预应力FRP筋锚具的研究与发展3
詹界东 杜修力 邓宗才
(北京工业大学城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室 北京 100022)
摘 要:通过查阅国内外的文献,介绍预应力FRP筋锚固技术的研究现状,主要涉及预应力FRP筋的锚
固系统要求和锚具研究成果,并对预应力FRP筋锚具在国内的研究和应用提出了建议.
关键词:预应力 FRP筋 锚具
STUDIES AND APPL ICATION ON ANCHORAGES OF PRESTRESSED FRP TENDONS
Zhan Jiedong Du Xiuli Deng Zongcai
(The Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering , Ministry of Education ,
Beijing University of Technology Beijing 100022)
Abstract:The study and application on anchorages of prestressed FRP tendons are introduced. It is mainly focused on the
demands for prestressed FRP tendon- anchor systems and the achievements of anchorages. Finally advices for research and
application of anchorages of prestressed FRP tendons in China are provided.
Keywords:prestress FRP tendon anchorages
3北京市自然科学基金重点项目(编号:8051001);北京市教育委员
会科学技术与研究生教育建设项目(编号:4700001401509)资助.
第一作者:詹界东 男 1970年6月出生 博士
E - mail:zjd700617 @emails. bjut. edu. cn
收稿日期:2006 - 03 - 20
0 前 言
混凝土结构(包括预应力混凝土结构)已成为当今世界
土木工程中最主要的结构形式,然而,混凝土结构在使用过
程中也存在不少问题,其中最为突出的是耐久性问题,尤其
是在特殊环境(如海洋环境)中的耐久性能差.其中作为复
合加固材料的钢筋,尤其是高强预应力钢筋,由于易受环境
腐蚀而失效,是其最主要原因.为延长构件使用年限,各国
每年需要巨大费用用于加固维修[ 1 - 3 ].
近30年来,国内外的研究和工程应用表明[ 4 - 6 ]:纤维增
强复合材料(Fiber Reinforced Polymer ,简称FRP)能很好地解
决钢筋腐蚀问题.FRP由连续纤维和树脂基体组成,现已广
泛应用的FRP包括CFRP,AFRP和GFRP.与钢材相比,FRP
材料具有下列特点:1)强度-质量密度比高,约为钢材的5
倍;2)抗腐蚀性能极好;3)为非导电材料及非磁性材料;4)弹
性模量约为钢材的1P4～2P3 ;5)碳纤维和芳纶纤维具有良好
的抗疲劳性能等.
FRP产品形式主要有型材(如格栅型,工字型及蜂窝型
等),板材(使用前浸润树脂,固化成板状),布材(施工时才浸
润树脂)和筋材(棒材).其中,FRP筋一般用作预应力筋,普
通非金属筋和悬索结构中的纤维索,而以用作预应力筋的为
最多[ 7 ].其生产工艺是将多股连续纤维以环氧树脂等作为
基底材料进行胶合,此后经过特制的模具挤压,拉拔成型.
FRP筋的截面及表面形状有棒材(光圆和带肋),绞线,编织
和矩形截面等,其中应用最多的是棒材和绞线.
FRP筋之所以适用于作为预应力混凝土结构中的预应
力筋,是因为其具有抗拉强度高,徐变松弛性能和抗疲劳性
能好等优良力学性能,以及低弹性模量和抗腐蚀性.然而与
钢材相比,其横向抗压强度和抗剪能力较低,致使不能采用
传统锚固方式对其进行锚固,这也是制约其目前不能得到广
泛应用的关键因素之一.在预应力筋锚固系统内,拉力和横
向压力同时作用于预应力筋.当主应力超过FRP筋的临界
值发生破断时,预应力系统过早失效,将使FRP筋的抗拉强
度得不到充分发挥.因此需要设计新型的锚具,供锚固FRP
筋使用.
