CFRP拉索锚固技术研究综述

Review of CFRP Cable Anchorage Technology

摘要: 碳纤维复合材料(CFRP)以良好的抗拉性能、耐疲劳性能和耐腐蚀性能等成为了目前土木工程材料研究领域中不可缺少的部分，在大跨空间结构中得到了广泛的运用，但是CFRP的端部锚固一直是难以解决的问题。自20世纪40年代，随着对CFRP锚固技术不断的探索，目前在该领域内取得了进步，因此本文从CFRP自身的材料特性，锚固形式以及多种工况下分析了众多学者对CFRP锚固技术方面的实验和结论，整理了CFRP锚固的机理与方法，为CFRP锚固技术的研究提供参考。

Abstract: Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) has become an indispensable part in the field of civil engineering materials research due to its good tensile properties, fatigue resistance and corrosion resistance, and has been widely used in large-span space structures. However, the end anchorage of CFRP has always been a difficult problem to solve. Since the 1940s, with the continuous exploration of CFRP anchorage technology, progress has been made in this field. Therefore, this paper analyzes the experiments and conclusions of many scholars on CFRP anchorage technology from the material characteristics of CFRP itself, anchorage forms and various working conditions, straightens out the mechanism and methods of CFRP anchorage, and provides a reference for the research of CFRP anchorage technology.

1. 引言

当下，我国基础设施建设已驶入正轨，其建设力度稳中有升，并有望再创辉煌，许多结构新颖、大跨度的桥梁不断建成，这也标志着中国的桥梁建设水平处于世界前列。大跨度桥梁中，主要以悬索桥、斜拉桥为主要结构形式，而在该种桥梁体系中，拉索是重要的承载构件，关系到桥梁的使用寿命和运营安全。但现如今，普遍用的钢索缆有着三大技术瓶颈，易腐蚀、自重大，垂度效应大，并且在桥梁服役期间的维修成本高，对交通带来了诸多不变，介于此用CFRP拉索就可以完美解决这一系列问题，不仅在保证有足够承载力的同时增大跨度，并且能够防止拉索因外部环境而发生锈蚀。但由于CFRP是各向异性材料，它的抗剪强度较低，抗拉强度高，所以用传统的锚具来锚固CFRP会使其发生剪切破坏，从而导致CFRP拉索失效 [1] [2] [3]。从而可见，在CFRP拉索的应用中，锚固技术是成败的关键。为了充分发挥CFRP的力学性能，国内外学者做了诸多研究，在此领域中有了不错的进展。本文主要是结合CFRP的研究现状，对锚固技术的研究和结论进行了归纳与总结，为工程实际和锚具性能研究提供参考资料 [4] [5] [6] [7]。

2. CFRP材料的锚固特点

根据不同形式的索体，其对应的锚具就有所改变。目前CFRP拉索的锚固形式主要有四种：自锚型锚具锚固、摩擦型锚具锚固、粘结型锚具锚固、复合型锚具锚固 [8] [9] [10] [11]。

2.1. 自锚型锚具锚固

自锚型锚具如图1，一般用于层压CFRP板索或者非层压CFRP板索的锚固，这种锚固体系是将CFRP片材缠绕在两端。Ai Pengcheng [12] 等人讨论了CFRP环的半径大小和厚度的不同对自锚型锚具的锚固效率和CFRP拉索承载能力的影响，并证明了在原有基础上对锚具进行改进后的自锚型锚具的锚固效率能够达到95%以上，根据虽然这种锚固方式结构简单，且锚固效率高，但制作工艺有所难度，索体的长度也会有所限制。

2.2. 摩擦型锚具锚固

目前，摩擦型锚具已经用于工程实例，随着在CFRP索体锚固领域的不断探究，CFRP索体的形式也有所改变，在传统的认知里，索体一般为棒材，但对于棒材型CFRP索体锚固的研究多年以来未有明显突破。挤压套筒锚具 [13] 是摩擦型锚具的一种，它是由锚具与索体接触面上的相互作用而产生的摩阻力来锚固CFRP索体。在索体张拉时，CFRP索体会受到表面的挤压，随着张力越大，挤压作用越大，接触面之间的摩擦力就会越大，很容易导致套筒发生形变 [14]。当张拉到一定限度时，在挤压套筒锚具的前端会发生应力集中，就会降低锚具的锚固性能，因而不能完全发挥出CFRP材料良好的抗拉性能。

Figure 1. Schematic diagram of self anchored anchorage [12]

