一种CFRP群锚锚固系统

一种cfrp群锚锚固系统
技术领域
1.本实用新型涉及群锚锚固领域，尤其是一种cfrp群锚锚固系统。


背景技术：

2.碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer，简称cfrp)具有纵向抗拉强度高、自重轻、耐腐蚀、耐疲劳等优点，将cfrp材料用作斜拉桥拉索，不仅能有效降低拉索自重、减小垂度效应，提高斜拉桥的承载效率和跨越能力，还能提高拉索的寿命、降低桥梁的维护运营成本。cfrp材料在未来的超大跨斜拉桥工程中有着良好的应用前景，但目前对cfrp拉索锚固性能的研究还处于初步阶段。
3.现有的cfrp筋材直筒和内锥复合粘结型锚具在内锥段前采用直筒段过渡，使得内部结构在受荷端部被拉出时，径向挤压应力突然释放的现象得到一定的改善，从而筋材受到弯折及应力集中的情况也有所改观。然而，在直筒段与内锥段的衔接处，由于内壁倾角突变，筋材受到的挤压应力仍然较大，筋材易受横向剪切破坏的问题仍然存在。
4.特别是当锚具较大且筋材选用cfrp时，由于cfrp是一种横观各向异性材料，其抗剪强度较低。因此直筒段与内锥段的衔接处的凸棱产生的挤压应力会格外明显的体现在外层cfrp筋材上，造成筋材在使用过程中的损伤。


技术实现要素：

5.本部分的目的在于概述本技术的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例，在本部分以及本技术的说明书摘要和申请名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和申请名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本技术的范围。
6.鉴于上述和/或现有技术中所存在的问题，提出了本技术。
7.因此，本技术所要解决的技术问题是：传统锚具中直筒段与内锥段的衔接处的凸棱会对cfrp筋材造成损伤。
8.为解决上述技术问题，本技术提供如下技术方案：一种cfrp群锚锚固系统，包括，
9.套筒，所述套筒的一端沿套筒的长度方向开设有直径逐渐减小的收束腔，所述套筒的另一端沿套筒的长度方向开设有直腔，所述直腔与收束腔窄口一端直径相同并相互连通，所述收束腔与直腔的连接处设置为弧形面。
10.作为本技术所述一种cfrp群锚锚固系统的一种优选方案，其中：所述收束腔的锥角为2.5-5
°
。
11.作为本技术所述一种cfrp群锚锚固系统的一种优选方案，其中：所述收束腔的锥角优选为3
°
。
12.作为本技术所述一种cfrp群锚锚固系统的一种优选方案，其中：：所述弧形面的曲率半径为1500-5000mm。
13.作为本技术所述一种cfrp群锚锚固系统的一种优选方案，其中：所述弧形面的曲率半径为3500mm。
14.作为本技术所述一种cfrp群锚锚固系统的一种优选方案，其中：所述套筒的侧壁上开设有若干用于通入粘接剂的灌胶口，且若干所述灌胶口分别与收束腔和直腔相连通。
15.作为本技术所述一种cfrp群锚锚固系统的一种优选方案，其中：所述粘接剂选用环氧树脂。
16.作为本技术所述一种cfrp群锚锚固系统的一种优选方案，其中：所述套筒的两端通过固定螺栓连接有盖板，所述盖板的中心均开设有用于cfrp筋材穿过的通孔。
17.作为本技术所述一种cfrp群锚锚固系统的一种优选方案，其中：所述套筒的外侧壁上螺纹连接有限位螺母。
18.作为本技术所述一种cfrp群锚锚固系统的一种优选方案，其中：所述套筒的外侧壁上还连接有若干吊环螺栓。
19.本技术的有益效果：通过在收束腔和直腔的连接处设置有弧形面，且通过限定收束腔的锥角以及弧形面的曲率半径，可以大大降低外层cfrp所受的挤压应力。
附图说明
20.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
21.图1为本技术实施例所述的群锚锚固系统的整体结构示意图；
22.图2为本技术实施例所述的群锚锚固系统的剖面结构示意图；
23.图3为本技术实施例1和对比例两种锚具锚具的cfrp筋径向压应力分布图；
24.图4为本技术实施例1和对比例两种锚具的cfrp筋位移图；
25.图5为本技术实施例1和对比例两种锚具的粘接介质-套筒挤压应力分布图；
26.图6为本技术实施例1-4所提供锚具的cfrp筋径向压应力分布图；
27.图7为本技术实施例1-4所提供锚具的cfrp筋位移图；
28.图8为本技术实施例1-4所提供锚具的粘接介质-套筒挤压应力分布图；
29.图9为粘接介质楔入量与锥角的关系；
30.图10为本技术实施例1、5-7所提供锚具的cfrp筋径向压应力分布图；
