一种双夹片式板锚结构系统的制作方法

本实用新型涉及一种岩土锚固工程和结构加固工程领域专用的板式锚具结构装置，特别是涉及一种高性能纤维增强复合材料(FRP)板的专用端头锚固的双夹片式板锚结构系统。

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筋或板替换钢筋、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筋或板的专用锚具。

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或板的锚固系统，特别是用于CFRP和BFRP筋或板的具有安全可靠、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或板在岩土锚固、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，适用于高性能纤维增强复合材料板的一种双夹片式板锚结构系统。

本实用新型一种双夹片式板锚结构系统，包括锚筒，所述锚筒中部开设有沿其中心线延伸的内锥孔，沿锚筒的中心线方向，所述内锥孔的孔径R相同，孔高H递减，所述内锥孔内放置有外形与其匹配的楔形双夹片式结构，所述楔形双夹片式结构的中部开设有沿其中心线延伸的中心孔，所述中心孔内夹持有板材，所述板材上下表面设置有与其同宽的护垫，所述锚筒的一端与中部开设通孔的锚板吻合相接，另一端设有插接机构，后置防腐帽通过插接机构与锚筒相连接，轴向受拉的所述板材贯穿所述通孔、内锥孔后最终贯穿并固定于所述中心孔之中。

本实用新型一种双夹片式板锚结构系统，其中所述楔形双夹片式结构的横截面较小的一端的中心孔的边缘处设有圆弧倒角，所述楔形双夹片式结构的倾斜角度θ大于所述内锥孔的倾斜角度α。

本实用新型一种双夹片式板锚结构系统，其中所述锚板上设置有平面A或内凹的球面，所述锚筒靠近锚板一端的形状与所述球面或平面A配合。

本实用新型一种双夹片式板锚结构系统，其中所述护垫的横截面为矩形，且其表面涂刷环氧石英砂或浸透聚氨酯，所述护垫的轴向长度a大于所述楔形双夹片式结构的轴向长度L及所述锚筒的轴向长度W。

本实用新型一种双夹片式板锚结构系统，其中所述楔形双夹片式结构包括相互对称布置的上夹片、下夹片，所述上夹片、下夹片的横截面为圆弧形或矩形且各自纵剖面的外包络线均为相对于内锥孔的中心线倾斜的直线，所述上夹片、下夹片的相对面均为平面B，所述上夹片、下夹片对称间隔布置形成中心孔，所述平面B上均加工有横向牙纹或黏贴有聚氨酯糙面。

本实用新型一种双夹片式板锚结构系统，其中所述上夹片、下夹片的平面B上对称开设有矩形凹槽A，所述上夹片、下夹片上的矩形凹槽A对称间隔布置形成中心孔。

本实用新型一种双夹片式板锚结构系统，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圆弧形凹槽B或矩形凹槽C，所述圆弧形凹槽B或矩形凹槽C对接形成内锥孔。

本实用新型一种双夹片式板锚结构系统，其中所述锚筒为具有矩形横截面的一体式结构。

本实用新型一种双夹片式板锚结构系统，通过采用楔形双夹片式结构设计、分体式与一体式锚筒承载、纤维板/布护垫保护、锚板的张拉角度可调、分段喷涂石英砂的增摩工艺，以及锚筒倾斜角度与楔形双夹片式结构倾斜角度的差异化设计，优化了锚固区内的压应力分布，使作用在CFRP、BFRP板表面上的压应力能够在锚固区域内沿轴线分布相对均匀，有效降低了锚具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板的早期断裂破坏和锚固体系的整体失效。因此，与现有锚具相比，本实用新型的双夹片式板锚结构系统夹持力大、体积小、长度短、可干作业、易装配、承载快、可复用，这就有力地保证了锚固结构体系的安全性、可靠性，因而特别适用于岩土锚固工程与结构加固工程领域。

下面结合附图对本实用新型的一种双夹片式板锚结构系统作进一步说明。

附图说明

图1为本实用新型一种双夹片式板锚结构系统实施例一的主视透视结构示意图；

图2为本实用新型一种双夹片式板锚结构系统实施例一的俯视透视结构示意图；

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为本实用新型一种双夹片式板锚结构系统实施例一中锚筒的一端的横向剖面图；

