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由于高级复合材料-碳纤维增强塑料CFRP(Carbon Fiber ReinforcedPolymer/Plastics)筋或拉索是一种横观各向同性材料,其抗剪强度与抗拉强度之比较低,导致传统的预应力筋或拉索锚具不再适用于CFRP筋或拉索,否则将会由于抗剪强度过低而导致过早失效。因此,若在预应力混凝土或拉索结构中应用CFRP筋或拉索,必须研制适合CFRP筋或拉索的锚固系统。目前有关CFRP筋或拉索锚固系统的系统研究成果及其应用仍较少。为了使其研究成果进一步完善,应用范围进一步扩大,对CFRP筋及拉索的锚固系统进行系统研究具有重要的实用价值和理论意义。
本文依托国家自然科学基金资助项目(项目号:51078170)对CFRP筋及拉索的锚固系统进行了系列的试验研究和理论分析。主要的研究内容及其相应的研究成果如下:
(1)提出了“直筒+内锥+直筒”的锚筒结构布置。有限元分析结果表明,“直简+内锥+直筒”的结构布置降低CFRP筋材的锚固长度。试验张拉结果表明该结构改进是有效的。
(2)相同的条件下,压纹CFRP筋与粘结介质之间的粘结性能比光滑CFRP筋的粘结性能要强得多。随着筋材与锚筒内壁净距的增加,CFRP筋材的平均粘结应力有增大趋势。建议筋材与锚筒内壁净距设计在一倍筋材直径以上。无粘结设置将显然增加筋材的滑移量。螺纹间距1mm、2mm的有粘结设置锚固效果未有明显区别。当应变片间距适当时,直接在CFRP筋表面粘贴应变片测试粘结应力分布的方法是可行的。
(3)当锚固长度为25d时,1.5°内壁倾角的锚具不足以锚固住单根CFRP筋材,而3°和4°内壁倾角的锚具可有效锚固单根CFRP筋材。随着内壁倾角的的增大,单根CFRP筋材锚具的极限拉力得到了提高;但3°和4°内壁倾角锚具的锚固效果相差不大。在锚固良好的情况下,直径4mm筋材在锚固长度27.5d时,平均极限粘结应力为18.1MPa。直径8mm筋材在锚固长度25d时,平均极限粘结应力为21.9MPa;在锚固长度35d时,平均极限粘结应力为16.9MPa。两种直径的筋材均获得了较高的粘结应力,直径4mm的筋材具有更小的锚固长度。
(4)张拉破坏前,锚固区内有明显的应力转移现象。可以利用这一现象对应用于工程中的CFRP粘结式锚具进行局部应力监测,实现锚具破坏前的预警。依据实际工程数据,提出了设计拉力作用下的粘结应力研究。建立了设计拉力下粘结应力分布折线简化模型。经轴向力检算,所建立的设计拉力下粘结应力分布简化模型是可行的。提出了多筋CFRP粘结式锚具结构设计方案。