31.图11为本技术实施例1、5-7所提供锚具的cfrp筋位移图；
32.图12为本技术实施例1、5-7所提供锚具的粘接介质-套筒挤压应力分布图；
33.图13为为粘接介质楔入量与曲率半径的关系；
具体实施方式
34.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本技术的具体实施方式做详细的说明。
35.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本技术，但是本技术还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本技术内涵的情况下做类似推广，因此本技术不受下面公开的具体实施例的限制。
36.其次，本技术结合示意图进行详细描述，在详述本技术实施例时，为便于说明，表
示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本技术保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
37.再其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本技术至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
38.实施例1
39.参照图1-2，本实施例提供了一种cfrp群锚锚固系统，包括长度为500mm、直径为140mm的套筒100。套筒100的一端沿套筒100的长度方向开设有锥直径逐渐减小的锥台形的收束腔101，收束腔101的长度为200mm，收束腔101的锥角为3
°
。套筒100的另一端沿套筒100的长度方向开设有长度为300mm的直腔102，直腔102与收束腔101窄口一端的直径相同且相互连通。
40.直腔102和收束腔101的连接处设置有平滑的弧形面103，弧形面103的曲率半径为3500mm。当cfrp筋材200进入收束腔101后，在收束腔101的作用下，能够增大粘接介质和cfrp筋材200的机械咬合力与摩擦力。通过弧形面103衔接收束腔101和直腔102，可以平缓过渡，减小挤压应力峰值，使筋材受到的挤压应力沿纵向分布更加均匀。直腔102则能改善挤压应力突然释放的现象避免筋材受到弯折现象。
41.套筒100的侧壁上沿套筒100的长度方向间隔等距开设有三个灌胶口104，灌胶口104用于向套筒100内灌入环氧树脂。由于环氧树脂的硬度与cfrp相近，性质与cfrp中的树脂基体相似，能起到很好的粘接效果。
42.套筒100的两端还通过固定螺栓105连接有钢薄片制得的盖板106，且盖板106的中心开设有用于cfrp筋材200穿过的通孔1061。盖板106一方面可以避免环氧树脂的流出，另一方面，通过通孔1061可以保证cfrp筋材200在套筒100内对中。
43.套筒100设置有收束腔101一端的外侧壁上还设置有200mm长的螺纹，套筒100上螺纹连接有限位螺母107，套筒100通过限位螺母107固定于建筑物上。
44.套筒100的外侧壁上还螺纹连接有吊环螺栓108，吊环螺栓108用于锚固系统的吊装。
45.实施例2
46.参照图1-2，本实施例提供了一种cfrp群锚锚固系统，包括长度为500mm、直径为140mm的套筒100。套筒100的一端沿套筒100的长度方向开设有锥直径逐渐减小的锥台形的收束腔101，收束腔101的长度为200mm，收束腔101的锥角为2.5
°
。套筒100的另一端沿套筒100的长度方向开设有长度为300mm的直腔102，直腔102与收束腔101窄口一端的直径相同且相互连通。
47.直腔102和收束腔101的连接处设置有平滑的弧形面103，弧形面103的曲率半径为3500mm。当cfrp筋材200进入收束腔101后，在收束腔101的作用下，能够增大粘接介质和cfrp筋材200的机械咬合力与摩擦力。通过弧形面103衔接收束腔101和直腔102，可以平缓过渡，减小挤压应力峰值，使筋材受到的挤压应力沿纵向分布更加均匀。直腔102则能改善挤压应力突然释放的现象避免筋材受到弯折现象。
48.套筒100的侧壁上沿套筒100的长度方向间隔等距开设有三个灌胶口104，灌胶口104用于向套筒100内灌入环氧树脂。由于环氧树脂的硬度与cfrp相近，性质与cfrp中的树
脂基体相似，能起到很好的粘接效果。
49.套筒100的两端还通过固定螺栓105连接有钢薄片制得的盖板106，且盖板106的中心开设有用于cfrp筋材200穿过的通孔1061。盖板106一方面可以避免环氧树脂的流出，另一方面，通过通孔1061可以保证cfrp筋材200在套筒100内对中。