图6b为本实用新型一种双夹片式板锚结构系统实施例一中锚筒的另一端的横向剖面图；

图7a为本实用新型一种双夹片式板锚结构系统实施例一的锚筒变形结构的一端的横向剖面图；

图7b为本实用新型一种双夹片式板锚结构系统实施例一的锚筒变形结构的另一端的横向剖面图；

图8为本实用新型一种双夹片式板锚结构系统实施例二的主视透视结构示意图；

图9a为图8的C-C截面的剖视图；

图9b为图8的D-D截面的剖视图；

图10为本实用新型一种双夹片式板锚结构系统实施例三的主视透视结构示意图；

图11为本实用新型一种双夹片式板锚结构系统实施例三的俯视透视结构示意图；

图12a为图10的E-E截面的剖视图；

图12b为图10的F-F截面的剖视图；

图13a为图10的变形结构的E-E截面的剖视图；

图13b为图10的变形结构的F-F截面的剖视图；

图14为本实用新型一种双夹片式板锚结构系统实施例一的楔形双夹片式结构的立体结构示意图；

图15为本实用新型一种双夹片式板锚结构系统实施例一的楔形双夹片式结构的一种变形结构的立体结构示意图；

图16为本实用新型一种双夹片式板锚结构系统实施例一的楔形双夹片式结构的另一种变形结构的立体结构示意图；

图17为本实用新型一种双夹片式板锚结构系统实施例一的楔形双夹片式结构的又一种变形结构的立体结构示意图；

图18a为本实用新型一种双夹片式板锚结构系统实施例三的装配方法中步骤Ⅰ的施工状态主视图；

图18b为本实用新型一种双夹片式板锚结构系统实施例三的装配方法中步骤Ⅱ的施工状态主视图；

图18c为本实用新型一种双夹片式板锚结构系统实施例三的装配方法中步骤Ⅲ的施工状态主视图；

图18d为本实用新型一种双夹片式板锚结构系统实施例三的装配方法中步骤Ⅳ的施工状态主视图；

图18e为本实用新型一种双夹片式板锚结构系统实施例三的装配方法中步骤Ⅴ的施工状态主视图；

图18f为本实用新型一种双夹片式板锚结构系统实施例三的装配方法中步骤Ⅵ的施工状态主视图；

图19a为本实用新型一种双夹片式板锚结构系统实施例四的使用状态主视图；

图19b为图19a中H处的局部放大图；

图20a为本实用新型一种双夹片式板锚结构系统实施例五的使用状态主视图；

图20b为图20a中I处的局部放大图。

具体实施方式

实施例一：

如图1至图6b所示，本实用新型一种双夹片式板锚结构系统包括两块分离的高强度GFRP材料制作的锚筒构件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圆弧形凹槽B131，两个凹槽B131对接后形成内锥孔8。该内锥孔8沿锚筒3中心线延伸，且沿锚筒3的中心线方向从左至右，内锥孔8的孔径R相同，孔高H递减。内锥孔8内放置有外形与其匹配的楔形双夹片式结构1。

结合图14所示，楔形双夹片式结构1为细长扁圆台柱结构，包括相互对称布置的上夹片101、下夹片102，上夹片101、下夹片102的横截面均为圆弧形且各自纵剖面的外包络线均为相对于内锥孔8的中心线倾斜的直线。上夹片101、下夹片102的相对的内表面均为平面B10，上夹片101、下夹片102对称间隔布置后形成中心孔9，该中心孔9沿楔形双夹片式结构1的中心线延伸。中心孔9内夹持有长方体型板材2，该板材2为一根1cm厚、10cm宽、光面的CFRP板。为增加摩擦力改善夹持效果，平面B10上均加工有横向牙纹或黏贴有聚氨酯糙面，CFRP板双面均匀喷涂有120目石英砂。楔形双夹片式结构1的倾斜角度θ和内锥孔8的倾斜角度α均可设计为1°至9°，且两者的角度差为0.1°至0.4°。为增强锁紧效果，楔形双夹片式结构1的倾斜角度θ大于内锥孔8的倾斜角度α。本实施例中，楔形双夹片式结构1的倾斜角度θ，即上夹片101或下夹片102的纵剖面的外包络线与平面B10之间的夹角θ为3.1°，内锥孔8的倾斜角度α，即内锥孔8的母线与中心线之间的角度α为3°，两者的角度差为0.1°。

