摘 要: 碳纖維復(fù)合材料(CFRP) 作為一種新型材料, 有著優(yōu)良的物理特力學(xué)性能. 近年來(lái)在土木工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛. 綜述了CFRP 的發(fā)展歷程及主要研究成果. 分析了CFRP 的材料特性, 并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析. 同時(shí)對(duì)國(guó)內(nèi)外新開(kāi)發(fā)的CFRP 筋專(zhuān)用錨具作了簡(jiǎn)單介紹.
關(guān)鍵詞: 碳纖維; 材料特性; 錨具; 土木工程; 綜述
中圖分類(lèi)號(hào): TU 5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A
混凝土結(jié)構(gòu)是土木工程中最主要的結(jié)構(gòu)形式, 但混凝土結(jié)構(gòu)存在鋼筋銹蝕、混凝土碳化等現(xiàn)象, 因此存在結(jié)構(gòu)耐久性和抗疲勞性不好等問(wèn)題, 尤其是處于侵蝕性和暴露環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)受損更加嚴(yán)重. 每年用于橋梁維修和加固的資金巨大, 因此, 開(kāi)發(fā)新型材料用以提高結(jié)構(gòu)性能成為土木工程領(lǐng)域的一個(gè)趨勢(shì). 碳纖維復(fù)合材料CFRP (Carbon F iber Reinfo rced Po lym er) 已成為土木工程的研究熱點(diǎn)[ 1～ 30 ].
1 碳纖維復(fù)合材料(CFRP) 的發(fā)展歷程
纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料FRP (F iber Reinfo rced Po lym er) 問(wèn)世于20 世紀(jì)40 年代. CFRP 最開(kāi)始由美國(guó)制造. 1950 年, 美國(guó)空軍基地在2 000℃高溫下?tīng)恳嗽旖z得到CFRP[ 30 ]. 1959 年美國(guó)聯(lián)合碳化公司以粘膠纖維為原絲制成纖維素基CFRP; 1962 年, 日本碳素公司實(shí)現(xiàn)低模量聚丙烯腈基CFRP 的工業(yè)化生產(chǎn); 1963 年英國(guó)航空材料研究所開(kāi)發(fā)出高模量聚丙烯腈基CFRP; 1965 年日本群馬大學(xué)試制造出瀝青或木質(zhì)素為原料的通用型CFRP; 1969 年, 日本大谷杉郎從特殊的共聚PAN 中生產(chǎn)出高強(qiáng)、高彈模的CFRP (芳香族聚酰胺纖維) ; 1970年, 日本吳羽化學(xué)公司實(shí)現(xiàn)瀝青基纖維的工業(yè)規(guī)模生產(chǎn); 1972 年, 美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)出密度為1. 2～ 1. 5 töm 3強(qiáng)度達(dá)3 000M Pa 的A ram id (阿拉米德) CFRP; 1980 年美國(guó)金剛砂公司研制出酚醛纖維為原絲的活性碳纖維并投放市場(chǎng); 1996 年全世界碳纖維總生產(chǎn)量已達(dá)17 000 t, 其中聚丙烯腈基纖維占85% , 其余是瀝青基纖維.2002 年世界聚丙烯腈基碳纖維的生產(chǎn)能力約為3. 1 萬(wàn)t, 其中75% 是小絲束碳纖維, 25% 是大絲束碳纖維. 1996～ 2000 年世界高性能碳纖維的生產(chǎn)能力詳見(jiàn)表1. 碳纖維材料主要由日本生產(chǎn), 美國(guó)其次. 其他國(guó)家產(chǎn)量很少.根據(jù)原料和制造方法的不同, CFRP 分為PAN 系CFRP 和瀝青系CFRP 兩大類(lèi). 目前在工程中應(yīng)用的CFRP 是由多股連續(xù)纖維與樹(shù)脂膠合后經(jīng)過(guò)擠壓和拉拔成型得到的.