图1. 自锚型锚具示意图 [12]

运用截面为矩形的片材型索体则可以避免这种情况。该种形式的索体可以根据不同的承载要求来增加或减少CFRP片材的层数，同时也能够将CFRP片材端部进行有效锚固。这就需要波形齿夹具锚，如图2、图3。它是锚固CFRP片材的专用锚具。波形夹具锚由上波形齿板和下波形齿板以及螺栓螺帽等组成，在波形夹具锚在相邻两层的CFRP板之间应加入波形完全吻合的加劲板，并且每个接触面之间都需要涂抹胶水将其粘接在一起，然后再用螺栓等锁定构件将波形夹具锚压紧锁定形成一个整体 [15] [16] [17] [18] [19]。

Figure 2. Schematic diagram of waveform clamp anchors

图2. 波形夹具锚示意图

Figure 3. Schematic diagram of CFRP waveform anchor cable system

图3. CFRP波形锚拉索系统示意图

2.3. 粘结型锚具锚固

在锚固CFRP材料一定要避免弯折和受剪，否则会极大地降低锚固的性能。传统的粘结性锚具一般为两种，如图4，分别为直筒式粘结型锚具和内推式粘结型锚具 [19]。这两种锚具介质材料相同，一般为环氧树脂胶，都是对CFRP筋进行锚固。粘结型锚具通过粘结介质和CFRP筋的相互摩擦力、介质材料所产生的化学胶结力和两者粗糙表面所产生的机械咬合力 [20] [21] 来进行有效夹持。直筒式粘结型锚具所锚固的CFRP筋受到表面法向的压力较小，因此粘结力较小，一般来说直筒式锚具相较与其他锚具，长度较长，所占用的空间大，在实际工程的应用中有所局限；而内推式粘结型锚具内部有一定倾角，在张拉过程中，越靠近锚具的前端部分受到的挤压力就越大。当拉力达到一定限度，则会出现应力集中现象，索体表面就会有一定程度的损坏或脱离介质，使得锚具前端的CFRP筋与内壁发生相对滑移，且CFRP筋会受到剪力作用，从而导致锚固失效 [22] [23] [24] [25] [26]。

2.4. 复合型锚具锚固

复合型锚具是结合了摩擦型和粘结型锚具的优良特性，不仅能够将CFRP材料有效夹持，减少相对

(a) 直筒式 (b) 内锥式

Figure 4. Adhesive anchorage [26]

图4. 粘结型锚具 [26]

滑移量，并且也能够避免对CFRP材料的受剪和破坏。但是复合型锚具需要两种类型的锚具结合，因此所占用的空间较大，并且在实际的运用中，复合型锚具的施工工艺较为繁琐，目前在该领域内的研究还在继续，具有未来可行性 [25]。

3. CFRP索锚固技术研究现状

众多学者分析了CFRP索股粘结型锚具的锚固原理 [26] - [31]，候苏伟 [26] 提出了CFRP股索轴向拉应力未均匀分布，并通过轴向静力拉伸试验，对锚具的锚固性能进行研究。结果表明预紧力的大小与锚固性能有直接的影响，丝间距越小则锚固效率越高。通过对受荷端部真空处理以及对自由端施加预紧力的手段进行锚具的改进，锚具的极限荷载能力将增加至857.2 kN，锚固系数提升至101.1%。

为了最大限度发挥CFRP材料的特性，梅葵花和孙亚民 [22] 等人设计了新型的机械夹持–粘结型复合锚具，考虑长度、介质、是否设置夹片等因素，共设置6组锚具进行试验。试验结果表明：这6组锚具的锚固效率都达到了90%以上，且都是由于CFRP筋破断破坏而导致锚具失效；合适的锚固长度为CFRP筋直径的30~40倍；掺入适当的黏结介质将能够提供锚固性能，但是继续大量加入，则会降低锚固性能 [29] [30] [31] [32]。

卓静团队 [14] [15] [16] [17] [18] 的波形夹具锚，这种锚具能够运用于大跨空间结构。当波形夹具锚需要满足较大承载力时，该种锚具可夹持多层CFRP片材来满足所需要的承载力。波形夹具锚是依靠摩擦效应、粘接效应和弯曲效应来对CFRP片材进行锚固，这种夹持方式不会出现横向剪切力集中的情况，合理避开了CFRP的抗剪能力不足的缺点，极大发挥了抗拉性能。这种锚具利用波形的原因是在锚具的有限长度内可以增大锚具与CFRP片材的接触面积，并结合这种波形表面增大了摩擦力和粘接力。由于CFRP材料的抗剪性能较差，因此波形夹具锚的凹凸缘的弧度不宜过大，不然会导致CFRP拉索系统在受到张拉时未达到抗拉强度而因受剪力作用提前破坏。

