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作者；鄭曉敏

  碳纖維板是一種先進(jìn)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，20世紀(jì)60年代起，美國、加拿大、歐洲和日本開始研究開發(fā)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，在橋梁和房屋建筑的新建、改建和加固工程中應(yīng)用。我國從20世紀(jì)80年代后期開始研發(fā)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固技術(shù)，隨著技術(shù)發(fā)展和社會需要，其近年來在工程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。目前，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固技術(shù)一般采用的是“表面粘貼法”，而對纖維復(fù)合材料先施加預(yù)應(yīng)力再加固混凝土結(jié)構(gòu)方面的研究工作才剛剛開始。針對預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨固體系，提出了一種適用于該體系的張拉端錨固支座，對錨固支座的承載機(jī)理進(jìn)行分析，利用ANSYS進(jìn)行有限元分析，同時對錨固支座組裝件進(jìn)行荷載傳遞試驗，采取理論分析與試驗分析相結(jié)合的方法驗證錨固支座的性能，為施工單位正確選擇錨固支座提供參考依據(jù)。

1  錨固體系

  預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨固體系主要由錨具、錨固支座、碳纖維板、專用環(huán)氧膠、壓緊條、張拉工具擋板及張拉設(shè)備組成，錨固體系示意圖見圖1。

1.1  錨固體系主要構(gòu)件

  1)錨具

錨具是安裝在碳纖維板的端部且可以在碳纖維板張拉過程中始終對碳纖維板端部保持錨固狀態(tài)的錨固工具，其作用是夾持在碳纖維板的端部傳遞預(yù)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨具的錨固單元是由兩片式楔形夾片和錨板錐孔構(gòu)成，預(yù)應(yīng)力依靠碳纖維板與夾片之間的咬合以及夾片與錨板錐孑L內(nèi)壁的摩擦來傳遞，具體的錨具示意圖見圖2。

  2)錨固支座

  錨固支座的作用是將錨具傳來的碳板預(yù)應(yīng)力傳遞到加固構(gòu)件上，通過錨栓的固定長期維持碳纖維板的預(yù)應(yīng)力，同時為張拉設(shè)備（千斤頂）在碳纖維板張拉過程中提供反力支撐，構(gòu)造示意圖見圖3。

  3)張拉設(shè)備

  張拉設(shè)備由小型千斤頂和高壓油泵組成，加載時通過油泵向小型千斤頂內(nèi)供油，千斤頂通過活塞的伸出張拉碳纖維板。

1.2錨固體系的主要施工工序錨固體系施工工序見圖4。

1.3錨固體系中錨固支座的承載機(jī)理及受力分析

  錨固體系安裝完成之后，開始張拉碳纖維板，整個張拉過程主要分兩個階段，下面主要分析張拉端錨固區(qū)（見圖5）錨固支座的承載機(jī)理及受力：

  1)張拉設(shè)備加載階段。加載時，張拉設(shè)備（千斤頂）通過活塞的伸出張拉碳纖維板，千斤頂?shù)囊欢擞慑^固支座提供反力支撐，錨固支座在底板的錨栓孔處通過錨栓固定在加固構(gòu)件上，此時穿過錨固支座螺桿上的兩個六角螺母處于完全松弛狀態(tài)，不產(chǎn)生應(yīng)力，錨固支座只受到千斤頂施加的壓應(yīng)力。錨固支座的受力圖見圖6。

  由圖6可建立平衡方程：

  F= 4R              (1)

  2)張拉設(shè)備卸載階段。當(dāng)持續(xù)加載至碳纖維板設(shè)計預(yù)應(yīng)力時，需要移除張拉設(shè)備，在移除張拉設(shè)備之前，需要擰緊錨固支座螺桿上的兩個六角螺母，螺母通過螺桿的配合達(dá)到鎖緊預(yù)應(yīng)力、減少預(yù)應(yīng)力損失的目的，最終碳纖維板的預(yù)應(yīng)力通過兩個螺母的鎖緊傳遞到錨固支座上來維持，此時，千斤頂已卸載不再產(chǎn)生應(yīng)力，錨固支座只受到兩個螺母的應(yīng)力。

