大直径碳纤维筋锚固技术及试验研究_覃巍巍.pdf

实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年6期大直径碳纤维筋锚固技术及试验研究覃巍巍，庞忠华，沈扬波，牙向飞，陈立，邓敏杰，黄华甫，方达（柳州欧维姆机械股份有限公司，广西 柳州 545000）桥梁的钢制拉索普遍存在腐蚀疲劳损伤，严重威胁桥梁安全和寿命。碳纤维复合筋拉索（Carbon fiberreinforced polymer，CFRP cable）具有轻质、高强和耐腐蚀优点，可广泛应用于桥梁结构。但 CFRP 筋为各向异性材料，抗压和抗剪性能较差，导致 CFRP 拉索的锚固极其困难1。受原材料成本制约，现阶段碳纤维筋依然难以与传统钢绞线竞争，但对桥梁整个生命周期成本进行评价，考虑桥梁后期的检测和维护费用，碳纤维筋比钢绞线在成本上则具有较大优势，尤其在跨径大的悬索桥上，轻质的碳纤维筋拉索比自重大的钢索优势更加明显，且在岩锚的应用上，碳纤维筋锚索较传统的钢绞线锚索具有更优异的耐腐蚀性。为解决大直径碳纤维筋的锚固技术难题，本文对12 预应力碳纤维筋的单孔、多孔锚固技术进行研究及相关试验，为碳纤维筋拉索应用打下基础。1碳纤维筋的锚固方式1.1粘结式锚固锚具内部填充环氧树脂、无机砂浆等粘结材料进行锚固，待其固化后即可完成锚固。锚固面粘结力的实质为剪切作用力，主要由化学胶结力、摩阻力、机械啮合作用力构成2，如图 1 所示。该方式的优点是对碳纤维筋不容易造成损伤；缺点是若粘结材料流动性不足，则灌注比较困难，易导致灌注不密实，影响锚固性能，并且通常需要较长的锚具粘结长度来确保碳纤维筋与粘结介质不发生滑移。图1粘结式锚固示意图1.2夹片式锚固夹片式锚具主要依靠金属夹片与 CFRP 筋表面的正应力（握裹力）和剪应力（摩擦力）形成锚固体系3。该方式的优点是依赖锥形夹片与锚杯产生的挤压力夹持筋材，施工便捷；缺点是对于横观各向同性的碳纤维筋，在锚固过程中因局部的应力集中发生早期断裂破坏，不能充分发挥碳纤维筋的高强度，如图 2 所示。1.3挤压式锚固通过挤压变形进行锚固，即挤压套筒锚具4通过将摘要：该文将大直径碳纤维筋与超性能混凝土相结合，充分发挥碳纤维轻质、高强、耐腐蚀的特点与超高性能混凝土的高耐久性优点，采用复合式锚固技术，开发配套锚具，确定锚固工艺，分别对 12 单孔碳纤维筋锚固单元及多孔碳纤维筋锚索进行静载、疲劳试验，证明该锚固技术的可靠性。关键词：参数评估；大直径；碳纤维筋；锚固技术；试验中图分类号：TU37文献标志码：A文章编号：2095-2945（2023）06-0085-05Abstract:This paper combines large-diameter CFRP cable with ultra-high performance concrete,gives full play to the char-acteristics of light weight,high strength and corrosion resistance of carbon fiber and the advantages of high durability of ultra-highperformance concrete,adopts composite anchoring technology,develops supporting anchors,determines the anchoring process,andcarries out static load and fatigue tests on 12 single-hole CFRP cable anchoring unit and porous CFRP cable anchoring cablerespectively.The reliability of the anchorage technique is proved.Keywords:parameter evaluation;large diameter;carbon fiber reinforcement;anchorage technology;test第一作者简介：覃巍巍（1984-），男，硕士，高级工程师。