• ISSN 0258-2724
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CFRP板新型夹持式锚具试验研究

侯苏伟 田树恒 唐志强 席建英

侯苏伟, 田树恒, 唐志强, 席建英. CFRP板新型夹持式锚具试验研究[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240554
引用本文: 侯苏伟, 田树恒, 唐志强, 席建英. CFRP板新型夹持式锚具试验研究[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240554
HOU Suwei, TIAN Shuheng, TANG Zhiqiang, XI Jianying. Experimental Study on a New Clamping Anchor for Carbon Fiber Reinforced Polymer Plate[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240554
Citation: HOU Suwei, TIAN Shuheng, TANG Zhiqiang, XI Jianying. Experimental Study on a New Clamping Anchor for Carbon Fiber Reinforced Polymer Plate[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240554

CFRP板新型夹持式锚具试验研究

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240554
基金项目: 国家自然科学基金项目(51508019);北京市教育委员会科技一般项目专项资金项目(KM202010016015)
详细信息
    作者简介:

    侯苏伟(1984—),男,副教授,研究方向为纤维复合材料(FRP)在桥梁工程中的应用,E-mail:housuwei@bucea.edu.cn

  • 中图分类号: U445.72

Experimental Study on a New Clamping Anchor for Carbon Fiber Reinforced Polymer Plate

  • 摘要:

    针对传统碳纤维增强复合材料(CFRP)板锚具压应力沿横向分布不均匀,导致张拉过程中板材易发生撕裂破坏的问题,研制了一种CFRP板新型夹持式锚具. 新型锚具在中轴线上布置预压螺栓,同时设定螺栓长度,通过控制螺栓的位移量对CFRP板施加定量的压紧力,分析新型锚具的受力机理;使用有限元软件ANSYS进行模拟,分析影响锚固性能的关键因素;对厚度为2 mm、宽度为50 mm的CFRP板进行静载张拉试验. 研究结果表明:1) 新型锚具的锚固性能与夹片厚度、外夹板厚度及螺栓预紧力密切相关;当夹片厚度为20 mm时,横向上CFRP板的压应力分布较均匀,最大与最小压应力之差仅为9.8 MPa;当上、下外夹板的厚度分别为30 mm和20 mm时,各构件的弯曲应力均保持在安全范围内;当螺栓预紧力为170 kN时,CFRP板的压应力水平显著提高,而剪切应力始终处于较低水平. 2) 在静载张拉试验中,新型锚具承受的最大张拉力为260.7 kN,锚固效率达到了108.63%;CFRP板的破坏形式为炸丝破坏,未出现撕裂等异常破坏形式,锚具的静载锚固性能优异.

     

  • 碳纤维增强复合材料(CFRP)板具有抗拉强度高、弹性模量高、耐腐蚀以及抗疲劳性能优异等特点[1]. 采用CFRP板加固桥梁结构能够长期有效限制裂缝扩展,减少预应力损失,显著提高结构的承载能力和使用寿命[2]. 然而,CFRP板作为一种正交各向异性材料,其抗剪切性能相对较差,传统的CFRP板锚固技术存在受力体系不合理、CFRP板压应力分布不均匀、板材易发生撕裂和受剪破坏等问题. 要想充分发挥CFRP板的优异性能,必须配备安全高效的锚具来保证预应力的维持和传递[3-4].

    目前对CFRP锚具的研究主要分为黏结型锚具和机械型锚具2类[5]. 其中,机械型锚具是利用各部件之间的摩擦力进行锚固,通常具有较高的锚固效率[6-7]. 现有的CFRP板机械型锚具根据结构形式可分为夹片型和平板型:夹片型锚具由锚杯、楔形夹片和CFRP板组成,其设计原理借鉴了CFRP筋夹片式锚具[8],利用夹片与锚杯之间的摩擦和咬合作用实现对CFRP板的有效锚固,然而,过大的挤压力可能导致CFRP板在夹片端口处提前发生破坏,从而影响锚固效率[9];平板型锚具则通过拧紧高强螺栓对CFRP板施加挤压力,其锚固性能与螺栓预紧力的大小密切相关[10],这种锚固方式的优点在于结构形式简单、施工便捷,但也存在一定局限性,例如CFRP板受到的挤压力沿横向分布不均,板材在张拉过程中易发生滑脱[11].