由于构成FRP材料的纤维,树脂品种繁多,加之生产方
法,生产工艺不同,各国生产的FRP筋的规格,品种很多,很
难找到锚固FRP筋的通用型锚具.多年来各国学者一直在
进行这方面的开发与研究.
1 锚固系统要求
目前国外已经有了FRP筋的设计技术规程,如国际结
构工程师学会(The Institution of Structural Engineers)已颁布的
《FRP筋混凝土结构设计临时手册》, ACI 440F也颁布了设计
标准[ 8 ].但对FRP筋锚固系统性能要求还没有明确规定,各
国学者参照已有的标准做了大量工作[ 9 - 18 ].
111 静载锚固性能
FRP预应力系统静载锚固性能由FRP筋-锚具组装件
静载试验测定的锚具效率系数η确定,锚具效率系数η应
56Industrial Construction Vol136 ,No112 ,2006工业建筑 2006年第36卷第12期 
不小于0195 ,在组装件中, FRP筋必须能够发挥其名义抗拉
强度的95 %以上.锚具效率系数η可按下式计算:
η=FuPFmu(1)
Fmu=nfmuAsp(2)
fmu=
1
n∑
n
i=1
fuiAsp(3)
式中 Fu———FRP筋-锚具组装件的实测极限拉力;
Fmu———FRP筋的实测平均极限拉力;
fmu———单根FRP筋的实测极限强度平均值;
Asp———单根FRP筋试件的截面面积;
n———FRP筋的根数;
fui———第i根FRP筋试件的实测破断荷载.
FRP筋-锚具组装件除满足上述静载锚固性能,既不
影响FRP筋的短期抗拉强度,还应确保锚具在张拉完成后
本身仅产生很小的且可预测的变形,以减少FRP筋的预应
力损失.锚具变形对于预应力筋较短的情况尤为重要.
112 疲劳性能和周期荷载性能
FRP筋-锚具组装件尚应满足疲劳性能和周期荷载性
能试验.即长期荷载下FRP筋锚固系统的断裂强度不应比
其断裂强度低太多,循环荷载不应降低FRP筋的残余抗拉
强度.参照美国后张委员会的规定,FRP筋-锚具组装件应
满足FRP筋规定抗拉强度的60 %～66 % ,循环次数为50万
次的疲劳性能试验;并规定抗拉强度为50 %～80 % ,循环次
数为50次的周期荷载试验中, FRP筋在锚固区不应发生破
断.若满足上述试验,FRP筋-锚具组装件于结构在役期间
不会发生徐变断裂和疲劳破坏.
113 耐久性能
FRP筋-锚具组装件在结构使用年限内应具有足够的
耐久性.环境因素不应较大降低FRP筋的强度,应避免FRP
筋与锚具间,锚具与周围介质间的腐蚀反应,以确保锚具服
役期超过结构使用年限.
2 FRP筋锚具
FRP筋应用于预应力结构必须有可靠的锚固,安全,经
济,实用锚固技术的开发是将FRP筋应用到实际预应力结
构的关键之一.由于日本,美国等发达国家FRP技术的研
究与应用早于我国,在对预应力FRP筋的张拉锚固体系的
研究开发中已取得了一定成果,已开发出多种类型的锚具.
从锚固受力原理上可分为机械夹持式和粘结型两大类,并由
此派生出许多锚具系统[ 11 - 40 ].
211 机械夹持式锚具
机械夹持式锚具主要是靠锚具与FRP筋间摩擦力和咬
合力产生的均匀表面剪力实现锚固的,而FRP筋的横向抗
剪强度较低,尤其是在应力集中处易发生由部分纤维丝断裂
导致的FRP筋的整体断裂,因此在夹持式锚具的设计中,避
免应力集中是保证FRP筋不被剪坏的关键.
