一种用于多束碳纤维平行拉索的连续曲锥形复合式锚具的制作方法

1.本实用新型属于碳纤维拉索的复合锚具技术领域，尤其是涉及一种用于多束碳纤维平行拉索的连续曲锥形复合式锚具。


背景技术：

2.传统土木工程材料常使用钢筋或钢绞线作为增强体，如钢筋混凝土梁、预应力钢绞线混凝土梁，桥梁拉索等结构构件，但钢筋作为金属材料，无法避免金属腐蚀现象的发生，钢筋表面腐蚀会造成截面损失，强度下降，从而导致结构承载力下降，不仅影响正常使用，对结构的安全也产生了较大的威胁。
3.为解决这一问题，众多学者和工程师们采用了各种方法，如表面刷涂层、阴极保护法等，这些方法在一定情况下产生了较好的效果，但是仍无法从本质上避免钢筋的腐蚀，在恶劣环境下，依然会发生电化学腐蚀现象。而碳纤维增强复合材料杆，具有较好的耐腐蚀性能，同时其具有较高的抗拉强度，较大的模量，使得使用碳纤维增强复合材料杆替代钢绞线成为解决钢筋腐蚀的一个重要方向。若要发挥碳纤维增强复合材料杆的优异性能，关键问题是需要对碳纤维增强复合材料杆进行锚固，但碳纤维增强复合材料杆属于各向异性材料，纤维向抗拉强度、模量较高，但垂直于纤维方向，其抗压、抗剪强度、模量均较低，传统锚固钢绞线的方法便不适用于锚固碳纤维增强复合材料杆，荷载端产生较大的压应力会导致碳纤维增强材料杆体提前发生破坏，丧失承载力。
4.目前有关碳纤维增强复合材料索的锚固多为直锥形锚固、多级直锥形锚固。直锥形锚固在荷载端会产生较大的压应力集中，容易导致杆体产生破坏，且锚固后部使用效率较低；而多级直锥体锚固对锚固中后部使用效率较高，但其截面形状变化剧烈、荷载端产生较大的压应力集中，导致锚固效率较低。而缓解应力集中的方法多为采用变刚度荷载传递介质，通过降低模量的方法降低压应力，但是此方法制作工艺复杂。因此有必要设计一种新的用于多束碳纤维平行拉索的连续曲锥形复合式锚具解决上述问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本实用新型旨在提出一种用于多束碳纤维平行拉索的连续曲锥形复合式锚具，通过使用曲锥形，将压应力峰值由荷载端移动至曲锥末端，并且使用多个不同半径的锥形，使得每个曲锥产生的压应力从荷载端到自由端逐渐增大，尾部使用曲锥夹片锚固，提高了安全储备的同时，减轻了应力不均匀性。
6.为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
7.一种用于多束碳纤维平行拉索的连续曲锥形复合式锚具，包括若干碳纤维杆、粘接锚固段和夹片锚固段，所述的粘接锚固段包括连续曲锥形锚杯、前端索体定位装置、后端索体分丝板和环氧铁砂，所述的连续曲锥形锚杯由连续多段不同半径的曲锥形内壁相连而成，多段曲锥形内壁的半径不同，且曲锥形内壁半径从锚具的荷载端到自由端依次减小，所述的后端索体分丝板设置在连续曲锥形锚杯的后端，所述的前端索体定位装置设置在连续
曲锥形锚杯的前端，所述的前端索体定位装置和后端索体分丝板上均对应开设有若干圆通孔；
8.所述的夹片锚固段包括拉索锚杯、多孔曲锥锚固装置、曲锥形夹片和密封螺母，所述的拉索锚杯为内腔带螺纹的直筒结构，所述的拉索锚杯设置在连续曲锥形锚杯的后端，所述的拉索锚杯和连续曲锥形锚杯一体成型，所述的多孔曲锥锚固装置螺纹配合在拉索锚杯内，所述的密封螺母密封在拉索锚杯的自由端，所述的多孔曲锥锚固装置通过螺栓与后端索体分丝板连接，在多孔曲锥锚固装置上均匀开设若干与曲锥形夹片外形相适应的曲锥孔，且多孔曲锥锚固装置上的曲锥孔与前端索体定位装置上的圆通孔及后端索体分丝板上的圆通孔一一对应布置，每根碳纤维杆依次从前端索体定位装置、后端索体分丝板和多孔曲锥锚固装置穿过，在碳纤维杆的末端分别配合一曲锥形夹片，并将曲锥形夹片压入到相对应的曲锥孔内，在安装了若干碳纤维杆的连续曲锥形锚杯内填充环氧铁砂。
9.进一步的，所述连续曲锥形锚杯中多段曲锥形内壁的相连是连续的，下一个曲锥的起点与上一个曲锥的终点相连，相邻两段之间平滑过渡。
10.进一步的，连续曲锥形锚杯是由四段曲锥形内壁相连组成的，从锚具的荷载端到自由端方向的曲锥半径分别为r1、r2、r3和r4，且r1》r2》r3》r4。