50.套筒100设置有收束腔101一端的外侧壁上还设置有200mm长的螺纹，套筒100上螺纹连接有限位螺母107，套筒100通过限位螺母107固定于建筑物上。
51.套筒100的外侧壁上还螺纹连接有吊环螺栓108，吊环螺栓108用于锚固系统的吊装。
52.实施例3
53.参照图1-2，本实施例提供了一种cfrp群锚锚固系统，包括长度为500mm、直径为140mm的套筒100。套筒100的一端沿套筒100的长度方向开设有锥直径逐渐减小的锥台形的收束腔101，收束腔101的长度为200mm，收束腔101的锥角为3.5
°
。套筒100的另一端沿套筒100的长度方向开设有长度为300mm的直腔102，直腔102与收束腔101窄口一端的直径相同且相互连通。
54.直腔102和收束腔101的连接处设置有平滑的弧形面103，弧形面103的曲率半径为3500mm。当cfrp筋材200进入收束腔101后，在收束腔101的作用下，能够增大粘接介质和cfrp筋材200的机械咬合力与摩擦力。通过弧形面103衔接收束腔101和直腔102，可以平缓过渡，减小挤压应力峰值，使筋材受到的挤压应力沿纵向分布更加均匀。直腔102则能改善挤压应力突然释放的现象避免筋材受到弯折现象。
55.套筒100的侧壁上沿套筒100的长度方向间隔等距开设有三个灌胶口104，灌胶口104用于向套筒100内灌入环氧树脂。由于环氧树脂的硬度与cfrp相近，性质与cfrp中的树脂基体相似，能起到很好的粘接效果。
56.套筒100的两端还通过固定螺栓105连接有钢薄片制得的盖板106，且盖板106的中心开设有用于cfrp筋材200穿过的通孔1061。盖板106一方面可以避免环氧树脂的流出，另一方面，通过通孔1061可以保证cfrp筋材200在套筒100内对中。
57.套筒100设置有收束腔101一端的外侧壁上还设置有200mm长的螺纹，套筒100上螺纹连接有限位螺母107，套筒100通过限位螺母107固定于建筑物上。
58.套筒100的外侧壁上还螺纹连接有吊环螺栓108，吊环螺栓108用于锚固系统的吊装。
59.实施例4
60.参照图1-2，本实施例提供了一种cfrp群锚锚固系统，包括长度为500mm、直径为140mm的套筒100。套筒100的一端沿套筒100的长度方向开设有锥直径逐渐减小的锥台形的收束腔101，收束腔101的长度为200mm，收束腔101的锥角为4
°
。套筒100的另一端沿套筒100的长度方向开设有长度为300mm的直腔102，直腔102与收束腔101窄口一端的直径相同且相互连通。
61.直腔102和收束腔101的连接处设置有平滑的弧形面103，弧形面103的曲率半径为3500mm。当cfrp筋材200进入收束腔101后，在收束腔101的作用下，能够增大粘接介质和cfrp筋材200的机械咬合力与摩擦力。通过弧形面103衔接收束腔101和直腔102，可以平缓过渡，减小挤压应力峰值，使筋材受到的挤压应力沿纵向分布更加均匀。直腔102则能改善
挤压应力突然释放的现象避免筋材受到弯折现象。
62.套筒100的侧壁上沿套筒100的长度方向间隔等距开设有三个灌胶口104，灌胶口104用于向套筒100内灌入环氧树脂。由于环氧树脂的硬度与cfrp相近，性质与cfrp中的树脂基体相似，能起到很好的粘接效果。
63.套筒100的两端还通过固定螺栓105连接有钢薄片制得的盖板106，且盖板106的中心开设有用于cfrp筋材200穿过的通孔1061。盖板106一方面可以避免环氧树脂的流出，另一方面，通过通孔1061可以保证cfrp筋材200在套筒100内对中。
64.套筒100设置有收束腔101一端的外侧壁上还设置有200mm长的螺纹，套筒100上螺纹连接有限位螺母107，套筒100通过限位螺母107固定于建筑物上。
65.套筒100的外侧壁上还螺纹连接有吊环螺栓108，吊环螺栓108用于锚固系统的吊装。
66.实施例5
67.参照图1-2，本实施例提供了一种cfrp群锚锚固系统，包括长度为500mm、直径为140mm的套筒100。套筒100的一端沿套筒100的长度方向开设有锥直径逐渐减小的锥台形的收束腔101，收束腔101的长度为200mm，收束腔101的锥角为3
°
。套筒100的另一端沿套筒100的长度方向开设有长度为300mm的直腔102，直腔102与收束腔101窄口一端的直径相同且相互连通。
68.直腔102和收束腔101的连接处设置有平滑的弧形面103，弧形面103的曲率半径为1500mm。当cfrp筋材200进入收束腔101后，在收束腔101的作用下，能够增大粘接介质和cfrp筋材200的机械咬合力与摩擦力。通过弧形面103衔接收束腔101和直腔102，可以平缓过渡，减小挤压应力峰值，使筋材受到的挤压应力沿纵向分布更加均匀。直腔102则能改善挤压应力突然释放的现象避免筋材受到弯折现象。
