CN116043684B - 一种用于热塑性树脂基复合材料平行板索的锚固系统及锚固方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于热塑性树脂基复合材料平行板索的锚固系统及锚固方法，属于纤维增强树脂复合材料锚固技术领域。本发明解决了现有大跨桥梁与海洋平台结构用FRP平行板索的锚固难题，以及单一的夹持式或粘结式锚具均无法满足土木工程用FRP板材的锚固需求。本发明利用热塑性树脂基复合材料加热融化冷却成型原理，采用预挤压成型装置将锚固区的每根复合材料板制成两端为平板状的波纹板，并通过板材的空间位置排列，同时结合高模量胶黏剂和板材弯折挤压效应，设计出大跨桥梁与海洋平台结构用平行板索及其锚固体系。

Description

一种用于热塑性树脂基复合材料平行板索的锚固系统及锚固 方法

技术领域

本发明涉及一种用于热塑性树脂基复合材料平行板索的锚固系统及锚固方法，属于纤维增强树脂复合材料锚固技术领域。

背景技术

纤维增强复合材料板(Fiber Reinforced polymer plate,FRP plate)相较于钢筋具有轻质高强、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变性能好的优势，由其制备的板索可替代钢索用于预应力混凝土和桥梁索锚结构中。同时，相对于圆形截面复材索，方形截面的周长更大，单位长度锚固面积更大，更容易实现有效锚固。因此，开发一种纤维复材平行板拉索以及曲面板锚具的锚固体系对推进工程结构应用具有重要意义。

目前FRP树脂类型主要是热固性环氧树脂，其分子结构为体型，通过发生化学反应而交联固化，有时会产生一些副产物。此反应是不可逆的，一经固化，即使加压加热也不会再度软化或流动，当温度过高时，则会产生分解或者碳化。且由于分子间通过交联作用而形成三维网状结构，因此其脆性高，韧性差，耐疲劳性能差。同时，热固性树脂中含有大量羟基导致其易与水反应生成氢键，导致其耐久性差。与热固性树脂相比，热塑性复合材料具有韧性好、损伤容限大、吸湿率低、无储存时间和温度限制、成型周期短、成型工艺简单等优点。还可以回收并循环利用、可塑性高、绿色环保、经济效益高。因此，从结构和经济效益两方面分析，使用热塑性树脂替换热固性树脂制备FRP用于土木工程结构中具有更大的发展潜力。

FRP板材属于各向异性，沿纤维方向具有较高的拉伸强度，但垂直于纤维方向FRP板材的抗剪切及抗挤压强度较低，导致其锚固系统成为FRP板材广泛应用的技术难题。目前，根据锚固力分布特点，现有的锚具可分为夹持式和粘结式锚具。夹持式锚具的锚固力是通过系统内部产生的的夹挤力和摩擦力提供，但由于其局部巨大的夹挤力易造成FRP板材夹断等损伤，加速其内部裂纹扩展而引发锚固失效；粘结式锚具的锚固力是通过黏结介质(如树脂和水泥基)与套筒和FRP板材之间的粘结力提供，但由于粘结剂与FRP板材受拉时变形不一致，易使得板材与胶黏剂之间产生滑移而降低锚固效率。同时，上述锚具是针对热固性复合材料锚固，并不适用于热塑性FRP板材，因为热塑性树脂与热固性树脂相比韧性高、受热时变形量大，上述锚具在拉伸时巨大的挤压摩擦力会在局部受力不均匀处产生大量的热而导致热塑性基体变形引起锚固失效。此外，上述锚具系统未充分考虑多个纤维复材空间位置排布等结构优化特点，存在锚固长度长、不适用大吨位用拉索体系、经济效益差等问题，无法大规模应用在大跨桥梁与海洋平台等土木工程领域。

发明内容

本发明为了解决现有大跨桥梁与海洋平台结构用FRP平行板索的锚固难题，以及单一的夹持式或粘结式锚具均无法满足土木工程用FRP板材的锚固需求，提供一种用于热塑性树脂基复合材料平行板索的锚固系统及锚固方法。

