一種適用于大噸位frp拉索的錨固方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于50噸以上大噸位FRP拉索的錨固方法，采用夾片式錨具對FRP拉索進(jìn)行錨固，在所述FRP拉索的錨固端形成有一長度不小于所述夾片式錨具錨固區(qū)長度的、與FRP拉索成一體的保護過渡層，并將夾片式錨具錨固在保護過渡層上。將FRP拉索與保護層模壓成整體后，在增大FRP拉索與保護層界面的剪切強度的同時，能夠避免橫向強度較弱的FRP拉索在錨固區(qū)直接與剛度很大的荷載傳遞介質(zhì)接觸，形成一個受力緩沖層，起到間接保護FRP拉索的作用。本發(fā)明用于FRP拉索的錨固方法具有施工方便、錨固效率高等優(yōu)點，可以保證錨固體系的長期性能，也可用于FRP拉索的拉伸試驗，試樣準(zhǔn)備簡單方便，與粘結(jié)式錨固方法相比可以避免因樹脂剪切變形過大帶來的試驗誤差。
【專利說明】—種適用于大噸位FRP拉索的錨固方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及土建、交通、能源環(huán)境等基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)拉索的錨固【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及采用纖維增強復(fù)合材料制備的拉索錨固技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]纖維增強復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer,簡稱FRP)具有高強、質(zhì)輕、耐腐蝕和耐疲勞等優(yōu)點。FRP拉索是由纖維紗按一定比例浸潰樹脂，通過拉擠工藝成型的復(fù)合材料，是土木工程應(yīng)用中鋼筋和鋼索的理想替代品，目前在橋梁、水工建筑物、海港碼頭及加固工程中已得到應(yīng)用。
[0003]盡管FRP拉索用于土木工程領(lǐng)域有著廣闊的前景，但工程上實用的錨固體系還有待完善，尤其是針對大直徑大噸位的FRP拉索，安全可靠的錨固體系還未發(fā)展成熟?，F(xiàn)有的FRP拉索錨具主要分為粘結(jié)式和夾片式兩種。
[0004]粘結(jié)式錨具依賴于粘結(jié)材料(一般為樹脂)抵抗剪切變形的能力，該錨固方法的優(yōu)點是粘結(jié)材料對FRP拉索本體無損傷，標(biāo)準(zhǔn)FRP筋/索材拉伸試驗一般就采用此法，具體做法是在直套筒中灌注樹脂等待樹脂固化即可制得試件。該錨固方法存在灌膠工藝復(fù)雜、樹脂固化時間長和長期性能差等不足，尤其是樹脂的彈性模量極小將造成自身剪切變形過大，在試驗中就會引入不可忽略的誤差，影響試驗結(jié)果。
[0005]夾片式錨具常見于預(yù)應(yīng)力鋼絞線的錨固，通過錐形鋼夾片與鋼錨杯產(chǎn)生的楔形擠壓力夾持住鋼絞線，具有施工方便、錨固效率高等優(yōu)點。但是力學(xué)性能各向異性的FRP拉索在橫向上的抗壓強度和抗剪強度較低，只有縱向拉伸強度的1/10 —1/20，鋼夾片與FRP拉索會因剛度突變造成FRP拉索表面徑向壓應(yīng)力和剪應(yīng)力集中，徑向壓應(yīng)力過大會引起FRP拉索在錨固區(qū)內(nèi)產(chǎn)生局部擠壓破壞，即“切口效應(yīng)”，在尚未達(dá)到極限抗拉強度之前FRP拉索就在錨固區(qū)受荷始端產(chǎn)生破斷。FRP拉索表面剪應(yīng)力過大會引起拉索從錨具中滑脫。上述兩種因應(yīng)力集中造成的破壞模式都將引起FRP拉索夾片式錨固體系的提前失效，極大降低了錨具的錨固效率。
