CFRP (carbon fiber reinforced plastics, 碳纤维增强塑料) 筋是采用多股连续碳纤维作为增强纤维, 热固性树脂作为基体材料, 将增强纤维和基体树脂胶合, 通过固定截面形状的模具挤压、拉拔快速固化成型的复合材料。CFRP筋具有强度高、容重小、耐腐蚀、热膨胀系数低、弹性性能好、耐疲劳性能优越等优点^[1,2,3], 在工程中具有极高的应用价值。在长大桥梁中, 作为缆索支撑体系, 日益受到广泛关注。随着中国对跨江海大桥建设需求的增加, CFRP筋必将在今后的超大跨桥梁建设中发挥重要作用。另外, CFRP作为基坑锚杆以及钻井平台的系泊索可以解决不利的环境腐蚀问题, 有着良好的应用前景。

CFRP筋抗剪强度很低, 在以往的工程中, 用于锚固钢筋的夹持式锚具大多是利用机械咬合的原理, 此类锚固方法显然不适用于CFRP筋。因此需要研发新型锚具来锚固CFRP筋。

瑞士、日本、美国及加拿大等是研究和应用CFRP较早的国家, 从20世纪60年代开始, 工程师们先后研发了CFRP筋的各种锚具, 积累了大量的经验^[4,5,6]。国内学者在CFRP筋锚固体系方面也做了较多的研究, 薛伟辰等在国内首次研制了预应力黏结型锚具, 并申请了专利^[7];梅葵花等主持国内首座CFRP索斜拉桥的设计和应用研究, 开发了直筒加内锥式黏结型锚具, 并应用于该斜拉桥中^[8];蒋田勇等研制了楔紧锚固端和黏结锚固端组成的复合式锚具, 获得了较好的锚固效果^[9,10];刘荣桂等以国内首座CFRP索斜拉桥为研究背景, 继续研发了夹片-套筒黏结式锚具, 并对CFRP拉索的静力及动力参数特性进行了分析^[11,12]。

国内外在CFRP索黏结型锚具的研发方面积累了较多成果, 从受力形式上可分为夹持式锚具和黏结型锚具, 其中仍以锚固单根CFRP筋的研究为主。CFRP材料本身对剪切和弯折作用较敏感, 锚固系统中, 容易被忽略的细节问题, 如果处理不当, 会严重影响锚固性能。一些复合式锚具将夹片和套筒组合起来使用, 能够锚固单根或多根CFRP筋, 但这类锚具存在组装工艺复杂的问题。

本文对CFRP筋锚固体系的既有技术进行了阐述, 并结合本课题组所做的试验研究, 指出各种锚具的锚固机理、优缺点、待解决的问题, 并从结构形式及材料上, 对新型锚具的研究方向进行了探讨。还提出了利用夹板式锚具对CFRP筋的材料强度进行测试的方法。

夹持式锚具由传统的夹持钢丝或钢绞线的夹片式锚具发展而来, 在夹片的结构形式上做了相应改造。为避免夹片直接与CFRP筋接触挤压, 损伤筋材, 在夹片和筋材之间加设软金属套管。锚固系统的结构形式如图1所示。组装时, 将各组件按照图1的位置安装, 在锚筒的大孔端对夹片施加预紧力, 将内部结构挤压入锚筒。

夹片内侧表面有凹槽, 夹片通过凹槽与软金属套管咬合。为了增强软金属套管与CFRP筋的摩擦力, 在软金属套管内侧表面, 粘涂1层石英砂, 如图2 所示。锚筒、夹片、软金属套管相互作用, 共同夹持住CFRP筋, 形成锚固体系。

夹片式锚具的锚固受以下参数的影响较大。

1) 夹片凹槽夹片凹槽的深浅、槽距的大小会影响夹片与套管的咬合程度。虽然夹片与CFRP筋之间有套管相隔, 但如果凹槽设置不当, 会造成夹片对CFRP筋的损伤。

2) 套管套管的材质一般有铝和铜, 铜的材质相对较硬, 容易造成CFRP筋滑脱, 若在铜套管的内表面粘涂石英砂, 则石英砂较难镶入铜套管, 大部分镶入CFRP筋材, 使CFRP筋材受到损伤, 因此, 选择铝材质的套管较好, 而铝质套管一般为铝合金, 不同的合金含量, 材质的硬度也不同, 材质多样, 需要选择适当硬度的铝。套管过薄, CFRP筋材易受损伤;过厚容易使摩擦力失效, 从而造成CFRP筋滑脱。套管尺寸 (管径和周长) 要刚好合适, 以包裹住CFRP筋时余留1mm左右缝隙为宜。若套管尺寸过大, 径向挤压力不能很好地传递到CFRP筋, 易造成CFRP筋滑脱;套管尺寸过小, 不能发挥套管的保护作用。