    近年来,国内外学者在CFRP板锚具的设计改进方面取得了诸多进展:Kianmofrad等[12]提出的预应力无黏结锚固系统能够同时固定多块CFRP板,研究发现,预应力水平是影响结构加固效果的关键;Mohee等[13]研究了CFRP板与不同类型软金属之间的摩擦特性,并在此基础上开发出一种机械锚具[14-15],研究结果表明,该锚具具有较高的承载能力,锚具的主要失效模式为CFRP板的拉伸断裂;Ye等[16-17]提出一种基于摩擦的楔形锚具,通过分析锚具的失效模式指出,影响锚具极限承载力的主要因素为CFRP板的滑动和层间脱黏,而非拉伸断裂;Duo等[18]研究了平面夹紧锚具的性能发现,摩擦与黏结的耦合作用显著提升了锚具的承载能力;齐艺佳等[19]设计的锚具利用夹片外伸实现应力扩散,有效避免了劈裂破坏和切口效应的出现;龙佩恒等[20]将锚具的夹板形式设计为纵向曲面,通过调整夹板两侧的位移量能够精确地控制螺栓的预紧力,从而提高锚固效率;姜艳[21]进一步优化设计,提出内夹板为纵向曲面、外夹板为横向曲面的双曲面夹持式锚具,能够明显改善CFRP板的横向应力分布情况,避免板材端部的剪切破坏.

    综上所述,在预应力CFRP板加固技术中,锚具的锚固效率是确保板材性能充分发挥的关键. 通过改进锚具的结构形式、锚固机理及预紧方法均可提升锚固效率. 新型锚具由布置在夹片中间的单排预压螺栓对CFRP板施加压紧力,可以有效解决横向上CFRP板压应力分布不均匀的问题. 为验证新型锚具的锚固性能,建立了理论模型分析锚具的受力机理,并结合有限元软件ANSYS确定各部件的最优设计尺寸. 基于此结果制作锚具试件进行静载张拉试验,试验结果将为评估新型CFRP板锚具的可靠性提供依据.

    传统的平板型锚具主要由高强螺栓、CFRP板和夹板组成,高强螺栓通常设置在夹板两侧,锚具的基本构造形式如图1所示. 在锚固过程中,压应力沿横向主要集中在CFRP板的两侧,而中间区域则存在压应力不足的情况,压应力的分布规律如图2所示. 不均匀的压应力分布容易造成CFRP板的侧边受损以及板材承载后轴向拉力分布不均,进而增加撕裂破坏的风险.

    图  1  平板锚具构造形式
    Figure  1.  Structural form of flat anchor
    图  2  平板锚具CFRP板压应力横向分布
    Figure  2.  Transverse distribution of compressive stress in CFRP plate with flat anchor

    新型CFRP板锚具由外夹板、夹片、预压螺栓、紧固螺栓和CFRP板组成,预压螺栓位于中轴线上,通过拧紧螺栓使夹片发生竖向位移,从而实现对CFRP板的高效夹持. 这种设计可以有效改善板材横向压应力分布不均的问题,提升锚具的锚固性能,且由螺栓位移控制压紧力在施工时较容易实现. 外夹板分为上下两部分,上、下外夹板通过两侧的紧固螺栓连接,降低了试件加工的复杂性. 为确保CFRP板能够均匀受压,防止预压螺栓在锚固过程中发生松动,在夹片上方的螺栓作用位置处留有一定深度的圆形槽. 由于CFRP板两端的锚固装置相互对称,因此,在试验过程中可任选一端作为张拉端,施工操作简便. 新型锚具的结构形式如图3所示.

