葉勇,郭子雄

(華僑大學(xué)土木工程學(xué)院,福建泉州 362021)

CFRP筋預(yù)應(yīng)力錨具受力性能試驗

葉勇,郭子雄

(華僑大學(xué)土木工程學(xué)院,福建泉州 362021)

設(shè)計一套圓弧槽夾板式錨具,通過拉拔試驗研究錨具的夾持性能,并研究包括施加于夾板緊固件螺栓上的總扭矩值和扭矩沿夾具縱向分布等主要參數(shù)對錨具性能的影響.結(jié)果表明,總扭矩值和扭矩分布均對錨具的性能有明顯影響.當(dāng)施加在夾板緊固件螺栓的總扭矩值小于200 N·m,試件最終將發(fā)生滑移破壞;當(dāng)總扭矩值超過200 N·m,試件最終發(fā)生碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)筋斷裂破壞,且極限荷載隨總扭矩值的增加而降低.扭矩沿加載端向自由端遞增分布,將使錨具獲得更好的性能.

碳纖維增強復(fù)合材料;預(yù)應(yīng)力;錨具;機械夾持;拉拔試驗

纖維增強復(fù)合材料(FRP)具有強度高、重量輕、耐腐蝕和抗疲勞性能好等優(yōu)點[1],可靠的錨固措施是保證FRP材料能充分發(fā)揮高強性能的前提.目前,FRP筋錨具依其錨固受力原理,可分為機械夾持型和化學(xué)粘結(jié)型兩大類[2].CFRP筋是一種典型的各向異性材料,其橫向抗壓強度和抗剪強度低,且不具備彎折能力,其預(yù)應(yīng)力錨具將不同于傳統(tǒng)的鋼筋預(yù)應(yīng)力錨具方式[3-5].Nanni等[6]研究表明,配置預(yù)應(yīng)力CFRP筋的結(jié)構(gòu),其最終承載能力將更多地取決于錨具系統(tǒng)的錨固性能而不是預(yù)應(yīng)力筋本身的強度.同時,文獻(xiàn)[6]提出一種能夠充分發(fā)揮CFRP筋高強抗拉性能的預(yù)應(yīng)力錨具.本文設(shè)計了一套弧線槽口機械夾持式CFRP筋預(yù)應(yīng)力錨具,通過改變夾板對CFRP筋的橫向壓力大小和分布,以檢驗適用于預(yù)應(yīng)力CFRP筋的錨固性能及施工工藝特點.

1 試驗設(shè)計

1.1 錨具特征

設(shè)計的CFRP筋預(yù)應(yīng)力錨具的具體構(gòu)造和幾何尺寸,如圖1所示.每套CFRP筋預(yù)應(yīng)力錨具由2塊鋼制夾板和6個高強螺栓型緊固件組成,夾板材料采用45號鋼.

圖1 錨具構(gòu)造圖(單位:mm)Fig.1 Details of the prestressed anchor(unit:mm)

在每塊夾板表面中央沿著長度方向開一圓弧形槽口,CFRP筋置于兩塊夾板的槽口之中,夾板通過6個螺栓型緊固件夾緊,并對筋材施加橫向壓力.為了增加夾板與CFRP筋的界面摩擦力和機械咬合力,在夾板槽口表面刻痕并作熱處理.

1.2 試驗裝置

試驗采用FRP筋專用拉拔加載裝置,如圖2所示.試驗中,通過壓力傳感器控制加載,用百分表測量CFRP筋與錨具的相對滑移.在CFRP筋表面粘貼電阻應(yīng)變片,繪制筋材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線.

加載過程中,荷載、CFRP筋與錨具的相對滑移,以及 CFRP筋的應(yīng)變均由DH3816型靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)連續(xù)采集,采集時間間隔為3 s.當(dāng)CFRP筋與錨具的相對滑移量超過0.5 mm時,認(rèn)為錨具失效,停止試驗.

1.3 試驗方案

試驗使用的CFRP筋均為直徑7 mm的單螺旋變形筋,抗拉強度為2.0 GPa,抗拉彈性模量為150 GPa.在緊固件螺栓上施加的扭矩與其螺桿產(chǎn)生的拉力之間存在一定比例關(guān)系.為了更直觀地控制夾板對CFRP筋的橫向壓力及方便該錨具的實際應(yīng)用,試驗使用扭矩扳手上緊緊固件螺栓,并通過施加不同的扭矩組合來研究該錨具的錨固性能.

已有的研究表明,夾板夾持力沿縱向均勻分布時,CFRP筋與錨具的粘結(jié)應(yīng)力在錨固區(qū)內(nèi)并非均勻分布;在近加載端存在應(yīng)力集中,削弱了夾持能力,也容易造成CFRP筋在荷載不大時提前斷裂.

試驗定義靠近加載端的一排緊固件為第1排緊固件,往自由端的緊固件分別為第2排緊固件和第3排緊固件.在第1,2,3排緊固件螺栓上施加的扭矩(Ti)依次增加,以防止近加載端CFRP筋的應(yīng)力集中.試驗參數(shù)包括:(1)施加于緊固件螺栓上的總扭矩值;(2)施加于緊固件螺栓的扭矩分布.18個錨具試件的基本情況,如表1所示.

