用于纤维增强树脂复合材料杆体的锚固装置及锚固方法与流程

1.本发明涉及一种用于纤维增强树脂复合材料杆体的锚固装置及锚固方法，属于复合材 料锚固技术领域。


背景技术：

2.钢筋混凝土结构已经成为当代土木工程建设用的主要结构之一，钢结构、木结构与 砌体结构作为补充。但随着土木工程结构服役年限的增长，传统钢筋混凝土的耐久性问题 比较突出，特别是钢筋的锈蚀，在土木工程领域与之对应的是一些重大工程的建设，如川 藏铁路建设、海洋工程建设，大跨桥梁建设、深地勘探与矿采工程。这些重点工程的建设 对材料提出高性能与长寿命的要求。
3.纤维增强树脂复合材料具有轻质、高强、耐腐蚀与抗疲劳等性能，现已广泛的应用于 土木工程结构当中。如混凝土结构外贴frp板材加固、frp筋增强混凝土梁、frp桥梁 索锚结构、frp型材与混凝土/钢材组合结构。针对重大工程建设，在大跨桥梁工程领域， 纤维增强复合材料取代传统钢材，能够有效解决桥梁工程建设对材料高耐久的要求，在全 寿命建造成本方面具有较大优势。同时能极大减轻结构自重，显著提高结构理论极限跨度 比，实现超大跨结构的新突破。在海洋工程建设中，frp筋增强海水海砂混凝土结构， 可以有效解决传统钢材在海洋复杂环境下易腐蚀的难题，有效提升海洋结构的服役寿命。 深地勘探与矿采工程中，纤维增强复合材料能够较好的应对超高温、高地应力、高腐蚀与 高疲劳荷载的复杂环境，可满足深海与深地矿采工程对高耐久与长寿命材料的需求。
4.发展高效可靠的新型frp杆体锚固系统，是推动frp复合材料在重大土木工程中应 用的关键核心技术。常见的frp杆体的锚固根据锚固力的来源主要分为夹持式锚固系统 和粘结式锚固系统，其中夹持式锚固系统一般由外金属套筒和楔形金属夹片组成，靠金属 夹片与frp杆体之间的机械咬合力与摩擦力来提供锚固力，主要适用于单根frp杆体的 锚固，具有施工方便、锚固效率高等优势，已经在预应力钢筋混凝土结构中得到广泛的应 用。但是在静力或疲劳荷载作用下，使用夹持式锚具的frp杆体容易产生应力集中，而 出现横向的挤压破坏。
5.粘结式锚固系统一般由金属套筒和环氧树脂粘结剂组成。其锚固机理主要依靠粘结 剂、套筒和frp杆体之间的粘结力来实现，粘结式锚固系统可以用于单根或多根平行frp 杆体的锚固。粘结式锚固系统具有内部构造简单、耐疲劳等优势，但由于环氧树脂的大变 形特性，在荷载作用下会在锚具端部产生较大应力集中，导致frp杆体与胶层发生脱粘 破坏。
6.现有的锚固方法对于杆的锚固技术尚未成熟，因此有必要提出一种新型的并适用上述 条件的frp杆体锚固技术。


技术实现要素：

7.本发明是为了解决上述技术问题，进而提供了一种用于纤维增强树脂复合材料杆
体的 锚固装置及锚固方法。
8.本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
9.一种用于纤维增强树脂复合材料杆体的锚固装置，它包括frp杆、锚固外管、限位 块、若干锚固内管、若干限位螺母及若干限位销，其中所述若干锚固内管、若干限位螺母 及若干限位销数量均相同，所述限位块固装在锚固外管的一端内部，frp杆同轴插设在 锚固外管内且一端顶设在限位块的端部，若干锚固内管均设置在frp杆与锚固外管之间 且若干锚固内管沿frp杆的轴向依次同轴套设在frp杆上，每个锚固内管与frp杆之间 均填充有环氧树脂，每个锚固内管的两端部内壁与frp杆的外表面之间均套装有对中环， 锚固外管上开设有若干限位孔，若干限位销对应通过若干限位孔插装在每相临两个锚固内 管之间且贯穿锚固外管设置，通过螺纹连接在锚固外管上的限位螺母实现对限位销的轴向 限位。
