廖振天1 朱万旭2,3* 杨龙2,3
1.广西地矿建设集团有限公司 广西 南宁 530023；
2.广西岩土力学与工程重点实验室 广西 桂林 541004；
3.桂林理工大学 土木与建筑工程学院 广西 桂林 541004
摘要：碳纤维复合材料（CFRP）拉索具有强度高、质量轻、免锈蚀、抗疲劳等传统钢制拉索无可比拟的优越性，然而大吨位CFRP拉索的可靠锚固难题悬而未决。文章主要分析国内外CFRP拉索粘结型锚具、夹片型锚具、挤压型锚具及复合型锚具的研究现状，综合各种锚具的优缺点提出关于内锥粘结＋单根挤压的复合型拉索锚固新体系的研发构想。
关键词：碳纤维拉索，锚具，研究现状，研发构想
0 引言
高强碳纤维复合材料（CFRP）以其高强度、轻质量、免锈蚀、抗疲劳性能以及热膨胀系数为负值等优异性能，成为恶劣自然环境下桥梁等结构及特殊工程中传统钢材潜在替代品的首选材料。
在大跨度桥梁、大空间索网等工程领域方面，CFRP拉索体系备受关注。
大跨桥梁方面，有学者很早就提出CFRP斜拉索的概念[1]。1986年，Meier[2]构想在直布罗陀海峡建造跨度8400m的CFRP桥梁，提出将多跟平行的CFRP筋束在一起并用聚乙烯管将其包裹起来组成CFRP拉索。谢旭等[3]以跨度600m-1400m的桥梁为对象，对碳纤维拉索在不同跨径斜拉桥中的适用性和经济性进行研究，发现当CFRP拉索单价下降至钢索的10%左右时，CFRP拉索应用价值开始得到体现。熊文和肖汝诚等[4]提出将CFRP拉索与传统钢制拉索组合应用于斜拉桥的新型结构方案，按跨度增大的趋势逐步增加CFRP拉索的用量，不仅在力学性能上强于全钢或全CFRP拉索，在经济性能方面也明显优于传统的全钢制拉索。
大空间索网方面，CFRP拉索需求更为迫切。被誉为“中国天眼”的FAST工程500米口径射电望远镜的索网支撑结构，曾将CFRP拉索体系作为可选方案，然而由于工程的迫切性以及整个CFRP拉索体系研制的相对滞后等原因而不得不选用传统的钢制拉索。由于索网需要主动变形，导致拉索疲劳问题尤为突出。笔者带领研究团队经过数年艰苦的钻研和大规模的疲劳试验才得以让钢制拉索满足工程要求[5]，但是，如果采用CFRP拉索则可以轻松解决问题。如今FAST工程已竣工，相关科研人员深感研发CFRP拉索体系的紧迫性，以便为以后同类型索网结构采取更好的解决方案做好技术准备。
然而，CFRP为各向异性材料，其纵向弹性模量和强度远大于其横向弹性模量和强度，在只受轴力的的情况下，CFRP拉索索体本身不存在任何问题，但在锚具中CFRP拉索需要承受弯、剪、偏拉等复合力，且拉索和胶层的粘结界面易出现径向挤压应力集中和剪应力集中等问题，会导致CFRP拉索发生局部破坏而过早失效。因此，充分发挥CFRP拉索材料性能，解决CFRP拉索体系的锚固技术等问题并进行优化，突破其工程应用瓶颈，已成为当下亟待解决的难题。
1 CFRP拉索锚具的研究现状
对CFRP拉索锚具的研究主要基于减小CFRP拉索的径向剪切应力峰值和增大锚固区化学胶着力、摩擦力、机械咬合力等锚固力的思想。目前，根据其锚固机理，CFRP拉索锚具主要可分为粘结型锚具、夹片型锚具、挤压型锚具和复合型锚具等。
1.1粘结型锚具
粘结型锚具主要由套筒和粘结介质等组成，粘结介质主要有环氧类树脂结构胶、高性能混凝土和环氧铁砂等。根据套筒内表面是否存在锥角，可分为直筒粘结型锚具（如图1所示）和直筒+内锥粘结型锚具（如图2所示）。对于粘结型锚具的研究工作开展早、成果多，采取提高锚杯锥孔大端刚度，减小锚杯锥孔小端CFRP拉索应力集中的思路和构造措施，研制的部分大吨位拉索已可达到较高的锚固效率系数。