    图  3  新型锚具结构形式
    Figure  3.  Structural form of new anchor

    在预紧阶段,通过拧紧预压螺栓产生定量位移实现对CFRP板的夹紧,锚具各部件仅承受竖向作用力,在张拉阶段,新型锚具在纵向上的受力如图4所示. 图中:P为螺栓预紧力,Fu为锚具的极限承载力,X、Y、Z分别为锚具的纵、横、竖向坐标.

    图  4  锚具受力示意
    Figure  4.  Forces on anchor

    在螺栓预紧力的作用下,夹片会沿竖向产生挤压位移. 由于预紧力沿横向集中在夹片中间,因此,夹片中部的位移量较大,而两侧的位移量相对较小,如图5所示. 不同程度的挤压位移可能导致构件的弯曲应力过大. 为防止锚具发生塑性变形,在设计时应确保夹片和外夹板的弯曲应力始终处于安全范围内,这有助于提升锚具的安全性和可靠性.

    图  5  夹片挤压位移示意图
    Figure  5.  Clamp compression displacement

    螺栓预紧力施加后,CFRP板在横向上的受力首先集中在中间区域,导致板材压应力呈现出中间大、两侧小的分布规律,如图6所示.

    图  6  新型锚具CFRP板压应力横向分布
    Figure  6.  Transverse distribution of compressive stress in CFRP plate with new anchor

    在张拉阶段,CFRP板同时承受拉力和摩擦引起的剪切力作用,导致板材沿纵向不断发生拉伸变形. 随着变形的积累,各接触面之间的摩擦效应会逐渐减弱,进而影响锚固性能. 为提高锚具的极限承载力,可以通过化学腐蚀或切削滚花等方式对外夹板和夹片的表面进行粗糙处理,以增强CFRP板与各接触面之间的摩擦力,降低张拉过程中板材滑脱的风险.

    使用有限元软件ANSYS建立锚具模型,将螺栓预紧力直接施加在夹片表面,不再单独建立螺栓部件,锚具有限元模型如图7所示. 这种简化方式结合新型锚具的技术特点,能够更准确地模拟实际工况,并避免模型过于复杂,特别是在接触面较多、计算量大的情况下,可有效提高求解效率. 同时,在分析锚具的静载性能及CFRP板的锚固效果时,简化后的模型足以捕捉主要的物理现象,其计算效率和分析精度得到了充分保证.

    图  7  锚具有限元模型
    Figure  7.  Finite element model of anchor

    建模过程中,上、下外夹板之间采用绑定接触,其余接触面则采用摩擦接触,摩擦系数设为0.2[6]. 采用控制变量法求解不同参数的锚具模型,由于锚具为对称结构且两端受力相同,因此在分析过程中只取半结构进行求解. 在锚具的一端施加张拉荷载,另一端设置固结,荷载以面荷载的形式施加. 各部件的主要设计参数取值见表1.

    表  1  锚具各部件主要设计参数
    Table  1.  Main design parameters of anchor components
    部件 设计参数/mm
    CFRP板 横截面尺寸:厚/宽 2/50
    上夹板 长/宽/厚 180/110/30
    下夹板 整体尺寸:长/宽/厚 180/110/42
    凹槽宽度 50
    底部厚度 20
    夹片 长/宽/厚 180/50/20
    圆槽厚度 3
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    新型锚具的锚固过程主要分为预紧阶段和张拉阶段. 在有限元分析中,由于整体模型的应力云图无法全面细致地反映关键区域的应力和位移变化,因此,选取如图8所示3条路径上的数据进行分析. 路径的选择是基于锚具的受力特性及预压螺栓的作用位置:路径1位于锚具沿纵向的中间位置,用于分析中间区域各部件的受力情况;路径2和路径3位于预压螺栓直接作用的位置,用于研究预紧力对各部件局部力学性能的影响.