Xin-jun Zhang和Lei-dong Ying [33] 用CFRP材料为索体，设计了一座悬索桥和斜拉桥，通过三维非线性气动稳定性分析，将测得的数据进行了数值研究。结果证明了，用CFRP拉索的比传统钢拉索有更优的气动稳定性，也表明在风荷载作用下，CFRP拉索在索承式桥梁中的运用具有可行性。

在桥梁工程中，索体的破坏原因之一是由于车辆与落石的冲击作用，为了探究CFRP索体在纵向冲击作用下的力学性能及破坏形式 [34] [35] [36]，因此方志 [37] 等人用粘接性锚具锚固CFRP索体，做了纵向冲击试验，试验表明：在荷载作用下，对CFRP索体的冲击作用的破坏形式是因为试件产生相对滑移，索体表面的损伤较轻，并且CFRP索体与锚具内部介质的相对滑移量会随着锚固长度的提高而增大；用尺寸大小相同的粘结性锚具，粘结强度在冲击作用下相较于恒载作用明显降低。最后得到了粘结型锚具动态粘结强度与CFRP索体尺寸和锚固长度的关系式，并且阐明了临界锚固长度与索体尺寸及套筒内壁与轴心夹角的关系，得出了临界锚固长度公式 [38] - [44]。

随着众多学者在CFRP领域深入研究，CFRP索体逐步运用于大跨空间结构，因此大吨位CFRP索体的研究十分重要。梅葵花 [45] 等人对下的大吨位CFRP筋加载，探究其锚固性能，将CFRP拉索张拉至1455 kN，得到了CFRP筋的所受的拉力与应变、滑移量的关系。通过试验可得，大吨位的CFRP拉索在失效时，一般会出现CFRP筋与介质发生滑移和锚具端部会因为挤压而破坏的现象，提出了增加锚具的锚固长度，就增大了CFRP筋与胶体的接触面积，锚具的锚固效率将会有所提高的猜想。为研究大吨位CFRP索体的锚固参考价值 [46] [47] [48]。

为了探究温度的不同，Fei Zhou和Jiwen Zhang [49] 探究了8 mm直径的CFRP筋在稳态和瞬态下的力学性能以及变形，实验表明：CFRP材料在324℃强度保留50%，稳态实验中，CFRP临界温度为324℃。苏捷 [50] 等人探究了CFRP筋的锚固的影响因素，对高温下的粘结型锚具锚固的CFRP筋进行了力学性能分析，将试件分别在100℃、210℃、300℃和常温下进行试验，通过试验表明，CFRP筋的抗拉强度和弹性模量会因为温度的升高而有所下降，且温度越高，影响就越明显。CFRP筋与内壁的粘结强度与温度呈负相关，相对滑移量也会有所提升，并建立了在高温下粘结型锚具的锚固性能退化的公式 [51] [52] [53]。

4. 结论

对CFRP索体锚固技术现状总结如下：

1) 对于粘结型锚具，CFRP拉索系统在张拉时，当拉力过大，锚固端会出现相对滑移现象，其原因是锚具前端因应力集中，索体受到剪力作用而导致锚具锚固失效。对于摩擦型锚具，CFRP锚固失效是由于摩擦力和挤压力过大会损坏索体表面。

2) 目前所研究的锚具虽然对CFRP索体均能够有效夹持，但是所夹持的吨位有所限制，对高温、冲击等极限情况下有一定局限性，且锚具的尺寸合理性、锚具的安装工艺还有进步的空间。

目前，对CFRP锚固技术的问题做了大量研究和探讨，但还是存在一定的局限性：

第一，在现实环境中，CFRP拉索服役于复杂工况下，因此试验可以在原有的基础上同时加入多种条件进行研究，试验结果与数据将会与实际工况更符合。

第二，目前的实验仅仅是一个短期的加载过程，而对长期的张力作用下的研究鲜有报道。

第三，CFRP锚固技术的成败是整个拉索系统的关键，若得以有效解决，就能够提高桥梁的跨度，CFRP索体将能更广泛运用到大跨空间的工程应用中。

基金项目

重庆科技学院硕士研究生创新计划项目(项目批准编号：YKJCX2120612)。