一种适用于单向FRP受拉构件的黏结式锚固方法与流程

一种适用于单向frp受拉构件的黏结式锚固方法
技术领域
1.本发明涉及一种针对单向frp(纤维增强聚合物)受拉构件的锚固方法，属于土木工程和复合材料技术领域。


背景技术：

2.纤维增强聚合物(fiber reinforced polymer，缩写为frp)是以高性能纤维作为增强体、高分子聚合物作为基体，经过各种成型工艺复合而成的高性能复合材料。常用的高性能纤维包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维和玄武岩纤维，常用的高分子聚合物包括环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂和聚丙烯树脂等。frp具有轻质、高强、耐腐蚀等优良特性，适合制成拉索或预应力筋在结构中承受拉力，替换传统钢索或钢预应力筋，提升工程结构的力学性能与耐久性。
3.frp拉索或预应力筋主要由拉挤成型的frp棒材或片材等单向frp构件组成。单向frp构件的纤维方向沿构件的轴向。为了充分发挥单向frp受拉构件优异的力学性能，需要对其进行高效锚固。然而，单向frp是一种典型的正交各项异性材料，垂直于纤维方向主要表现聚合物基体的力学性质，其强度与模量远小于纤维方向的强度与模量。此外，frp的抗剪强度较低，且延性不佳。这造成了单向frp受拉构件不容易锚固。现行的锚固单向frp受拉构件的方法可分为机械夹持式与黏结式两类。
4.中国专利202010012026.3公开了一种整体浇筑式大拉力复材拉索的锚固方法，包括：拉索固定步骤：采用具有内锥度的套筒和两个端部夹具作为锚具对拉索进行固定和对中，其中两个端部夹具为加载端夹具和自由端夹具；浇筑步骤：通过从上往下的浇注方式在锚具内填充刚度分段梯度变化的黏结介质，各区段黏结介质之间布置短切纤维纱。黏结介质刚度的分段梯次变化大大降低了锚固区拉索的径向压应力和纵向剪应力集中。具有施工简单快速、锚固区应力分布平缓的特点，可以实现大拉力复材拉索高效可靠长期的锚固。
5.中国专利201911247977.2公开了一种光面frp棒材锚固方法，包括：在光面frp棒材的锚固端从端面沿棒材的轴线方向开用于将光面frp棒材的锚固端分成可张开的多个部分的切缝，切缝条数为2～4条；通过在锚固端可张开的多个部分之间设置填充物使锚固端形成扩大端头，并用套在锚固端上的套筒锚固。套筒为阶梯内径套筒，包含套筒自由端和套筒加载端，套筒自由端内径大于套筒加载端内径；扩大端头为锥形扩大端头；在套筒自由端与锥形扩大端头间的空隙灌注树脂石英砂混合物，套筒加载端与光面frp棒材之间的空隙采用树脂填充并固化。该技术可以有效、可靠地实现光面frp棒材的锚固和连接，充分发挥光面frp棒材的拉伸强度，使其发生理想的中间段完全炸断式破坏。
6.中国专利201910225054.0公开了一种纤维增强复合材料(frp)筋的连接方法，采用梭形外套筒通过螺纹机械咬合和胶粘双重作用将两根frp筋进行连接，并使其在混凝土中共同受力。该发明的主要特点是：首先生产一个frp材料与热塑性环氧树脂混合制备的复合材料圆柱形连接套筒，在套筒内灌注热固性树脂后，将2根frp筋先后插入套筒中进行对接，最后通过一个特殊形状的模具对套筒和frp筋整体进行加热并加压，使得套筒材料的热
塑性树脂软化，并在模具中被压成梭形，该形状有利于减小应力集中，固化后的套筒-frp筋整体性能优越。该结构用于frp筋在混凝土结构(梁、柱等)中的连接，具有施工方便、对接长度较小、强度高的特点，可以保证混凝土中的frp筋之间进行有效的对接。
