技术领域
[0001] 本
发明涉及一种采用整体型变
刚度荷载传递介质的大吨位FRP拉索锚固方法技术，属于大吨位FRP拉索锚固技术领域。
背景技术
[0002]
纤维增强
复合材料（Fiber Reinforced Polymer，FRP）是以纤维为
增强材料，以
树脂为基体材料，并掺加浸润剂等辅助材料，经拉挤工艺形成的一种新型复合材料。FRP具有轻质、高强、耐
腐蚀、耐疲劳和减震性能好等诸多优异性能，是
土木工程结构中替换
钢筋的理想材料，目前在既有结构的加固以及新建
桥梁、海港码头、岛礁建设等结构中均已得到应用。
[0003] 大跨桥梁钢拉索的疲劳破坏、抗腐蚀性能不足和自重过大引起的大垂度等问题已逐渐成为危及桥梁安全性和可靠性的重要因素。FRP材料由于具有轻质、高强、耐腐蚀和耐疲劳等优良特性，因此已逐渐成为大跨桥梁拉索的理想替换材料。但是，如何有效建立安全可靠的FRP拉索锚固体系仍然是限制FRP材料在大跨桥梁中应用的
瓶颈问题。目前，常见的FRP拉索锚具形式主要有：粘结型锚具、摩擦型锚具和夹片型锚具。
[0004] 粘结式锚具是通过树脂等粘结材料将FRP拉索本体与外部
套管粘结成整体，工作时主要依赖于粘结材料的抗剪切
变形能
力。这种锚固方式具有受力明确，且粘结材料对FRP拉索本体无损伤，只要保证足够的锚固长度以及拉索表面的粗糙程度，拉索的锚固就能得以实现。但该锚固方法仍存在灌胶工艺复杂、树脂蠕变变形过大和抵抗疲劳性能较弱等不足，并且随着锚固吨位的增大，锚固长度和安装难度也相应显著增加。
[0005] 摩擦式锚具是在FRP拉索与套管之间灌注膨胀材料，
固化后的膨胀材料会对套管内的FRP拉索表面形成预压力，以增大FRP拉索表面的
摩擦力，从而实现FRP拉索的有效锚固。但该锚固方式仍存在膨胀材料本身抗压强度有限、锚固长度较长、所需空间大、在疲劳荷载、长期持荷等作用下膨胀材料性能难以保证等诸多不足。
[0006] 夹片式锚具常用于预
应力钢绞线的锚固，楔形钢夹片在锚杯内随钢绞线跟进，从而产生较大的
挤压力来实现钢绞线的锚固。夹片式锚具应用于钢绞线锚固时，不仅施工方便，而且锚固效率高。FRP材料具有
各向异性的特征，与纵向
抗拉强度相比，FRP材料的横向抗剪切强度则较弱，只有抗拉强度的十分之一左右。采用夹片式锚具来锚固FRP拉索时，锚固区内夹片会对FRP拉索产生横向挤压变形，在夹片式锚具加载端出现应力集中现象，容易造成FRP拉索的横向剪切破坏先于拉伸破坏。
[0007] 大吨位和小吨位的锚固方法不同，由于锚固力不大，所以既有常规锚固方法就可以实现锚固，而对于大吨位（50吨以上）锚固来说，由于需要的锚固的力很大，如果使用与小吨位一样的锚固方法，将造成锚固区长度过长、FRP筋易损伤、FRP筋滑脱和横向剪切破坏等问题，所以小吨位方法不能继续使用，必须依据大吨位锚固要求，开发出适用大吨位的锚固方法。
发明内容
[0008] 技术问题：针对既有锚固方法技术中存在的不足，本发明旨在提供一种适用于50吨以上大吨位、大直径FRP拉索的锚固方法，该锚固方法原理清晰、构造简单、施工简易，既能提高拉索锚固的可靠性，又能保证拉索在长期荷载作用下的安全性。
[0009] 技术方案：一种大吨位FRP拉索锚固方法，其特征在于，步骤为：
步骤一、在FRP拉索锚固区形成一锥形变刚度荷载传递介质；其中，变刚度荷载传递介质由沿FRP拉索锚固区长度方向分段缠绕的纤维纱经模压加热固化形成，不同段采用不同种类的纤维纱形成变刚度
载荷，所述纤维纱在缠绕前经树脂浸润处理；
步骤二、沿所述变刚度荷载传递介质轴向切割若干道切缝；
步骤三、采用与所述锥形变刚度荷载传递介质相适配的锥形锚具进行锚固。
[0010] 步骤一中，在FRP拉索分段缠绕纤维纱形成锥形变刚度荷载传递介质前，在FRP拉索表面采用经树脂浸润处理的纤维纱形成一包覆层。
[0011] 所述FRP拉索的制备材料适用于
碳纤维、
玄武岩纤维和玻璃纤维等纤维材料。
[0012] 所述切缝的宽度为1 5mm；所述切缝底部与包覆层的距离为0～30mm。通过该切缝，~保证包裹层的厚度，使得包裹层既不能太薄，也不能太厚，因为FRP拉索的直径并不是很大，所以在提高拉索锚固强度的