    图  8  选取路径示意
    Figure  8.  Selected paths
    2.2.1   夹片位移及应力

    在预紧过程中,为防止不均匀挤压引起的弯曲应力超过钢材的屈服强度,必须研究锚具的挤压位移及弯曲应力分布. 由于夹片直接承受螺栓预紧力,因此主要对夹片进行分析,具体结果如图9所示.

    图  9  夹片挤压位移和弯曲应力
    Figure  9.  Compression displacement and bending stress of clamp

    图9可知:夹片的挤压位移和弯曲应力在不同路径上的分布趋势基本相同;纵向分布上,路径2和路径3靠近预压螺栓,承受更大的挤压力,其挤压位移和弯曲应力值相对较高;横向分布上,螺栓预紧力直接作用在夹片中部,导致夹片的挤压位移和弯曲应力呈现出中间大、两侧小的分布趋势;在预紧过程中,夹片和外夹板均未发生塑性变形,表明锚具有良好的稳定性和可靠性.

    2.2.2   CFRP板压应力及剪切应力

    图10展示了CFRP板在预紧阶段的压应力分布结果. 从图8中可以看出:CFRP板在锚固区域内的最大压应力为72.9 MPa;纵向分布上,压应力在螺栓直接作用的区域达到峰值,向两端逐渐减小;横向分布上,CFRP板侧边缘附近的压应力略有增大,这主要是因为CFRP板与下夹板之间发生摩擦接触,导致板材侧边缘出现应力集中现象;在同一路径中,CFRP板的压应力差异较小,路径1的最大与最小压应力差值为9.8 MPa,路径2和路径3的压应力差值分别为6.2 MPa和6.1 MPa,各路径的压应力分布比较均匀. 总体来看,压应力能够稳定且均匀地分布在CFRP板上,预紧效果符合预期.

    图  10  CFRP板压应力分布
    Figure  10.  Compressive stress distribution in CFRP plate

    CFRP板作为一种正交各向异性材料,其抗剪切性能相对较差,剪切应力分布不均或局部剪切应力过大都可能造成板材提前破坏,为避免出现这种情况,需要研究CFRP板的剪切应力分布,具体结果如图11所示. 在锚固区域内,CFRP板的剪切应力始终保持在较低水平;从纵向分布来看,剪切应力和压应力的分布情况相似,最大值均出现在螺栓直接作用的区域;从横向分布来看,剪切应力呈双峰状分布,应力峰值位于螺栓孔边缘附近,这是因为压应力在螺栓孔边缘附近发生突变,导致该位置CFRP板的剪切应力增加;在相同路径中,CFRP板的剪切应力值相差较小,说明新型锚具能够有效防止板材发生剪切破坏,提高锚固效率.

    图  11  CFRP板剪切应力分布
    Figure  11.  Shear stress distribution in CFRP plate
    2.2.3   CFRP板主拉应力

    在张拉阶段,锚具未发生等效塑性变形,因此重点分析CFRP板的主拉应力分布,具体结果如图12所示. 纵向分布上,CFRP板的主拉应力从自由端向加载端持续增加;横向分布上,由于CFRP板的侧边缘与下夹板之间存在摩擦接触,导致板材在夹片端口附近出现局部应力集中现象,但应力增幅较小,对板材的整体受力状态没有明显影响;在同一路径中,CFRP板的主拉应力差异较小,路径1的最大与最小主拉应力差异率为5.61%,路径2和路径3的差异率分别为1.7%和5.3%,主拉应力分布较均匀;同时,CFRP板的最大主拉应力已超过其极限抗拉强度,意味着新型锚具在发挥CFRP板的高强特性方面表现出色,达到了设计预期.

    图  12  CFRP板主拉应力分布
    Figure  12.  Principal tensile stress distribution in CFRP plate

    采用数值模拟的方法研究各类设计参数,包括夹片厚度、外夹板厚度和螺栓预紧力. 不同设计参数对锚固性能的影响主要体现在应力分布上. 为了直观展现出各部件的应力变化情况,提取路径2上的应力结果进行分析.