如图16所示，为上夹片101、下夹片102的一种变形结构，该变形结构与图14所示的结构的不同之处在于，平面B10中部开设有矩形凹槽A11，上夹片101、下夹片102上的矩形凹槽A11对称间隔布置形成中心孔9。

如图7a、图7b所示，为锚筒3的一种变形结构，该结构与图6a、图6b所示的锚筒3的不同之处在于，该结构的锚筒3的两块锚筒构件13的相对面上均开设有沿各自中心线延伸的矩形凹槽C132，两个凹槽C132对接后形成内锥孔8。为与该结构匹配，如图15、图17所示，为上夹片101、下夹片102的变形结构，该两种结构与图14、图16所示的楔形双夹片式结构1的不同之处在于，上夹片101、下夹片102的横截面均为矩形。同时，如图15、图17所示的上夹片101、下夹片102的不同之处又在于，图15中的上夹片101、下夹片102的相对面为平面B10，而图17中的上夹片101、下夹片102则在中部开设矩形凹槽D133。

板材2的上、下表面均设置有与其同宽的护垫4。该护垫横截面为矩形，厚度大于0.2mm，可采用BFRP、GFRP、CFRP纤维板或纤维布，其表面可以涂刷环氧石英砂或浸透聚氨酯。本实施例中，护垫4的厚度为0.5mm，宽度为10cm。为切实保护板材2位于锚筒3及楔形双夹片式结构1外的部分，防止板材2在楔形双夹片式结构1的细端处断裂，护垫4的轴向长度a大于楔形双夹片式结构1的轴向长度L及锚筒3的轴向长度W。

锚筒3的右端与中部开设通孔7的锚板5吻合相接，锚板5为正方形或矩形，且其左侧面上设置有内凹的球面52，锚筒3靠近锚板5的右端设置有外凸的球面，该外凸的球面与内凹的球面52配合，通过两者沿球面的紧密配合与转动调整，实现远端板材2的轴线与锚筒3的轴线的对中。

锚筒3左端还设有插接机构，后置防腐帽6通过插接机构与锚筒3相连接，轴向受拉的板材2贯穿通孔7、内锥孔8后最终贯穿并固定于中心孔9之中。

为避免中心孔9边缘处对板材2造成切割伤害，楔形双夹片式结构1的横截面较小的一端的中心孔9的边缘处设有圆弧倒角12。

装配时，在锚固区域内的板材2由护垫4上下覆盖保护，再将楔形双夹片式结构1的上夹片101、下夹片102推入内锥孔8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，并使楔形双夹片式结构1的外壁面与锚筒3的内壁面紧密接触。通过转动调整锚板5上的内凹的球面52与锚筒3的外凸的球面，使二者紧密配合的同时实现远端板材2的轴线与锚筒3轴线的对中，在张拉锁定工作完成后，锚筒3的后端插接后置防腐帽6。为进一步保证对中效果，内锥孔8、中心孔9、通孔7、板材2的中心线重合。

实施例二：

如图8至图9b所示，本实施例与实施例一的区别在于：

构成锚筒3的锚筒构件13为3个，3个锚筒构件13均为钢制且至上而下叠加在一起，该结构的锚筒3的两块锚筒构件13的相对面上均开设有沿各自中心线延伸的矩形凹槽C132，相邻两个矩形凹槽C132对接后形成内锥孔8，共形成2个相互平行的内锥孔8。当然，上述矩形凹槽C132也可以变形为圆弧形凹槽B131，只要选择外形与其匹配的楔形双夹片式结构1即可，此处不赘述。每个内锥孔8内放置有一个楔形双夹片式结构1，每个楔形双夹片式结构1内夹持有一个覆盖了护垫4的BFRP板2。BFRP板2为光面板，厚度为1.2cm，宽度为8cm。锚板5为钢制且其左侧面为平面A51，锚筒3右端面也为平面，二者之间为平面接触。楔形双夹片式结构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°。BFRP纤维布护垫4的表面均匀涂刷有110目环氧石英砂，其厚度为0.4mm。

