碳纤维增强塑料预应力筋锚具的设计研究

【摘要】： 在过去半个多世纪中，预应力混凝土构件在各种结构中都得到了巨大的应用。然而和普通钢筋混凝土一样，预应力混凝土中存在的一个主要问题是钢筋抗腐蚀能力弱，结构耐久性差。这使得大量的预应力混凝土结构需要修理加固，造成了巨大的经济损失。混凝土结构中钢筋的腐蚀问题引起世界上许多学者注意，提出了一些可行的方法。目前一个很有发展前景的方法是用纤维增强塑料筋代替混凝土中的钢筋或预应力钢筋。 纤维增强塑料(fibre reinforced plastics／polymer简称FRP)是以纤维为增强材料，以树脂为基体材料，并掺加辅助剂，经拉拔成型和必要的表面处理所形成的一种新型复合材料。和钢筋相比，具有比强度高、抗腐蚀能力强、抗疲劳性能好、耐电磁等优点，因此在混凝土结构中，用纤维增强塑料筋代替钢筋，可以有效地克服钢筋的腐蚀问题，提高结构的耐久性。 由于纤维增强塑料筋的横向强度较低，传统的钢筋锚具不适用于纤维增强塑料筋的锚固。用纤维增强塑料筋做预应力筋所面临的一个关键问题是开发合适的锚固系统。现有的纤维塑料筋锚具可分为两类：楔紧型锚具和粘结型锚具，性能基本能满足工程需要，但仍存在以下问题：①楔紧型锚具在锚固区对纤维塑料增强筋产生过大的径向应力，导致纤维塑料增强筋的早期失效；②粘结型锚具中，作为粘结材料的树脂会发生徐变，引起预应力损失，锚具的长期稳定性差。总之，现有的纤维增强塑料筋锚具尚不完善，不能满足对锚具组装件的所有技术要求。本文旨在设计适用于碳纤维增强塑料筋的锚具，克服同类锚具的缺点，使锚具在预应力构件的整个使用寿命期间不会影响碳纤维筋的强度。 本文共分七章。第一章和第二章简要介绍了钢筋混凝土所面临的问题、纤维塑料筋的发展历史、生产过程及优点，总结了常用类型的纤维塑料筋在短期荷载和长期荷载作用下的力学性能。第三章对常用的钢筋锚具做了介绍，并初步分析了楔紧型锚具的受力情况。第四章列举了国外现有的纤维增强塑料筋锚具，论述了各种锚具的特点、失效现象和存在的问题。三、四章的内容为碳纤维增强塑料筋锚具的设计提供了借鉴意义和参考依据。在第五章，总结了纤维增强塑料筋锚具的技术要求，提出了减小锚固区应力峰值的两种方法：软化区概念和角度差异概念，并论述了锚具组装件弹性理论分析方法；应用角度差异概念，通过比较不同角度的锚具锚固区的应力分布，设计了不 锈钢锚具，在这种锚具中，纤维增强塑料筋的应力分布比较均匀;在钢锚具 的基础上，又设计了混凝土锚具，并简要介绍了超高性能混凝土的特性。第 六章论述了纤维增强塑料筋与混凝土、砂浆和树脂的粘结机理及影响因素， 讨论了粘结应力、纤维增强塑料筋应力及锚固长度的计算方法，设计了用树 脂、砂浆分段锚固纤维筋的复合锚固系统，以克服树脂在长期性能方面的不 足。第七章论述了纤维增强塑料筋的发展前景，提出了锚具设计中进一步研究 的建议。