    2.3.1   夹片厚度的影响

    夹片在锚具中的主要作用是将螺栓预紧力高效稳定地传递给CFRP板. 研究发现,不同厚度的夹片对锚具的应力分布有显著影响,当夹片厚度较小时,CFRP板和夹片的应力分布明显不均匀,如图13所示. 增加夹片厚度可以有效延长螺栓预紧力的传递距离,降低各部件的应力峰值,使整体应力分布逐渐趋于稳定. 在确保CFRP板有足够压应力的前提下,选择较厚的夹片有助于改善应力分布,防止夹片在使用过程中出现塑性变形. 经过综合考虑,最终取夹片的厚度为20 mm,此时CFRP板的横向压应力分布较均匀,且夹片的弯曲应力未超过其屈服强度.

    图  13  夹片厚度的影响
    Figure  13.  Effect of clamp thickness
    2.3.2   外夹板厚度的影响

    外夹板由上夹板和下夹板组成,考虑到上夹板厚度的变化不会影响CFRP板的应力分布,为简化分析,将上夹板厚度固定为30mm,以确保其弯曲应力始终处于安全范围内,重点研究下夹板厚度对锚固性能的影响,如图14. 由图14可知:随着下夹板底部厚度的增加,其弯曲应力明显减小,这是因为更厚的下夹板具有更高的抗弯刚度,从而增强了对CFRP板的支撑作用;同时,CFRP板的横向压应力分布更加合理,可以有效避免应力集中现象的发生. 虽然增加下夹板厚度可以提供更好的支撑,但也会增加经济成本;而下夹板厚度过小可能导致螺栓预紧力无法有效传递,甚至引起塑性变形,影响锚具的可靠性. 经综合考虑,取下夹板底部的厚度为20 mm.

    图  14  外夹板厚度的影响
    Figure  14.  Effect of outer clamp plate thickness
    2.3.3   螺栓预紧力的影响

    螺栓预紧力是决定锚固性能的关键因素,对CFRP板的应力分布有重要影响. 预紧力过小会导致CFRP板在承受张拉荷载时产生较大滑移,甚至完全滑出锚具;预紧力过大虽然可以增强CFRP板的挤压效果,但超出其抗压强度将造成板材提前破坏,如图15所示. 由图15可知:随着螺栓预紧力的增加,CFRP板的应力值也相应增大,但应力分布的趋势保持不变,且剪切应力始终保持在较低范围内. 这一现象表明,适当增加螺栓预紧力可以提升锚具的锚固效率,在确定螺栓预紧力时,需要考虑高强螺栓的材料属性以及CFRP板的抗压强度限制. 综合对比发现,当螺栓预紧力为170 kN时,CFRP板产生的压应力能够满足锚固要求.

    图  15  螺栓预紧力的影响
    Figure  15.  Effect of preload force of bolt

    为评估新型CFRP板锚具的可靠性,需要进行静载张拉试验. 具体试验材料如下:CFRP板的厚度为2 mm、宽度为50 mm,材料性能见表2;外夹板和夹片采用Q355B型钢材,材料性能见表3;预压螺栓采用12.9级、直径20 mm的高强螺栓,材料性能见表4.

    表  2  CFRP板材料性能
    Table  2.  Material properties of CFRP plate
    CFRP尺寸(厚度、
    宽度)/mm
    极限抗拉
    强度/MPa
    极限承
    载力/kN
    弹性模量
    /GPa
    极限延
    伸率/%
    2、5024002401601.5
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    表  3  钢材材料性能
    Table  3.  Material properties of steel
    材质抗拉强度
    /MPa
    屈服强度
    /MPa
    弹性模量
    /GPa
    泊松比
    Q355B6003552060.32
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    表  4  螺栓材料性能
    Table  4.  Material properties of bolt
    螺栓等级公称直径
    /mm
    抗拉强度
    /MPa
    屈服强度
    /MPa
    屈强比
    12.920120010800.9
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    在组装试件之前,为提高各接触面之间的摩擦力,对CFRP板表面进行喷砂处理,同时对夹片和外夹板的待接触面进行化学腐蚀处理. 化学处理的具体方法为:在夹片和外夹板四周贴上胶带以保护其余表面不受腐蚀;将待处理面浸入强硝酸溶液中,浸没深度不超过胶带宽度,并通过控制腐蚀时间调整表面粗糙度;腐蚀后对夹片进行清洗和干燥处理,完成表面粗糙化工艺.

