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      常見問題

      錨具的性能試驗和研究結論

      發布時間:2020-07-26

      性能試驗
       
      研究背景
      碳纖維增強塑料(CFRP)筋在橋梁工程中的應用研究日趨成熟,但由于CFRP筋是一種橫觀各向同性材料,其抗剪強度較低,使得錨固問題成為CFRP筋在應用中遇到的最大困難,因此必須研制適應CFRP筋的錨固系統。Nanni等研究表明:對于配置CFRP筋的混凝土結構,其最終承載能力主要取決于錨具系統的錨固性能而不是筋材本身的強度。各國學者對CFRP筋粘結式錨固系統進行了研究,其粘結介質主要有環氧砂、環氧樹脂、水泥漿或膨脹水泥漿等,但這些粘結介質存在強度較低、或徐變過大、或熱穩性能較差等不足?;钚苑勰┗炷?Reactive Powder Concrete,RPC)是一種新型的超高性能混凝土,具有高強度、較小的徐變和收縮率、良好的塑性、耐磨性和耐久性,適宜作為粘結式錨具的粘結介質。因此,本文中筆者開發了一種以RPC作為粘結介質的CFRP筋粘結式錨具,并就其錨固性能進行了試驗研究。
       
      試驗參數
      試驗參數包括表面形狀、錨固長度、筋間距、根數、套筒內壁傾角以及筋材預張拉。其中,筋材表面形狀包括光滑和壓紋;錨固長度在100~400 mm范圍內;筋間距包括0、d以及2d(d為筋材直徑);筋根數包括1根和2根;套筒內壁傾角包括0°、1.5°以及3°;預張比m在0~100%之間。筋材預張比為預張拉荷載F與具有相同錨固長度的普通粘結試件錨具的極限荷載TGB之比,其中采用了筋材預張拉工藝的試件稱為預張拉粘結試件。筋材預張拉是指灌注RPC之前對筋材預先張拉,待RPC養護后放張,筋材的回縮力傳遞到粘結界面,以期部分抵消張拉荷載,從而提高錨固性能。
       
      試驗結果分析
      (1)破壞形式


      圖1 粘結式錨具的破壞形式
       
      試驗表明:對于單根CFRP筋粘結式錨具,其典型的破壞形式有滑移破壞以及拉斷破壞2種,其中以充分發揮了材料的抗拉強度的拉斷破壞為理想破壞形式;對于雙根壓紋CFRP筋粘結式錨具,其典型破壞形式是折斷破壞。粘結試件破壞形式如圖1所示。對于雙根表面壓紋CFRP筋粘結式錨具,其破壞形式均為折斷破壞,且在試驗中所觀測到的極限荷載平均值要小于單根粘結式錨具的極限荷載。其原因可以歸結為:在灌注RPC時,CFRP筋沒有完全按預期位置安裝,導致CFRP筋之間存在初始偏心,使得CFRP筋在使用荷載作用下不是單純的軸向受拉狀態,而是處于拉彎剪復合狀態;另外,雙根表面壓紋CFRP筋粘結試件的自由長度較短,這使得試件相對剛度更大,在荷載作用下對初始缺陷更加敏感;再次,CFRP筋的抗剪強度較低,使得錨固長度足夠大的單根CFRP筋和雙根CFRP筋的破壞形式不同,即單根CFRP筋為拉斷破壞而雙根CFRP筋為折斷破壞。
       
      (2)表面形狀和錨固長度的影響
       
      圖2 錨固長度與極限荷載的關系
      錨固長度與極限拉力的關系曲線如圖2所示 。從圖2可以看出,對于單根壓紋CFRP筋,當其錨固長度為175 mm和250 mm時,極限拉力分別達到了186.36 kN和231.5 kN,效率系數分別為97.1%和120.6%,破壞形式為CFRP筋拉斷破壞,滿足錨具系統要求。試驗表明:在相同的條件下,壓紋CFRP筋與粘結介質之間的粘結性能比光滑CFRP筋的粘結性能要強得多。
       
      圖3 錨固長度與平均粘結強度的關系
      從圖2還可以看出,粘結試件的極限荷載均隨錨固長度的增加而增加。對于發生滑移破壞的普通粘結試件,錨固長度每增加25 mm,其極限荷載平均增量為32.87 kN;而對于發生拉斷破壞的普通粘結試件,極限荷載由材料的強度決定。對于發生滑移破壞的預張拉粘結試件,其極限荷載增量與普通粘結式錨具的極限荷載增量近似相等,而與預張拉力的大小無關;對于發生拉斷破壞的預張拉粘結試件,其極限荷載由材料的強度決定,而與預張拉力的大小無關。

      錨固長度與平均粘結強度的關系曲線如圖3所示。從圖3可以看出:對于單根光滑CFRP筋的普通粘結試件,其平均粘結強度隨錨固長度的變化不明顯;對于單根壓紋CFRP筋的普通粘結試件,平均粘結強度隨錨固長度的增大而增大;對于單根壓紋CFRP筋的預張拉粘結試件,預張比小于56%時,平均粘結強度隨錨固長度的增大而增大,而預張比大于56%時,平均粘結強度隨錨固長度的增大而減??;對于2根壓紋CFRP筋的試件,試驗結果均為CFRP筋折斷破壞,不能反映其粘結強度。
       
      研究結論
      (1)CFRP筋的表面形狀對以RPC作為粘結介質的粘結式錨具的錨固性能有著決定性影響。
       
      (2)對于抗拉強度不大于3000 MPa的表面壓紋CFRP筋,RPC抗壓強度不小于130 MPa,普通粘結試件的臨界錨固長度為20倍筋材直徑;對于預張拉粘結試件,當預張比為56%時,錨固系統具有的最短臨界錨固長度為13倍筋材直徑。
       
      (3)多筋同時錨固時,CFRP筋間距不宜小于1倍筋材直徑。
       
      (4)筋材預張拉有利于提高粘結試件的極限荷載,但是極限荷載的提高程度由預張拉力值的相對大小決定。當預張比小于56%時,對于發生滑移破壞的預張粘結試件,極限荷載近似提高了預張拉荷載的大??;對于發生拉斷破壞的預張拉粘結試件,極限荷載的提高量受到筋材抗拉強度的限制;當預張比大于56%時,預張粘結試件極限荷載的提高量隨預張力的增大而急劇減小。
       
      (5)建立了平均粘結強度、平均粘結強度對應的滑移量、臨界錨固長度以及粘結滑移本構模型等計算式,分析表明它們均具有較好的適用性。

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