2 碳纖維在土木工程中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀
2. 1 國(guó)外的應(yīng)用研究狀況
CFRP 材料首先應(yīng)用于航天工業(yè), 這項(xiàng)技術(shù)在20 世紀(jì)70 年代已趨于成熟. 在土木工程中的應(yīng)用始于20 世紀(jì)60 年代的美國(guó). 但當(dāng)時(shí)試驗(yàn)結(jié)果不理想, 而且價(jià)格很高, 所以在其后的二十多年里, FRP 材料在土木領(lǐng)域的研究與應(yīng)用沒(méi)有得到很大的發(fā)展. 在土木工程中的應(yīng)用研究直到80 年代初才開(kāi)始重視, 但相關(guān)的研究主要集中在歐美、日本和澳大利亞等國(guó)[ 1, 4 ]. 應(yīng)用范圍多集中于橋梁、海工構(gòu)筑物、非磁性建筑等工程, 其中橋梁方面應(yīng)用較多.
1991 年7 月, 瑞士聯(lián)邦材料測(cè)試研究所首次在總長(zhǎng)228m 的多跨連續(xù)箱型梁橋( Ibach 橋) 進(jìn)行了碳纖維加固試驗(yàn)并獲得了成功. 20 世紀(jì)90 年代國(guó)際上對(duì)碳纖維材料在土木工程中的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛和系統(tǒng)的研究, 尤其在橋梁、隧道和房建加固工程中首先得到了廣泛應(yīng)用. 有些發(fā)達(dá)國(guó)家已編寫(xiě)了相關(guān)的設(shè)計(jì), 施工規(guī)程, 指南和手冊(cè). 1997 年英國(guó)至少在30 座橋梁和結(jié)構(gòu)物中采用CFRP 加固和修補(bǔ)技術(shù). 美國(guó)和加拿大的鹽害較嚴(yán)重, 約有60 萬(wàn)座橋梁受害, 需要加固和修復(fù). 美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)(AC I) 已經(jīng)成立了專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(AC I440) , 在美國(guó)很多機(jī)構(gòu)開(kāi)始CFRP 的應(yīng)用研究; 加拿大也已經(jīng)建立了相關(guān)的研究開(kāi)發(fā)基地, 并且編制CFRP 的規(guī)程. 日本在土木工程中應(yīng)用CFRP 已經(jīng)有20 多年的歷史.
2. 2 國(guó)內(nèi)的應(yīng)用研究狀況
我國(guó)對(duì)土木結(jié)構(gòu)方面的CFRP 研究起步比較晚, 在1996 年前后才開(kāi)始[ 28 ]. 目前的研究主要集中在CFRP片材加固和修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu). 最初只有國(guó)家工業(yè)建筑診斷與工程技術(shù)研究中心進(jìn)行相關(guān)研究, 后來(lái)清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、湖南大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等十余所高校相繼開(kāi)始, 并在在板梁柱的模型實(shí)驗(yàn)和加固與修復(fù)方面取得實(shí)質(zhì)性成果[ 29 ]. 直到1998 年才有少量的工程開(kāi)始應(yīng)用. 2000 年, 成立了全國(guó)纖維增強(qiáng)塑料(FRP) 及工程應(yīng)用專(zhuān)業(yè)委員會(huì), 并在同年6 月召開(kāi)了“首屆FRP 混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)交流會(huì)”. 我國(guó)已編制并頒布了《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》,《結(jié)構(gòu)加固修復(fù)用碳纖維片材產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)》和《結(jié)構(gòu)加固修復(fù)用粘貼樹(shù)脂產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)》.
FRP 國(guó)家規(guī)范正在編制中.
近年來(lái), FRP 的應(yīng)用研究發(fā)展很快, 我國(guó)已有部分企業(yè)開(kāi)始生產(chǎn)GFRP 和CFFP 筋. 在修復(fù)和加固混凝土結(jié)構(gòu)方面, 理論上已經(jīng)比較成熟, 技術(shù)上也日趨完善.
3 FRP 的分類(lèi)及材料特性
纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料FRP 是由包裹在樹(shù)脂母體中的連續(xù)纖維做的[ 26 ]. 以纖維為增強(qiáng)材料, 樹(shù)脂為基體由材料, 并摻加輔助劑, 經(jīng)拉拔成型和必要的表面處理形成的一種新型復(fù)合材料[ 24 ]. 樹(shù)脂主要起粘結(jié)作用.土木工程領(lǐng)域常用的FRP 材料按纖維成分主要?jiǎng)澐譃閇 27 ]: 碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料CFRP (Carbon F iberReinfo rced Po lym er)、玻璃纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料GFRP (Glass F iber Reinfo rced Po lym er)、芳綸纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料A FRP (A ram id F iber Reinfo rced Po lym er). 國(guó)外近來(lái)新開(kāi)發(fā)了PBO 2FRP 復(fù)合材料、DFRP 復(fù)合材料.
