CFRP索锚固系统力学性能研究

CFRP索锚固系统力学性能研究

周琪 1 梅葵花 1 宋玖龙 1 程二磊 1 冀淅明 2

（ 1. 长安大学公路学院，陕西省西安市， 710018）

（2.长安大学运输工程学院，陕西省西安市，710018）

摘 要：鉴于斜拉桥拉索面临使用寿命较短的问题，本文比较了传统材料和新型替换材料的材料性能，分析总结了传统锚具存在的缺陷，提出一种新型锚具形式并对其受力性能进行分析，最后讨论了现今锚具的发展方向。

关键词：斜拉桥；斜拉索；CFRP; 锚具

1. 研究背景

随着时代的发展，全世界的基础设施也在不断发展，为了跨越更多更险峻的沟谷和宽阔的大江大河，以及让更多的地方形成交通网络，在基础设施中起关键作用的桥梁更加得到了充足的发展。为了跨越更大的障碍，桥梁的跨径也越来越大，而斜拉桥作为大跨径桥梁的适用桥型之一，自上世纪以来得到了快速的发展。传统钢拉索作为斜拉桥重要的传力结构之一，受运营期工作环境的影响，很容易锈蚀，从而降低使用寿命。一般来说，斜拉桥的设计使用年限为100年，但是斜拉索的设计使用年限只有20年，甚至有的斜拉索锈蚀严重，在工作十多年就需要进行换索，这对于整个结构来说是不匹配的或者是不经济的，因此斜拉索的使用寿命便成为了限制斜拉桥发展的一大难题。

2. 解决方法

目前提高斜拉索使用寿命的方法主要有两种，一种是做好防护措施，在施工过程中就对斜拉索做好一定的防护措施，这样在一定程度上可以增加斜拉索的使用寿命。但是，斜拉桥大多处于水域之上，尤其对于一些沿海地区的斜拉桥或者是大型的跨海大桥，所处环境对于钢索及锚具的锈蚀尤其严重。而且，斜拉桥在运营过程中会受到各种作用，因此斜拉索会受到往复振动，这导致钢索也会因疲劳而降低其使用性能。所以，这种方法只是可以进一步延长斜拉索的使用寿命，却是没有从根源上解决钢拉索使用寿命较低的问题。第二种方法是寻求斜拉索的新材料来代替钢拉索，从而从根本上解决斜拉索使用寿命短的问题。目前，得到广泛研究的碳纤维增强复合材料（简称CFRP）、芳纶纤维增强复合材料（简称AFRP）和玻璃纤维增强复合材料（简称GFRP）等新型材料，具有抗拉强度高，抗疲劳性能以及耐腐蚀性能都远远超过了钢束，用这些新材料代替钢拉索成为未来斜拉桥发展的方向所在。在对三种新材料进行比较之后，发现CFRP的综合性能更加优秀。因此CFRP成为新型斜拉索的首选材料。CFRP和钢材的力学性能比较见表1。

表1 CFRP和钢材的力学性能

3. 问题所在

所有事物都有其相应的弊端，CFRP也存在相应的缺陷。传统的钢绞线拉索，大多是利用夹片式锚具进行锚固，拉索将受到很大的咬合力，而对于钢束来说，其横向抗剪强度足够大，从而可以承担很大的咬合力。但对于CFRP斜拉索，其横向抗剪强度很低，如果继续采用传统的夹片式锚具来锚固CFRP斜拉索，则很可能会形成切口效应将斜拉索直接剪断，因此存在着巨大的安全隐患。为了将CFRP应用到实际工程中，首先需要解决锚固问题。为了解决这一问题，黏结式锚具应运而生。黏结式锚具是用树胶等黏结材料将CFRP拉索和锚杯黏结在一起，通过产生的胶结力来平衡索上的拉力，从而减小斜拉索被锚具剪坏的可能性。