21111 分离夹片式锚具
分离夹片式锚具由外锚环及两片或多个夹片组成,夹片
带有细齿或不带细齿(图1).这种锚具是由锚固高强钢筋
的夹片式锚具发展而来,锚固原理主要靠夹片施加在预应力
筋上的压力产生夹持作用.其优点是设计灵活,施工方便,
互换性好;缺点是夹片在夹持过程中易产生应力集中,损伤
FRP筋.该锚具系统的破坏模式常表现为锚固区过早的剪
切破坏(理想的破坏模式是预应力筋在锚具以外的自由端断
裂,这里不再列举,下同).为减少对筋的损伤, Enka等曾用
塑料夹片代替钢制夹片应用于先张法,取得了令人满意的效
果,但塑料夹片不适用于永久性锚具中;张继文等[ 21 ]采用了
粘砂夹片进行尝试,以提高夹持作用,取得了初步成果.
1 -夹片;2 -筋;3 -锚环
图1 夹片式锚具
21112 锥塞式锚具
锥塞式锚具由锚环及锥塞组成(图2).利用锥塞代替
夹片,可同时锚固多根FRP筋,锚固原理主要靠锚环的内齿
槽发挥夹持作用.其优点是避免了夹片对筋的损伤,不需要
树脂,从而不受环境因素的影响;缺点是在夹持区域预应力
筋存在变角现象,湿气侵入会降低锚具的夹持作用(需采用
防护措施).该锚具的破坏模式常表现为应力集中导致筋的
过早破坏.Burgoyne的研究结果表明,锥塞式锚具特别适用
于横向变形能力较好的AFRP筋,锚固效果良好.
1 -锥塞;2 -筋;3 -锚环
图2 锥塞式锚具
21113 压铸管夹片式锚具
压铸管夹片式锚具由锚环,夹片及金属铸管组成.适用
于锚固单根和多根FRP筋,锚固原理主要靠压铸管的夹持
作用(类似钢绞线挤压锚具原理).其优点是对FRP损伤小,
不需要树脂粘结;缺点是增加了现场压铸工序及特殊的压铸
机器.该锚具的破坏模式常表现为压铸管屈服和预应力筋
拔出两种.Pincheira等的研究结果表明,压铸管夹片式锚具
锚固效果良好,施工用时少,便于现场安装,是一种极有发展
潜力的锚具系统.
212 粘结型锚具
FRP筋材是将FRP纤维通过树脂浸渍胶合而成的,树脂
与树脂或树脂与水泥浆体之间有粘结性能,粘结型锚具就是
通过界面间的胶结力,摩擦力以及表面凸凹产生的机械咬合
力传递剪力的.目前粘结型锚具在国外最为常见.
21211 套筒灌胶式锚具
套筒灌胶式锚具由内表面带有螺纹或经加工变形的管
状金属,非金属套管或套筒组成(图3).锚固作用靠在套筒
66工业建筑 2006年第36卷第12期
中注入树脂等粘结材料粘结得以实现,并采用支承螺母锚固
在构件上.其优点是技术成熟,锚固可靠性好,适用范围广;
缺点是锚具长度大,尺寸要求精度高,不适用于光圆筋,抗冲
击能力差,蠕变变形大以及存在防潮和热耐久性问题.该锚
具的破坏模式常表现为粘结破坏或粘结材料出现过大的蠕
变变形.世界各FRP筋生产厂家(如Tokyo Rope等)均提供
了多种套筒灌胶式锚具; Wolff等采用环氧砂浆作为粘结材
料取得成功; Zhang and Benmokrane等采用水泥浆, Khin等采
用膨胀材料作粘结材料应用于地锚中均获得成功.但套筒
灌胶式锚具的尺寸限制了其在后张法的应用.
1 -套筒;2 -筋;3 -树脂
图3 套筒灌胶式锚具
21212 杯口封装式锚具
杯口封装式锚具由内部带锥形孔的金属锚环组成(图
4).锚固作用靠在锥体内填充树脂或浆体形成粘结作用实
现,锚固力取决于锥体所施加的压应力.其优点是不损伤
FRP筋;缺点是锚具与筋之间的滑动大,锚固效果差,同时与
套筒灌胶式锚具一样,存在蠕变变形大及热耐久性问题.该
锚具的破坏模式常表现为锚具口处应力集中而引起过早剪
切破坏或滑动失效.为解决锚固区应力不均匀引起的应力
集中,Meier等人提出了软化区观点,使锚固用树脂填料的刚
度从锚具前端往后逐渐增大,获得了令人满意的效果.