FRP 抗拉強(qiáng)度高、重量輕、免銹蝕、熱膨脹系數(shù)低、無(wú)磁性、抗疲勞性好, 非常適合用于土木工程中. CFRP的比強(qiáng)度是鋼材的20 倍, 體積分?jǐn)?shù)僅為鋼材的1ö5, 所以很適合用于超大跨徑橋梁中. CFRP 和A FRP 的疲勞性能好, 為鋼材的三倍, 其疲勞極限可達(dá)靜荷載的70%～ 80% ,O dagiri 等人建議最大工作應(yīng)力可處于初始抗拉強(qiáng)度的54%～ 73% 之間[ 5 ]. 新型的FRP 產(chǎn)品PBO 2FRP 除具有高強(qiáng)CFRP 相近的力學(xué)性能外, 還表現(xiàn)出更好的物理性能, 如良好的柔韌性等[ 3 ]. DFRP 也具有良好的物理性能, 抗拉極限應(yīng)變可達(dá)到3. 5% , 延性很好[ 3 ].
FRP 產(chǎn)品的主要形式有片材(板材和布材)、型材(矩形、工字形、蜂窩型、格柵型、層壓型)、筋材(圓筋、方筋、變形筋、預(yù)應(yīng)力張拉用的絞線(xiàn)和筋束等). FRP 在土木工程中的應(yīng)用研究主要是以下幾方面:
(1) FRP 的材料性能及新型FRP 材料:
(2) FRP 修復(fù)和加固現(xiàn)有結(jié)構(gòu);
(3) FRP 配筋的混凝土結(jié)構(gòu);
(4) FRP 型材料結(jié)構(gòu)以及組合結(jié)構(gòu);
(5) FRP 索結(jié)構(gòu).
FRP 型材主要應(yīng)用于橋面板. 因其耐腐蝕、重量輕、抗疲勞性好且彈性結(jié)構(gòu)耐超載及施工方便等優(yōu)點(diǎn), 所以有顯著的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì).
目前使用的FRP 也存在一些不足, 主要表現(xiàn)為:
1. 材料各向異性, 造成受力上許多不同于傳統(tǒng)材料的現(xiàn)象;
2. CFRP 和A FRP 的彈性模量低;
3. 材料的整體抗剪強(qiáng)度及層間剪切強(qiáng)度低, 造成連接設(shè)計(jì)上的困難[ 6 ];
4. FRP 直到拉斷還表現(xiàn)出線(xiàn)彈性的力學(xué)特征, 斷裂應(yīng)變小, 破壞呈脆性,防火性能差, 抗紫外線(xiàn)性能差.
盡管三種FRP 材料都具備橋梁結(jié)構(gòu)要求的基本特性, 但從結(jié)構(gòu)力學(xué)等綜合性能指標(biāo)的比較來(lái)看, CFRP無(wú)疑具有很大的優(yōu)勢(shì).CFRP 與鋼材相比, 具有以下顯著特點(diǎn)[ 9 ]:
(1) 抗拉強(qiáng)度高, 順纖維方向抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于普通鋼筋; 但均勻性較鋼材較差, 各向異性, 抗剪和抗多軸向力強(qiáng)度低;
(2) 重量輕, 密度約為鋼材的1ö5, 便于施工安裝;
(3) 耐久性好;
(4) 抗腐蝕性能好, 除了強(qiáng)氧化劑外, 一般如濃鹽酸、30% 的硫酸、堿等對(duì)其均不起作用;
(5) 熱膨脹系數(shù)低;
(6) 應(yīng)力2應(yīng)變曲線(xiàn)呈線(xiàn)性分布;
(7) 減震性能好, 其自振頻率很高, 可避免早期共振,且內(nèi)阻很大, 若發(fā)生激振, 衰減快;
(8) 材料柔軟, 產(chǎn)品形狀幾乎不受限制, 還可以任意著色, 將結(jié)構(gòu)形式和材料美學(xué)統(tǒng)一起來(lái);
(9) 非磁性.