10.进一步地，限位销与其对应的限位孔之间为间隙配合，沿frp杆轴向的限位销的厚 度，小于或等于每相临两个锚固内管之间的距离设置。
11.进一步地，限位销的一端开设有u形通槽，u形通槽的槽底配合卡设在每相临两个 锚固内管之间的frp杆上。
12.进一步地，若干限位孔沿锚固外管的轴向依次布置。
13.进一步地，所述限位孔为矩形通孔。
14.进一步地，锚固内管的数量为四个。
15.进一步地，限位块与锚固外管之间为螺纹连接。
16.进一步地，限位块上远离frp杆的一端加工有内六角的螺孔。
17.一种采用上述锚固装置的锚固方法，其包括如下步骤：
18.步骤一、将frp杆的锚固端用砂纸打磨，进行粗糙处理，同时对锚固内管的内壁进 行除锈，并用无水乙醇将打磨后的frp杆与锚固内管内壁擦拭干净；
19.步骤二、沿frp杆的轴向依次套设一个对中环及一个锚固内管，并将该对中环的内、 外环面分别与frp杆的外表面及锚固内管的内壁粘接，以将锚固内管固定在frp杆的预 定位置上；
20.步骤三、使用高压注浆机将配置好的环氧树脂注入frp杆与锚固内管的空隙内，待 环氧树脂注满后，将该锚固内管另一端的对中环嵌入到锚固内管内孔中；
21.步骤四、重复步骤二及步骤三，在frp杆的锚固端顺次完成每个锚固内管的锚固；
22.步骤五、将锚固好锚固内管的frp杆放在室内，在室温下对环氧树脂固化24小时， 然后放置在烘箱内，60℃固化48小时；
23.步骤六、环氧树脂固化好后，将frp杆锚固端插入锚固外管中，将限位块安装到锚 固外管内一端部的预定位置，以确定frp杆的轴向位置，然后向最靠近限位块的一个限 位孔中插入限位销，并将限位销贯穿插装在锚固外管上，转动限位螺母以带动限位销向靠 近限位块的一侧移动，直到贴近锚固内管端部，实现将第一个锚固内管固定在限位销与限 位块之间；
24.步骤七、完成步骤六后，在frp杆的锚固端，沿frp杆的轴向顺次插入其余限位销， 并将对应的其余限位螺母旋拧至预定位置，完成对frp杆的锚固。
25.进一步地，环氧树脂内掺有铁砂。
26.本发明与现有技术相比具有以下效果：
27.本技术结构简单，拆卸后可重复使用，大大降低了锚具的使用成本。
28.通过设置对中环，可实现frp杆的严格对中。
29.通过各锚固内管的分段锚固，在限位销与锚固内管之间预留空隙，在frp杆体受拉 过程中，可实现锚具端部的锚固内管先受力，有效增大了锚具端部杆体受到的锚固力，在 锚具内部引入了附加的锚固力，该锚固力与传统单根直锚系统产生的锚固力叠加，使得 frp杆在整个锚固区受到均匀分布的锚固力。
30.锚具装置内部应力分布均匀，在锚具端部无应力集中现象，锚固效率高，耐疲劳性能 优异，锚具内部无滑移。
附图说明
31.图1为本技术的主剖视示意图；
32.图2为锚固内管在frp杆上的锚固示意图；
33.图3为锚固外管的俯视示意图；
34.图4为图1的俯视示意图(与图1非等比例)；
35.图5为图1的左视示意图(与图1非等比例)；
36.图6为图1的右视示意图(与图1非等比例)；
37.图7为限位销的结构示意图；
38.图8为本技术的用于纤维增强树脂复合材料杆体的锚固装置内部锚固力分布示意图： (a)为传统单根直锚型锚具内部锚固力分布，(b)为本技术的分段锚固型锚具在锚固区 引起的附加锚固力分布，(c)为(a)与(b)叠加最终在锚具内形成的均匀分布的锚固力。
39.附图标记说明：