11.进一步的，r1取值介于2500-3000mm间，r2、r3取值介于1500-2500mm间，r4取值小于1000mm；每一曲锥形内壁段长度取值在100-150mm间。
12.进一步的，曲锥形夹片的曲锥曲率r介于1000-2000mm之间，长度为60-100mm。
13.进一步的，在每根碳纤维杆的末端分别套设一铝合金套筒，使曲锥形夹片与碳纤维杆之间通过铝合金套筒分隔开。
14.进一步的，在多孔曲锥锚固装置上开设有排气孔。
15.进一步的，在多孔曲锥锚固装置与后端索体分丝板之间留出夹片滑移缓冲区。
16.进一步的，所述前端索体定位装置为一个带孔的圆盘结构。
17.相对于现有技术，本实用新型所述的一种用于多束碳纤维平行拉索的连续曲锥形复合式锚具具有以下优势：
18.(1)该锚具的锚杯内壁轮廓为多个连续的曲锥形内壁首尾相连，曲锥形优势在于曲锥形可将压应力峰值移到曲锥形尾端，从而减小拉应力、压应力的相互作用，减小压应力集中。
19.(2)不同的曲锥段采用不同的曲锥半径，优势在于，曲锥半径大，则该段内平均压应力小，曲锥半径小，则该段内平均压应力大，所以在整个锚固长度上，压应力有从荷载端到自由端逐渐增加的趋势，可有效的避免压应力集中，提高锚固效率。
20.(3)锚固尾端采用夹片锚对单根筋进行锚固，并施加预紧力，可以精确控制各个杆体的初始应力状态，减小应力不均匀。
21.(4)各夹片锚固均采用曲锥形夹片锚，同样可以避免夹片锚固前端压应力集中，从而提高承载力。
22.(5)本技术可以根据需要锚固碳纤维杆的数量调整曲锥段的半径和个数，以满足锚固需求。
附图说明
23.构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
24.图1为本实用新型实施例所述的一种用于多束碳纤维平行拉索的连续曲锥形复合式锚具的结构示意图；
25.图2为本实用新型实施例所述的连续曲锥形锚杯内壁部分的结构示意图；
26.图3为多孔曲锥锚固装置与后端索体分丝板的安装示意图；
27.图4为曲锥形夹片锚固碳纤维杆的结构示意图；
28.图5为曲锥形夹片结构示意图；
29.图6为碳纤维杆通过夹片锚固在多孔曲锥锚固装置内的示意图；
30.图7为前端索体定位装置的主视图；
31.图8为前端索体定位装置的俯视图；
32.图9为密封螺母的结构示意图；
33.图10为连续曲锥形锚杯内环氧铁砂所受压应力分布应力云图；
34.图11为连续曲锥形锚杯内碳纤维杆所受压应力分布示意图。
35.附图标记说明：
36.1-碳纤维杆，2-前端索体定位装置，3-环氧铁砂，4-连续曲锥形锚杯，5-后端索体分丝板，6-多孔曲锥锚固装置，7-曲锥形夹片，8-铝合金套筒，9-密封螺母，10-排气孔，11-螺栓，12-夹片滑移缓冲区，13-拉索锚杯，14-载荷端，15-自由端。
具体实施方式
37.需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
38.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
39.如图1-图9所示，一种用于多束碳纤维平行拉索的连续曲锥形复合式锚具，包括若干碳纤维杆1、粘接锚固段和夹片锚固段，所述的粘接锚固段包括连续曲锥形锚杯4、前端索体定位装置2、后端索体分丝板5和环氧铁砂3，所述的连续曲锥形锚杯4由多段不同半径的曲锥形内壁连续相连而成，多段曲锥形内壁的半径不同，且曲锥形内壁半径从锚具的荷载端14到自由端15依次减小，所述的后端索体分丝板5设置在连续曲锥形锚杯4的后端，所述的前端索体定位装置2设置在连续曲锥形锚杯4的前端，所述的前端索体定位装置2和后端索体分丝板5上均对应开设有若干圆通孔；
40.所述的夹片锚固段包括拉索锚杯13、多孔曲锥锚固装置6、曲锥形夹片7和密封螺母9，所述的拉索锚杯13为内腔带螺纹的直筒结构，所述的拉索锚杯13设置在连续曲锥形锚杯4的后端，所述的拉索锚杯13和连续曲锥形锚杯4一体成型，所述的多孔曲锥锚固装置6螺纹配合在拉索锚杯13内，所述的密封螺母9密封在拉索锚杯13的自由端，所述的多孔曲锥锚固装置6通过螺栓11与后端索体分丝板5连接，在多孔曲锥锚固装置6上均匀开设若干与曲锥形夹片7外形相适应的曲锥孔，且多孔曲锥锚固装置6上的曲锥孔与前端索体定位装置2上的圆通孔及后端索体分丝板5上的圆通孔一一对应布置，每根碳纤维杆1依次从前端索体