從CFRP 材料的綜合物理、力學(xué)特性來(lái)分析, CFRP材料適合作為橋梁結(jié)構(gòu)的受拉或預(yù)應(yīng)力受彎構(gòu)件, 特別適用于純受拉構(gòu)件, 材料自身的優(yōu)勢(shì)可以得到最大限度的發(fā)揮. 工程實(shí)踐也證明了這一點(diǎn). 目前, CFRP 主要應(yīng)用在舊橋加固時(shí)約束裂縫的開(kāi)展, 承受拉應(yīng)力; 新建橋梁中主要作為受拉的纜索或主梁的預(yù)應(yīng)力筋.
4 CFRP 在土木工程中的實(shí)際應(yīng)用
CFRP 片材包括布材和板材, 主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)及加固. 基于國(guó)內(nèi)外幾十年的應(yīng)用研究, 該技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟. 主要應(yīng)用于鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的加固和修復(fù).
CFRP 筋及型材用于增強(qiáng)新建結(jié)構(gòu). CFRP 筋是采用多股連續(xù)碳纖維作為增強(qiáng)纖維, 熱固性樹(shù)脂作為機(jī)體材料, 將增強(qiáng)纖維和基體樹(shù)脂膠合, 通過(guò)固定截面形狀的模具擠壓、拉拔, 快速固化成型的復(fù)合材料. CFRP 預(yù)應(yīng)力索作為結(jié)構(gòu)增強(qiáng)材料可以替代傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋與鋼絞線(xiàn)而解決鋼材的腐蝕問(wèn)題, 截至2000 年,已至少有500 多個(gè)工程結(jié)構(gòu)應(yīng)用FRP 筋[ 10 ].
CFRP 拉索的密度與溫度變形系數(shù)遠(yuǎn)小于鋼絲, 因此在CFRP 斜拉索中, 由于自重所導(dǎo)致的彈性模量的損失(垂度效應(yīng)) 將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼斜拉索, 而且CFRP 對(duì)溫度變化不敏感.
FRP 與混凝土組成的混合結(jié)構(gòu)也是今后發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì). 若在橋梁上部結(jié)構(gòu)中應(yīng)用FRP, 則設(shè)計(jì)應(yīng)力中的活載應(yīng)力的比例由10%～ 20% 提高到50%～ 70% [ 11 ].
CFRP 吊桿因其具有良好的抗疲勞性能亦將在大跨度索橋、系桿拱橋中有廣泛的應(yīng)用前景[ 11 ].日本是世界上第一個(gè)在混凝土橋梁中采用CFRP 絞線(xiàn)作為預(yù)應(yīng)力筋的國(guó)家. 1988 年, 在石川縣Sh inm in 拱橋中首次采用CFRP 絞線(xiàn)[ 12 ]. 此橋是先張法預(yù)應(yīng)力混凝土板式橋, 橋?qū)?m , 跨度5. 76m. 它在1999 年建成通車(chē)的主跨徑為1 030 m 的Ku ru sh im a 懸索橋中, 首次采用碳纖維束作為錨道的主要纜索[ 9 ]. 根據(jù)日本復(fù)合筋俱樂(lè)部2002 年統(tǒng)計(jì), 日本已有200 多項(xiàng)工程中采用FRP 筋和FRP 絞線(xiàn)[ 13 ].
美國(guó)已經(jīng)設(shè)計(jì)和施工了多項(xiàng)示范工程, 如聯(lián)邦公路管理局的預(yù)應(yīng)力大梁試驗(yàn)和密歇根州的橋梁工程[ 14 ].
英國(guó)于1992 年建成主跨為63 m 的FRP 人行斜拉橋[ 11 ].加拿大將FRP 預(yù)應(yīng)力筋用于Talo r、Crow ch ild、Fo rre 三座大橋上, 均于1997 年建成[ 13 ].
丹麥于1999 年建成總長(zhǎng)80 m , 的Hern ing 人行斜拉橋, 該橋采用了16 根CFRP 斜拉索, 其中每根由32 根CFRP 絞線(xiàn)組成[ 9 ]. 荷蘭于2001 年通車(chē)的鹿特丹海港地域的丁太哈文橋箱梁頂板采用四根體外CFRP 預(yù)應(yīng)力束[ 13 ].