3) 预紧力预紧力过大会使CFRP筋受到过大的挤压力而损伤;预紧力过小, 对CFRP筋的夹持不牢固。

4) 组装工艺夹片式锚具各种组件的摆放位置要精确、合适, 偏差会造成不良的锚固效果。预紧程序也较复杂, 不如预紧钢丝或钢绞线方便。

锚具的锚固性能取决于参数的设置, 使锚固性能达到最优的参数设置称为最优参数组合。对于8的CFRP筋, 最优参数组合为:预紧力为100k N, 套管厚度为0.8mm, 夹片凹槽间距为10mm, 铝套管内表面粘涂目数为80左右的石英砂。具有该最优参数组合的锚固系统的锚固效率系数可达95%。锚固效率系数是体现锚具锚固性能的一项重要指标, 其定义为^[13]:

式中:F_ault为锚固体系实测极限承载力 (或者极限强度) ;n为CFRP筋根数;f_mult为单根CFRP筋极限承载力 (或者极限强度) ;η≥0.95。

本课题组对具有最优参数组合的锚固系统进行抗疲劳试验, 应力为860~960MPa, 3个试件均能够安全通过200万次的循环荷载, 不发生失效, 但疲劳后的3个试件极限承载力均表现出严重损失, 损失约40%~50%, 且疲劳后的静力拉伸破坏大多是CFRP筋滑脱的形式, 如图3所示。试验结果表明:在长期反复荷载作用下, 夹片式锚具的抗疲劳性能不佳, 安全储备不足。原因可能在于铝质套管弹性性能较差, 在高应力作用下时效性较强, 随时间的延长应力损失较大。

对夹片或者套管进行材料改进, 如用超高性能混凝土制作夹片, 或者用强度较高的有机材料制作套管, 这些措施都有助于提高锚具的锚固性能。夹片式锚具仅能锚固单根CFRP筋, 若要锚固CFRP束股需要群锚。传统的钢丝锚具在使用时, 可以对钢丝进行张拉, 能够较好地控制应力。CFRP筋锚具在使用时, 不可以对CFRP筋进行张拉, 只能对夹片施加预紧力, 锚具内部结构的位移较难保持相等, 因此, 很难保证CFRP束股两端群锚之间的每根CFRP筋长度都相等。往往因最短的1根CFRP筋率先破段, 造成群锚结构失效。

锚固系统的应力分布较难从理论计算上量化。例如:套管包裹住CFRP筋时, 余留1mm左右缝隙与不留缝隙, 在理论计算上无差别, 但事实上, 两者的锚固效果却相差甚远。

综上所述, 影响夹片式锚具锚固性能的因素很多, 对组装工艺要求高。夹片式锚具仅能锚固单根CFRP筋, 且抗疲劳性能不佳。若将单根CFRP筋锚固系统应用于具有耐腐蚀环境的工程中, 并且长期处于静力的受力状态, 则为一种较好的钢质锚固系统的取代品。

CFRP筋黏结型锚具的优点是可以把多根CFRP筋共同锚固于一个锚具内, 因此比较适用于CFRP束股。基于此, 先后研发出各种黏结型锚具, 从结构形式上大概可分为直筒式和内锥式, 如图4所示。锚具的外筒称为锚筒, 内部结构由黏结介质和CFRP束股组成。

锚筒通过黏结介质与锚筒的阻力 (摩擦力与界面挤压力) 约束锚固内部结构;黏结介质与CFRP筋通过化学胶着力、摩擦力和机械咬合力组合在一起。锚筒、黏结介质及CFRP束股三者相互作用, 协调变形, 形成能够承担轴向拉力的结构体系。