[0006]現(xiàn)有錨固方法大多針對單根的小直徑FRP筋材，適用于小跨度結(jié)構(gòu)，因此大直徑FRP拉索的錨固技術(shù)是制約其在重大工程中廣泛應(yīng)用的瓶頸問題。為了更好發(fā)揮FRP拉索在中大跨結(jié)構(gòu)中的優(yōu)勢，勢必需要開發(fā)出多根、大噸位、大直徑的FRP拉索錨固體系。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明目的:針對粘結(jié)式錨固方法只能錨固小直徑FRP拉索，夾片式錨固方法中FRP拉索與鋼夾片因為剛度突變會出現(xiàn)應(yīng)力集中的問題，需要一種施工方便，既能提高錨固效率，又能保證錨固體系長期性能的FRP拉索的錨具方法。
[0008]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明用于FRP拉索的錨固方法是:
一種適用于50噸以上大噸位FRP拉索的錨固方法，采用夾片式錨具對FRP拉索進(jìn)行錨固，其特征在于:在所述FRP拉索的錨固端形成有一長度不小于所述夾片式錨具錨固區(qū)長度的、與FRP拉索成一體的保護過渡層，并將夾片式錨具錨固在保護過渡層上。將FRP拉索與保護層模壓成整體后，在增大FRP拉索與保護層界面的剪切強度的同時，能夠避免橫向強度較弱的FRP拉索在錨固區(qū)直接與剛度很大的荷載傳遞介質(zhì)接觸，形成一個受力緩沖層，起到間接保護FRP拉索的作用。
[0009]所述保護過渡層是在FRP拉索表面沿縱向或與縱向具有一夾角包裹預(yù)浸樹脂的纖維粗紗通過模壓工藝成型，纖維粗紗是碳纖維、玄武巖纖維或玻璃纖維粗紗。
[0010]所述保護過渡層是在FRP拉索周圍均勻布置至少兩層小直徑FRP筋/索，小直徑FRP筋/索從內(nèi)層到外層按照長度和直徑都減小的梯度排列。當(dāng)錨固的FRP拉索直徑較大時，保護過渡層采用梯度排列的小直徑FRP筋/索的方法。
[0011]保護過渡層的厚度與FRP拉索的直徑之比為0.1?0.7。
[0012]所述FRP拉索是表面帶肋的FRP拉索或光面的FRP拉索，F(xiàn)RP拉索為單根或多根，多根FRP拉索平行組成或絞捻形成。
[0013]所述夾片式錨具包括荷載傳遞介質(zhì)和金屬套筒，載傳遞介質(zhì)的外表面為錐形，載荷傳遞介質(zhì)是內(nèi)側(cè)有凹齒的金屬夾片夾片、固化后體積膨脹的膨脹材料或具有徑向剛度變化的材料；所述金屬套筒是一種外為圓柱內(nèi)有錐孔的結(jié)構(gòu)，錐孔的角度與荷載傳遞介質(zhì)外表面的錐度相同。荷載傳遞介質(zhì)外觀為錐形，用于傳遞錨固區(qū)應(yīng)力，可以選用內(nèi)側(cè)有凹齒的鋼夾片，也可以選用固化后體積膨脹的膨脹材料，還可以選用具有徑向剛度變化的材料。鋼夾片內(nèi)側(cè)開有凹齒，凹齒可以與模壓成型的保護過渡層產(chǎn)生機械咬合力，從而增大錨固力，保證模壓后的FRP拉索和保護過渡層與鋼夾片共同工作；膨脹材料在套管和FRP拉索之間固化后膨脹，對套管內(nèi)壁產(chǎn)生極大的界面正壓力，從而增大FRP拉索一膨脹材料和膨脹材料一套管兩個界面上的摩擦力實現(xiàn)錨固；具有徑向剛度變化的材料可以有效地減小錨固區(qū)受荷始端的應(yīng)力峰值，有利于各向異性FRP拉索在錨固區(qū)的受力，能夠錨固多根大直徑FRP拉索。鋼套筒的內(nèi)錐孔角度與荷載傳遞材料的錐度相同，鋼套筒能夠與荷載傳遞材料緊密契合，依靠楔形錨固機理產(chǎn)生充分的擠壓錨固力。