7.综合来看，目前单向frp受拉构件的锚固形式与应用环境的实际需求有着较大的差异，主要考虑的技术改进点是提升单向frp受拉构件的黏结表面积，进而提高黏结锚固效率，缩短锚固长度，降低施工成本，提高单向frp受拉构件的适用性。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于实现单向frp受拉构件的高效黏结锚固，提升黏结承载能力和单向frp受拉构件的适用性。
9.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种适用于单向frp受拉构件的黏结式锚固方法，首先采用特定溶剂通过化学反应将单向frp受拉构件两端设计长度范围内的聚合物基体溶解去除，留下纤维形成端头无聚合物基体的单向frp受拉构件；将端头无聚合物基体的单向frp受拉构件或多根平行构件束插入套筒中，再在套筒中注入黏结剂，形成单向frp受拉构件的黏结式锚固结构。
10.进一步地，单向frp受拉构件所采用的纤维可以是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维和玄武岩纤维中的一种，也可以是多种纤维的混杂。
11.进一步地，用来溶解聚合物基体的溶剂可以是酸溶液、碱溶液、有机溶剂或超临界流体溶液。
12.进一步地，单向frp受拉构件两端需要溶解聚合物基体的长度根据所需要的锚固力、单向frp受拉构件中纤维的数量、纤维的直径、纤维与黏结剂的黏结强度、黏结剂的强度与弹性模量以及黏结剂与套筒内表面的黏结强度进行确定。
13.进一步地，经过溶剂浸泡、溶解后，单向frp受拉构件端头聚合物基体的残留率低于10％，纤维的拉伸强度保留率为90％以上。
14.进一步地，纤维的黏结剂采用环氧树脂、石英砂和膨胀剂的组合材料。其中，石英砂的质量比不低于30％，环氧树脂的质量比不低于50％，膨胀剂的质量比不低于5％。
15.进一步地，单向frp受拉构件的黏结式锚固结构包括单向frp受拉构件、套筒和黏结剂。单向frp受拉构件与套筒连接在一起，单向frp受拉构件端头的纤维束插入套筒中，纤维与套筒之间填充有黏结剂。
16.进一步地，黏结剂不直接黏结单向frp受拉构件，而是直接黏结frp中的纤维。
17.进一步地，套筒采用内锥形套筒，内锥度为3至8度，为增加套筒与黏结剂之间的黏结力，将套筒内表面打磨粗糙或加工生成刻痕。
18.进一步地，单向frp受拉构件束是将若干根单向frp受拉构件平行并拢、扎紧而成，构件与构件之间不设置间距。
19.与现有技术相比较，本发明提出的这种溶解端头聚合物基体的单向frp受拉构件黏结式锚固方法，通过去除掉单向frp受拉构件端头的聚合物基体，由黏结剂直接黏结纤维，以此极大地增大frp的黏结表面积、提高锚固效率、缩短锚固长度，从而降低成本，提高单向frp受拉构件的适用性。相类似的，本发明的单向frp受拉构件端头无聚合物基体的纤维束类似于大树的树根，单向frp受拉构件类似于大树的树干，黏结剂相当于土壤；通过纤
维与黏结剂直接黏结增大了单向frp受拉构件的黏结锚固面积，同时也缩短了锚固长度，将同样的单向frp受拉构件的锚固潜力发挥到最大，显著提升了单向frp受拉构件的锚固性能。
附图说明
20.图1为利用本发明实现的单向frp受拉构件锚固结构的三维示意图。
21.图2为利用本发明实现的单向frp受拉构件锚固结构的剖面图。
22.图3为利用本发明实现的单向frp受拉构件束锚固结构的三维示意图。
23.图4为利用本发明实现的单向frp受拉构件束锚固结构的剖面图。
24.图5为图4单向frp受拉构件束的截面图。
25.图6为用溶剂溶解单向frp受拉构件端头聚合物基体的示意图。
26.图7为用溶剂溶解单向frp受拉构件束中各个构件端头聚合物基体的示意图。
27.图中：1、单向frp受拉构件；2、单向frp受拉构件束；3、溶剂；4、容器；5、纤维；6、套筒；7、黏结剂。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