直筒式锚具的锚筒内壁是直的, 锚筒通过摩阻力约束内部结构滑移, 其界面只有摩阻力而无挤压压力, 需要较长的锚固长度提供足够的阻力来平衡轴向拉力。CFRP筋与黏结介质界面没有足够的挤压力, 黏结效果较差, 容易滑脱。有的用膨胀混凝土作黏结介质, 依靠膨胀力来增大索股与黏结介质的黏结力, 但膨胀混凝土与CFRP筋弹性模量相差较大, 变形不协调, 在疲劳荷载作用下, CFRP筋表面磨损, 容易导致锚固失效。

直筒式锚固系统还存在束股受力不均的缺点。假设锚筒内表面足够粗糙, 与黏结介质接触面固结。当锚固系统承担轴向拉力后, CFRP束股的外层筋靠近锚筒, 受锚筒的约束大, CFRP束股内层筋距锚筒相对较远, 受锚筒约束小, 因此系统承担拉力后束股的内外层筋位移不一致, 其内部结构发生如图5所示的变形。

外层筋比内层筋位移大, 两者之间产生位移差值Δl, 必然存在变形差, 因此内外层筋就会有拉力差。束股受力不均匀使则束股所含CFRP筋不能同时达到极限强度, 这是影响锚固性能的重要因素。理论上, CFRP束股直径越大, 外层与内层筋受力就越不均匀, 锚固性能越差。

内锥式锚具内壁是楔形面, 可利用锚筒对内部结构的楔紧力增大束股受到的黏结力。当锚固系统承载后, 内部结构相对于锚筒产生滑移。锚筒对内部结构产生径向挤压力, 并传递给CFRP束股。由于内部结构在滑移过程中, 在大孔端和小孔端的径向应变不同, 导致径向挤压力在纵向上分布不均匀, 大孔端相对较小, 往小孔端逐渐增大, 在小孔端附近出现峰值 (见图6) 。

径向挤压应力分布不均匀带来以下不利影响。

1) CFRP筋弯折

锚固系统承担拉力后, 内部结构相对锚筒产生位移, 内部结构的一部分被拉出小孔端, 这部分受到的径向挤压力被释放, 产生横向膨胀, 如图7所示。CFRP筋在受荷端附近受到水平拉力和横向膨胀力共同作用, 此时CFRP筋受到了弯折作用, 且弯折半径很小, 受力较为不利, 外层筋比内层筋的弯折更为严重, 严重影响锚具的锚固性能。

2) CFRP筋受剪

图8为锚固区CFRP筋剪应力纵向分布, 图8中τ_ρz为表面的纵向剪应力, 其纵向分布与径向挤压应力有相似的分布规律, 即在受荷端附近出现峰值, 将引起CFRP筋撕裂破坏。τ_zρ为横向剪应力, 其纵向分布与束股受到的黏结力有关, 与径向挤压应力也有相似的分布规律, 即在受荷端附近出现峰值。锚固系统承载后, CFRP筋在拉剪复合受力状态下易提前破坏。

此外, 同直筒式锚具受力机理相似, 内外层筋轴向拉力不均匀, CFRP筋越分散, 束股直径越大, 锚固效率系数越低。

内锥式锚具有较大的改进潜力, 针对其存在的缺点和问题, 对内锥式锚具做了有效改进, 发明了很多新型锚具。

直筒加内锥式锚具是在内锥式锚具的受荷端衔接一段直筒进行过渡^[8], 结构形式如图9所示。

直筒加内锥式锚具的优点是, 径向挤压应力峰值在小孔端附近, 不会突然减为零, 而是出现了缓降阶段。这样, CFRP筋在小孔端横向剪应力峰值也会有所降低。被拉出小孔端部分的结构横向膨胀受到约束, CFRP筋在小孔端受到弯折的程度大大降低。直筒加内锥式锚具的锚固性能优于内锥式锚具。

直筒加内锥式锚具虽然改善了部分不利因素, 但未能完全解决存在的问题。挤压应力峰值仍然在小孔端附近出现, CFRP筋在小孔端附近受到的纵向剪应力峰值并未降低。横向剪应力峰值虽有所降低, 但横向剪应力峰值还是存在的。被拉出小孔端部分的结构横向膨胀受到约束, 但CFRP束股还存在在横向上的错动, CFRP筋在小孔端仍然受到一定程度的弯折。CFRP束股最外层的筋材受到的弯折最严重, 因此, 小孔端附近的最外层CFRP筋率先破断, 导致整个锚固系统的破坏。CFRP束股直径越大, 受力越不利, 锚固性能越差。

