基于長期性能的碳纖維筋錨固系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型屬于橋梁施工設備技術領域，具體涉及一種旨在提高長期性能的碳纖維筋錨固系統。本實用新型包括鋼套筒、變剛度膠砂粘結劑、端堵和轉換頭，其中鋼套筒包括變截面套筒和不超過變截面套筒長度1/4的無錐角平直段；鋼套筒兩端設有中間開圓孔的銅質圓薄片端堵；鋼套筒內灌注植筋膠加入石英砂組合的變剛度膠砂粘結劑；轉換頭包括錨具連接段和加載系統夾頭連接段。本實用新型有效提高了碳纖維筋錨固的有效性，增強其耐疲勞、抗蠕變性能，并提供其適用于通用測試系統上的試驗轉換裝置。
【專利說明】
基于長期性能的碳纖維筋錨固系統
技術領域
[0001]本實用新型屬于橋梁施工設備技術領域，具體涉及一種旨在提高長期性能的碳纖維筋錨固系統。
【背景技術】
[0002]碳纖維筋是以合成樹脂為基體、碳纖維為增強材料并摻入適量輔助劑，經拉擠成型的新型復合材料筋材。碳纖維筋具有不銹蝕、無磁性、輕質、抗蠕變、耐疲勞性能好、比彈性模量與極限抗拉強度高等優良性能，在土木工程領域具有非常廣泛的應用前景。尤其，將之應用于環境較惡劣、載荷比要求較高的大跨度跨海大橋的拉索結構中，具有傳統鋼索無可比擬的優勢。近年來，對大跨度橋梁碳纖維索的應用研究已成為熱點。
[0003]碳纖維筋雖然具有較高的順筋向抗拉強度，但由于碳纖維的單向布置，其橫向力學性能相對較弱。若采用傳統的預應力鋼筋錨具錨固碳纖維筋，則極易發生筋材剪切破壞。研究表明，配置碳纖維預應力筋的結構，其最終承載能力將更多地取決于錨固系統的錨固性能而不是預應力筋本身的強度。由此可見，盡快研發穩定可靠的碳纖維筋錨具具有非常重要的現實意義。
[0004]目前開發的碳纖維筋錨具主要有粘結式和機械式兩種。機械式錨具起源于傳統預應力鋼筋錨具，主要通過帶有傾角的夾片對碳纖維筋施加橫向夾持力來達到錨固目的。由于該類錨具可能使碳纖維筋產生過大的剪切應力而導致筋材被剪斷，故此類錨具應用于碳纖維筋的錨固時局限性較大。粘結式錨具通過粘結介質對筋材產生的粘結力來達到錨固的目的。該類錨具對碳纖維筋的損傷小，也是常用的碳纖維筋錨固形式。
[0005]然而，若將錨固系統投入到大跨橋梁拉索的錨固，則大跨橋梁所承受的風荷載、道路交通荷載等反復荷載的存在要求結構和錨固系統具有較高的疲勞性能。常用的碳纖維筋粘結式錨固系統通常是以環氧樹脂等材料為粘結介質，大多能滿足靜荷要求，但在疲勞加載狀況下易出現粘結介質以及筋-粘結介質界面的損傷，并最終導致錨固系統疲勞失效，尤其以筋材-粘結介質界面以及粘結介質-套筒界面的粘結失效為常見疲勞破壞形式。
[0006]同時，粘結型錨具中，環氧樹脂等粘結材料在長期載荷作用下會發生蠕變，導致預應力損失，從而引起錨固性能的下降。因此，提高粘結介質的抗蠕變性能也是增強粘結式錨固系統長期性能的一個重要方面。
[0007]此外，在對碳纖維筋錨固系統進行疲勞試驗時，常需要對疲勞試驗機進行改裝，程序和操作均較復雜。因此，開發性能穩定、操作簡單且適用范圍廣泛的轉換裝置，使之適用于錨固系統的試驗加載將為其短期與長期力學性能試驗帶來極大的便利。