30.同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
31.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
32.在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
33.本发明所要解决的技术问题是克服现有单向frp受拉构件黏结式锚固方法存在的黏结表面积不足、锚固效率较低、锚固长度较长的问题，提出一种溶解掉聚合物基体、直接黏结纤维的锚固方法，可以极大提升黏结表面积、提高锚固效率、缩短锚固长度，从而高效、充分地发挥单向frp受拉构件的拉伸强度与刚度。
34.以下结合本发明实施例中的附图做进一步说明。
35.本发明提出的单向frp受拉构件结构的制作步骤如下：
36.第一步：选择外表无损伤的单向frp受拉构件1或单向frp受拉构件束2；
37.第二步：用切割机将单向frp受拉构件1或单向frp受拉构件束2切割成设计长度；
38.第三步：根据所需要的锚固力、单向frp受拉构件中纤维的数量、纤维的直径以及纤维与黏结剂的黏结强度确定两端所需要溶解的长度；
39.第四步：将切割好的单向frp受拉构件1或单向frp受拉构件束2的一端放入盛放溶剂3的容器4中，使溶剂3没过单向frp受拉构件1或单向frp受拉构件束2端头所需要溶解的长度，溶解第三步所确定长度范围内的聚合物基体，裸露出纤维5；
40.第五步：待一端溶解完毕之后，再将单向frp受拉构件1或单向frp受拉构件束2的另一端放入盛放溶剂3的容器4中，使溶剂3没过单向frp受拉构件1或单向frp受拉构件束2端头所需要溶解的长度，溶解第三步所确定长度范围内的聚合物基体，裸露出纤维5；
41.第六步：加工内锥形套筒6，内锥度为3至8度，将套筒内表面打磨粗糙或加工生成刻痕；
42.第六步：将两端均溶解完毕的单向frp受拉构件1或单向frp受拉构件束2一端插入套筒中，构件束需并拢、扎紧，再将单向frp受拉构件1或单向frp受拉构件束2居中、固定，然后在套筒中注入黏结剂7，使黏结剂至少没过所有的纤维；
43.第七步：重复第六步，完成单向frp受拉构件1或单向frp受拉构件束2的另一端的锚固。
44.本发明通过黏结剂直接黏结frp纤维，增大了frp的黏结锚固面积，同时也缩短锚固长度，将同样的单向frp受拉构件的锚固潜力发挥到最大，显著提升frp的锚固性能。
45.实例分析：
46.设单向frp受拉构件是直径为d的圆截面棒材，其中纤维的直径为df，纤维体积比为vf，套筒内的黏结长度为l。如果采用传统的黏结单向frp受拉构件的锚固方法，黏结表面积等于棒材在黏结长度内的表面积，即黏结表面积a
bond
＝πdl。如果采用本发明提出的方法，即直接黏结单向frp受拉构件中的纤维，则新的黏结表面积a
bond,new
＝πdl(d/df)vf。由a
bond,new
/a
bond
＝(d/df)vf可知，采用本发明提出的方法，理论上可使黏结表面积提高(d/df)vf倍，在黏结强度相同的情况下，理论上可使黏结承载能力提高(d/df)vf倍。
47.例如，单向frp受拉圆截面棒材的直径为d＝10mm，其中纤维的直径为df＝5
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10-3
mm，纤维体积比为vf＝60％，套筒内的黏结长度为l＝100mm。如果采用传统的黏结单向frp受拉构件的锚固方法，黏结表面积a
bond
＝πdl＝3140mm2。如果采用本发明提出的方法，新的黏结表面积a
bond,new
＝πdl(d/df)vf＝188400mm2，提高了(d/df)vf＝600倍，黏结承载能力也相应提高了600倍，黏结表面积与承载能力的提升效果非常显著，具有显著的技术能力提升。