预应力CFRP钢筒混凝土管锚具性能试验研究

Experimental Research on Performance of the Anchor for Prestressed CFRP Concrete Cylinder Pipes

摘要: 针对预应力钢筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe，简称PCCP)在使用过程中预应力钢丝易氢脆及锈蚀现象，提出使用CFRP布替代预应力钢丝的思路，并设计新型预应力CFRP锚具，解决CFRP布在PCCP上的锚固问题。文章首先设计并制作了固定端及张拉端锚具，固定端锚具采用缠绕式复合锚具，以先固定后张拉的方式应用在PCCP承口位置；张拉端锚具采用加嵌条带齿平板锚具，以先张拉后固定的方式应用在PCCP插口位置。然后针对锚具进行拉拔试验，最后对该锚具系统开展放张后的预应力损失试验。结果表明：固定端和张拉端锚具盖板螺栓扭矩分别为3 N·m和5 N·m时，CFRP布均为拉断破坏，且拉应力分别可以达到其极限拉应力的90.7%和88.3%；在本文试验条件下，较高应力水平下的CFRP布预应力损失仅为5.84%，满足工程要求。

Abstract: In order to avoid wire breakage due to hydrogen embrittlement or corrosion in prestressed concrete cylinder pipes (PCCP), this paper proposes a method of wrapping CFRP sheets instead of prestressed steel wires around the structures. Moreover, innovative anchors that were used for prestressed CFRP sheets were designed to transfer the forces from CFRP sheets to the body of PCCPS. Firstly, the post-tensioning anchor, which had a shaft to wrap CFRP sheets around it through a groove to grip and prestress the CFRP, and the pre-tensioning anchor, which consisted of two steel plates with embedded strip teeth, were proposed and manufactured. The post-tensioning and pre-tensioning anchors were applied at the socket and spigot end of PCCPs, respectively. Secondly, these two anchors were tensioned experimentally to investigate the tensile performance. Finally, the prestress loss of CFRP sheets anchored with the above anchors was tested. The results show that the failure mode was the sudden tensile failure of the CFRP sheets outside of the anchors when a torque of 3 N·m and 5 N·m was applied on each bolt in the post-tensioning and pre-tensioning anchor, respectively. Moreover, the tensile stress of CFRP sheets at failure reached 90.7% and 88.3% of the ultimate stress of CFRP. Under the conditions of this experiment, the prestress loss of CFRP sheets accounted only for 5.84% of the initial loading stress at higher levels, meeting engineering requirements.

1. 引言

预应力钢筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe，简称PCCP)是一种复合管材，主要由钢筒、混凝土、钢丝、砂浆保护层及防腐涂料组成。

PCCP质量受多种因素影响，主要包括混凝土强度、管壁外观质量、管壁裂缝[1]、保护层砂浆性能[2] [3]、预应力钢丝性能。其中预应力钢丝性能对PCCP力学性能影响尤为显著。一方面，PCCP中采用的钢丝为高强钢丝，由于钢盘条反复拉拔使钢丝脆性进一步发展，所以随着PCCP服役时间增加，预应力钢丝易出现氢脆性断裂；另一方面，由于辊射水泥砂浆厚度较薄，且高强钢丝与砂浆的粘结性能较差，因此导致水泥砂浆易出现空鼓甚至裂缝，从而使水泥砂浆失去保护作用[4]。孙岳阳等人[5]将冷轧带肋钢筋替换钢丝并加大砂浆保护层厚度，取得了较好的效果，但仍未完全解决锈蚀问题，且出现了自重大、材料用量变多、运输困难等新的问题。胡冰磊[6]用玄武岩筋替换钢丝进行缠绕，发现玄武岩筋在高张拉应力下易发生脆性断裂，导致无法缠丝。