    新型锚具的张拉试验参照行业标准《桥梁用预应力碳纤维板—夹持式锚具》(JT/T 1267—2019)[22]中的试验方法进行,锚具的静载锚固性能应满足相关要求. 具体试验步骤如下:

    步骤1 锚具各部件组装完成后,使用扭矩扳手拧紧预压螺栓,直至上夹板顶面与螺栓头部紧密贴合,确保夹片可以稳固夹持住CFRP板.

    步骤2 将锚具安装到最大试验力为600 kN的微机控制电子万能试验机中,由于试验机的尺寸限制,需要设计一套专用夹块来保证试验机的正常使用. 安装过程中需确保试验机与锚具的中心对齐,加载装置如图16所示.

    图  16  试验加载装置
    Figure  16.  Experimental loading device

    步骤3 正式加载前,需要对锚具施加一定的初始预张拉力,以保证试验结果的准确性. 确认设备正常运行后,通过控制位移的方式进行加载,加载速度为0.05 mm/s,持续加载直至CFRP板失去承载能力.

    步骤4 试验结束后,应准确记录锚具的极限承载力、CFRP板的破坏形式和应力应变等数据,以验证新型锚具的静载锚固性能是否满足设计要求.

    3.3.1   承载能力分析

    在静载张拉试验中,共制作了8组锚具试件,编号记为S1至S8,对各组试件分别进行张拉,并记录相关试验数据,试验结果见表5.

    表  5  静载张拉试验结果汇总
    Table  5.  Summary of static load tension test results
    试件
    编号
    理论最大
    承载力/kN
    实际最大
    承载力/kN
    锚固
    效率/%
    CFRP板最终
    破坏形式
    S1 240 213.22 88.84 先劈裂后拉碎
    S2 240 218.37 90.99 先劈裂后拉碎
    S3 240 207.65 86.52 先劈裂后拉碎
    S4 240 246.90 102.88 炸丝破坏
    S5 240 260.70 108.63 炸丝破坏
    S6 240 240.63 100.26 炸丝破坏
    S7 240 249.38 103.91 炸丝破坏
    S8 240 242.53 101.05 炸丝破坏
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    在初始加载阶段,试件S1~S3表现出良好的稳定性,当张拉力逐渐接近其最大承载力时,CFRP板的侧边缘先出现纵向劈裂,一声脆响后,板材被分成两部分. 继续加载发现承载力基本不再增加,部分CFRP板会先被拉碎,随后整个板材突然断裂,CFRP板的破坏形式如图17(a)所示,具体表现为先劈裂后拉碎. 出现这种破坏形式的主要原因是螺栓预紧力不足、横向上CFRP板的挤压应力分布不够均匀. 在张拉过程中,不均匀的挤压导致CFRP板的侧边缘先发生劈裂,随着劈裂破坏的发生,CFRP板的受拉截面减小,其理论最大承载力也随之降低,最终板材被拉碎.

    图  17  CFRP板破坏形式
    Figure  17.  Failure modes of CFRP plate

    在对试件S4~S8施加压紧力时,采用了内外交替、反复施加的方式,目的是提高锚具的整体稳定性,降低CFRP板劈裂破坏的风险. 在加载初期,试件S4~S8均未出现异常现象,当张拉力达到约200 kN时,试件开始发出轻微的断丝声,随着张拉力持续增加,断丝声逐渐增多,最终CFRP板发生炸丝破坏,其破坏形式如图17(b)所示.