2002 年美國(guó)和日本合作建成了密歇根州Sou thf irld 市的第一座CFRP 筋橋[ 13 ].重慶交通學(xué)院于1986 年建成國(guó)內(nèi)第一座蜂窩夾心FRP 板組合箱梁?jiǎn)嗡髅娣菍?duì)稱(chēng)斜拉橋(全橋長(zhǎng)50 m ) [ 11 ].
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新型材料用于斜拉橋趨勢(shì)發(fā)展迅猛, 將使其承載力提高50% 左右, 極限跨徑達(dá)到普通斜拉橋的1. 2～ 2. 3倍, 為跨海通道和貫通海峽橋梁, 特別是直布羅陀海峽主跨8 400 m 的復(fù)合材料斜拉橋的建造奠定了基礎(chǔ)[ 11, 15 ].
CFRP 是一種晶體材料, 其徑向與橫向強(qiáng)度比(20∶1) 較大, 盡管抗拉強(qiáng)度很高但其抗剪強(qiáng)度低. 而在預(yù)應(yīng)力CFRP 筋的錨固系統(tǒng)中, 同時(shí)存在著縱向拉應(yīng)力和橫向壓應(yīng)力, 當(dāng)CFRP 筋在錨具處的主應(yīng)力超過(guò)臨界值破裂時(shí), 其抗拉強(qiáng)度得不到充分發(fā)揮. 傳統(tǒng)的夾片式錨具不再適用于CFRP 筋, 否則將會(huì)由于其橫向強(qiáng)度過(guò)低導(dǎo)致錨具組裝件在錨固區(qū)過(guò)早失效. 因此, 將CFRP 筋用于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是尋求可靠的錨固方法, 開(kāi)發(fā)研制適應(yīng)CFRP 筋特性的新型錨具. CFRP 筋專(zhuān)用錨具應(yīng)該避免應(yīng)力集中, 制作方便, 體形小巧, 耐久性好.
5 碳纖維錨具的應(yīng)用研究
5. 1 碳纖維錨具在國(guó)外的研究狀況
國(guó)外學(xué)者自上世紀(jì)80 年代開(kāi)始對(duì)FRP 筋的粘結(jié)性能進(jìn)行研究. 通過(guò)大量的試驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)膠著力和摩擦力對(duì)GFRP 筋的粘結(jié)強(qiáng)度起決定性作用. 當(dāng)今國(guó)內(nèi)外的粘結(jié)型錨具, 主要用樹(shù)脂膠和微膨脹水泥作為填充材料.
日本、美國(guó)和加拿大等國(guó)家對(duì)FRP 筋的張拉與錨固體系的研究開(kāi)發(fā)已經(jīng)取得了一定的成果. 主要有楔塊式(W edge Type)、灌漿式(Grou t Type) 和壓鑄管式(D ie2cadtW edge Type System ) 三種[ 13, 19 ]. 楔塊式包括夾片式和錐塞式. 夾片式又分為兩片式塑料夾片、兩片式鋁夾片、兩片式鋼夾片加鋁套管或銅套管及四片式鋼夾片. 錐塞式則主要使用于橫向變形能力較好的芳綸纖維. 該類(lèi)錨具是在傳統(tǒng)鋼絞線(xiàn)的錨具上發(fā)展起來(lái)的. 主要失效模式為: 錨固區(qū)由于剪應(yīng)力過(guò)大而造成的碳纖維筋的剪切失效破壞.粘結(jié)式錨具包括樹(shù)脂套筒錨具(Resin sleeve ancho r)、和樹(shù)脂封裝錨具(Resin2po t ted ancho r). 樹(shù)脂套筒錨具為管狀的金屬或非金屬套管或套筒, 內(nèi)表面帶螺紋或經(jīng)加工變形, 錨固作用靠在套筒內(nèi)注入樹(shù)脂或粘結(jié)劑得以實(shí)現(xiàn). 并采用支承螺母錨固到構(gòu)件上, 樹(shù)脂可采用環(huán)氧樹(shù)脂砂漿, 也可灌水泥漿或膨脹水泥材料. 封裝錨具錨具是在內(nèi)部為錐形孔的錨杯內(nèi)填充樹(shù)脂砂或水泥.