本发明的目的之一是提供一种用于热塑性树脂基复合材料平行板索的锚固系统，该系统包括用于锚固平行板3的锚固装置、对中板5、胶粘填料2和螺栓，锚固装置包括两个结构相同且上下正对布置的锚固板1，锚固板1内开有三排平行的U型凹槽1-1，U型凹槽1-1的槽底包括若干高度不同的楔形槽底1-3，并设有若干等大圆楔形通孔1-2；两个锚固板1对接后一端为开口端，另一端为封闭端，封闭端的开槽处沿锚固板1的厚度方向平行设有若干燕尾夹状的分丝槽6，平行板3是两端为平板状的波纹板，平行板3的两端均为波纹板，波纹板的尾段为平板段，平板段插装在分丝槽6内，波纹板另一端通过对中板5的分丝孔5-1从开口端穿出，对中板5嵌装在开口端；在锚固板1的未开槽位置处沿长度方向设有若干连接孔1-4，通过螺栓穿过连接孔1-4使两个对接的锚固板1连接，通过圆楔形通孔1-2向两个对接的锚固板1围合的空腔内填充胶粘填料2。

进一步限定，平行板3为热塑性树脂基复合材料板。

进一步限定，平行板3的波纹板为圆齿面，圆齿面投影的二维波形线符合正弦曲线函数，当板宽为b时，振幅为(0.1-0.4)b，波长为(0.2-0.8)bπ，平板状的长度为20-50mm。

进一步限定，相邻平行板3的横向距离为(0.5～8)b，纵向间距为(0.3～0.5)b。

进一步限定，对中板5与锚固板1通过螺栓安装，对中板5上开有若干分丝孔5-1，分丝孔5-1数量与分丝槽6相同，起固定锚固平行板3并使板间互相平行的作用，且分丝孔5-1和平行板3之间设有密封橡胶圈7。

进一步限定，分丝孔5-1数量为18个，呈3排6行分布。

进一步限定，分丝槽6与锚固板1为一体结构或榫卯为一体。

进一步限定，胶粘填料2由环氧树脂和铁砂组成。

本发明的目的之二是提供一种平行板索的锚固方法，该方法应用上述锚固系统，具体操作步骤如下：

S1，采用预挤压成型装置将热塑性树脂基复合材料板制成平行板3；

S2，将平行板3安装在锚固系统内，保证平行板3互相平行，并采用胶粘填料2填充胶粘填料2与分丝孔5-1和分丝槽6之间的缝隙，拧紧螺栓，并在两个锚固板1之间塞满密封橡胶圈7；

S3，采用压力注射器将胶粘填料2沿着不同位置处的圆楔形通孔1-2注入直至填充溢满为止，注胶完成后采用密封块8封堵圆楔形通孔1-2。

进一步限定，圆楔形通孔1-2的注射顺序为先注射边孔再注射中间孔，并采用分阶段方式注射，每阶段注射完成后，停歇3-6min再进行下一次注射。

本发明的目的之三是提供一种上述平行板3的预挤压成型装置，该装置包括成型上钢板9和成型下钢板11，成型上钢板9和成型下钢板11上下正对布置，均包括平板段12和波形齿面段10，当成型上钢板9和成型下钢板11扣合时上下两个平板段12形成成型平行板3的平板段，上下两个波形齿面段10形成成型平行板3的波纹段。

本发明利用热塑性树脂基复合材料加热融化冷却成型原理，采用预挤压成型装置将锚固区的每根复合材料板制成两端为平板状的波纹板，并通过板材的空间位置排列，同时结合高模量胶黏剂和板材弯折挤压效应，设计出大跨桥梁与海洋平台结构用平行板索及其锚固体系。与现有技术相比本申请还具有以下有益效果：

(1)本发明提供利用热塑性树脂加热融化冷却成型及预施加固定荷载原理，将平行板材两端需弯折处放在成型装置内并根据需要施加对应的荷载，同时将整体放置在高温炉中，加热温度和加热时间应根据热塑性树脂的熔融温度确定，利用加热融化和竖向荷载弯折双重作用制备尺寸稳定、形状固定且两端具有相同弯折纹路的复合材料板，既增大了与粘结材料的接触面积，降低了接触界面初始缺陷对锚固性能的影响，又能使索体与粘结材料间产生机械咬合力，避免传统锚固系统锚具内部应力集中、锚具内板材与胶黏剂易脱粘、耐疲劳性能差以及锚固效率低的问题，同时有效利用热塑性树脂基体良好的力学韧性、机械强度、耐磨耐疲劳、耐湿热耐腐蚀及可回收循环利用等优点并结合高模量具有膨胀性能的胶黏剂特性。