    试验结果表明,CFRP板发生劈裂破坏的主要原因是螺栓预紧力不足和挤压应力分布不均. 加载过程中,试件S4~S8的锚固性能更为出色,其实际最大承载力均超过240 kN,最高锚固效率达到了108.63%. 卸下试件后发现非挤压区域的CFRP板已经被完全拉成丝状,板材未出现撕裂破坏等异常损伤,最终破坏形式符合预期. 为了确定CFRP板在张拉过程中是否发生滑移,试验开始前就对板材的初始位置进行标记,结果显示板材的滑移量很小,几乎可以忽略不计. 由此可见,新型锚具充分发挥了CFRP板的高强特性,展现出优异的静载锚固性能.

    3.3.2   测点应变分析

    为了探究加载过程中CFRP板的张拉荷载与应变之间的关系,使用DH3820静态应变分析系统采集CFRP板表面的应变数据,应变片的布置方式如图18所示. 根据采集到的应变数据,绘制试件S2~S5的张拉荷载-应变关系曲线,如图19所示.

    图  18  应变片布置图
    Figure  18.  Strain gauge layout
    图  19  试件S2~S5张拉荷载-应变曲线
    Figure  19.  Tensile load–strain curves for specimens S2–S5

    图19可知:同一组试件在测点ABC的纵向应变值比较接近,这主要是因为在螺栓预紧力的作用下,CFRP板与夹片之间的协同作用良好,压应力沿横向分布合理;测点B位于CFRP板中间,其最大纵向应变值高于测点AC,这是因为锚固区域内CFRP板中部的压应力较大,限制了该区域板材的纵向变形,从而导致锚固区域外测点B的纵向应变值增加;而测点AC对称分布在CFRP板的横向两侧,受到的挤压力较小,其纵向应变值也相对较低.

    随着张拉荷载逐步增加,测点ABC的纵向应变值也在不断上升,CFRP板会持续发生纵向变形,且变形量与张拉荷载呈正相关关系. 由于试件S5承受的最大张拉力为260.7 kN,高于试件S2~S4,因此,试件S5的最大纵向应变值也高于其余试件. 测点应变分析的结果表明,良好的挤压效果能够显著提高锚具的承载能力,降低CFRP板在张拉过程中滑脱和撕裂的风险.

    CFRP板新型夹持式锚具设计合理且安装方便,适用于锚固宽度为50 mm的碳纤维板,通过受力机理分析、有限元模拟和静载张拉试验验证了锚具的锚固性能. 主要总结以下:

    1) 新型锚具将预压螺栓设置在中轴线上,通过拧紧螺栓使夹片产生竖向位移,进而夹持住CFRP板,成功解决了传统锚具中板材压应力沿横向分布不均的问题,提高了锚固效率.

    2) 锚具的锚固过程分为预紧和张拉2个阶段. 在预紧阶段,锚具未出现塑性变形,各部件的应力分布合理;在张拉阶段,CFRP板的最大主拉应力超过其极限抗拉强度,锚固性能符合预期.

    3) 夹片厚度、外夹板厚度和螺栓预紧力对锚固性能的影响显著. 合理选择夹片和外夹板厚度有助于改善应力分布、防止应力集中,当夹片厚度为20 mm,上、下外夹板的厚度分别为30 mm和20 mm时,锚具有足够的安全性. 此外,当螺栓预紧力为170 kN时,CFRP板的压应力满足设计要求,板材未发生剪切破坏.

    4) 在静载张拉试验中,当CFRP板的横截面尺寸为2 mm × 50 mm时,锚具的最大张拉力达到260.7 kN,锚固效率高达108.63%. 卸下试件后发现CFRP板的滑移量极小,其最终破坏形式为炸丝破坏,表明该锚具能够充分发挥板材的高强特性.

    5) 目前仅验证了新型锚具的静载锚固性能,尚未研究其在动载条件下的锚固性能,未来可进一步开展疲劳试验,以评估新型锚具在长期荷载作用下的受力性能和耐久性.