[0040]1‑
frp杆，2
‑
限位销，3
‑
限位螺母，4
‑
锚固外管，5
‑
锚固内管，6
‑
对中环，7
‑
环氧树脂， 8
‑
限位块，9
‑
限位孔。
具体实施方式
[0041]
具体实施方式一：结合图1～8说明本实施方式，一种用于纤维增强树脂复合材料杆 体的锚固装置，它包括frp杆1、锚固外管4、限位块8、若干锚固内管5、若干限位螺 母3及若干限位销2，其中所述若干锚固内管5、若干限位螺母3及若干限位销2数量均 相同，所述限位块8固装在锚固外管4的一端内部，frp杆1同轴插设在锚固外管4内 且一端顶设在限位块8的端部，若干锚固内管5均设置在frp杆1与锚固外管4之间且 若干锚固内管5沿frp杆1的轴向依次同轴套设在frp杆1上，每个锚固内管5与frp 杆1之间均填充有环氧树脂7，每个锚固内管5的两端部内壁与frp杆1的外表面之间 均套装有对中环6，锚固外管4上开设有若干限位孔9，若干限位销2对应通过若干限位 孔9插装在每相临两个锚固内管5之间且贯穿锚固外管4设置，通过螺纹连接在锚固外管 4上的限位螺母3实现对限位销2的轴向限位。
[0042]
通过限位块8限定frp杆1在锚固外管4内的轴向位置。限位块8的长度根据拉力 机夹持长度确定。
[0043]
通过限位孔9、限位销2及限位螺母3三者共同配合，实现每段锚固内管5与其相临 的限位销2之间的空隙大小的调控，进而控制锚固内管5相对于锚固外管4的轴向移动量。
[0044]
锚固外管4上加工有与限位螺母3配合的螺纹，该螺纹规格根据实际限位螺母3受
力 计算获得。
[0045]
锚固内管5与锚固外管4之间的接触面为光滑面，保证安装有锚固内管5的frp杆 1顺利装入锚固外管4内。
[0046]
对中环6用于对中frp杆1。对中环6的内、外环面对应与锚固内管5的内圆面及frp杆1的外圆面紧密接触。对中环6为具有一定刚度的橡胶或金属材料。
[0047]
锚固内管5及锚固外管4均为圆管。
[0048]
锚固内管5的长度不应大于50mm，使得锚固力在每个锚固内管5上尽可能的均匀分 布。锚固内管5的个数应根据frp杆1的拉伸强度来确定，锚固内管5的厚度不应小于 3mm，防止因受力而产生过大变形。
[0049]
环氧树脂7的厚度不应小于2mm，防止环氧树脂7发生脆性破坏，也不应大于5mm， 防止环氧树脂7产生过大的变形。
[0050]
在将若干锚固内管5锚固完毕后，连同frp杆1一起插入锚固外管4的内孔。
[0051]
限位孔9上沿锚固外管4径向方向的长度不应过大，优选尺寸不应大于锚固外管4 外径的3/5，锚固外管4的管壁厚度不应过小，优选不应小于4mm，防止锚固力过大时导 致锚固外管4断裂。
[0052]
限位销2的厚度不应过小，优选不应小于10mm，防止受力时产生过大的变形。
[0053]
限位螺母3的厚度不应小于10mm，防止因锚固力过大而导致限位螺母3的栓接失效。
[0054]
本技术结构简单，拆卸后可重复使用，大大降低了锚具的使用成本。
[0055]
通过设置对中环6，可实现frp杆1的严格对中。
[0056]
通过各锚固内管5的分段锚固，在限位销2与锚固内管5之间预留空隙，在frp杆 1体受拉过程中，可实现锚具端部的锚固内管5先受力，有效增大了锚具端部杆体受到的 锚固力，在锚具内部引入了附加的锚固力(该附加的锚固力是由于在锚固过程中，限位螺 母与限位销之间设置了不同的预紧程度(靠近限位块的一端预紧程度大)。在施加外部荷 载以后，由于不同的预紧度，使得锚固内管受力存在先后，进而在锚固内部引入与传统锚 具不同的附加锚固力)，该锚固力与传统单根直锚系统产生的锚固力叠加，使得frp杆1 在整个锚固区受到均匀分布的锚固力。