研究方向为桥梁预应力技术。DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.06.01985-2023年6期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application套筒顶推过直径略小的模具，借助套筒径向形变产生的挤压作用，实现对碳纤维筋的锚固，如图 3 所示。该方式的优点是采用了延展性好的金属材料作为挤压套管，使其在锚固套的挤压过程中起到了过渡层的作用，避免了挤压力对碳纤维筋造成损伤，挤压完后套管和碳纤维筋紧密契合，提高了套管和碳纤维筋的界面剪切强度，保证了锚具对碳纤维筋的有效夹持；缺点是对材料要求较高，制造工艺复杂（锚固套外径加大，锚固套加长导致挤压时容易变形、弯曲），锚固技术难度高。图2夹片式锚固示意图图3挤压式锚固示意图1.4复合式锚固应用以上 3 种锚固方式根据技术要求进行组合锚固，在灌注黏结剂前，利用夹片式锚固原理结合粘结锚固组合结构对 CFRP 进行张拉锚固，如图 4 所示。综合夹片式单根夹持特点和粘接端整体锚固的特性，保证锚固的可靠性，确保成索后各 CFRP 筋应力的均匀性。2大直径（12）碳纤维筋锚固技术研究为解决大直径（12）碳纤维筋的锚固问题，本文采用复合式锚固技术，即对于单根 12 碳纤维筋采用粘结与挤压式相结合的方式进行锚固，对于多根12 碳纤维筋则在单孔锚固单元的基础上，又增加UHPC（超高性能混凝土）作为锚杯内部的灌浆填充材料，对锚固单元进行充分握裹及防护，从而形成多层级复合式锚固，可有效提高碳纤维筋锚索的可靠性及耐久性，最终研制出 OVM12-1 及 OVM12-5 碳纤维筋锚具。图4复合式锚固示意图2.112碳纤维筋单孔锚固单元OVM12-1 单孔锚固单元主要由如下材料组成：12 碳纤维筋，锚固套，胶黏剂。其中单根 12 碳纤维筋的主要技术性能为公称截面积 113.1 mm2，抗拉强度2 500 MPa，公称破断力 282.8 kN，如图 5 所示。图5单孔锚固单元2.212碳纤维筋多孔锚索OVM12-5 多孔锚索主要由如下材料组成：5 根12 碳纤维筋锚固单元，锚索主要技术性能为公称截面积 565.5mm2，抗拉强度 2500MPa，公称破断力 1414kN，如图 6 所示。锚索锚杯内部的灌浆料采用常温型 UHPC，是OVM 公司开发的一种超高性能水泥基材料，具有超高强、超早强、自密实、高耐久性、高韧性和低孔隙率等性能，利用超高性能混凝土代替普通水泥砂浆作为粘结介质填充锚筒，具有更高的抗压强度与耐久性，使锚固区碳纤维筋受力更合理，避免其过早受损而提前破坏，使设计强度得到充分发挥。3大直径（12）碳纤维筋试验研究3.112碳纤维筋单孔锚固单元试验本文参照 GB/T 143702015 预应力筋用锚具、夹具和连接器、GB/T 267432011结构工程用纤维增强复合材料筋、GB 506082020 纤维增强复合材夹片孔固定螺栓螺帽粘结锚固段CFRP 索夹片锚固段钢夹片螺栓孔灌胶孔图6锚索组成示意图UHPC 料UHPC 料张拉端碳纤维筋固定端86-实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年6期表112碳纤维筋单孔锚固单元静载锚固试验技术要求及数据内容 抗拉强度/MPa 弹性模量/GPa 极限应变(%)0VM12-1 锚具极限 抗拉力/kN 锚具效率 系数 标准要求 1800 140 1.5 203.6 0.90 实测结果 2?747 2?710 2?722 163.5 165.3 164.0 1.68 1.64 1.66 310.7 306.6 307.9 1.10 1.08 1.09 料工程应用技术标准 等标准并高于标准要求对OVM12-1 碳纤维筋单孔锚固单元进行严格的静载、疲劳试验对比。