    致谢:北京建筑大学双塔计划—建大英才项目(JDYC20160206)、北京建筑大学市属高校基本科研业务费专项资金项目(X18115,X18091).

  • 图 1  平板锚具构造形式

    Figure 1.  Structural form of flat anchor

    图 2  平板锚具CFRP板压应力横向分布

    Figure 2.  Transverse distribution of compressive stress in CFRP plate with flat anchor

    图 3  新型锚具结构形式

    Figure 3.  Structural form of new anchor

    图 4  锚具受力示意

    Figure 4.  Forces on anchor

    图 5  夹片挤压位移示意图

    Figure 5.  Clamp compression displacement

    图 6  新型锚具CFRP板压应力横向分布

    Figure 6.  Transverse distribution of compressive stress in CFRP plate with new anchor

    图 7  锚具有限元模型

    Figure 7.  Finite element model of anchor

    图 8  选取路径示意

    Figure 8.  Selected paths

    图 9  夹片挤压位移和弯曲应力

    Figure 9.  Compression displacement and bending stress of clamp

    图 10  CFRP板压应力分布

    Figure 10.  Compressive stress distribution in CFRP plate

    图 11  CFRP板剪切应力分布

    Figure 11.  Shear stress distribution in CFRP plate

    图 12  CFRP板主拉应力分布

    Figure 12.  Principal tensile stress distribution in CFRP plate

    图 13  夹片厚度的影响

    Figure 13.  Effect of clamp thickness

    图 14  外夹板厚度的影响

    Figure 14.  Effect of outer clamp plate thickness

    图 15  螺栓预紧力的影响

    Figure 15.  Effect of preload force of bolt

    图 16  试验加载装置

    Figure 16.  Experimental loading device

    图 17  CFRP板破坏形式

    Figure 17.  Failure modes of CFRP plate

    图 18  应变片布置图

    Figure 18.  Strain gauge layout

    图 19  试件S2~S5张拉荷载-应变曲线

    Figure 19.  Tensile load–strain curves for specimens S2–S5

    表  1  锚具各部件主要设计参数

    Table  1.   Main design parameters of anchor components

    部件 设计参数/mm
    CFRP板 横截面尺寸:厚/宽 2/50
    上夹板 长/宽/厚 180/110/30
    下夹板 整体尺寸:长/宽/厚 180/110/42
    凹槽宽度 50
    底部厚度 20
    夹片 长/宽/厚 180/50/20
    圆槽厚度 3
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    表  2  CFRP板材料性能

    Table  2.   Material properties of CFRP plate

    CFRP尺寸(厚度、
    宽度)/mm
    极限抗拉
    强度/MPa
    极限承
    载力/kN
    弹性模量
    /GPa
    极限延
    伸率/%
    2、5024002401601.5
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    表  3  钢材材料性能

    Table  3.   Material properties of steel

    材质抗拉强度
    /MPa
    屈服强度
    /MPa
    弹性模量
    /GPa
    泊松比
    Q355B6003552060.32
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    表  4  螺栓材料性能

    Table  4.   Material properties of bolt

    螺栓等级公称直径
    /mm
    抗拉强度
    /MPa
    屈服强度
    /MPa
    屈强比
    12.920120010800.9
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    表  5  静载张拉试验结果汇总

    Table  5.   Summary of static load tension test results

    试件
    编号
    理论最大
    承载力/kN
    实际最大
    承载力/kN
    锚固
    效率/%
    CFRP板最终
    破坏形式
    S1 240 213.22 88.84 先劈裂后拉碎
    S2 240 218.37 90.99 先劈裂后拉碎
    S3 240 207.65 86.52 先劈裂后拉碎
    S4 240 246.90 102.88 炸丝破坏
    S5 240 260.70 108.63 炸丝破坏
    S6 240 240.63 100.26 炸丝破坏
    S7 240 249.38 103.91 炸丝破坏
    S8 240 242.53 101.05 炸丝破坏
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-10-29
  • 修回日期:  2024-12-27
  • 网络出版日期:  2025-04-21

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