图10所示为直筒加内锥式锚具的CFRP束股在受荷端附近的破坏状态 (图10中平齐踞断CFRP束股是为了便于观察拍照) 。

该锚固系统采用19φ5的CFRP筋作为束股, 相邻2根CFRP筋间距为2mm。从图10中可以看出最外层的4根CFRP筋率先破断并被拔出。4个孔的深度均在直筒段与内锥段结合的截面附近, 即内锥的小孔端附近, 说明4根CFRP筋是在内锥的小孔端附近率先破断的。该锚固系统的锚固效率系数约为75%, 随着束股直径的增大, 锚固效率系数会更低, 可见, 直筒加内锥式锚具的锚固性能并不理想。

有学者建议在受荷孔端部设置端堵, 端堵与黏结介质之间保持一定间隙。但这种方法作为试验手段是可以尝试的, 在实际施工操作中较难实现。当内部结构滑移到端堵位置, 不能再滑移, 那么受荷端部的CFRP筋将与黏结介质剥离破坏, 随着荷载的增大, 剥离区向锚具内部扩大, 这是极为不利的。在受荷孔端部设置端堵方面的研究还未见有相关报道。

变刚度内锥式锚具是在内锥式锚具的基础上, 对黏结介质做了改良, 其黏结介质是一种梯度变化的材料, 由环氧树脂胶中掺加含有氧化铝的陶瓷颗粒制成^[6]。在锚筒的大孔端黏结介质弹性模量较大, 向小孔端逐渐减小, 如图11所示。黏结介质的弹性模量梯度变化, 是通过控制含有氧化铝的陶瓷颗粒含量实现的, 在大孔端陶瓷颗粒较为密集, 向小孔端逐渐稀疏。通过这种方式, 可以使黏结介质的弹性模量达到特定效果。

黏结介质的弹性模量梯度变化, 可以降低CFRP束股在小孔端的径向挤压应力峰值;CFRP束股在大孔端的径向挤压应力得到提高, 增强了大孔端的锚固作用。在承载力相等的情况下, 变刚度内锥式锚具内部结构的位移将减小, 这也是降低CFRP束股在小孔端的径向挤压应力峰值的有利因素。CFRP束股在锚固区的受力状态较普通内锥式锚具得到改善, 锚固性能大大提高。

该锚具是瑞士联邦材料测试与研究实验室 (EMPA) 的Meier U教授研发的。在进行了大量的静载和疲劳试验后, 证明该锚具的锚固性能良好, 静载锚固效率系数达92%, 且抗疲劳性能较强。用这种锚具制作的2束拉索 (含2415的CFRP筋) , 已成功取代位于瑞士温特图尔的斯托克桥中的2根原用钢丝制作的斜拉索。对应力和变形的长期监控表明, 这2根CFRP索的工作状态优于普通钢丝索。

变刚度内锥式锚具承载后, 内部结构与锚筒相对滑移。内部结构拔出后, 在小孔端仍然受到弯折, 这一不利情况虽然在一定程度上有所改观, 但CFRP筋弯折问题没有彻底解决, 这可能是影响其锚固性能的一个重要因素。另外, 变刚度内锥式锚具制作工艺复杂, 给施工带来了难题。

CFRP筋复合式锚具由机械夹持段和黏结锚固段组成, 可看作是夹片式锚具和内锥式黏结型锚固的组合锚具^[9], 如图12所示。

复合式锚具锚固原理是:当锚固系统承担荷载时, CFRP筋产生轴向滑移, 机械夹持段产生夹持作用, 黏结锚固段产生黏结作用, 从而达到共同锚固CFRP筋的目的。

根据有无预张拉, 复合式锚具分为预张拉复合式锚具和普通复合式锚具。复合式锚具预张拉是指将组装好的夹片式锚具在张拉端套上钢套筒, 然后将其在预张拉装置对筋材预先施加张拉力, 再向钢套筒内灌注黏结介质, 待黏结介质养护完成后放张, 筋材的回缩力传递到黏结界面, 以抵消使用状态下的部分张拉荷载, 提高锚固性能。普通复合式锚具在灌注黏结介质前不进行预张拉。

复合式锚具锚固性能的影响参数有: (1) 夹片预紧力; (2) 机械夹持段长度; (3) 黏结锚固段长度; (4) 预张拉力。在最优参数组合下, 复合式锚具的锚固效率系数可达到104%。