【發明內容】
[0008]針對現有碳纖維筋錨固技術中存在的不足，本實用新型提供一種碳纖維筋的錨固系統與加載系統轉換裝置，目的在于提高碳纖維筋錨固的有效性，增強其耐疲勞、抗蠕變性能，并提供其適用于通用測試系統上的試驗轉換裝置。
[0009]本實用新型通過以下技術手段實現上述技術目的。
[0010]—種基于長期性能的碳纖維筋錨固系統，包括鋼套筒、變剛度膠砂粘結劑、端堵和轉換頭，其中鋼套筒內壁經粗糙化處理，包括變截面套筒和不超過變截面套筒長度1/4的無錐角平直段，鋼套筒一端壁厚較小，外表面刻有螺紋;鋼套筒兩端設有端堵，端堵為中間開圓孔的銅質圓薄片，該圓薄片外徑與對應的鋼套筒口外徑相同，內徑比碳纖維筋大I?3_;鋼套筒內灌注變剛度膠砂粘結劑，變剛度膠砂粘結劑為在基體Lica300A/B植筋膠中按比例加入石英砂組合而成;轉換頭包括錨具連接段和加載系統夾頭連接段，兩個連接段為一體成型的兩個圓柱體;直徑較大的圓柱體為空心圓柱體，空心圓柱體內壁設有與鋼套筒外表面相匹配的螺紋，用于與錨具的連接;直徑較小的圓柱體為實心圓柱體，用于與疲勞加載系統的夾頭連接。
[0011]進一步地，上述鋼套筒長200?280mm之間，鋼套筒內壁傾角突變處做圓角處理，無錐角平直段外表面無傾角，變截面套筒的錐角4°?8°。
[0012]進一步地，上述轉換頭中兩個圓柱體的連接部分做圓角處理，圓角半徑R= 10?30mm;轉換頭的實心圓柱體外徑小于疲勞加載系統夾頭的最大夾持直徑;轉換頭的空心圓柱體的壁厚10?25mm。
[0013]進一步地，上述變剛度膠砂粘結劑基體為植筋膠Lica30(^型與8型按2:1配制;石英砂按0.5-lmm砂:l_2mm砂:40-70目砂=5:3:1混合而成;變剛度膠砂粘結劑中植筋膠與石英砂的摻配比例分段不同:在無錐角平直段灌注不添加石英砂的植筋膠，變截面套筒均勻分成2段灌注變剛度膠砂粘結劑，配比依次為植筋膠:石英砂=1: 0.5和1: 0.8。
[0014]本實用新型通過設置內壁分段處理的鋼套筒、變剛度膠砂粘結劑和端堵組合成一個碳纖維筋錨固系統，能有效錨固單根碳纖維筋，并具有較好的耐疲勞性能和蠕變性能;通過在植筋膠中配入石英砂，可提高粘結介質的剛度和與筋材間的界面摩擦，從而增加其抗蠕變性能和抗筋材滑移性能，降低因筋材滑移引起的累積疲勞損傷，進而提高錨固系統的長期性能；通過分段改變膠砂配比，可以使套筒內的變剛度膠砂粘結劑剛度逐漸變化，結合使用內錐角分段設置的鋼套筒，可降低套筒內筋材端口處的剪應力峰值，均勻化套筒內筋材的剪應力分布狀況，提高系統的抗剪切破壞性能;通過測試系統試驗轉換裝置，可以有效地利用大多數常規力學加載裝置對錨固系統進行拉拔、疲勞、蠕變等多種試驗，操作方便、穩定可靠，且可以重復使用。
【附圖說明】
[0015]圖1為碳纖維筋錨固系統及其轉換裝置的總體結構示意圖。
[0016]圖2為本實用新型的鋼套筒透視圖。
[0017]圖3為本實用新型的變剛度膠砂粘結劑剖切圖。
[0018]圖4為本實用新型的轉換頭透視圖。
[0019]附圖標記說明如下:
[0020]1-轉換頭，2-鋼套筒，3-變剛度膠砂粘結劑，401-鋼套筒前端端堵(鋼套筒內徑較小一端為前端)，402_鋼套筒后端端堵((鋼套筒內徑較大一端為后端)，5_碳纖維筋，301-無砂植筋膠，302-植筋膠與石英砂質量比為I: 0.5的變剛度膠砂粘結劑，303-植筋膠與石英砂比例為1:0.8的變剛度膠砂粘結劑。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖以及具體實施例對本實用新型作進一步的說明，但本實用新型的保護范圍并不限于此。
[0022]如圖1、圖2所示，本實用新型包括鋼套筒、變剛度膠砂粘結劑、端堵和轉換頭，其中鋼套筒內壁經粗糙化處理，以提高鋼套筒與變剛度膠砂粘結劑界面上的摩擦力；鋼套筒包括變截面套筒加一段長度不超過變截面套筒長度1/4的無錐角平直段，鋼套筒一端壁厚較小(即鋼套筒后端)，外表面刻有螺紋。鋼套筒兩端設有端堵，端堵為中間開圓孔的銅質圓薄片，該圓薄片外徑與對應的鋼套筒口外徑相同，內徑比碳纖維筋大，灌膠前將鋼套筒前端端堵401黏貼于鋼套筒端口，一方面防止膠砂流出，另一方面使碳纖維筋筋材穿過內孔，保證筋材的對中。作為本實用新型的優選實施例，銅質圓薄片的內徑比碳纖維筋材的直徑大I?3mm，優選2mm，使之能穿過碳纖維筋。鋼套筒內部灌注變剛度膠砂粘結劑，變剛度膠砂粘結劑為在基體Lica300A/B植筋膠中按比例加入石英砂組合而成。轉換頭包括錨具連接段和加載系統夾頭連接段兩個連接部分，為一體成型、直徑不等的兩個圓柱體;直徑較大的圓柱體為空心圓柱體，所述空心圓柱體內部設有與鋼套筒外表面相匹配的螺紋;直徑較小的圓柱體為實心圓柱體，與疲勞加載系統的夾頭連接。
[0023]上述鋼套筒長200?280mm之間，無錐角平直段表面水平，變截面套筒帶內錐，錐角4°?8°，優選5°。鋼套筒內壁傾角突變處做圓角處理。鋼套筒選用材料為45#鋼，鋼套筒壁外表面所刻螺紋為2?3mm深、5 O?6 Omm長。
[0024]轉換頭中兩個圓柱體的連接部分做圓角處理，圓角半徑R= 10?30mm，優選R =I Omm;轉換頭的實心圓柱體外徑小于疲勞加載系統夾頭的最大夾持直徑;轉換頭的空心圓柱體的壁厚10?25mm，優選15mm。
[0025]如圖3所示，鋼套筒內壁灌注變剛度膠砂粘結劑，變剛度膠砂粘結劑為在基體Lica300A/B植筋膠中按比例加入石英砂組合而成;基體為植筋膠Lica 30(^型與8型按2:1配制;所述石英砂按0.5-lmm砂:l_2mm砂:40-70目砂=5: 3:1混合而成;變剛度膠砂粘結劑中植筋膠與石英砂的摻配比例分段不同:在無錐角平直段灌注不添加石英砂的植筋膠，將有錐角段套筒均勻分成2段灌注變剛度膠砂粘結劑，變剛度膠砂粘結劑的配比依次為植筋膠:石英砂=1:0.5和1:0.8。
[0026]如圖1、圖4中，當進行疲勞試驗時，轉換頭I通過一端的內螺紋固定于鋼套筒2的有螺紋端，另一端被夾持于加載系統的夾頭中，用以承受設備施加的荷載，并將荷載快捷有效地傳遞到錨固系統上。本實用新型裝置可解決力學性能試驗裝置中夾頭最大夾持直徑不能滿足外徑較大的錨固系統的加載問題，保證了加載的穩定性與可靠性;裝置簡單，加工和操作方便;且可以重復使用。