3.1.1锚固单元静载锚固试验将 OVM12-1 碳纤维筋单孔锚具组装件与夹具、拉伸试验机配套安装，如图 7 所示，按标准规定速度分级加载至碳纤维筋公称极限抗拉力的 80%，按标准规定速度缓慢加载至碳纤维筋破坏，观察碳纤维筋及锚具组装件的情况，试验过程中记录碳纤维筋的受力长度、相对位移、组装件的实测抗拉力等数据记录。图7单孔锚固单元静载试验示意图试验结论：当加载力达到碳纤维筋公称极限抗拉力的 80%时（226.3 kN），持荷 30 min，碳纤维筋及锚具无异常、无滑移且无异响；破断时碳纤维筋从中部发散破坏，筋材与锚具无滑移，锚具无塑性变形或碎裂。可证明 OVM12-1 碳纤维筋单孔锚具在采用 2 500 MPa级别的高强度碳纤维筋且保压力、保压时间均高于标准要求的情况下，碳纤维筋单孔锚具静载锚固试验结果均满足表 1 标准要求。3.1.2锚固单元疲劳荷载试验在采用 2 500 MPa 级别的高强度碳纤维筋且提高应力上限、应力幅及疲劳试验后增加进行静载锚固试验的情况下，经 200 万次循环荷载后，锚具零件无疲劳破坏，碳纤维筋无滑移且未发生疲劳破坏，3 组疲劳试验后的静载试验的锚具效率系数分别为 0.98、0.99、0.99，试验结果均满足标准要求。试验数据对比见表 2。3.212碳纤维筋多孔锚索试验3.2.1多孔锚索静载锚固试验碳纤维筋拉索静载性能与拉索服役安全性密切相关，研究内容涉及极限锚固性能、粘结损伤评定及索体应力均匀性等。相关研究一般基于桥梁拉索测试规范，通过逐级单调加载或循环加载的方式，对所研发锚固体系性能进行评定。表212碳纤维筋单孔锚固单元疲劳荷载试验技术要求及数据内容 循环次数/万次 应力上限/MPa 应力幅/MPa 试验结果判定 标准要求 200 碳纤维筋公称抗拉强度的 50%,即1?250?MPa 80 锚具不应发生疲劳破坏,碳纤维筋因锚具夹持作用发生疲劳破坏的截面面积不应大于碳纤维筋公称截面面积的 5%实际试验要求 同标准要求 碳纤维筋公称抗拉强度的 65%,即1?625?MPa 200 除满足标准要求外,疲劳试验后还需进行静载锚固试验,锚具效率系数大于等于0.90 实测结果 200 1?625 200 经 200 万次循环荷载后,锚具零件无疲劳破坏,碳纤维筋无滑移且未发生疲劳破坏,3 组疲劳试验后的静载试验的锚具效率系数分别为 0.98、0.99、0.99 87-2023年6期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application表35孔12碳纤维筋锚索静载锚固试验数据内容 抗拉强度/MPa 极限应变(%)0VM12-5 锚索极限抗拉力/kN 锚具效率系数 标准要求 1?800 1.5 1?018 0.95 实际试验 2?500 同标准要求 1?414 1.0 实测结果 2?982 2?956 2?971 1.86 1.85 1.86 1?686.9 1?672.1 1?680.4 1.19 1.18 1.19 逐级单调加载用于研究锚固体系的极限性能，是静载性能研究的核心。锚固体系的极限性能可通过锚具效率系数5进行对比，反映锚固体系对 CFRP 筋束的锚固损伤程度。解决 12 碳纤维筋单孔锚固单元的锚固问题后，本文对由锚固单元与 UHPC 灌浆料组合式锚固的 5 孔OVM12-5 锚索进行相关试验研究，具体试验过程见表3 和图 8 所示。表4 5孔12碳纤维筋锚索疲劳荷载试验技术要求及数据图85孔12碳纤维筋锚索静载锚固试验试验结果表明，采用 2500MPa 级别的复合式锚固的 5 孔 OVM12-5 碳纤维筋锚索具有极高的锚具效率系数，完全满足标准要求。3.2.2多孔锚索疲劳荷载试验现阶段对 CFRP 材料疲劳损伤的试验研究，主要通过监测疲劳试验中 CFRP 材料微观、宏观损伤状态参数的变化趋势或对比疲劳前后损伤状态参数的变化程