本实施例的板锚结构系统装配时，在锚固区域内的BFRP板2表面由护垫4上下覆盖保护，再将楔形双夹片式结构1的4个夹片推入锚筒3的2个内锥孔8中，并使楔形双夹片式结构1的外壁面与锚筒3的内壁面紧密接触，锚筒3的三块可分离的锚筒构件13通过8个紧固螺栓锁紧。采用千斤顶和工具锚对2根矩形BFRP板2施加150KN的轴向预应力，张拉后，通过将楔形双夹片式结构1的4个夹片锁定在锚筒3的2个内锥孔8中，再通过锚板5将本实施例的板锚结构系统与锚固结构体系锚定。

实施例三：

如图10至图12b所示，本实施例与实施例一的区别在于：

锚筒3为具有矩形横截面的一体式结构，即为封闭式结构。锚板5为钢制且其左侧面为平面A51，锚筒3右端面也为平面，二者之间为平面接触。板材2为CFRP光面板，厚度为0.8cm，宽度为12cm。楔形双夹片式结构1的倾斜角度θ和内锥孔8的倾斜角度α均可设计为2°至10°。楔形双夹片式结构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。护垫4为BFRP板，护垫4的厚度为0.3mm、宽度为12cm。

如图13a、图13b所示，为锚筒3、楔形双夹片式结构1的一种变形结构，即采用了如图14所示的上夹片101、下夹片102。

本实施例的板锚结构系统装配时，在锚固区域内，CFRP板表面由BFRP板护垫4上下覆盖保护，之后将楔形双夹片式结构1的两夹片推入封闭式矩形锚筒3的内锥孔8中，并使楔形双夹片式结构1的外壁面与封闭式矩形锚筒3的内壁面紧密接触。利用千斤顶和工具锚对矩形CFRP板施加180KN的轴向预应力，张拉完成后，将矩形CFRP板通过楔形双夹片式结构1的2个夹片锁定在内锥孔8中，最后通过锚板5将双夹片式板锚结构系统与锚固结构体系锚定。

如图18a至图18f所示，本实施例的板锚结构系统的装配方法，包括如下步骤：

I、将锚板5经通孔7从板材2的尾端穿入，并与锚定结构的表面固定连接；

II、将锚筒3从板材2的尾端穿入，并将锚筒3的右端平面与锚板5的平面A51紧密配合接触；

III、在锚固区域为板材2的上下表面安放BFRP板护垫4，并将楔形双夹片式结构1的2个夹片置放在覆盖有BFRP板护垫4的板材2的上下面上；

IV、将内夹持有BFRP板护垫4和板材2的楔形双夹片式结构1的2个夹片推入锚筒3的内锥孔8中；

V、采用千斤顶和工具锚对板材2施加轴向预应力，并通过楔形双夹片式结构1的2个夹片将板材2锁定在锚筒3的内锥孔8中，即将双夹片式板锚结构系统与锚固结构体系锚定；

VI、切割板材2尾端的多余长度，利用后置防腐帽6将双夹片式板锚结构系统的尾端密封。

实施例四：

如图19a、图19b所示，本实施例的板锚结构系统用于海岸防护结构的全风化地层中的CFRP板土层锚杆外锚头的锚定。本实施例与实施例一的区别在于，板材2为长27m、横截面尺寸为8mm厚、14cm宽的单根碳纤维增强复合材料CFRP板。锚筒3为具有矩形横截面的一体式结构，即为封闭式结构。锚板5为钢制且其左侧面为平面A51，锚筒3右端面也为平面，二者之间为平面接触。护垫4为GFRP板。

