一种应用于CFRP筋锚固的变角度渐进多级锥型锚具及其锚固方法与流程
本发明涉及碳纤维增强复合材料的锚固领域，尤其涉及一种应用于cfrp筋锚固的变角度渐进多级锥型锚具及其锚固方法。
背景技术：
1、cfrp(碳纤维增强环氧树脂复合材料)筋剪切性能较差导致的锚固困难问题：cfrp筋被广泛应用于桥梁斜拉索、悬索的制作，解决了传统钢索桥梁结构自重大，易腐蚀的问题。其良好的抗拉性能为大跨度斜拉桥的建造提供了保障，是桥梁工程中传统钢索的最佳替代品。然而，cfrp筋的横向抗压强度和抗剪强度只有几百兆帕，远不及纵向力学性能，这使得cfrp筋的锚固成为了限制其作为桥梁缆索广泛应用的原因。
2、现有各类锚具难以兼顾小尺寸、易安装、强锚固等综合优势：cfrp筋锚具按受力方式分为夹持型、粘结型和复合型三类，其中夹持型锚具虽适用性较强但结构相对复杂对筋材表面强度要求高；传统粘结型锚具分为直筒型和锥型两种。在锚固cfrp筋时，直筒型锚具需要较长的锚固长度，不利于运输与安装；锥型锚具在加载端会产生压应力集中，容易使筋材发生剪断破坏。复合型锚具虽融合两类锚具优点但往往尺寸较大安装复杂。因此，需求牵引，需要设计尺寸适宜、安装便捷、能避免加载端应力集中并充分发挥自由端锚固性能的锚具。
3、公开(公告)号为(cn202111010491.4)的一种碳纤维增强复合材料拉索的锚具包括锚杯、前端分丝板、后端分丝板等，所述锚杯是由前端平直段、中间直锥段和后端三角槽段构成的一体结构，所述前端平直段的内腔呈圆柱形，所述中间直锥段的内腔呈圆台形，所述后端三角槽段的内腔呈塔状圆台形。通过采用直锥段与三角槽段相互配合，降低前部应力集中，增加锚固区后部的锚固效果，可以提升锚固效率，减小杆体破坏的概率，从而达到更大的承载力。
4、但是该专利锚杯三段式结构增强了锚固区后部的锚固效果，但仍然和普通锥形锚具一样具有较大的径向尺寸，运输与安装的便捷性一般。
5、该专利主要针对于拉索锚固，虽然降低了前部应力集中，但在直锥结构上开槽形成三角槽段并与直锥段相连会导致压应力分布存在较为明显的波动，影响整体锚固性能的充分发挥，如应用于筋材锚固也存在同样的问题。
6、杨龙.碳纤维拉索锚具及水浸环境对其疲劳性能的影响研究[d]，其锚筒内壁采用多级锥型结构，使筒内粘结介质厚度变化减小，从而在一定程度使粘结介质沿锚具纵向的径向应变均匀分布，达到减缓加载端压应力集中的目的。
7、但是该研究主要针对于拉索锚固，因为拉索锚固段越靠近后端需要锚固应力越大，而该研究等角度多级椎体锚具的优势在于分段提供更均匀地约束，不能针对性地匹配锚固段应力分布，限制了锚固性能的充分发挥，如应用于筋材锚固也存在同样的问题。
技术实现思路
1、针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种应用于cfrp筋锚固的变角度渐进多级锥型锚具及其锚固方法，通过将锚筒内部设计成变角度但等最大锥底厚度的多级锥体的方法可有效解决，同时锚筒内腔体积减小，节省了粘结介质的用量。还通过设计多级锥体从加载端至自由端锥角逐级增大的结构，使锚具内部压应力呈现从加载端到自由端平缓波动式增长，使锚固段内最大压应力转移到自由端，达到增大自由端锚固性能的目的。
2、本发明所采用的技术方案的主要思路：cfrp筋在受到拉力作用后，带动粘结介质向加载端楔进变形，粘结介质的径向形变是cfrp筋径向压应力产生的原因。粘结介质径向形变量从自由端到加载端逐渐增大，是传统单锥型锚具切口效应产生的原因。本发明设计的变角度渐进多级锥型锚具通过增大自由端锥体的锥角，增大自由端粘结介质的径向形变量，提高自由端锚固效果。为了防止切口效应的发生，锚具加载端锥体的锥角设为0°。
3、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
4、一种应用于cfrp筋锚固的变角度渐进多级锥型锚具，其特征在于：所述锚具包括设有多段锥体空腔结构的锚筒，所述锚筒内部穿设有cfrp筋，所述cfrp筋的外侧面与锚筒的内壁之间填充有粘结介质，所述锚筒的两侧还设有端堵；
5、所述多段锥体空腔从加载端到自由端锥体角度逐渐增大；