国外具有代表性的是Meier[6]于20世纪90年代在瑞士材料测试和研究联合实验室（EMPA）开发的内锥式粘结型锚具。发明人针对该拉索锚固系统进行了大量静力试验和疲劳试验，结果证实是锚具是可靠的，但该锚固系统较为复杂，组装繁琐。德国DSI公司也开发了类似的CFRP拉索锚固系统，Noistering等[7]对CFRP拉索锚固系统进行了试验研究，发现拉索包含碳纤维筋根数越多，锚固效率系数下降越明显，说明这种锚固系统的锚固性能受碳纤维筋之间相互作用的影响较大。
国内沿袭同样思路，并在此基础上采取各种改进措施。梅葵花、吕志涛、张继文等[8]研究出新型的直筒+内锥粘结型锚具，刘荣桂等[9]建立三维有限元模型进行分析，证明了直筒段与内锥段的组合有利于增强锚固效果，锚固效率系数可达100％。方志等[10]对CFRP拉索锚具研究比较系统化，通过静载正交试验，对碳纤维筋表面形状、粘结锚固长度、粘结介质、套筒内壁倾角等影响参数进行不同组合，得到了各设计参数对锚固性能的影响。
由于粘结型锚具中碳纤维筋束采用集中锚固的方式，各根筋之间互相影响，一旦某根滑出失效，其余筋会连续滑出，形成多米诺骨牌效应，这在试验和工程试点中确有发生，且碳纤维筋根数越多越容易发生该现象。
对于实际工程，即使是中小型斜拉桥，拉索规格都不会小于55根的Ф7钢丝束，等效于75根Ф5的碳纤维筋束拉索；对于大跨度、大空间结构工程，每根拉索要求的碳纤维筋根数更多，甚至达到每束200-300根，采用粘结型锚具将承担很大风险。而且，拉索锚固的理论和有限元模型中，尚未建立同时考虑碳纤维筋和粘结介质所有不同接触状态的三维数值模分析，还无法精细的指导大吨位拉索锚具的设计。因此，尽管在国内外已报道粘结型锚具可锚固大吨位CFRP拉索，工程中仍需新的构造措施来确保锚固的可靠性，并精细化数值模型以优化锚具设计参数，以便于工程应用的推广。
1.2夹片型锚具
夹片型锚具由传统钢绞线锚具发展而来，主要由锚环、夹片、软金属、碳纤维筋等部分组成。当下对原有夹片式锚具改进措施主要有夹片与筋材间增设软金属管、夹片与锚环间设置角度差以及减小夹片倾角等，示意图如图3所示。
图3 夹片型锚具
Campbell等[11]和Braimah等[12]设计了以不锈钢和超高性能混凝土作为夹片的夹片型锚具，并在锚固区增设软金属套管，设置0.1°锥角差，以减小碳纤维筋应力集中。Elrefai等和Braimah等分别采用有限元软件，模拟计算了不同的夹片和锚环间摩擦因数、锥角差和预紧力对碳纤维筋的轴向和径向应力分布的影响。
蒋田勇、方志等[13]和诸葛萍等[14]通过实验分析了锚固长度、夹片倾角、预紧力、牙纹形状、软金属管等因素对锚固性能的影响，得出较合适的参数组合。梁栋、方志等[15]对机械夹持型锚具分别做了静载锚固试验、200万次疲劳试验和50次周期荷载试验，试验中锚具静载锚固效率系数达97.1%，周期荷载和疲劳荷载试验后组装件性能良好。林伟伟等[16]利用ANSYS有限元软件，计算分析了单孔锚固区碳纤维筋轴向和径向应力分布情况，但有限元分析与实际受力过程还存在一定差别，有待于建立更为合理的模拟分析方法。
总的来说，国内外关于夹片型锚具用于单根碳纤维筋锚固的理论、试验研究较多，技术已比较成熟。但用于锚固多根碳纤维筋时需组合其它锚固形式，有待于进一步研究。
1.3挤压型锚具
挤压型锚具分内膨胀挤压和机械挤压两种形式。
内膨胀挤压型锚具锚固原理是采用高膨胀率水泥等膨胀材料作为荷载传递介质,膨胀材料在套管和CFRP拉索之间固化后膨胀,对套管内壁产生挤压力,从而增大碳纤维筋和套管之间的摩擦力来实现锚固。该锚固方法被日本CFCC和三菱化学的Leadine拉索采用[17]，适合用于单根绞线的锚固。