拉力型全长粘结式CFRP板土层锚杆施工步骤，即利用本实施例的系统的锚固方法，包括如下步骤：

㈠应用锚杆钻机在已建有混凝土护岸挡墙的外侧施工平台上按设计位置及角度施打长26m、直径为170mm的土层锚孔，并进行清水洗孔；

㈡将带有对中器和注浆管的CFRP板2放入锚孔中的设计位置；

㈢开启注浆泵，以0.6MPa的注浆压力将水灰比为0.46的水泥浆从注浆管的底部灌入锚孔底部，直到注满锚孔为止；

㈣将带有通孔7的锚板5自CFRP板2的尾端穿过，在保证锚板5与施工锚孔垂直条件下，将锚板5焊接到双工字钢腰梁结构上；

㈤将锚筒3穿过CFRP板2的尾端，在锚固区域内的CFRP板2上下面覆盖GFRP板护垫4；

㈥将楔形双夹片式结构1的两个夹片推入内锥孔8中，并使楔形双夹片式结构1的外壁面与锚筒3的内壁面紧密接触；

㈦采用千斤顶和工具锚对CFRP板2施加轴向预应力至设计值，然后利用楔形双夹片式结构1的两个夹片锁定锚筒3中的CFRP板2，实现双夹片式板锚结构系统与锚固结构体系的锚定；

㈧切割CFRP板2尾端的多余部分，利用后置防腐帽6将双夹片式板锚结构系统的尾端密封，完成单根拉力型全长粘结式CFRP板土层锚杆的锚固施工。

实施例五：

如图20a、图20b所示，本实施例的板锚结构系统用于桥梁加固工程的CFRP张拉板端头的锚固，该锚固工程共包含9套板锚结构系统。本实施例的板锚结构系统与实施例一的区别在于，楔形双夹片式结构1采用如图14、图16所示的结构。锚筒3为具有矩形横截面的一体式结构，即为封闭式结构。板材2为CFRP板。护垫4为BFRP板。

在装配过程中，首先将2个带有内凹的球面52的锚板5固定在钢锚固件201上，再通过螺栓和高强结构胶将钢锚固件201锚固于待加固桥梁底面的设计位置，并使2个钢锚固件201相向间隔布置。然后将厚6mm，宽16cm的CFRP板2的两端分别穿过2个钢锚固件201的中心通孔202，随后将2个锚筒3分别从CFRP板2的两端穿入，并且锚筒3的前端凸球面与锚板5的内凹球面52紧密接触。在CFRP板2的预定锚固位置的上下表面分别覆盖BFRP板护垫4，再在BFRP板护垫的上下表面分别置放楔形双夹片式结构1的2个夹片，随后将夹持有BFRP板护垫4的楔形双夹片式结构1的2个夹片推入锚筒3的内锥孔8中。在CFRP板2分别出露于楔形双夹片式结构1的两外端位置处分别利用工具锚夹紧CFRP板2的露出端，其中一端的千斤顶夹紧工具锚，并顶置于钢锚固件201上，另一端的千斤顶对工具锚进行张拉。张拉达到设计预应力值后利用楔形双夹片式结构1的两夹片锁定锚筒3中的CFRP板2。重复上述实施步骤，完成另一端的张拉锁定工作，退出CFRP板2两端的千斤顶及工具锚。最后切割CFRP板2两端的露出端的多余部分，并在两端的锚筒3的后端装配后置防腐帽6，完成桥梁加固的一条张拉CFRP板的施工。

上述各实施例中，板材2为一根或两根，还可以为三根或多根，其厚度大于2mm，宽度大于3cm。CFRP或BFRP板的外表面可以是光面或压纹面，并可以通过局部石英砂喷涂进行表面加糙处理。在楔形双夹片式结构1的锚固长度范围内，可以在CFRP或BFRP板表面进行石英砂均匀喷涂处理，或采用前端局部范围内不处理，后部大部分范围内进行石英砂喷涂，也可以采用前端局部范围内进行石英砂低密度喷涂，而后部大部分范围内进行石英砂高密度喷涂。楔形双夹片式结构1的长度L可大于或小于锚筒3的长度W。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。

分体式结构的锚筒3和楔形双夹片式结构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。封闭式即一体式结构的锚筒3以及楔形双夹片式结构1的夹片则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，本实用新型一种双夹片式板锚结构系统，其目的在于针对岩土锚固、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板的端头锚固提供一种安全可靠、实用经济的板式锚具。采用本实用新型的双夹片式板锚结构系统能够减少板式锚具的几何尺寸，降低板锚产生的小孔端应力集中的切口效应，避免CFRP/BFRP板在锚固过程中发生早期剪断破坏致使锚固结构体系失效。而且，本实用新型的板锚结构系统装配简单，使用快速装配方法，即可将CFRP/BFRP板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。