定位装置2、后端索体分丝板5和多孔曲锥锚固装置6穿过，在碳纤维杆1的末端分别配合一曲锥形夹片7，并将曲锥形夹片7压入到相对应的曲锥孔内，在安装了若干碳纤维杆1的连续曲锥形锚杯4内填充环氧铁砂3；在多孔曲锥锚固装置6上开设有排气孔10；在多孔曲锥锚固装置6与后端索体分丝板5之间留出夹片滑移缓冲区12，滑移缓冲区提供为5mm-10mm的距离供夹片滑移，以便于夹片在施加预紧力以及受力时向前发生滑移。
41.本技术的连续曲锥形锚杯4的每一段的内壁均采用曲锥形，曲锥形内壁可以优化应力分布，曲锥前端压应力几乎为零，压应力在曲锥的后部达到最大，可以避免压应力在荷载端部发生集中，从而大大改善了杆体应力集中现象，避免其提前破坏。
42.连续曲锥形锚杯4中多段曲锥形内壁的相连是连续的，下一个曲锥的起点与上一个曲锥的终点相连，相邻两段之间平滑过渡，而不是与上一个曲锥的起点位于同一条水平线上，这种连续连接的方式不会导致锚杯整体截面形状出现较大的突变，而是较为平滑的过度，不易产生应力集中现象。
43.连续曲锥形锚杯4是由四段曲锥形内壁相连组成的，从锚具的荷载端到自由端方向的曲锥半径分别为r1、r2、r3和r4，且r1》r2》r3》r4。r1取值介于2500-3000mm间，r2、r3取值介于1500-2500mm间，r4取值小于1000mm；每一曲锥形内壁段长度取值在100-150mm间。这样设计的目的可以实现锥体产生的压应力从荷载端到自由端逐渐增大，间接实现“变刚度”作用。
44.曲锥形夹片7的曲锥曲率r介于1000-2000mm之间，长度为60-100mm，各夹片锚固均采用曲锥形夹片锚，同样可以避免夹片锚固前端压应力集中，从而提高承载力。
45.在每根碳纤维杆1的末端分别套设一铝合金套筒8，使曲锥形夹片7与碳纤维杆1之间通过铝合金套筒8分隔开，使碳纤维杆受到的压应力更加均匀。多孔曲锥锚固装置上的曲锥孔的数量取决于要锚固的碳纤维杆的数量。
46.前端索体定位装置2为一个带孔的圆盘结构，用于固定碳纤维杆体位置。
47.一种用于多束碳纤维平行拉索的连续曲锥形复合式锚具的锚固方法，具体包括以下步骤：
48.步骤一：将后端索体分丝板5、多孔曲锥锚固装置6固定于制作台上，用螺栓11连接，将索体内各碳纤维杆1依次穿入分丝板5与多孔曲锥锚固装置6，保证分丝板5的圆通孔与多孔曲锥锚固装置6上的曲锥孔一一对应，在碳纤维杆1尾端插入铝合金套筒8，移动至预定标记点；
49.步骤二：将曲锥形夹片7套在碳纤维杆1外侧，将曲锥形夹片7放入对应多孔曲锥锚固装置6的曲锥孔中，使用液压千斤顶，借助垫片工具，将曲锥形夹片7以一定的荷载压入多孔曲锥锚固装置6，对单根碳纤维杆形成预紧力，将碳纤维杆1固定，按照同样的方法，将其他碳纤维杆1依次固定，并施加预紧力；
50.步骤三：将拉索锚杯13套在多孔曲锥锚固装置6的外侧，旋转拉索锚杯13，通过螺纹连接方式使拉索锚杯13与安装好碳纤维杆1的多孔曲锥锚固装置6连接，固定到设计位置；
51.步骤四：将连续曲锥形锚杯4与碳纤维杆1吊起，灌注环氧铁砂3，将空气从排气孔10排除，灌注完成后，将密封螺母9拧紧在拉索锚杯13上，将前端索体定位装置2固定在连续曲锥形锚杯4上，完成碳纤维杆的锚固。
52.从图10和图11中可以看出在每一段内，压应力主要集中于后半部分，避免压应力与高拉应力相互作用导致杆体提前破坏；不同的曲锥段采用不同的曲锥半径，曲锥半径大，则该段内平均压应力小，曲锥半径小，则该段内平均压应力大，所以在整个锚固长度上，平均压应力从荷载端到自由端逐渐增加，可有效的避免压应力集中，提高锚固效率。
53.本实用新型充分考虑了现有锚固体系存在的压应力集中以及应力不均匀问题，提出了一种用于多束碳纤维平行拉索的连续曲锥形复合式锚具，该锚固方法可以减小甚至避免荷载端压应力集中，减小应力不均匀性，提高锚固效率。
54.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。