复合式锚具利用了夹片式和黏结型锚具的优点, 同时也兼有两者的缺点, 并衍生出更多的缺点。

1) 选择超高性能混凝土作为黏结介质, 其弹性模量一般在50GPa以上, 而CFRP筋基体 (环氧树脂) 的弹性模量一般在10GPa左右。两者的弹性模量相差较大, 在长期的反复荷载下, CFRP筋易受损伤, 夹片式锚具本身的抗疲劳性能也较弱。可见, 该锚固系统的抗疲劳性能将值得探讨。

2) 预张拉复合式锚具的预张拉方法作为试验手段是可行的, 但在实桥拉索的制作当中是不易实现的。实桥拉索的长度比试验试件的长度大很多, 试验设备较难实现拉索的预张拉。

3) 复合式锚具中包含2种锚具, 组装程序更复杂, 且机械夹持段只能锚固单根CFRP筋, 复合式锚具也将只能锚固单根CFRP筋, 所以用其制作拉索还面临局限性。

目前, 国内CFRP筋材市场上, 成品质量良莠不齐, 很多材料存在强度低、强度离散性大的问题。而往往很多厂家出售产品时, 为追逐利益而夸大材料性能, 给CFRP筋锚固技术的试验研究带来相当大的困扰。

单根CFRP筋极限承载力一般由材料的生产厂商提供。市场上, CFRP筋成品的生产技术不同, 产品的材料强度也存在差异。生产厂家提供的材料强度, 是厂家经过测试得到的。测试方法一般采用锚具锚固单根CFRP筋, 拉伸测试其强度。所采用的锚具一般用钢管作为锚筒, 膨胀水泥作为黏结介质。锚具本身的锚固效率系数并不能达到100%。这种情况下测得的材料强度只是参考值, 而非材料真实强度。

在试验研究中, 要保证计算所得的锚固效率系数是精确的, 需要对CFRP筋的材料强度进行实际测试, 建议采用下述方法。

将下好料的CFRP筋两端分别用环氧树脂浇筑在模具内, 模具结构如图13所示。将长度约20cm的钢管纵向切成两半, 预留灌胶孔和透气孔, 两端设置端堵。在钢管和端堵的内表面粘涂石蜡, 以便脱模。

将脱模后的构件两端分别用图14a所示的夹板式锚具锚固, 组装成锚固系统, 如图14b所示。夹板式锚具由2片夹板组成, 夹板中间纵向开半圆形槽, 槽表面进行粗糙处理, 夹板两边冲孔, 作为螺栓孔。

通过螺栓对夹板式锚具施加夹紧力。夹紧力的大小以使第一截面产生100MPa径向挤压应力为宜。螺栓预紧力的大小可由扭矩扳手控制。

将组装好的试件放入穿心式千斤顶中张拉以测试CFRP筋的强度。夹板式锚具利用了夹持和黏结共同作用, 使CFRP筋损伤较小, 所测出的材料强度较准确。表1为对2批CFRP筋进行强度测试的结果。

比较表1中的测试结果, 第1批8 CFRP筋实测f_mult相差不大, 离散幅度仅为3.3%。实测f_mult均值比厂家标定的极限承载力略大, 约为10.4%。其他试件实测f_mult离散性也较小, 且均值与厂家标定后极限承载力相差不大。可见夹板式锚具锚固性能非常好且能稳定, 是测试CFRP筋强度较好的方法。

通过理论分析各种形式的CFRP筋锚具的受力特性, 并对比大量的试验结果, 可得到以下结论。

1) 夹片式锚具锚固性能的影响参数较多, 对组装工艺要求高, 静力锚固性能离散性大。在长期的反复荷载作用下, 锚固系统的抗疲劳性能不理想, 残余极限承载力较低, 结构的安全系数不高。夹片式锚具只能锚固单根CFRP筋, 在工程中的应用价值有限。

2) 可以把多根CFRP筋共同锚固于1个锚具内, 因此比较适用于CFRP束股。既有的黏结型锚具, 存在锚固区的束股受力不均匀应力峰值及受弯折等问题, 严重影响了锚固性能, 若要提升锚具的性能, 必须从解决这些问题入手。

3) 环氧树脂作为黏结介质的材料要优于其他材料, 因此环氧树脂应作为以后新型锚具研发首选的黏结介质材料。

4) 本文提出的用夹板式锚具制作锚固系统, 能够准确测试CFRP的强度, 该法可以作为CFRP材料强度的测试方法。