69.套筒100的侧壁上沿套筒100的长度方向间隔等距开设有三个灌胶口104，灌胶口104用于向套筒100内灌入环氧树脂。由于环氧树脂的硬度与cfrp相近，性质与cfrp中的树脂基体相似，能起到很好的粘接效果。
70.套筒100的两端还通过固定螺栓105连接有钢薄片制得的盖板106，且盖板106的中心开设有用于cfrp筋材200穿过的通孔1061。盖板106一方面可以避免环氧树脂的流出，另一方面，通过通孔1061可以保证cfrp筋材200在套筒100内对中。
71.套筒100设置有收束腔101一端的外侧壁上还设置有200mm长的螺纹，套筒100上螺纹连接有限位螺母107，套筒100通过限位螺母107固定于建筑物上。
72.套筒100的外侧壁上还螺纹连接有吊环螺栓108，吊环螺栓108用于锚固系统的吊装。
73.实施例6
74.参照图1-2，本实施例提供了一种cfrp群锚锚固系统，包括长度为500mm、直径为140mm的套筒100。套筒100的一端沿套筒100的长度方向开设有锥直径逐渐减小的锥台形的收束腔101，收束腔101的长度为200mm，收束腔101的锥角为3
°
。套筒100的另一端沿套筒100的长度方向开设有长度为300mm的直腔102，直腔102与收束腔101窄口一端的直径相同且相互连通。
75.直腔102和收束腔101的连接处设置有平滑的弧形面103，弧形面103的曲率半径为
2500mm。当cfrp筋材200进入收束腔101后，在收束腔101的作用下，能够增大粘接介质和cfrp筋材200的机械咬合力与摩擦力。通过弧形面103衔接收束腔101和直腔102，可以平缓过渡，减小挤压应力峰值，使筋材受到的挤压应力沿纵向分布更加均匀。直腔102则能改善挤压应力突然释放的现象避免筋材受到弯折现象。
76.套筒100的侧壁上沿套筒100的长度方向间隔等距开设有三个灌胶口104，灌胶口104用于向套筒100内灌入环氧树脂。由于环氧树脂的硬度与cfrp相近，性质与cfrp中的树脂基体相似，能起到很好的粘接效果。
77.套筒100的两端还通过固定螺栓105连接有钢薄片制得的盖板106，且盖板106的中心开设有用于cfrp筋材200穿过的通孔1061。盖板106一方面可以避免环氧树脂的流出，另一方面，通过通孔1061可以保证cfrp筋材200在套筒100内对中。
78.套筒100设置有收束腔101一端的外侧壁上还设置有200mm长的螺纹，套筒100上螺纹连接有限位螺母107，套筒100通过限位螺母107固定于建筑物上。
79.套筒100的外侧壁上还螺纹连接有吊环螺栓108，吊环螺栓108用于锚固系统的吊装。
80.实施例7
81.参照图1-2，本实施例提供了一种cfrp群锚锚固系统，包括长度为500mm、直径为140mm的套筒100。套筒100的一端沿套筒100的长度方向开设有锥直径逐渐减小的锥台形的收束腔101，收束腔101的长度为200mm，收束腔101的锥角为3
°
。套筒100的另一端沿套筒100的长度方向开设有长度为300mm的直腔102，直腔102与收束腔101窄口一端的直径相同且相互连通。
82.直腔102和收束腔101的连接处设置有平滑的弧形面103，弧形面103的曲率半径为5000mm。当cfrp筋材200进入收束腔101后，在收束腔101的作用下，能够增大粘接介质和cfrp筋材200的机械咬合力与摩擦力。通过弧形面103衔接收束腔101和直腔102，可以平缓过渡，减小挤压应力峰值，使筋材受到的挤压应力沿纵向分布更加均匀。直腔102则能改善挤压应力突然释放的现象避免筋材受到弯折现象。
83.套筒100的侧壁上沿套筒100的长度方向间隔等距开设有三个灌胶口104，灌胶口104用于向套筒100内灌入环氧树脂。由于环氧树脂的硬度与cfrp相近，性质与cfrp中的树脂基体相似，能起到很好的粘接效果。
84.套筒100的两端还通过固定螺栓105连接有钢薄片制得的盖板106，且盖板106的中心开设有用于cfrp筋材200穿过的通孔1061。盖板106一方面可以避免环氧树脂的流出，另一方面，通过通孔1061可以保证cfrp筋材200在套筒100内对中。
85.套筒100设置有收束腔101一端的外侧壁上还设置有200mm长的螺纹，套筒100上螺纹连接有限位螺母107，套筒100通过限位螺母107固定于建筑物上。
86.套筒100的外侧壁上还螺纹连接有吊环螺栓108，吊环螺栓108用于锚固系统的吊装。