[0027]工作過程為:
[0028]制備時，先用丙酮清洗所有部件，用快干膠將鋼套筒前端端堵401黏貼在鋼套筒2前端;待膠固化后，豎直放置鋼套筒2，使貼有鋼套筒前端端堵401的一端置于地面，用膠槍將規定體積的Lica 300A、B兩種膠一邊混合均勻一邊緩慢打入鋼套筒2無錐角平直段，通過輕敲或振動鋼套筒數次排除其中可能產生的氣泡;按配比要求稱量并拌和好變剛度膠砂粘結劑302和變剛度膠砂粘結劑303，然后依次緩慢灌入鋼套筒2;迅速將鋼套筒2表面的變剛度膠砂粘結劑清理干凈，并將鋼套筒后端端堵402貼于鋼套筒2后端;將碳纖維筋5從鋼套筒后端端堵402穿過，緩慢地螺旋轉動穿過變剛度膠砂粘結劑3，直至最終穿過鋼套筒前端端堵401內孔;避開濕冷環境養護1-2周。至此，碳纖維筋的錨固系統制作完成。
[0029]采用MTS材料試驗系統或其它試驗機對錨固系統進行力學性能試驗時，若夾頭的最大夾持尺寸小于鋼套筒2外徑，采用轉換頭3。操作時，只需要使所述轉換頭3的錨具連接段通過螺紋安裝在鋼套筒2上，轉換頭3的加載系統夾頭連接段被夾持于試驗系統的夾頭中。隨著試驗機的加載，轉換頭即可將荷載傳遞到錨固系統中，完成試驗加載過程。
[0030]所述實施例為本實用新型的優選的實施方式，但本實用新型并不限于上述實施方式，在不背離本實用新型的實質內容的情況下，本領域技術人員能夠做出的任何顯而易見的改進、替換或變型均屬于本實用新型的保護范圍。
【主權項】
1.一種基于長期性能的碳纖維筋錨固系統，其特征在于:包括鋼套筒、變剛度膠砂粘結劑、端堵和轉換頭， 所述鋼套筒內壁經粗糙化處理，包括變截面套筒和不超過變截面套筒長度1/4的無錐角平直段，所述鋼套筒一端壁厚較小，外表面刻有螺紋； 所述鋼套筒兩端設有端堵，所述端堵為中間開圓孔的銅質圓薄片，該圓薄片外徑與對應的鋼套筒口外徑相同，內徑比碳纖維筋大I?3_; 所述鋼套筒內灌注變剛度膠砂粘結劑； 所述轉換頭包括錨具連接段和加載系統夾頭連接段，兩個連接段為一體成型的兩個圓柱體;直徑較大的圓柱體為空心圓柱體，空心圓柱體內壁設有與鋼套筒外表面相匹配的螺紋，用于與錨具的連接;直徑較小的圓柱體為實心圓柱體，用于與疲勞加載系統的夾頭連接。2.如權利要求1所述的基于長期性能的碳纖維筋錨固系統，其特征在于:所述鋼套筒長200?280mm之間，鋼套筒內壁傾角突變處做圓角處理，所述無錐角平直段外表面無傾角，所述變截面套筒的錐角4°?8°。3.如權利要求1所述的基于長期性能的碳纖維筋錨固系統，其特征在于:所述轉換頭中兩個圓柱體的連接部分做圓角處理，圓角半徑R= 1mm?30mm;所述轉換頭的實心圓柱體外徑小于疲勞加載系統夾頭的最大夾持直徑;所述轉換頭的空心圓柱體的壁厚10?25_。
【文檔編號】G01N3/02GK205642988SQ201620136597
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年2月23日
【發明人】謝桂華, 臧娜, 劉榮桂, 黃俊杰, 唐永生, 梁戈
【申請人】江蘇大學