[0014]有益效果:本發(fā)明用于大噸位FRP拉索的錨固方法，利用夾片式錨固體系錐形擠壓錨固的機理，依靠帶內(nèi)錐的鋼套筒與錐形荷載傳遞介質(zhì)產(chǎn)生的楔形擠壓力提供錨固力，可以保證對FRP拉索的有效夾持。本發(fā)明的用于大噸位FRP拉索的錨固方法優(yōu)勢突出:
首先，本發(fā)明可以有效避免傳統(tǒng)夾片式錨具由于FRP材料與鋼夾片剛度突變而引起FRP拉索的局部擠壓破壞，即“切口效應(yīng)”，引入與FRP拉索材料同源的預(yù)浸膠纖維粗紗保護在拉索外圍，作為受力緩沖層，間接保護橫向強度較弱的FRP拉索，具有與FRP拉索界面粘結(jié)性能好、增加應(yīng)力傳遞等優(yōu)點。采取上述措施后能有效提高FRP拉索錨固效率，尤其當(dāng)錨固噸位達(dá)到50噸以上時可以有效減小錨固區(qū)受荷始端的切口效應(yīng)，充分發(fā)揮FRP拉索的高強度，保證錨固體系的長期性能；
其次，光面FRP拉索的表面光滑，界面摩擦力不足導(dǎo)致傳統(tǒng)錨固方法在錨固時極易產(chǎn)生滑絲現(xiàn)象，本發(fā)明中模壓成型的保護層與內(nèi)側(cè)有凹齒的鋼夾片在界面上產(chǎn)生機械咬合力，而又不會對FRP拉索本身造成損傷。所以本發(fā)明能有效解決光面FRP拉索的錨固瓶頸；最后，模壓工藝簡單方便，模壓產(chǎn)品表面光滑整潔、橫截面形狀十分規(guī)整。模壓工藝使FRP拉索與保護層形成整體，可以直接夾持在試驗機的夾具上用于FRP筋/索的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度試驗，試樣準(zhǔn)備方便省時，與粘結(jié)式錨固方法相比可以避免因樹脂剪切變形過大帶來的試驗誤差。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的實施例一之錨具結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2為本發(fā)明的實施例一之纏繞纖維錨固示意圖。
[0017]圖3為本發(fā)明的實施例一之鋼夾片結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖4為本發(fā)明的實施例一之鋼錨杯結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖5為FRP拉索錨固體系的切口效應(yīng)示意圖。
[0020]圖6為本發(fā)明的實施例二之錨具結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖7為本發(fā)明的實施例三之錨具結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖8為荷載傳遞介質(zhì)彈性模量示意圖。
[0023]圖9為FRP拉索表面徑向壓應(yīng)力在錨固區(qū)內(nèi)的分布曲線。
[0024]圖10為FRP拉索表面徑向剪應(yīng)力在錨固區(qū)內(nèi)的分布曲線。
[0025]圖11為本發(fā)明的實施例四之錨具結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖12為本發(fā)明的實施例四之錨具截面示意圖。