碳纤维布(Carbon Fiber Reinforced Plastics，简称CFRP)具有质量轻、强度高、耐腐蚀、耐高温[7]等优点，已广泛应用于工程加固领域[8]。使用CFRP布替换钢丝，不仅可以避免锈蚀和氢脆的发生，还可以减轻PCCP管体重量、提高经济效益，且已有研究表明CFRP与混凝土具有较好的黏结性能，能够保证CFRP应用于PCCP中[9]。但是，采用CFRP布代替传统PCCP钢丝后，现有的预应力钢丝锚固夹具不再适用，需根据CFRP的材料特性及几何形貌特征，重新设计新型锚具，以保证CFRP布与锚具的高效锚固。

Mohee等人[10]设计了一种用于CFRP板的新型预应力锚具，该锚固系统将楔形夹片顶入预留好的槽道内，利用预紧的螺栓夹板来产生预紧力，该锚具可有效夹持CFRP板，锚固性能优越：锚固后的CFRP板应力可达其极限拉应力，且不会过早发生破坏。汪志昊等人[11]在平板锚具的基础上增加了圆齿纹，研发了预应力CFRP板张拉锚固系统。通过锚固试验测试了CFRP板应变和预应力损失。结果表明：锚固后的CFRP板拉伸应变可达极限应变的50%，且4小时内预应力CFRP板的应变损失仅为2.45%，锚固性能优越。

综上研究表明，以上预应力CFRP锚具虽然锚固效率高，但仅适用于表面为平面的构件。由于PCCP表面为弧形，因而需要设计适用于PCCP的新型预应力CFRP锚具。

因此，本文结合已有预应力CFRP板锚具特点，设计并制作预应力CFRP-PCCP锚具。该锚具外形为弧形，可与PCCP管外表面契合。锚具分为固定端与张拉端，固定端锚具尺寸小且锚固效率高，张拉端锚具不同于常见的先锚固后张拉锚具，而是先张拉CFRP布，张拉结束后进行锚固。本文通过拉拔试验与预应力损失试验验证该锚具锚固效能，为实际工程应用提供试验和技术支撑。

2. 试验概况

2.1. 试件设计与制作

2.1.1. 固定端锚具设计

针对预应力CFRP-PCCP生产工艺特点，要求CFRP布先锚固再张拉，锚具的锚固效率高且尺寸小。固定端锚具应用于PCCP承口端，采用缠绕–机械夹持复合锚具，其构造包括夹板、缠绕轴和固定螺栓。夹板包括底板和顶板，底板和顶板相互靠近的一侧均开设有弧形槽，弧形槽内设置缠绕CFRP布的缠绕轴，轴上另设置供CFRP布穿过的长槽，两根螺栓同时穿过缠绕轴将其固定于两夹板间锚固。固定端锚具如图1所示。

Figure 1. The post-tensioning anchor

图1. 固定端锚具

2.1.2. 张拉端锚具设计

针对预应力CFRP-PCCP生产工艺特点，张拉端锚具应用于PCCP插口端。与常见锚具的先锚固后张拉不同，张拉端锚具需要满足先张拉CFRP，张拉结束随即锚固的要求。由于结束张拉锚固CFRP布时还存在张拉应力，锚具无法与布体提前黏结。因此，采用螺栓和夹板简便组合方式来达到对CFRP布快速、可靠锚固，张拉端锚具具有足够的长度并设置凹槽及嵌条。张拉端锚具与CFRP布接触面有一定的弧度，本文忽略弧度的影响，近似按平板锚具计算方法进行设计，如图2所示。

Figure 2. The pre-tensioning anchor

图2. 张拉端锚具

2.2. 材料性能

CFRP布采用高强度II级单向碳纤维布，名义厚度为0.167 mm。实测抗拉强度为2506 MPa，弹性模量为2.45 × 105 MPa，伸长率为1.76%。CFRP布粘结剂采用TLS-500系列碳纤维加固专用胶，其抗拉强度为43.7 MPa，受拉弹性模量为2612 MPa，伸长率为1.54%。锚具选用带齿纹Q235钢板，厚度为15 mm。齿深、齿间距分别为0.5 mm和1 mm，屈服强度为235 MPa，抗拉强度为375 MPa，弹性模量为200 GPa。