圖2 試驗裝置圖Fig.2 Test set-up

表1 錨具試件的螺栓扭矩分布Tab.1 Torque distribution of clamping bolts N·m

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 主要試驗結(jié)果及破壞特征

各試件的試驗結(jié)果,如表2所示.表2中:ξ為試件極限荷載與CFRP筋名義極限拉力的比值;Pl為極限荷載.錨具試件的最終破壞形態(tài)主要有3種破壞模式,如圖3所示.

(1)拔出破壞.如試件CA 1～CA 10和CA 12,當(dāng)加載到CFRP筋名義極限拉力前,試件開始出現(xiàn)滑移現(xiàn)象;繼續(xù)加載時,滑移量不斷增加,荷載基本保持不變;當(dāng)滑移量達(dá)到0.5 mm時,停止加載.破壞形態(tài)如圖3(a)所示.

表2 錨具試件的主要試驗結(jié)果Tab.2 Test results of clamping bolts

圖3 試件破壞形態(tài)Fig.3 U ltimate failure modes

(2)滑移后拉斷.如試件CA 11,CA 13和CA 16,加載到接近CFRP筋名義極限拉力時,試件開始出現(xiàn)滑移現(xiàn)象;繼續(xù)加載時,滑移發(fā)展緩慢,筋材陸續(xù)發(fā)出劈裂響聲,最后在靠近錨固端頭部筋材被拉斷.破壞形態(tài)如圖3(b),(c)所示.

(3)拉斷破壞.如試件CA 14,CA 15,CA 17和CA 18,加載過程中試件未出現(xiàn)明顯滑移,接近極限荷載時,筋材陸續(xù)發(fā)出劈裂響聲,最終CFRP筋在錨固端被拉斷.破壞形態(tài)如圖3(b),(c)所示.

2.2 緊固螺栓扭矩分布對錨具性能的影響

不同于化學(xué)粘結(jié)型錨具,機械夾持型錨具筋材與夾板之間的粘結(jié)作用,由CFRP筋與夾板槽內(nèi)刻痕表面間的機械咬合力和摩擦力兩部分組成.

由于CFRP筋與夾板開槽表面的摩擦系數(shù)為恒定值,當(dāng)試件發(fā)生滑移時,夾板對CFRP筋所施加的橫向壓力相同則產(chǎn)生相同的摩擦力.因此,緊固件螺栓的不同扭矩分布,即夾板對CFRP筋的橫向壓力分布不同,產(chǎn)生的錨具錨固性能差異主要源自于夾板與CFRP筋之間的機械咬合力.夾板在夾持CFRP筋的同時,筋材在壓力的作用下產(chǎn)生了一定的橫向變形,在筋材與夾板開槽刻痕表面形成機械咬合力,不同的壓力分布使得機械咬合力的大小和分布不同.

緊固件螺栓施加相同總扭矩值而扭矩分布不同時,其荷載(P)與滑移(Δ)的關(guān)系,如圖4所示.

從圖4(a)可以看出,緊固件螺栓的施加總扭矩值為120 N·m,試件CA 3,CA 7的極限荷載僅相差2.5%.由此可見,當(dāng)總扭矩值較小時,扭矩的分布對于錨具的錨固性能影響不明顯.

從圖4(b)～(d)可以看出,當(dāng)緊固件螺栓的施加總扭矩值分別為140,160,180 N·m時,試件CA 4和CA 8,CA 5和CA 9,CA 10和CA 12的極限荷載分別相差19.6%,17.2%和11.8%.由此可見,當(dāng)總扭矩值在140～180 N·m時,扭矩的分布對錨具的錨固性能影響顯著,表現(xiàn)為相同總扭矩值條件下,第2排和第3排緊固件螺栓的扭矩值相差較大的試件具有較好的錨具性能.

從圖4(e)可以看出,當(dāng)緊固件螺栓的施加總扭矩值為200 N·m時,試件CA 11,CA 13在滑移后發(fā)生CFRP筋拉斷破壞,兩者的極限荷載相差8.1%;試件CA 13第1排緊固件螺栓的扭矩較大,導(dǎo)致了CFRP筋在錨固端應(yīng)力集中明顯,削弱了CFRP筋的極限拉力.

從圖4(f)可以看出,當(dāng)緊固件螺栓的施加總扭矩值為240 N·m時,試件CA 15,CA 17均發(fā)生CFRP筋無滑移斷裂破壞,極限荷載相差25.9%.究其原因是,試件CA 17第1排緊固件螺栓的扭矩過大,嚴(yán)重削弱了CFRP筋的極限拉力.