[0027]圖13為本發(fā)明的實施例五之FRP筋/索抗拉強度試驗示意圖。
[0028]圖14為FRP拉索的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖和具體實施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0030]實施例1:請參閱圖1、圖2、圖3、圖4和圖5所示。圖1為本發(fā)明的用于FRP拉索錨具結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為本發(fā)明的實施例一之纏繞纖維錨固示意圖，圖3為本發(fā)明的實施例一之鋼夾片結(jié)構(gòu)不意圖，圖4為本發(fā)明的實施例一之鋼錨杯結(jié)構(gòu)不意圖，圖5為FRP筋/索錨固體系的切口效應(yīng)示意圖。本實施例所使用的荷載傳遞介質(zhì)300為鋼夾片3，包括FRP拉索1、模壓成型的保護層2、錐形鋼夾片3和鋼套筒4。先在FRP拉索表面纏繞預(yù)浸樹脂5的纖維粗紗6，根據(jù)錨固FRP拉索直徑的不同選擇不同的纏繞層數(shù)，通過模壓工藝，將FRP拉索1與保護過渡層2模壓成整體后，F(xiàn)RP拉索1與保護過渡層2界面有極高的剪切強度，能夠避免橫向強度較弱的FRP拉索1在錨固區(qū)直接與錐形夾片3接觸，形成一個受力緩沖層，避免切口效應(yīng)，起到間接保護FRP拉索的作用。再將一分為二、內(nèi)側(cè)開有凹齒錐形鋼夾片3夾持在模壓成型的保護過渡層2表面，凹齒可以與模壓成型的保護過渡層2產(chǎn)生機械咬合力，從而增大錨固力。最后將上述組件穿入鋼套筒中，鋼套筒4具有內(nèi)錐孔，內(nèi)錐角度與錐形夾片3的錐度一致，能夠與錐形夾片3緊密契合，依靠楔形錨固機理產(chǎn)生充分的擠壓錨固作用，鋼套筒上設(shè)有外螺紋，通過外螺紋可與外部結(jié)構(gòu)相連接。
[0031]實施例2:請參閱圖6所示。其基本結(jié)構(gòu)同實施例1，所不同之處在于所述荷載傳遞介質(zhì)3為膨脹材料5。先在FRP拉索表面纏繞預(yù)浸樹脂的纖維粗紗，根據(jù)錨固FRP拉索直徑的不同選擇不同的纏繞層數(shù)，通過模壓工藝成型，將FRP拉索1與保護層2模壓成整體后，F(xiàn)RP拉索1與保護過渡層2界面有極高的剪切強度，形成一個受力緩沖層間接保護FRP拉索。再向鋼錨杯4與模壓后帶保護過渡層2的FRP拉索1之間灌注膨脹材料5，依靠膨脹材料5固化膨脹后產(chǎn)生的界面正壓力提供錨固力，即形成一個FRP拉索錨固體系。
[0032]實施例3:請參閱圖7所示。其基本結(jié)構(gòu)同實施例1，所不同之處在于所述荷載傳遞介質(zhì)3為具有徑向剛度變化的材料6。圖8、圖9、圖10為FRP拉索表面徑向壓應(yīng)力和剪應(yīng)力的分布曲線，實線為未進(jìn)行力學(xué)性能設(shè)計的荷載傳遞材料A，虛線為按照錨固區(qū)應(yīng)力分布設(shè)計的荷載傳遞材料B，進(jìn)行力學(xué)性能設(shè)計后的錨固體系可以有效地減小錨固區(qū)受荷始端的應(yīng)力峰值，有利于各向異性FRP拉索在錨固區(qū)的受力，能夠錨固多根FRP拉索。
[0033]實施例4:請參閱圖11和圖12所示。圖11為本發(fā)明的實施例四之錨具結(jié)構(gòu)示意圖，圖12為本發(fā)明的實施例四之錨具截面示意圖。其基本結(jié)構(gòu)同實施例2，所不同之處在于所述保護過渡層2為在FRP拉索1周圍梯度排列的小直徑FRP拉索7。再向鋼錨杯4與FRP拉索1之間灌注膨脹材料5，等膨脹材料5固化膨脹后依靠界面正壓力提供錨固力，即形成一個FRP拉索錨固體系。