机械挤压型锚具锚固原理采用金属套筒通过挤压机压制在单根碳纤维筋上，通过调节金属套筒的外径和长度即可实现较高的锚固效率系数。为缓解挤压应力集中，碳纤维筋外周可覆盖铜管等缓冲介质。但机械挤压型锚具与CFRP拉索存在刚度突变问题,极易对横向强度较弱的碳纤维筋造成咬伤,引起锚固效率降低，不适合于在同一钢制套筒内同时挤压锚固多根碳纤维筋。
笔者在2002年研发了单根Φ10碳纤维筋挤压锚[18]，试验验证了这种锚固形式的可靠性。机械挤压锚可通过适当加长挤压长度，减小锚具外径来增大锚固力,目前可靠锚固2400MPa强度的Φ10碳纤维筋,其锚固外径仅需Φ24mm。
1.4复合型锚具
目前，国外有关碳纤维筋复合型锚具试验研究的文献比较少，我国复合型锚具主要为夹片型与粘结型锚具相复合，如图4所示。结合两者的锚固特点，有串、并两种形式。
串式复合型锚具由契紧锚固段和粘结锚固段组成，2个锚固段发挥类似串联式的锚固作用。该类锚具的优点是分段并充分发挥锚固段的锚固作用，锚固长度小、锚固效率系数较高。
蒋田勇、方志[19]对锚固单根碳纤维筋的串式复合型锚具进行了静载试验，主要分析了粘结段和契紧段的合理组合长度、夹片预紧力、预张拉等因素对锚固性能的影响。诸葛萍等[20]开发了碳纤维索股复合型锚固体系，在粘结型锚具内锥大端设置夹片将整束碳纤维筋夹紧，试验结果表明：新型锚固体系应力分布更加合理，锚固区粘结应力沿轴向分布较传统锚具更加均匀，并且能使各碳纤维筋均匀受力，研制的19-Φ5mm、强度为2300MPa的CFRP拉索锚固效率系数超过95%。但是，这种锚固方式随着碳纤维筋根数增多，锚固效果降低，而且工艺处理不当容易损伤筋材。
图4 串式复合型锚具
并式复合型锚具是由碳纤维筋先穿过注入粘结介质的金属筒，形成粘结组装件后，再由夹片式锚具夹持锚固。在该锚具中，夹片的内锥作用延迟了受荷端粘结介质与筋材的粘结破坏，锚固长度内粘结应力趋于均匀，提高了整体锚固效果。同时，金属筒有效弱化了应力集中现象，可避免夹伤CFRP筋。刘桂荣等[22]对并式复合型锚具进行了静载锚固试验和周期、疲劳荷载试验，其静载锚固效率系数均达到了现行相关规范的要求，动载锚固性能良好.同时还建立锚具的有限元模型，发现当夹片倾角为6°，锥角差为0.1°时，锚具内部径向压力分布较为均匀，为较佳参数组合。总的来说，并式复合型锚具粘结与夹持部分协同工作性能良好，在现场组装的预应力碳纤维筋束方面有应用前景。但工艺较为复杂，对胶体和金属筒材料性能要求较高，特别是群锚孔间距较大，组装成拉索会使得其两端锚具外径等尺寸过大。
2 CFRP拉索新体系的研发构想
笔者在内锥粘结型锚具的基础上，组合外径小，锚固性能可靠的单根挤压锚，提出内锥粘结+单根挤压的复合型拉索锚固新结构的研发猜想，如图5所示。在每根碳纤维筋端头采用机械挤压方法压制上挤压锚，采取分丝板支撑好各挤压锚，灌注粘结介质并固化后，超张拉使得挤压锚与内锥填料协同作用来锚固碳纤维筋束。优化后的锚具，充分发挥单根挤压锚静载锚固性能和内锥粘结式锚具疲劳性能，减少各根碳纤维筋在锚具内的相互影响，使得大吨位CFRP拉索容易达到较高的锚固效率系数，大大降低应用风险。
1.挤压锚 2.分丝板 3.粘结介质 4.锚杯 5.碳纤维筋
6.约束圈 7.延长筒 8.索体
图5 大吨位CFRP挤压复合型拉索三维示意图
针对提出的内锥粘结+单根挤压的复合型拉索锚固新结构的研发猜想，采用理论分析和试验相结合的方法，探索内锥度、粘结长度和接触面摩擦系数等因素和制作工艺对此复合结构应力分布的影响规律。
理论分析方面的分析：
