方滢顺
桂林理工大学南宁分校，南宁，530001
摘要：为了研究碳纤维筋在粘结型锚具系统的抗疲劳的锚固性能，本试验采用的直筒+内锥型锚具锚固，将7根直径为5mm的碳纤维筋组成的索股，用环氧树脂加铁砂作为粘结介质，做成3组试品，分别对它们进行周期荷载疲劳试验和静载试验，测试了锚固性能的各项指标。分析了锚具系统的碳纤维筋与锚具的滑移量和疲劳试验后的锚具的静载极限应力。试验结果表明，经过预紧处理之后的锚具进行适当疲劳加载，锚具的锚固系统性能有所提高；经过20万次的疲劳荷载作用后，锚具各构件趋向稳定，而且疲劳后的承载能力下降不明显，锚固工作性能稳定良好。本试验可以为锚固碳纤维筋的粘结型锚具使用于实际工程中提供有益的参考和依据。
关键词：碳纤维筋索；锚具；周期荷载；疲劳试验,静载试验
0.研究的背景和目的
在实际工程应用中，例如桥梁的拉索构件大都是在交变应力作用状况下工作的，很容易发生疲劳性破坏，据调查数据表明，预应力桥梁锚固失效中有80%以上属于疲劳损坏。承受交变载荷的预应力锚具要具有较为优越的抗疲劳强度疲劳检测在工程应用中占亦具有重要地位。本文研究的直筒+内锥型锚具锚固7根直径为5mm的碳纤维筋材是以环氧树脂和铁砂为粘结介质(如图1)，对其进行疲劳周期荷载试验，检验其抗疲劳的性能是否达到相应要求。
目前，对粘结机理的疲劳伤害方面研究得比较少，许多工程师仅仅专致于如何开发新型的粘结型锚具并对其仅仅进行锚固性能的实验想法设法提高锚固系数。
1.试验的目的
研究锚固系统的的抗疲劳性能试验是研究结构在反复循环荷载效应作用下，其损失不断积累，性能逐渐下降的力学性能及规律，用以确定锚固系统的疲劳强度及疲劳寿命。本试验是研究碳纤维预应力筋的锚固系统的幅拉-拉抗疲劳性能，属于碳纤维筋作为预应力筋在土木工程上的应用研究。
1．疲劳试验的目的是为了确定预应力筋-锚具组装件可靠性和耐久性的指标，本文通过锚具组装件在不同荷载情况下的承载能力来验证；
2．周期荷载试验的目的是检验锚固CFRP筋粘结锚具在循环荷载作用情况下的抗震性能。
2.本试验要求：
1．试验应力上限取碳纤维筋材抗拉强度标准值fptk的65%,应力幅取80MPa，试件经受200万次循环荷载后，锚具各组件不应发生疲劳破坏，碳纤维筋材因锚具粘结作用发生疲劳破坏的面积不应大于原试件总面积的5%；
2.试验应力上限取碳纤维丝股抗拉强度标准值fptk的80%,下限取碳纤维丝股抗拉强度标准值fptk的40%,试件经50次循环荷载后预应力筋在锚具锚固区域不应该发生破断、过大滑移的征象。
3.试验步骤、方法
1．把组装好7Φ5CFRP粘结型锚具经过预紧处理后装到疲劳试验机上，试验频率设置为每分钟300~500次，以约100MPa/min的速率加载至试验应力上限值65% fptk（7×π×(2.5mm)2×2400MPa×0.65=214.3kN）。荷载平均值F=208.8kN，加载力幅度取ΔF=max F-min F=11kN应在整个试验过程中保持不变，加载频率为5HZ，采用正弦加载波形，如图所示2所示，碳纤维筋自有长度取4000mm，在应力幅度为80MPa的水平上进行200万次荷载循环试验。
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试验装置如图3所示，试件应正确放置在试验机上，应保证预应力碳纤维筋中所有的受拉元件加载力能够均匀的分配。注意在试件组装及将试件安防上试验机上的过程中，在试验过程中应稳住试件防止试件发生二次摆动。
2.经疲劳试验合格后且完整无损的预应力筋组装件做周期荷载试验，以100MPa/min~200MPa/min的速率加载至碳纤维筋材抗拉强度标准值fptk的80%（7×π×(2.5mm)2×2400MPa×0.8=263.8kN），为试验应力上限值，再卸载至fptk的40%(7×π×(2.5mm)2×2400MPa×0.4=131.9kN）为试验应力下限值，为第一周期，然后荷载自下限值经上限值回复到第二个周期，重复50个周期。
4.疲劳荷载检测结果
标准要求：经历上限荷载为0.65 fptk ，应力幅不小于100MPa的200万次循环荷载后，锚具各个部分不应疲劳损坏。预应力断裂面积不大于5% 。对所研发的7Φ5碳纤维筋粘结型锚具。检测数据汇总于表1。锚固系统的筋材滑移值在疲劳荷载的滑移值见表2.