基础上，保证了拉索的安全性和耐用性。
[0013] 所述切缝为等间距布置的2-6道。
[0014] 所述纤维纱为纤维粗纱。
[0015] 所述分段缠绕的纤维粗纱性能自加载端至自由端逐渐增强。加载端的纤维粗纱性能最弱，自由端的纤维粗纱性能最强。纤维粗纱性能主要包括抗拉强度、剪切强度、
弹性模量、蠕变变形、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳性能等。在缠绕时，选取其中若干个性能指标进行比较即可。
[0016] 分段缠绕纤维纱的数量不少于3段，且分段数量取决于实际锚固要求。分段数越多，刚度变化越大，变化的刚度越趋于连续，即锚固性能要求越高，分段数应越多。
[0017] 变刚度荷载传递介质的锥
角为5～10度。当锥角在7度或上下1度内，锚固效果最佳。
[0018] 缠绕经树脂浸润的纤维粗纱长度不小于所述单根小直径FRP筋锚固区的长度，树脂种类可以是环
氧树脂、乙烯树脂等，纤维粗纱可以是
碳纤维、玄武岩纤维和芳纶纤维等。
[0019] FRP拉索平行布置规律一般为正六边形，但不局限于正六边形，一切有利于FRP拉索承载的平行布置形式均可以作为FRP拉索的组成形式。组成FRP拉索的单根小直径FRP筋数量取决于平行布置形式、实际锚固要求和FRP筋本体材料性能等。
[0020] 在FRP拉索锚固区均匀缠绕一定厚度的经树脂浸润的碳纤维粗纱的长度不小于FRP拉索锚固区长度，缠绕厚度取决于FRP拉索的半径、实际锚固要求和构造要求等，树脂种类可以是
环氧树脂、乙烯树脂等，缠绕碳纤维粗纱的目的是确保单根小直径FRP筋同步受力，使FRP拉索锚固区形成一个整体。
[0021] 大吨位锚固方法的锚具包括变刚度荷载传递介质和金属套筒。变刚度荷载传递介质为锥体形状，其内部纤维种类和刚度自加载端至自由端逐渐增强，且沿轴向等间距有若干道切缝。金属套筒是一种内腔为圆锥体，外表面为圆柱体的结构。金属套筒的内腔圆锥体角度与变刚度荷载传递介质的外表面角度完全一致。荷载传递介质的变刚度特性可以释放加载端过大的径向压应力，确保锚固区自由端具有足够的锚固力。沿变刚度荷载传递介质轴向等间距切割若干道切缝，可以确保荷载传递介质与FRP拉索同步跟进，进一步释放受压变形时产生的切向变形，从而使得变刚度荷载传递介质产生足够的锚固力来锚固FRP拉索。此设计方法即保留了整体粘结式锚固体系的优势，又具有拼装式锚固体系切向变形自如的特点。
[0022] 有益效果：本发明大吨位FRP拉索锚固方法，利用带内锥的金属套筒与变刚度荷载传递介质产生的楔形挤压力提供锚固力，能够对大吨位FRP拉索实现有效夹持和锚固作用。与
现有技术相比，本发明具有以下特点：
1、本发明大吨位FRP拉索锚固方法，可以使由多根平行的小直径FRP筋组成的大吨位FRP拉索在锚固区内具有良好的同步工作性能，使得拉索中从外层FRP筋到内层FRP筋均具有良好的传力效果。FRP拉索中每一单根FRP筋的同步受力，显著提高了FRP拉索的锚固效率。
[0023] 2、本发明大吨位FRP拉索锚固方法，相比于常规的夹片式锚具，本发明中变刚度荷载传递介质自加载端至自由端的横向刚度逐渐增大，有效缓解了FRP拉索在加载端横向应力集中的现象，避免了FRP拉索的横向剪切破坏先于纵向拉伸破坏。
[0024] 3、本发明大吨位FRP拉索的锚固方法，与粘结式锚具相比，本发明适用于大直径、大吨位的FRP拉索，一是变刚度荷载传递介质可以缓解加载端应力集中现象，二是纵向切缝可以有效释放环向应力，确保荷载传递介质与FRP拉索同步工作性能，并且锚具尺寸也明显减小。沿轴向等间距切割若干道切缝，可以确保变刚度荷载传递介质与FRP拉索同步跟进，进一步释放受压变形时产生的切向变形。此外，本锚固方法在疲劳荷载和长期持荷作用下仍能保证锚固体系的安全性和可靠性。
[0025] 4、本锚固方法具有制作简便、易于控制、协调受力性好、锚固效率高和荷载传递介质刚度连续变化且更加均匀等诸多优点。变刚度荷载传递介质的纤维含量和横向刚度自加载端至自由端逐渐增大，可以缓解或消除FRP拉索在加载端的“切口效应”，避免应力集中造成大吨位FRP拉索的横向剪切破坏先于拉伸破坏。