6、所述锚具在自由端的末端设有能够减缓自由端端口处压力突变的平直段。
7、进一步的，所述平直段位于锚筒内部。
8、进一步的，所述加载端和自由端的端堵处均开设有供cfrp筋穿过的孔洞。
9、进一步的，所述孔洞的数量为多个。
10、本申请还公开了一种应用于cfrp筋锚固的变角度渐进多级锥型锚具的锚固方法，其特征在于：包括以下步骤：
11、步骤1：先将加载端端堵与自由端端堵孔位对齐并安装在锚筒上；
12、步骤2：将多个cfrp筋穿过对应的孔洞并在自由端将多个cfrp筋夹紧固定；
13、步骤3：将锚筒竖直吊起，其中自由端朝上；
14、步骤4：从自由端端堵的灌注孔向锚筒内灌注液态的粘结介质直至灌满，同时通过振动锚筒来释放粘结介质内的气泡；
15、步骤5：待粘结介质凝固后，安装密封螺母。
16、本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的改进之处在于，
17、减缓锚固段应力传递波动，避免加载端压应力集中：通过设计多个变角度渐进锥节，使每节锥体的压应力变化范围减小，锚固应力增加传递更平稳，有效将压应力向自由端转移，减缓了拉、压应力分布的波动和应力集中，筋材表面不易损坏，起到很好的保护作用。
18、充分发挥自由端锚固性能：通过适当增大自由端锥节的锥角，使自由端部分粘结介质更紧实的包裹cfrp筋，使自由端锚固性能被充分利用。
19、设计了变角度但等最大锥底厚度的渐进多级锥体锚具，并基于弹性形变理论建立了变角度渐进多级锥体锚具应力传递计算模型，显著减小了锚具尺寸；节省了锚固粘结介质的用量；使锚具内压应力从加载端到自由端传递增大更平缓，有效转移最大压应力到自由端，增强锚固性能。
20、自由端末端增加平直段设计，加载端锥体的锥角设为0°，减缓端口处压应力突变，避免传统单锥型锚具端部切口效应的发生。
21、制作简易，填充致密：本发明采用液态环氧树脂胶灌注的方法，使粘结介质完美契合锚筒与cfrp筋形成的空间。在灌注时，同时对锚筒施加振动，可有效释放粘结介质内的气泡，提高锚固效果。
22、尺寸减小，降低成本：本发明采用变角度但等最大锥底厚度的多级锥结构可有效减小径向尺寸，减小了运输、安装和材料成本。
23、工程上cfrp拉索锚固的各类大尺度锚具较多，而针对于cfrp筋的小而精的复合锚具研究稀缺，该项锚具发明属于cfrp筋锚固前沿。
技术特征：
1.一种应用于cfrp筋锚固的变角度渐进多级锥型锚具，其特征在于：所述锚具包括设有多段锥体空腔结构的锚筒(3)，所述锚筒(3)内部穿设有cfrp筋(1)，所述cfrp筋(1)的外侧面与锚筒(3)的内壁之间填充有粘结介质(4)，所述锚筒(3)的两侧还设有端堵；
2.根据权利要求1所述的一种应用于cfrp筋锚固的变角度渐进多级锥型锚具，其特征在于：所述平直段(11)位于锚筒(3)内部。
3.根据权利要求1所述的一种应用于cfrp筋锚固的变角度渐进多级锥型锚具，其特征在于：所述加载端(9)和自由端(8)的端堵处均开设有供cfrp筋(1)穿过的孔洞(10)。
4.根据权利要求3所述的一种应用于cfrp筋锚固的变角度渐进多级锥型锚具，其特征在于：所述孔洞(10)的数量为多个。
5.一种根据权利要求1-4任所述的应用于cfrp筋锚固的变角度渐进多级锥型锚具的锚固方法，其特征在于，包括以下步骤：
技术总结
本发明公开了一种锚具，涉及碳纤维增强复合材料的锚固领域，提供一种应用于CFRP筋锚固的变角度渐进多级锥型锚具，其特征在于：所述锚具包括设有多段锥体空腔结构的锚筒，所述锚筒内部穿设有CFRP筋，所述CFRP筋的外侧面与锚筒的内壁之间填充有粘结介质，所述锚筒的两侧还设有端堵；所述多段锥体空腔从加载端到自由端锥体角度逐渐增大；所述锚具在自由端的末端设有能够减缓自由端端口处压力突变的平直段。本发明通过将锚筒内部设计成变角度但等最大锥底厚度的多级锥体的方法可有效解决。同时，锚筒内腔体积减小，节省了粘结介质的用量。
技术研发人员：李亚龙,朱元林,石泰宁,樊秋杨,仇旻
受保护的技术使用者：法尔胜泓昇集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5