2.3. 加载装置及测试方案

2.3.1. 锚具拉拔试验

锚具拉拔试验通过自行设计一套钢框架并利用MTS万能试验机完成，试验装置如图3所示。其中，钢框架由两块钢板、两根ϕ18及一根ϕ20高强螺栓组成，钢板厚度为25 mm，长200 mm，宽50 mm，底板切割预留长槽，以便万能试验机夹紧穿过该长槽的CFRP布，进行锚具拉拔试验。

试验前，采用扭矩扳手对固定端盖板螺栓施加3 N·m的扭矩，对张拉端盖板螺栓分别施加3 N·m和5 N·m扭矩，对张拉端嵌条螺栓施加7 N·m扭矩。试验中匀速施加荷载，直至破坏。加载制度采用位移控制，加载速度为0.02 mm/s。

2.3.2. 预应力损失试验

为研究该套锚具在张拉CFRP布时的预应力损失，以实验室长2.9 m工字钢梁作为张拉台座进行预应力损失测试试验。CFRP布张拉长度为1.9 m，试验装置如图4所示，张拉设备采用10 t油压千斤顶，荷载传感器采用20 t高精度拉压传感器。

Figure 3. Loading device

图3. 加载装置

张拉前，先在钢梁上钻孔将反力架提前与基座通过螺栓连接，然后将千斤顶、传感器等试验设备安装就位，最后将传感器与应变片连接到数据采集系统，开始张拉。

试验设计CFRP最大张拉预应力为其抗拉强度的0.4~0.5倍，即1000~1250 MPa。试验过程中采用分级加载，每级荷载持荷3 min，当加载至CFRP设计最大张拉预应力时，固定反力架的张拉丝杆，同时千斤顶卸载。调整采样频率为1 min一次，观察预应力损失相对稳定时，试验结束。

为了量测CFRP布在张拉过程中的应变，在CFRP布张拉端锚具端部、固定端锚具端部以及跨中位置沿轴线各对称布置2个应变片，共6个应变片，如图4所示。

Figure 4. Loading device and arrangement of strain gauge

图4. 加载装置及应变片布置

3. 试验结果及分析

3.1. 锚具性能

对于固定端锚具，缓慢施加荷载至18.98 kN时，伴随“砰”的一声，CFRP布被拉断，破坏时CFRP布张拉应力为抗拉强度的90.7%。卸载后拆卸锚具后发现：锚具内部的缠绕轴、上下夹板都与CFRP布接触良好，位于锚具端部的CFRP布被拉断，破坏形态如图5(a)所示。

对于施加3 N·m扭矩的张拉端锚具，缓慢加载至12.91 kN时，荷载突然下降，CFRP布滑脱，如图5(b)所示。卸载后，拆开锚具后发现CFRP布未出现明显损伤滑脱，CFRP布张拉应力为抗拉强度的61.7%。而对于施加5 N·m扭矩的张拉端锚具，缓慢加载至18.48 kN时，伴随响亮的爆炸声，CFRP布在中间部位被拉断，如图5(c)所示。破坏时，CFRP布张拉应力为抗拉强度的88.3%。

(a) 固定端拉断 (b) 张拉端滑脱 (c) 张拉端拉断

Figure 5. Failure mode of anchor

图5. 锚具破坏情况

CFRP锚具试件测试结果如表1所示。由表1可知：对于固定端锚具，CFRP布破坏形式为拉断，而张拉端锚具随着盖板螺栓施加扭矩的增加，CFRP布破坏形式由滑脱破坏过渡到拉断破坏。本文设计的锚具效率最小可达CFRP布极限抗拉强度的61.7%，而一般进行预应力张拉的应力水平不大于0.5，充分表明本文设计的锚具性能良好，满足PCCP的锚固需求。