[0057]
锚具装置内部应力分布均匀，在锚具端部无应力集中现象，锚固效率高，耐疲劳性能 优异，锚具内部无滑移。
[0058]
限位销2与其对应的限位孔9之间为间隙配合，沿frp杆1轴向的限位销2的厚度， 小于或等于每相临两个锚固内管5之间的距离设置。如此设计，便于限位销2的插入。
[0059]
限位销2的一端开设有u形通槽，u形通槽的槽底配合卡设在每相临两个锚固内管5 之间的frp杆1上。u形通槽的槽底为圆弧结构，其与frp杆1的外圆面配合。
[0060]
若干限位孔9沿锚固外管4的轴向依次布置。
[0061]
所述限位孔9为矩形通孔。
[0062]
锚固内管5的数量为四个。
[0063]
限位块8与锚固外管4之间为螺纹连接。如此设计，便于限位块8的安装与拆卸。
[0064]
限位块8上远离frp杆1的一端加工有内六角的螺孔。如此设计，便于施加扭矩将 限位块8旋入锚固外管4内。
[0065]
一种采用上述锚固装置的锚固方法，其包括如下步骤：
[0066]
步骤一、将frp杆1的锚固端用砂纸打磨，进行粗糙处理，同时对锚固内管5的内 壁进行除锈，并用无水乙醇将打磨后的frp杆1与锚固内管5内壁擦拭干净；
[0067]
步骤二、沿frp杆1的轴向依次套设一个对中环6及一个锚固内管5，并将该对中 环6的内、外环面分别与frp杆1的外表面及锚固内管5的内壁粘接，以将锚固内管5 固定在frp杆1的预定位置上；对中环6与frp杆1及锚固内管5之间的粘接可以采用 如502胶水等实现。
[0068]
步骤三、使用高压注浆机将配置好的环氧树脂7注入frp杆1与锚固内管5的空隙 内，待环氧树脂7注满后，将该锚固内管5另一端的对中环6嵌入到锚固内管5内孔中；
[0069]
步骤四、重复步骤二及步骤三，在frp杆1的锚固端顺次完成每个锚固内管5的锚 固；锚固内管5的锚固顺序为从frp杆1的锚固端向内依次进行，例如：当frp杆1的 锚固端在右端时，若干锚固内管5的锚固顺序为从右向左。
[0070]
步骤五、将锚固好锚固内管5的frp杆1放在室内，在室温下对环氧树脂7固化24 小时，然后放置在烘箱内，60℃固化48小时；
[0071]
步骤六、环氧树脂7固化好后，将frp杆1锚固端插入锚固外管4中，将限位块8 安装到锚固外管4内一端部的预定位置，以确定frp杆1的轴向位置，然后向最靠近限 位块8的一个限位孔9中插入限位销2，并将限位销2贯穿插装在锚固外管4上，转动限 位螺母3以带动限位销2向靠近限位块8的一侧移动，直到贴近锚固内管5端部，实现将 第一个锚固内管5固定在限位销2与限位块8之间；
[0072]
步骤七、完成步骤六后，在frp杆1的锚固端，沿frp杆1的轴向顺次插入其余限 位销2，并将对应的其余限位螺母3旋拧至预定位置，完成对frp杆1的锚固。frp杆1 锚固完成后，限位销2与其远离限位块8一侧的锚固内管5之间留有间隙，从限位块8 起，沿frp轴向，所述间隙逐渐增大。所述的限位销2与锚固内管5之间的空隙的宽度， 应根据使得锚固区锚固力分布均匀的原则来确定，通过放入标准厚度的铁片来控制空隙宽 度。
[0073]
环氧树脂7内掺有铁砂。如此设计，通过掺入配比为1:1的铁砂，增加环氧树脂7的 刚度，减小环氧树脂7的变形，降低锚具端部的应力集中。环氧树脂7与铁砂的配比可根 据树脂类型选定，铁砂可替换为其他刚度较大的材料。