预应力碳纤维板锚具夹持性能试验研究

时间：2024-07-28

廖阳

（重庆交通大学土木工程学院重庆 400074）

预应力碳纤维板锚具夹持性能试验研究

廖阳

（重庆交通大学土木工程学院重庆 400074）

现代材料科学的进步与发展，研究出可用于替代原始预应力钢筋的理想材料——碳纤维材料，该材料相较于传统预应力材料具有耐久性能好、强度高以及高模量等优势，尤以其在桥梁等大跨度结构体的加固应用中更能体现出非常高的技术价值和经济效益。预应力碳纤维板的锚固效果，根据锚具选择的不同所得结果也大相径庭，本次论文研究，笔者主要针对夹片式锚具，通过对其夹片厚度进行设计，采用试件静力破坏试验来分析不同厚度锚具夹片作用下的预应力碳纤维板夹持性能。

0 引言

夹片式锚具以其安装制作工艺的成熟以及锚固可靠等特点，成为目前国内市场上较为推崇的锚具之一，被广泛应用于桥梁加固工程中。所谓夹片式锚具是指一种利用夹片与钢绞线的摩擦阻力锚固原理，设计并应用于预应力碳纤维板加固混凝土结构的夹持装置，其工作原理是利用锚环与夹片之间存在的维度，利用预应力碳纤维板所受外部荷载，使锚具夹片产生移动并相互挤压产生摩阻力，即夹持咬合力，由于这种夹持力是在受载作用下产生的，因而属于被动的夹持力。针对夹片式锚具对预应力碳纤维板夹持性能的影响，为进一步改良优化锚具各项参数提供依据和参考，如何通过相关试验选择出最优的夹片厚度参数就成为本次论文研究的重点。

1 已有研究分析

根据相关文献研究不难发现，针对预应力碳纤维板加固技术，国内外学者已做大量工作，包括Garden和Hollaway等人通过与非预应力加固梁的对比试验，对跨度为1m和4.5m的受弯梁构件进行预应力碳纤维板加固，分析其加固前后弯曲性能的变化。试验结果表明：在剥离破坏方面，碳纤维板与非预应力碳纤维板破坏模式相同，与之不同的是碳纤维板的拉断破坏；随着预应力的增加，构件的变形逐渐减小，抗弯刚度增强，充分体现了碳纤维的高强性能。国内学者叶列平等人采用自主研发的碳纤维布预应力张拉装置，对已开裂的梁构件通过施加预应力的方式进行加固，并对试验过程体现的抗弯性能变化做总结分析。试验结果表明，该方式有效提升了梁的开裂荷载，使其裂缝宽度和挠度得到有效控制。

针对锚具夹片这一方面所做研究包括有对不同锚具夹片材料以及不同锚具形式下锚固性能的研究。比如，重庆交通大学陈海波对两种形式碳纤维板锚夹具（波形锚和夹片锚）的锚固性能进行对比研究，在碳纤维板破坏形态方面得到相关实验结论：波形齿式夹具锚索夹持的碳纤维板破坏得比较充分；夹片式锚具所夹持的碳纤维板是由于劈裂滑移而破坏不充分。从破坏形态上来讲，波形齿式夹具锚优于夹片式锚具。同时在锚固效率方面，波形锚同样优于夹片锚。夹片式锚则具有对后张束钢材的下料长度要求不严，成束方便等优势，为进一步探究此类锚具对夹持性能的影响，笔者通过对锚具夹片厚度的设置，进行相关静力破坏试验来选择夹片式锚具的最佳夹片厚度。

2 试验设计与研究

2.1 试验装置

本次论文主要围绕不同厚度锚具夹片对同一型号、同一材质预应力碳纤维板的夹持性能影响。试验选用预应力碳纤维板规格参数为：宽 50mm、厚 2mm。试验总共设置三组锚具夹片试件，其材质均为Q345钢材，试件规格共有三组，分别为MJ-1-0：初始厚度、MJ-1-50：加厚50丝、MJ-1-100：加厚100丝，后文分别以第一、二、三组试件进行表述。

2.2 试验过程

在静力张拉试验准备阶段（预顶阶段），三组试件的张拉端和固定端均采用匀速加载，每次加载稳定后再进行下一次加载的方式，张拉端和固定端预顶力分别加载至合理数值后持荷一段时间，最后释放千斤顶卸载。

在静力张拉试验的张拉过程中，采用一端锚固，另一端用液压千斤顶张拉的方式进行。

张拉前先进行预紧装置，预拉时拉力取10KN，然后采用逐级张拉，拉力分别取抗拉强度标准的 10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、75%……，每级张拉后持荷5min左右，观察无异常后逐级加载。到达抗拉强度75%之后再加载，观察无异常后再以50 MPa为增量，逐级加载，每级持荷时间为10min。张拉过程中注意读取应变仪读数，观察是否有断丝声，通过应变仪采集每个加载阶段对应的应变值，加载至出现断丝状态持荷直至碳板劈裂，记录号试验数据供后期分析研究。

2.3 试验现象及分析

通过相关静力张拉试验，对预应力碳纤维板锚具夹片厚度分别相差0.5mm的三组夹片试件进行夹持性能研究，得到如下几点试验现象：

（1）预应力碳纤维板以其自身优势被广泛应用于桥梁加固项目中，试验所选夹片式锚具进行锚固属于被动锚固方式，其紧压力主要是由碳纤维板作用于夹片移动产生；

（2）第一组锚具夹片试件在110KN时继续加载出现断丝，加载至115.2kN，持荷1min，回到96.2kN，稳定后读取应变仪读数，继续加载直至碳板劈裂。

（3）第二组锚具夹片试件加载至245.2kN时碳板首次出现断丝现象，加载至260.6kN时出现断丝，回载到256.2kN；再继续加载至263kN时断丝急速出现，然后断裂。

（4）第三组锚具夹片试件加载至230kN出现响声，荷载回到223kN，初步评估是由于夹片进一步滑移产生；再次加载，加载至230.7kN，回到228.4kN；持续加载，碳板断裂。

从以上结果可以看出碳纤维板在张拉过程中，当荷载比较小时，受力分布还是较均匀的；随着荷载的增大，不均匀性逐渐变大。当荷载比较小时，实测的弹性模量跟理论值也是比较接近的，但是随着荷载的增大，却出现了下降的趋势，导致这种现象的原因是碳板和锚具之间产生了微小的滑移，导致应变的下降。