附图说明
[0026] 图1为本发明大吨位FRP拉索锚固装置的结构示意图。
[0027] 图2为图1沿A-A线的示意图。
[0028] 图3为变刚度荷载传递介质分段缠绕数量为3段的示意图。
[0029] 图4为变刚度荷载传递介质分段缠绕数量为4段的示意图。
[0030] 图5为变刚度荷载传递介质分段缠绕数量为5段的示意图。
[0031] 图6为变刚度荷载传递介质环向受力图图7为变刚度荷载传递介质切向抗力图
图8为锚固区拉索纵向剪
应力分布图
图9为图1沿B-B线的2道切缝示意图。
[0032] 图10为图1沿B-B线的3道切缝示意图。
[0033] 图11为图1沿B-B线的4道切缝示意图。
[0034] 图12为图1沿B-B线的5道切缝示意图。
[0035] 图13为图1沿B-B线的6道切缝示意图。
[0036] 图14为锚固端轴向位移与加载时间的关系图。
[0037] 其中：1、FRP拉索；2、包覆层；3、金属套筒；4、变刚度荷载传递介质；5、切缝；6、FRP筋；7、纤维纱；8、树脂。
具体实施方式
[0038] 下面结合附图，对本发明的技术方案作出进一步详细阐明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的
修改均落于本
申请所附
权利要求所限定的范围。
[0039] 图2中将浸润树脂8的浸胶纤维粗纱7缠绕于单根小直径FRP筋6的锚固区，其中纤维粗纱7缠绕长度不小于单根小直径FRP筋6的锚固区长度。树脂8种类可以是环氧树脂、乙烯树脂等，纤维粗纱7种类可以是碳纤维、玄武岩纤维和芳纶纤维等。将单根小直径FRP筋6在平面内按照一定规律平行布置成FRP拉索1，并在FRP拉索1锚固区均匀缠绕一定厚度的经树脂8浸润的碳纤维粗纱2。碳纤维粗纱2的缠绕长度不小于FRP拉索1锚固区长度，碳纤维粗纱2的缠绕厚度视实际使用需求和锚固要求而定。FRP拉索1锚固区碳纤维粗纱缠绕完成结构形式可参见图2。单根小直径FRP筋6平行布置形状可以是正六边形，但不限于正六边形，一切有利于单根小直径FRP筋6有效受力的布置形式均可以作为FRP拉索1的结构形式，单根小直径FRP筋数量取决于平行布置形式、实际锚固要求和FRP筋本体材料性能等。对FRP拉索1锚固区分段变角度一体缠绕经树脂8浸润的不同种类纤维粗纱，形成绕纱圆锥体，即变刚度荷载传递介质4。纤维粗纱分段数量图参见图3、图4和图5，实际分段数量一般不少于3段，每种纤维粗纱缠绕长度的比例需经试验确定。分段缠绕不同种类纤维粗纱的性能自加载端至自由端逐渐增大。纤维粗纱绕纱角度是指该段纤维粗纱经缠绕形成纤维粗纱绕纱圆台后，纤维粗纱绕纱圆台的
母线与FRP拉索1中
心轴线的夹角，改变每段纤维粗纱绕纱角度的目的是为了改变每段纤维粗纱的刚度。将绕纱锥体放在特定的模具中，经加热固化可以形成变刚度荷载传递介质4。
[0040] 变刚度荷载传递介质受力形式见图6和图7，图8为锚固区拉索纵向剪应力分布图，曲线图8表明变刚度荷载传递介质相比均匀刚度而言，更有利于缓解加载端剪应力集中现象。
[0041] 为了确保变刚度荷载传递介质4与FRP拉索1同步跟进，并进一步释放受压变形时产生的切向变形。沿轴向等间距切割2-6道切缝5，相邻两道切缝5之间的夹角均两两相等，切缝5低部距离碳纤维粗纱2一般为0～30mm，每道切缝5应
水平，缝底方向与FRP拉索1中心轴线方向平行，切缝5宽度一般取决于切割刀片厚度，切缝5数量及结构形式示意图参见图9、图10、图11、图12和图13，但实际切缝数量不局限于上述图中所列切缝数量。变刚度荷载传递介质4外夹角与外部为圆柱、内部为圆锥的金属套内夹角完全相同，以保证二者之间可以完全贴合。
[0042] 图14为锚固端轴向位移与加载时间的关系图，图14中位移差是FRP拉索加载端轴向位移与荷载传递介质加载端轴向位移的差值。FRP拉索自由端轴向位移与荷载传递介质自由端轴向位移曲线始终保持一致，说明在靠近自由端一定长度范围内，FRP拉索与荷载传递介质能够同步跟进，两者之间几乎没有相对滑移。