圖4 不同扭矩分布荷載-滑移曲線Fig.4 Load-slip curves with different torque distributions

2.3 緊固件螺栓總扭矩值對錨具性能的影響

夾板緊固件螺栓不同總扭矩值與試件平均極限荷載的關(guān)系,如圖5所示.結(jié)合圖4,5可以看出,曲線隨總扭矩值的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢.當(dāng)總扭矩值為80～180 N·m時,試件均發(fā)生滑移破壞,極限荷載從27 kN逐漸增加到71 kN;當(dāng)總扭矩值為200～260 N·m時,試件發(fā)生所述3種破壞模式,極限荷載在總扭矩值為200 N·m時達(dá)到最大值77 kN;當(dāng)總扭矩值為300 N·m時,試件發(fā)生CFRP筋無滑移斷裂破壞,極限荷載55 kN僅為CFRP筋名義極限拉力76.93 kN的71.5%,說明夾板對筋材施加了過大的壓力(尤其在靠近加載端),削弱了CFRP筋的極限拉力.

圖5 總扭矩值與極限荷載關(guān)系曲線Fig.5 Torque-ultimate load curve

試驗得到當(dāng)?shù)?排至第3排緊固件螺栓扭矩值分別為20,80,100 N·m,以及40,60,100 N·m時,錨具系統(tǒng)可以發(fā)揮良好的錨固性能;對應(yīng)的極限荷載分別為CFRP筋名義極限拉力的96.2%和104.0%,且滑移量較小.

3 結(jié)論

通過對弧線槽口機械夾持式CFRP筋預(yù)應(yīng)力錨具的拉拔試驗,可以得到以下4點結(jié)論.

(1)通過合理控制施加在夾板緊固件螺栓上的扭矩,弧線槽口機械夾持式CFRP筋預(yù)應(yīng)力錨具可以獲得較好的錨固性能.與其他類型錨具相比,所設(shè)計的錨具加工簡易、操作方便、施工周期短,而且在錨固性能方面具有性能穩(wěn)定、滑移量小的優(yōu)點.

(2)施加在夾板緊固件螺栓上的總扭矩值對錨具的性能有明顯影響.當(dāng)總扭矩值小于200 N·m時,試件發(fā)生滑移破壞;隨著總扭矩值的增加,試件的極限荷載逐漸增加;當(dāng)總扭矩值超過200 N·m時,由于錨具擠壓對CFRP筋的削弱,CFRP筋的拉斷極限荷載隨著總扭矩值的增加而降低.

(3)施加在夾板緊固螺栓上的扭矩分布對錨具的夾持性能有一定程度影響.第1排緊固件螺栓施加扭矩過大將嚴(yán)重削弱CFRP筋的極限拉力.相同總扭矩值條件下,第2排和第3排緊固件螺栓的扭矩值相差較大,可取得較好的錨固效果.

(4)該錨具用于錨固7 mm直徑CFRP筋的緊固螺栓最優(yōu)扭矩分布分別為40,60,100 N·m,對應(yīng)的極限荷載為CFRP筋名義極限拉力的104.0%.

[1]王全鳳,楊勇新,岳清瑞.FRP復(fù)合材料及其在土木工程中的應(yīng)用研究[J].華僑大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2005,26 (1):1-6.

[2]詹界東,杜修力,鄧宗才.預(yù)應(yīng)力FRP筋錨具的研究與發(fā)展[J].工業(yè)建筑,2006,36(12):65-68.

[3]方志,梁棟,蔣田勇.不同粘結(jié)介質(zhì)中CFRP筋錨固性能的試驗研究[J].土木工程學(xué)報,2006,39(6):47-51.

[4]涂永明,呂志濤,張繼文,等.四種預(yù)應(yīng)力FRP筋材錨固體系的試驗研究[J].工業(yè)建筑,2008,38(10):38-41,111.

[5]丁漢山,林偉偉,張義貴,等.CFRP預(yù)應(yīng)力筋夾片式錨具的試驗研究[J].特種結(jié)構(gòu),2009,26(2):83-87.

[6]NANN IA,BA KISC E,D IXON T O.Performance of FRP tendon-anchor system s for prestressed concrete structures[J].PCI Journal,1996,41(1):34-43.

(責(zé)任編輯:錢筠英文審校:方德平)

Experimental Study on a Clamping Anchor System for Prestressed CFRP Rods

YE Yong,GUO Zi-xiong
(College of Civil Engineering,Huaqiao University,Quanzhou 362021,China)

A new type of clamping anchor with arc groove for carbon fiber reinforced polymer(CFRP)rods is proposed. The performance of the prestressed anchor is investigated by pullout tests.The main parameters include the value and distribution of torque applied to the bolt fasteners.It shows that the value and distribution of torque influence greatly on the performance of clamping anchor.When the value of torque is less than 200 N·m,the anchor system fails due to slippage.When the torque is greater than 200 N·m,the anchor system fails due to CFRP rod rupture,and the failure load decreased with increasing the value of torque.W hen the value of torque increases from loading end to free end,the anchor show s better performance.A proper torque distribution for this anchor system is put forward.

carbon fiber reinforced polymer;prestressing;anchor;mechanica grip;pullout test

TU 378.8

A

1000-5013(2011)02-0198-05

2010-03-23

郭子雄(1967-),男,教授,主要從事工程結(jié)構(gòu)抗震防災(zāi)的研究.E-mail:guozxcy@hqu.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項目(50978107);福建省廈門市科技計劃項目(3502Z20093029).