由圖7可建立平衡方程：

  由式(1)、(2)可知，需要施加的碳板預(yù)應(yīng)力值越大，錨固支座的受力越大，因此，錨固支座是錨固體系的重要組成部分，其優(yōu)良特性將直接影響到預(yù)應(yīng)力的效果和結(jié)構(gòu)的安全性，所以重視錨固支座的安全可靠性能將對提高碳纖維板預(yù)應(yīng)力水平和加固效果有重要意義。

2有限元模型概況

  ANSYS擁有完備的非線性分析模塊，能較好地支持接觸單元，并提供多種非線性接觸分析單元類型。借助ANSYS軟件，采用SOLID186單元模擬錨固支座，運算類型為非線性彈塑性運算，運算時需考慮螺母與錨固支座的接觸問題，ANSYS接觸方式可以分為三種：點-點、點一面以及面·面接觸。由于面一面接觸支持低階和高階單元，剛體表面的形狀不受限制，需要較少的接觸單元，較小的磁盤空間和較少的計算時間，所以為了模擬實體六角螺母與錨固支座的接觸，采用了面·面接觸，摩擦系數(shù)取0. 15 0

2.1  張拉控制應(yīng)力的規(guī)定

  根據(jù)預(yù)應(yīng)力施工規(guī)范以及碳纖維板錨固體系的特點，結(jié)合國內(nèi)碳纖維板的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，為充分發(fā)揮碳纖維板的高強(qiáng)度性能，在參考體外索相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)進(jìn)行如下規(guī)定：

  依據(jù)上述規(guī)定，取截面尺寸為50mm×3mm、極限張拉應(yīng)力為2600MPa的碳纖維板進(jìn)行有限元模擬計算（K取0.4）。

通過多方面查閱資料，模型的力學(xué)參數(shù)見表1。

2.2計算條件及假定

  根據(jù)該錨固支座的設(shè)計和使用特點，進(jìn)行如下假設(shè)：

  1)根據(jù)六角螺母與錨固支座的接觸形式及加固系統(tǒng)的傳力實際情況，將施加給碳纖維板的張拉應(yīng)力通過面積轉(zhuǎn)化計算，簡化為直接作用在兩個六角螺母側(cè)面上的平均應(yīng)力。

  依據(jù)2.1規(guī)定，計算施加在一個六角螺母側(cè)表面上的平均應(yīng)力，面積轉(zhuǎn)化過程如下：

  碳纖維板的張拉力（K取0.4）：

  經(jīng)計算一個螺母的面積S為670. 23 mm2，則施加在一個螺母上的平均應(yīng)力為：

  綜上所述，施加在一個螺母表面上的應(yīng)力為116. 38MPa。

  2)錨固支座采用鑄造式的生產(chǎn)工藝，所以有限元模擬時可將錨固支座視為一個整體結(jié)構(gòu)。

  3)視錨固支座為各向同性均質(zhì)體。

3錨固支座的有限元分析

3.1  有限元分析模型建立

  錨固支座為軸對稱模型，為了節(jié)省計算時間和計算空間，取錨固支座1/2模型進(jìn)行分析。由于錨固支座分為兩個受力階段，故按兩個階段的兩種不同的加載方式分別進(jìn)行有限元分析計算。第一階段按照張拉設(shè)備直接加載方式進(jìn)行加載，第二階段按照螺母加載方式進(jìn)行加載。

3.2有限元分析結(jié)果

  1)按照張拉設(shè)備（千斤頂）加載方式加載的錨固支座有限元分析結(jié)果。

  由圖9可知，按張拉設(shè)備加載方式進(jìn)行加載，有限元分析結(jié)果顯示錨固支座的最大應(yīng)力為264MPa，遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度400MPa，除了小范圍應(yīng)力集中區(qū)其他部位的應(yīng)力值均低于200MPa，故按照張拉設(shè)備預(yù)應(yīng)力張拉時錨固支座是安全可靠的。