粘結(jié)型錨具的優(yōu)點(diǎn)是容易制作和檢驗(yàn), 缺點(diǎn)是需要預(yù)先下料, 并為樹(shù)脂和水泥漿的硬化留一定的時(shí)間. 此外, 粘結(jié)型錨具的尺寸較大, 長(zhǎng)度可達(dá)500 mm , 抗沖擊能力差, 蠕變大, 對(duì)施工環(huán)境的要求較高[ 21 ].夾片2粘結(jié)式錨具是將樹(shù)脂套筒式錨具與夾片式錨具合并, 組合成一種新的錨具, 其中一部分力通過(guò)樹(shù)脂的粘結(jié)力傳遞至套筒, 并通過(guò)粘結(jié)和夾片橫向壓力的綜合作用進(jìn)行錨固. 普通的粘結(jié)型錨具包括錨具套筒和緊固螺栓, 錨固原理是采用粘結(jié)材料將碳纖維筋和套筒粘結(jié)在一起, 再通過(guò)緊固螺栓張拉并產(chǎn)生錨固效果. 國(guó)外類(lèi)似錨具所采用的粘結(jié)材料種類(lèi)很多, 包括環(huán)氧基粘結(jié)劑, 硅酸鹽水泥以及低熔點(diǎn)合金等. 夾片2粘結(jié)式錨具兼顧了機(jī)械夾持式錨具與粘結(jié)型錨具的雙重優(yōu)點(diǎn), 組件加工方便, 體積小巧, 錨固效果很好, 且可用于多根FRP筋的錨固.
5. 2 碳纖維錨具在國(guó)內(nèi)的研究狀況
在預(yù)應(yīng)力張拉錨固體系方面, 我國(guó)的技術(shù)一直比較落后.
1984 年建設(shè)部將鋼絞線(xiàn)預(yù)應(yīng)力張拉錨固體系的研究列入了科學(xué)技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃, 經(jīng)過(guò)幾年的研制與試用,于1987 年前后推出了XM 預(yù)應(yīng)力體系與QM 預(yù)應(yīng)力體系, 隨后YM 體系和OVM 體系相繼研究成功.傳統(tǒng)鋼絞線(xiàn)錨具按錨固方式不同可以分為夾片式、支承式、錐塞式及握裹式四種[ 16, 17 ]. 而CFRP 筋錨具可以分為機(jī)械夾持式、粘結(jié)式和復(fù)合式. 主要包括在以下兩個(gè)方面中: 改造統(tǒng)夾片式錨具的和開(kāi)發(fā)新型粘結(jié)式錨具. 東南大學(xué)張志文等人結(jié)合我國(guó)現(xiàn)有張拉設(shè)備, 開(kāi)發(fā)了杯口灌膠式、套筒灌膠式、粘砂夾片式、帶膠擠壓式、帶護(hù)筒夾片式錨具[ 18 ]. 其中套筒灌膠式錨具在端部增加了分離的螺堵, 以便澆注時(shí)對(duì)中, 防止受力偏心. 但灌膠式類(lèi)型錨具的缺點(diǎn)是膠固化時(shí)間長(zhǎng). 湖南大學(xué)方志等人采用兩片式鋼夾片加鋁套管的夾片式錨固系統(tǒng), 并對(duì)夾片時(shí)螺紋進(jìn)行工藝處理, 取得了較好的錨固效果. 粘結(jié)式錨具采用環(huán)氧鐵砂、普通混凝土及高性能混凝土作為填充介質(zhì), 提出了較為有效的錨固CFRP 筋的方式[ 19 ]. 廣西工學(xué)院張鵬等人對(duì)傳統(tǒng)鋼絞線(xiàn)夾片式錨具進(jìn)行改造, 采用細(xì)牙, 同時(shí)適當(dāng)減小了齒高和齒距, 降低了錨具對(duì)CFRP 筋的嵌入深度. 他們開(kāi)發(fā)的粘結(jié)式錨具采用環(huán)氧樹(shù)脂作為填料, 錨杯為無(wú)縫高強(qiáng)鋼管, 此錨具在張拉時(shí)共同受力, 但灌裝工藝需要真空, 施工很復(fù)雜[ 20 ].