Table 1. Summary of test results

表1. 试验结果汇总

锚具类型	扭矩/N·m	CFRP布的破坏方式	CFRP布的应力/MPa	锚具效率/%
固定端锚具	3	拉断	2272	90.7
张拉端锚具	3	滑脱	1546	61.7
张拉端锚具	5	拉断	2212	88.3

注：锚具效率为CFRP破坏应力/极限应力。

3.2. 放张后的预应力损失

将CFRP布张拉至控制应力，千斤顶卸载后实测碳纤维板应变得到其应力与时间变化曲线，如图6所示。

Figure 6. Stress of CFRP sheet varies with time

图6. CFRP布应力随时间变化

CFRP布的预应力损失${\sigma }_{ls}$ 主要包括：CFRP材料在持荷过程中预应力损失${\sigma }_{lI}$ ，CFRP材料在张拉过程中与接触面的摩擦损失${\sigma }_{lII}$ ，如式(1)所示：

${\sigma }_{ls}={\sigma }_{lI}+{\sigma }_{lII}$ (1)

在持荷过程中的预应力损失${\sigma }_{lI}$ 主要包括：锚具变形引起的预应力损失${\sigma }_{l1}$ 、CFRP布滑移损失${\sigma }_{l2}$ ，以及CFRP布自身材料特性有关的松弛损失${\sigma }_{l3}$ 。由于本试验中CFRP布没有与基座直接接触，故材料在施加预应力过程中的损失即${\sigma }_{lII}$ 可以忽略不计。总预应力损失如式(2)所示：

${\sigma }_{ls}={\sigma }_{lІ}+{\sigma }_{l1}+{\sigma }_{l2}+{\sigma }_{l3}$ (2)

由图6可知：CFRP布在放张后的前36 min预应力损失较大，CFRP布应力从1198 MPa降到了1146 MPa，应力损失为52 MPa，占初始应力的4.32%。从第36 min到100 min后，CFRP布应力变化很小，预应力损失为18 MPa，占初始应力的1.50%。从100 min到180 min后，CFRP布应力保持不变，即不再发生预应力损失。在放张180 min内，CFRP布应力损失共计5.84%。依据文献[12]对预应力损失的研究分析可知：持荷36 min内的预应力损失为锚具变形${\sigma }_{l1}$ 及CFRP布滑移产生预应力损失${\sigma }_{l2}$ ，而36 min后的预应力损失是由布松弛造成，即${\sigma }_{l3}$ 。

4. 结论

本文针对预应力CFRP-PCCP的生产工艺特点，分别设计了固定端及张拉端锚具。主要结论如下：

1) 固定端锚具为满足先锚固后张拉的要求，采用缠绕–机械夹持复合锚具，将CFRP布缠绕并固定于两夹板间实现锚固。针对锚具性能研究发现：破坏时位于锚具端部的CFRP布被拉断，锚具效率约为90.7%，满足工程要求。

2) 张拉端锚具为满足先张拉后锚固的要求，采用带齿平板并安装嵌条防止应力松弛锚具，保证在CFRP布张拉完成的同时锚固。随着固定端盖板螺栓施加扭矩从3 N·m增加到5 N·m，CFRP布破坏形式从滑脱破坏过渡到拉断破坏，且锚具效率由61.7%增至88.3%。

3) 通过设计、制作加载反力架和张拉台座对该锚具系统开展放张后预应力损失试验发现：放张预应力100 min时，CFRP布预应力损失达最大值，在较高应力水平下预应力损失率仅为5.84%，表明该套锚具性能较为可靠，满足工程要求。

基金项目

河南省高等学校重点科研项目：预应力CFRP钢筒混凝土管张拉锚固体系及可靠性研究(23A570007)；2024年河南省高校国家级大学生创新创业训练项目(202410078041)。

NOTES

^*第一作者。

^#通讯作者。