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按GB/T14370-2007和FIP1993的要求，我们委托国家建筑工程质量监督中心按2400级进行了OVM. CFM7-5型锚具疲劳试验，试验结果显示，疲劳200万次后，各根钢丝没有断裂，断丝率为0，很好地达到了标准要求（<5%的断丝率），而且疲劳加载过程中各组件相对滑移量很微小，能够协调稳定工作。而且把碳纤维筋锚具写下来进行检查，没有发现有碎裂或者大变形现象。这证明了OVM型锚固体系锚具的疲劳性能满足2400级及其以下强度级别的预应力碳纤维筋材要求，所设计的内锥+直通形式锚具，丝距为1mm,灌注材料为环氧砂浆加铁砂，经过预紧的碳纤维筋锚具能很好的发挥锚固作用，有较优的抗疲劳性能，能够满足工程应用中中反复活载作用下的使用要求。
6.疲劳后的残余极限承载力
试件经过了疲劳周期荷载试验并满足了抗疲劳周期荷载性能的要求，从疲劳机取出锚具后并对其进行静载实验。
经过疲劳周期荷载处理后三组试件的残余极限应力分别是333.2kN、329.0 kN、336.9 kN。比静载试验的342.21kN低不了多少。经历200万次循环荷载后，锚具的锚固效率系数略微有所降低，且可以忽略不计并不影响。锚具在经过疲劳周期荷载处理后，在满足抗疲劳性能的条件下还需要对其进行静力加载试验检测其静载锚固这一指标是否还满足要求，这是衡量锚具的疲劳性能的一项重要指标。本试件的残余极限承载力的试验结果表明，本课题所研发的7Φ5CFRP筋粘结型锚具具有较优越的抗疲劳周期性能，在工程作业应用中能够满足活荷载的反复作用效应下安全耐久的使用要求。
7.总结
1.预紧处理后的锚具，粘结胶体与锚具的锚筒相互挤压，产生了约束粘结胶体往外活动的应力，并在端部形成了一个拱，从而改善了锚具的受力性能。锚固体系的各组件在疲劳加载的试验过程中，CFRP筋粘结锚固系统随着循环次数的增加滑移值逐渐增加，但是滑移值增幅逐渐减少，最后趋向于稳定，各个组件能很好地协同稳定的工作而且不会产生的相对较大的滑移量，导致锚固失效。
2. 本试验研究的7Φ5碳纤维筋粘结型锚具，符合了锚具规范要求的静载锚固率系数95％的标准，同时能经受住200万次的循环荷载内部结构不损坏和50次的循环荷载，碳纤维筋材不破裂的基本技术要求。满足了锚具的试件的残余极限承载力分别为333.2kN、329.0 kN、336.9 kN，是锚固效率系数不会降低太大，而且还能满足使用要求。锚具构件在实际工程实际执行作业的过程中，在各种可变荷载会长期反复的作用效应下，锚具的各构件尚能很好地工作，锚固性能尚能很好地发挥作用，且具备很高的安全性和耐久性。本次试验研究的成果，可以为锚固碳纤维筋的粘结型锚具使用于实际工程中提供有益的参考和依据。
参考文献
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