  2)按照螺母加載方式加載的錨固支座有限元分析結(jié)果。

  由圖10可知，按照螺母加載方式進(jìn)行加載，有限元分析結(jié)果顯示錨固支座的最大應(yīng)力為153MPa，相比于張拉設(shè)備加載階段產(chǎn)生的應(yīng)力更小，且遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度400MPa，故按螺母加載方式錨固支座是安全可靠的而且具有良好的安全儲備。

4錨固支座的荷載傳遞試驗

  為了驗證錨固支座的性能，對錨固支座進(jìn)行兩組荷載傳遞試驗。

4.1  試驗機(jī)具及儀器

  YCW400B千斤頂一臺、CL-YB-M12MN傳感器一臺、壓力表一臺、電動油泵一臺、Sm卷尺一個、0-125規(guī)格游標(biāo)卡尺一個、0 - 300規(guī)格深度游標(biāo)卡尺一個、墊塊及其他專用工具若干。

4.2試驗加載過程

  錨固體系是安裝在預(yù)制的混凝土矩形截面構(gòu)件上進(jìn)行荷載傳遞試驗，整體試驗效果見圖11。

  兩組荷載傳遞試驗時，試驗?zāi)Ｐ团c模擬計算的參數(shù)相同。本試驗參照國際預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會( FIP)1993年發(fā)表的《后張預(yù)應(yīng)力體系驗收建議》加載方式進(jìn)行加載，荷載按照碳纖維板特征極限抗拉力Fpk所對應(yīng)的值以20%為增量從0%到80%逐級施加（張拉荷載分級張拉控制力見表2）。當(dāng)達(dá)到0. 8Fpk后，進(jìn)行至少10次慢速循環(huán)加載，荷載上限和下限分別為0. 8Fpk和0.12Fpk，循環(huán)加載之后持續(xù)加載直至碳板被拉壞。歐洲標(biāo)準(zhǔn)的循環(huán)加荷程序見圖12。

4.3試驗結(jié)果分析

  兩組試驗的碳纖維板均被拉斷破壞，破壞形式見圖13。

  試驗記錄了碳板被拉斷時的極限破斷力，試驗結(jié)果見表3。

  由表3可知，兩組試驗的錨固效率均超過95%，滿足錨固性能的基本要求，且試驗后錨固支座完好，未出現(xiàn)肉眼可見的裂縫及變形等，碳板拉壞后錨固支座狀態(tài)見圖14。

5  結(jié)論

  1)針對預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨固體系錨固支座存在兩種加載狀態(tài)，對其分別進(jìn)行分析，明確承載機(jī)理。

  2)利用有限元分析軟件ANSYS，對錨固支座以兩種不同的加載方式分別加載分析，分析結(jié)果表明，兩種狀態(tài)下構(gòu)件的最大應(yīng)力均遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，能較好地滿足張拉碳纖維板時的受力要求。

  3)通過對錨固支座進(jìn)行荷載傳遞試驗，結(jié)果表明，錨固支座具有良好的承載能力，具有較高的安全儲備。

6摘要]隨著新型加固技術(shù)的興起和發(fā)展，預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)已經(jīng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在加固系統(tǒng)中，錨固支座是其中的重要組成部分，其優(yōu)良特性將直接影響到預(yù)應(yīng)力的效果和結(jié)構(gòu)的安全性。針對預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨固體系，提出了一種適用于該體系的預(yù)應(yīng)力碳板張拉端錨固支座，分析錨固支座的承載機(jī)理，同時利用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行有

限元分析。分析結(jié)果顯示，該錨固支座能較好地滿足預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)的要求。通過對錨固支座組裝件進(jìn)行荷載傳遞試驗，結(jié)果表明，錨固支座具有較好的錨固性能。