CFRP 筋錨具的研制均應(yīng)考慮以下幾個(gè)問(wèn)題:
(1)CFRP 筋的極限強(qiáng)度、彈性模量、極限應(yīng)變等力學(xué)性能, 以及筋的形狀、所用纖維及機(jī)體類(lèi)型, 制造工藝等材料特征等;
(2) 錨具對(duì)CFRP 筋的影響;
(3) 錨具本身的抗腐蝕性和耐久性;
(4) 溫度變化對(duì)錨具的影響.
6 CFRP 材料及錨固系統(tǒng)疲勞試驗(yàn)研究
目前, CFRP 材料主要用于非承重結(jié)構(gòu), 但逐漸開(kāi)始在承重結(jié)構(gòu)中應(yīng)用. 因此, 對(duì)其進(jìn)行抗疲勞性能研究非常重要. 國(guó)外研究表明FRP 材料的抗疲勞性能優(yōu)于傳統(tǒng)材料, 但是FRP 材料受工作環(huán)境的影響也很大. FRP筋的疲勞性能主要取決于纖維種類(lèi)、筋表面形狀、環(huán)境條件及加載頻率等.
CFRP 材料的纖維和基體界面能很好阻止裂紋的擴(kuò)展, 其疲勞破壞總是總是從纖維的薄弱環(huán)節(jié)開(kāi)始, 隨后逐步擴(kuò)展到界面上, 而且破壞前有明顯征兆. 其疲勞損傷機(jī)理包括:
(1) 纖維破壞, 主要由總體或局部纖維過(guò)載引起, 總體纖維過(guò)載造成材料失效, 局部過(guò)載造成局部纖維斷裂, 而后通過(guò)基體傳到相鄰的纖維; (2) 基體損傷主要由基體內(nèi)部缺陷及超過(guò)基體材料疲勞極限引起, 這種損傷是一個(gè)漫長(zhǎng)的積累過(guò)程. 在疲勞壽命預(yù)測(cè)中占重要地位. (3) 界面損傷. 其實(shí), 在實(shí)際工程中的材料疲勞損傷是多種損傷的結(jié)合.
國(guó)外研究表明FRP 材料的抗疲勞性能優(yōu)于傳統(tǒng)材料, 但是FRP 材料受工作環(huán)境的影響也很大. FRP 筋的疲勞性能主要取決于纖維種類(lèi)、筋表面形狀、環(huán)境條件及加載頻率等.
國(guó)外對(duì)FRP 筋及拉索錨固系統(tǒng)的試驗(yàn)研究主要集中在日本、美國(guó)及加拿大等應(yīng)用FRP 較早的發(fā)達(dá)國(guó)家,特別是日本, 已經(jīng)開(kāi)發(fā)出錨固各類(lèi)FRP 筋的錨固系統(tǒng), 并完成了相關(guān)的靜力及疲勞性能試驗(yàn)研究.
研究表明, 鋼絞線(xiàn)的疲勞強(qiáng)度受夾片刻痕及側(cè)向力的影響很小, 錨具疲勞性能降低的主要原因是, 鋼絞線(xiàn)與夾片齒痕之間的往復(fù)位移使鋼絞線(xiàn)產(chǎn)生擦傷疲勞腐蝕. 所以, 在疲勞荷載作用下, 保證夾片與鋼絞線(xiàn)緊密咬合, 在循環(huán)作用下不產(chǎn)生或盡量減少往復(fù)位移, 是提高錨具性能的關(guān)鍵.
7 結(jié)束語(yǔ)
CFRP 具有優(yōu)異的材料特性和使用性能, 如強(qiáng)度高、彈性模量適中、形變小、質(zhì)輕、耐腐蝕、耐疲勞和無(wú)磁性, 所以在土木工程中的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣. 國(guó)外在CFRP 應(yīng)用研究理論和技術(shù)上, 某些方面已相當(dāng)成熟, 但在我國(guó)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用尚處于初級(jí)階段, 欲使其在土木工程中推廣使用, 尚需進(jìn)行大量的更加深入研究.
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