本实施例中列出的所有数据仅用于对本实用新型的技术方案进行说明，不构成对本实用新型的限定，具体实践中，上述数据可根据需求调整。

本实用新型的分体式锚筒3以及楔形夹片式结构1的夹片可以采用钢材或高强纤维复合材料BFRP缠绕注塑或RPC活性粉末高性能混凝土制作，也可以采用钢材或高强纤维复合材料GFRP缠绕注塑或UHPC超高性能混凝土制作。

总之，本实用新型一种用于FRP筋的夹片式锚具，其目的在于针对岩土锚固、空间索网、结构加固及海洋工程领域的需要，为高性能纤维增强复合材料筋的端头锚固提供一种安全可靠、实用经济的夹片式锚具。采用本实用新型的锚具能够减少锚具自身的几何尺寸，降低锚具产生的小孔端应力集中的切口效应，避免CFRP/BFRP筋在锚固过程中发生早期剪断破坏致使锚固体系失效。另外，本实用新型的锚具装配简单，可快速装配，可以利用这种夹片式锚具将CFRP/BFRP筋与锚固结构体系进行可靠锚固。

以上所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。