[0034]實施例5:請參閱圖13、14所示。圖13為本發(fā)明的用于FRP筋/索抗拉強度試驗示意圖，先在FRP筋/索1表面沿縱向和環(huán)向纏繞預(yù)浸樹脂的纖維粗紗，通過模壓工藝成型，將FRP筋/索1與保護過渡層2模壓成整體，能夠增大FRP筋/索1與保護過渡層2界面的剪切強度，形成一個受力緩沖層，起到間接保護FRP筋/索1的作用。然后將其夾持到試驗機的夾具8上，即可進(jìn)行抗拉強度試驗。
[0035]本發(fā)明針對FRP拉索橫向上抗壓強度和抗剪強度較弱的問題，避免FRP拉索錨固體系在錨固區(qū)出現(xiàn)應(yīng)力集中，提供一種施工簡單方便的錨固方法，提高錨固效率，保證錨固體系的長期性能。采用模壓成型工藝將FRP拉索與纏繞在其表面的預(yù)浸樹脂纖維粗紗壓成整體，可以作為緩沖層有效地減緩錨固區(qū)受荷始端錐形夾片對FRP拉索表面的徑向壓應(yīng)力和剪應(yīng)力峰值，有利于各向異性FRP拉索在錨固區(qū)的受力。本發(fā)明能夠解決夾片式錨具對FRP損傷大的問題，又同時解決光面FRP拉索的錨固瓶頸，更可以用于FRP拉索抗拉強度試驗，試樣準(zhǔn)備方便省時，與粘結(jié)式錨固方法相比可以避免因樹脂剪切變形過大帶來的試驗誤差。
【權(quán)利要求】
1.一種適用于大噸位FRP拉索的錨固方法，采用夾片式錨具對FRP拉索(1)進(jìn)行錨固，其特征在于:在所述FRP拉索的錨固端形成有一長度不小于所述夾片式錨具錨固區(qū)長度的、與FRP拉索成一體的保護過渡層(2)，并將夾片式錨具錨固在保護過渡層上。
2.如權(quán)利要求1所述的一種適用于大噸位FRP拉索的錨固方法，其特征在于:所述保護過渡層(2)是在FRP拉索(1)表面沿縱向或與縱向具有一夾角包裹預(yù)浸樹脂的纖維粗紗通過模壓工藝成型，纖維粗紗是碳纖維、玄武巖纖維或玻璃纖維粗紗。
3.如權(quán)利要求1所述的一種適用于大噸位FRP拉索的錨固方法，其特征在于:所述保護過渡層(2)是在FRP拉索(1)周圍均勻布置至少兩層小直徑FRP筋/索，小直徑FRP筋/索從內(nèi)層到外層按照長度和直徑都減小的梯度排列。
4.如權(quán)利要求2或3所述的一種適用于大噸位FRP拉索的錨固方法，其特征在于:保護過渡層的厚度與FRP拉索的直徑之比為0.1?0.7。
5.如權(quán)利要求1、2或3所述的一種適用于大噸位FRP拉索的錨固方法，其特征在于:所述FRP拉索(1)是表面帶肋的FRP拉索或光面的FRP拉索，F(xiàn)RP拉索為單根或多根，多根FRP拉索平行組成或絞搶形成。
6.如權(quán)利要求1所述的一種適用于大噸位FRP拉索的錨固方法，其特征在于:所述夾片式錨具包括荷載傳遞介質(zhì)(3)和金屬套筒(4)，載傳遞介質(zhì)(3)的外表面為錐形，載荷傳遞介質(zhì)(3)是內(nèi)側(cè)有凹齒的金屬夾片夾片、固化后體積膨脹的膨脹材料或具有徑向剛度變化的材料；所述金屬套筒(4)是一種外為圓柱內(nèi)有錐孔的結(jié)構(gòu)，錐孔的角度與荷載傳遞介質(zhì)(3 )外表面的錐度相同。
【文檔編號】E02D5/74GK103669208SQ201310645316
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月5日
【發(fā)明者】吳智深, 汪昕, 徐鵬程, 朱中國 申請人:東南大學(xué), 江蘇綠材谷新材料科技發(fā)展有限公司