（1）基于接触滑移理论，将碳纤维筋束等效简化为端部受约束的光圆棒材，建立轴对称的理论计算模型，分析粘结长度、粘结介质和碳纤维筋间粘结力及摩擦系数、锚杯内锥与粘结介质间摩擦系数以及锚杯内锥度等参数对碳纤维筋轴向应力分布和挤压锚分担承载力的影响。
（2）取粘结介质和碳纤维筋间最不利的接触极限状态，基于挤压锚许用应力值，建立能反映内锥孔锥度、粘结长度、接触面摩擦系数等多参数相互影响的锚固受力系数理论值的数学表达式，为新型锚固结构的设计参数的确定提供指导和理论依据。
（3）考虑碳纤维筋与粘结介质不同的接触状态，建立三维数值分析模型，推演粘结长度、粘结介质的弹性模量和泊松比、粘结介质和碳纤维筋间粘接力及摩擦系数、锚杯内锥与粘结介质间摩擦系数以及锚杯内锥度等参数对碳纤维筋束内外各层筋材轴向应力分布的影响，获取其影响关系曲线及各层筋材端部单根挤压锚分担承载的折减计算公式。
试验方面的分析：
（1）开展材料性能指标以及各接触面摩擦系数的实验测定，选取某一典型规格的碳纤维筋束来设计复合型锚具结构的各项具体尺寸，以材料性能指标、摩擦系数及锚具尺寸为变化参数对整个锚固结构进行静载试验。
（2）利用光纤光栅传感器结合传统的传感器，测定该复合型锚固结构的各部分环向与轴向应力应变数据，试验获得各因素如材料性质、锚具尺寸、工艺措施等对锚固结构应力分布影响规律以及协同工作情况的影响。
以上理论、实验、数值分析相互验证、校正并修正，得出材料性质、锚具尺寸、工艺措施等因素对此复合锚固体系各部分的应力分布影响规律，得出考虑各因素在内的锚固效率系数理论值的关系式。在此基础上，再对若干个有代表性的典型规格的拉索锚固系统进行设计、试制、试验，并与理论计算值对比分析，进一步修正理论计算参数，修正锚固效率系数与影响因素的数学表达式，最终建立科学的新复合锚固结构的力学计算模型，为大吨位CFRP拉索锚具设计提供指导。
3 结论
虽然目前针对CFRP拉索自身特点开发了多种锚具，但对大吨位CFRP拉索的可靠锚固还尚在探索阶段，还期待更可靠的解决方案，以降低工程应用风险。
综上所述，各种类型的锚具有以下特点：
（1）粘结型锚具中碳纤维筋束采用集中锚固的方式，各根筋之间互相影响的问题亟待解决，对于大跨度、大空间结构工程，碳纤维筋根数众多的情况下，采用粘结型锚具，一旦某根碳纤维筋滑出失效，将形成多米诺骨牌效应，直接导致整根拉索锚固失效，后果不堪设想。
（2）夹片型锚具和挤压型锚具用于单根碳纤维筋锚固的技术已经较为成熟，但用于锚固多跟碳纤维筋时需要组合其它锚固形式，有待进一步研究。
（3）当下，国内常用的夹片型与粘结型锚具相复合的锚固体系，兼具两者的优点的同时也不可避免的受到两种锚具的缺点的影响。串式复合型锚具由于碳纤维筋间的相互影响，随着碳纤维筋根数增多，锚固效果降低，而且工艺处理不当容易损伤筋材。并式复合型锚具工艺较为复杂，对胶体和金属筒材料性能要求较高，特别是群锚孔间距较大，组装成拉索会使得其两端锚具外径等尺寸过大。
内锥粘结+单根挤压的复合型拉索锚固体系，在减少各根碳纤维筋在锚具内的相互影响的同时，还能充分发挥单根挤压锚静载锚固性能和内锥粘结式锚具疲劳性能，且组装工艺相对简单，能使得大吨位CFRP拉索容易达到较高的锚固效率系数，大大降低应用风险。
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作者简介
朱万旭，男，1972年出生，博士，教授级高级工程师。
论文作者:廖振天1,朱万旭2,3*,杨龙2,3
论文发表刊物:《防护工程》2018年第10期
论文发表时间:2018/9/28
标签：锚固论文; 碳纤维论文; 锚具论文; 拉索论文; 应力论文; 介质论文; 性能论文; 《防护工程》2018年第10期论文;