图1 夹片式锚具

图2 黏结式锚具

黏结式锚具又分为直筒式和内锥式，为了提供足够的锚固力，直筒式需要较长的锚固长度，而内锥式则需要较大的直径，并且会造成一定程度上的应力集中。目前在国外已经建成的CFRP索斜拉桥和国内首座CFRP索斜拉桥都是运用了黏结式锚具，但是这些桥基本上都是人行桥，跨径都很小，所以索受到的拉力相应也比较小，锚具所加持的黏结力相应就较小。但是斜拉桥是适用于跨径很大的桥梁，其拉索受到的拉力很大，因此若继续采用黏结式锚具，则有可能使得斜拉索在锚具内有较大的滑移，甚至直接脱落，从而起不到锚固的作用，而且黏结式锚具所用的胶结物都具有蠕变特性，随着时间推移，其滑移也会逐渐增大。所以对于大型工程中的斜拉桥，锚具形式就需要重新考虑。国内首座CFRP索斜拉桥运用了一种直筒-内锥式的黏结式锚具，在一定程度上优化了黏结式锚具，减轻了应力集中和减小了锚固长度，并实现了锚固多根筋材的要求。

图3 直筒-内锥黏结式锚具

4. 模型简述

目前，国内外的各种研究团队都在致力于研发基于黏结式锚具和夹片式锚具的新型复合式锚具，同时也都取得了相应的成果，但要将其应用于实际应用还需要进一步的研究。而针对CFRP斜拉索的锚固问题，本文作者拟提出一种新型的锚具形式，如图所示。

图4 锚具模型构造图

该锚具是结合夹片式锚具和黏结式锚具的特点而设计出来的一种锚具模型。该锚具在设计过程中集合了两种传统锚具的优点，并采取了一定的措施弥补了其缺陷。首先该锚具在黏结式锚具的基础上，在其后半部分增加了夹片，从而提高了锚具所能提供的锚固力，避免锚具因粘结强度不足而不能平衡索所承受的拉力，进一步优化了锚具的性能。再之，黏结式锚具所用的黏结胶体存在蠕变特性，而蠕变产生的原因就是胶体承受着筋材长期所给它的胶结力，随着时间推移，胶体的形变也会不断增大，因而在该锚具的锚杯中加入了高性能弹簧，黏结胶体将弹簧、筋材和锚杯胶结成为一体，在筋材受到拉力时，黏结胶体逐渐向拉力方向变形，从而使得弹簧压缩，因此弹簧会给胶体提供一个与拉力方向相反的弹力，从而来平衡胶体所受到的筋材施加在其上的力，以减小胶体的变形，并且弹簧会随着胶体变形的增长而提供更大的反作用力，进一步阻止胶体的变形。在锚具的后半部分，在夹片和筋材之间设置了套筒，而这种套筒可以使用质软的金属，从而减小夹片部分的应力集中，也减小了锚具将筋材剪坏的可能性，同时夹片和锚杯之间的接触面存在一定的角度差异，也可以起到避免应力集中的作用。目前该锚具设计只是用于锚固一根筋材，当锚固多根筋材还需要改进。

5. 发展方向

目前中国已经成为一个桥梁大国，但是还需要继续向桥梁强国迈进，而斜拉桥作为大跨径桥梁的常用桥型，必定需要重点关注和发展。目前斜拉桥发展道路上面临的难题之一是如何把斜拉桥的各个构件设计的更合理、更安全，新材料斜拉索发展应用的关键是解决拉索锚固问题，虽然已经研发出来很多种新型锚具，但是现在当务之急是设计出可以承担大吨位荷载并且安全可靠并持久的锚具，而本文所提出的锚具也面临着这样的问题。

6. 结语

本文分析了斜拉桥拉索所面临的问题，并总结了各种传统锚具的特点，然后提出了一种新型的锚具形式，并指出了斜拉桥拉索及其锚固系统的未来发展方向。但所提出锚具模型是否能够应用于实际还需要继续研究。

参考文献

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作者简介：周琪（1999），男，汉族，陕西商洛，学生，大学本科， 桥梁工程，长安大学公路学院，陕西省西安市，710018

梅葵花（1974），女，汉族，湖北黄冈，教授，博士， 桥梁工程，长安大学公路学院，陕西省西安市，710018

宋玖龙（2000—），男，汉族，山东省临沂市，学生，本科，道路桥梁与渡河工程，长安大学公路学院，陕西省 西安市 710018

程二磊（1999）男 汉 陕西省渭南市 大学本科 道路桥梁与渡河工程 长安大学公路学院 陕西省西安市 710018

冀淅明（1997—），女，汉族，陕西商洛，硕士研究生， 交通工程，长安大学运输工程学院，陕西省、西安市，710018

基金项目：长安大学工科试验班拔尖创新人才培养项目 ，项目编号： 310800170018

基金项目：长安大学大学生创新创业训练计划项目，项目编号： 201910710616