1 -套筒;2 -筋;3 -树脂夹片
图4 杯口封装式锚具
213 组合式锚具
各国学者根据各类锚具的特点,采用了组合的方法形成
了多种组合式锚具.组合式锚具充分利用了各类锚具的优
点,克服了各锚具的缺点,获得了很好的效果.
21311 夹片-粘结型锚具
夹片-粘结型锚具是将分离夹片式锚具和套筒灌胶式
锚具合并,组成新的锚具系统.锚固作用靠粘结和夹片横向
压力的综合作用来实现.其优点是充分利用了分离夹片式
锚具和套筒灌胶式锚具各自优点,锚固效果很好;缺点是施
工复杂,工期长,造价高.该锚具的破坏模式常表现为滑动
失效或粘结材料出现过大的蠕变变形.Ganga Rao和Faza等
应用两片半圆钢制套筒制成的夹片-粘结型锚具获得了成
功(图5).
21312 夹片-套筒型锚具
夹片-套筒型锚具与夹片-粘结型锚具类似,只是不采
图5 夹片-粘结型锚具
用树脂等粘结材料,而利用软金属套管.锚固作用通过预压
力安装锚具,使FRP筋与套管之间,套管与夹片之间及夹片
与锚环之间产生的作用引起的横向压力及摩擦咬合力来实
现.其优点是施工方便,不损伤FRP筋;缺点是需通过专门
设备预先安装锚具系统,下料精度要求高及锚固区存在应力
集中现象.该锚具的破坏模式常表现为锚固区应力集中而
引起的过早剪切破坏.Al - Mayah等人提出的变角度观点很
好地解决了上述难点.
214 其他锚具
除了上述锚具系统外,国外学者还研究开发了其他锚具
系统,例如,Reda Taha等新近开发了一种非金属锚具,这种
锚具由抗压强度高达200MPa以上的特制超高性能混凝土制
成锚环及夹片,代替了钢制锚环及夹片.避免了金属锚具用
于非金属FRP筋所产生的问题,具有很优越的耐腐蚀性能,
试验证明,该锚具系统静载锚固性能系数η达到01959 ,完全
满足预应力系统要求.
3 讨论与展望
FRP筋材性能表现为各向异性,轴向的性能优异,而横
向抗压强度和抗剪强度较低,这是研究其锚具系统时应重点
解决的问题.影响FRP筋锚固性能的因素很多,如:纤维筋
的截面及表面形状,横向抗剪强度,锚具的长度,粘结介质的
性能,夹片及锥塞的锥度,表面处理等.在开发高强,可靠,
耐久的锚固系统过程中应综合考虑各种因素的影响.
总的来说,粘结型锚具在锚固过程中对筋的横截面破损
少,锚固性能较稳定,但对下料精度要求高,施工工序复杂,
粘结介质需要一定的固化时间,施工工期长,适用于先张法.
夹持式锚具工艺简单,施工速度快,适合后张法施工,但在锚
固过程中对筋有破损,易发生过早剪切破坏.发展后张法永
久性锚具是预应力FRP筋锚具的研究重点.
发达国家对FRP的研究已有几十年,积累了大量经验,
我国对FRP的研究由于国家的资助和科学工作者的共同努
力也取得了大量成果.但在预应力FRP筋锚具的研究开发
方面的成果还极少,根据我国目前对预应力FRP筋生产,研
究与应用现状建议:
1)深入开展国产预应力FRP筋的性能及锚固机理研究;
2)进行各类锚具的理论分析和试验研究;
3)开发经济,可靠,耐久的预应力FRP筋锚具;
4)将锚具研究成果应用到工程实际.
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