87.对比例
88.参照图1-2，本对比例提供了一种cfrp群锚锚固系统，包括长度为500mm、直径为140mm的套筒100。套筒100的一端沿套筒100的长度方向开设有锥直径逐渐减小的锥台形的收束腔101，收束腔101的长度为200mm，收束腔101的锥角为3
°
。套筒100的另一端沿套筒100
的长度方向开设有长度为300mm的直腔102，直腔102与收束腔101窄口一端的直径相同且相互连通。
89.套筒100的侧壁上沿套筒100的长度方向间隔等距开设有三个灌胶口104，灌胶口104用于向套筒100内灌入环氧树脂。由于环氧树脂的硬度与cfrp相近，性质与cfrp中的树脂基体相似，能起到很好的粘接效果。
90.套筒100的两端还通过固定螺栓105连接有钢薄片制得的盖板106，且盖板106的中心开设有用于cfrp筋材200穿过的通孔1061。盖板106一方面可以避免环氧树脂的流出，另一方面，通过通孔1061可以保证cfrp筋材200在套筒100内对中。
91.套筒100设置有收束腔101一端的外侧壁上还设置有200mm长的螺纹，套筒100上螺纹连接有限位螺母107，套筒100通过限位螺母107固定于建筑物上。
92.套筒100的外侧壁上还螺纹连接有吊环螺栓108，吊环螺栓108用于锚固系统的吊装。
93.锚具性能测试
94.对实施例1-7及对比例提供的锚具进行cfrp筋材200的应用测试，测试结果如图3-13所示；
95.参照图3-5，可以看出，采用本实用新型锚具的cfrp筋材200，其受到的径向压应力沿锚具长度的分布更加平缓均匀，大大缓解了传统锚具的应力集中现象。传统锚具变截面处套筒100与粘结介质间的挤压应力发生了突变，而本实用新型提供的锚具界面挤压应力分布相对均匀，显然本实用新型提供的锚具的挤压应力更有利于对cfrp筋材200的锚固。本实用新型提供的锚具对cfrp筋材200的锚固主要通过界面摩擦力和机械咬合力。考虑cfrp筋材200的径向抗压强度，只要界面挤压力适当，就能够避免cfrp拉索发生挤压破坏或滑脱失效，达到较好的锚固效果。
96.参照图6-9，可以看出，cfrp筋材200的位移以及粘结介质相对套筒100的楔入量都随着内锥角的增大而减小，尤其是当内锥角从2.5
°
增大至3
°
时，变化最为明显。内锥角增大使得内锥面变陡，在拉力作用下粘结介质不容易发生位移，因此cfrp筋材200的位移也减小，更有利于锚固效果。综上，内锥角应尽量取大值，不过从3
°
继续增大至4
°
时，锚固效果变化不明显，因此，收束腔101锥角的优选角度为3
°
。
97.参照图10-13，可以看出，随着圆弧半径的增大，cfrp筋材200所受最大径向压应力减小，且位置向锚具自由端移动，径向压应力在锚具内部的整体分布更加均匀，更有利于对cfrp筋材200的锚固。但径向压应力变小，对cfrp筋材200的握裹作用也减弱，体现不出粘结型锚具的优势。综合考虑，圆弧面的陡缓程度应适中才能使锚具受力更加均匀，同时更好地发挥内锥段的握裹作用，优选圆弧曲率半径为3500mm。
98.重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本技术的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本技术的范围内。可以根据替
代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本技术的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本技术不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。
99.此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本技术的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本技术不相关的那些特征)。
100.应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。
101.应说明的是，以上实施例仅用以说明本技术的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本技术进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本技术的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本技术的权利要求范围当中。