(2)本发明提供的锚固系统中U型凹槽钢板通过设置三排且每排有三个等大圆楔形内孔可容纳较多混合填充胶黏剂用于增加平行板索每层板与胶液界面粘结力，并充分利用每层板材两端弯折楔形增加与胶液接触面积、高模量胶液的抗外界剪切粘结强度、拉伸时U型凹槽钢板对平行板索挤压力，形成复合型锚固系统，提高锚固效率。

(3)本发明提供的锚固系统中加载端采用一体化的对中板，且对中板与上下两个锚固板采用螺栓连接，起到固定每层板并使板间互相平行的作用，自由端采用燕尾夹状的分丝槽，可对平行板整体进行初级板端锚固。

(4)本发明提供的锚固系统结构简单，使用方便，可大规模用于不同尺寸的复合材料板的锚固技术，解决了传统夹持式锚具的夹片对热塑性树脂基复合材料索产生的局部剪切变形量大，更易发生局部剪切断裂现象，以及传统粘结式锚具由于热塑性树脂基复合材料杆或索的变形量大，易导致滑脱失效现象，有效利用热塑性树脂基复合材料索延性好、韧性大、耐弯折、耐磨损、耐疲劳、耐湿热腐蚀、可循环利用、绿色环保的优点。

附图说明

图1为本发明提供的用于热塑性树脂基复合材料平行板索的锚固系统的剖视结构示意图；

图2为本发明提供的用于热塑性树脂基复合材料平行板索的锚固系统的锚固板的立体结构示意图；

图3为本发明提供的用于热塑性树脂基复合材料平行板索的锚固系统的锚固板的剖视结构示意图；

图4为本发明提供的用于热塑性树脂基复合材料平行板索的锚固系统的对中板的立体结构示意图；

图5为本发明提供的用于热塑性树脂基复合材料平行板索的锚固系统的分丝孔内插入平行板并填充胶粘填料的结构示意图；

图6为本发明提供的用于热塑性树脂基复合材料平行板索的锚固系统的分丝槽内拆入平行板的的结构示意图；

图7为本发明提供的用于热塑性树脂基复合材料平行板索预挤压成型装置的示意图；

图8为平行板索的结构示意图；

图中1-锚固板，1-1-U型凹槽，1-2-圆楔形通孔，1-3-楔形槽底，1-4-连接孔，2-胶粘填料，3-平行板，4-螺栓，5-对中板，5-1-分丝孔，6-分丝槽，7-密封橡胶圈，8-密封块，9-成型上钢板，10-波形齿面段，11-成型下钢板，12-平板段。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。

具体实施方式一：

本实施例用于热塑性树脂基复合材料平行板索的锚固系统结构如图1-3所示，该锚固系统包括用于锚固平行板3的锚固装置、对中板5、胶粘填料2和螺栓4，锚固装置包括两个结构相同且上下正对布置的锚固板1，锚固板1内开有三排平行的U型凹槽1-1，U型凹槽1-1的槽底包括若干高度不同的楔形槽底1-3，并设有若干等大圆楔形通孔1-2；两个锚固板1对接后一端为开口端，另一端为封闭端，封闭端的开槽处沿锚固板1的厚度方向平行设有若干燕尾夹状的分丝槽6，平行板3是两端为平板状的波纹板，平行板3的两端均为波纹板，波纹板的尾段为平板段，平板段插装在分丝槽6内，波纹板另一端通过对中板5的分丝孔5-1从开口端穿出，对中板5嵌装在开口端；在锚固板1的未开槽位置处沿长度方向设有若干连接孔1-4，通过螺栓4穿过连接孔1-4使两个对接的锚固板1连接，通过圆楔形通孔1-2向两个对接的锚固板1围合的空腔内填充胶粘填料2。平行板3为热塑性树脂基复合材料板。

平行板3的波纹板为圆齿面，圆齿面投影的二维波形线符合正弦曲线函数，当板宽为b时，振幅为(0.1-0.4)b，波长为(0.2-0.8)bπ，平板段的长度为20-50mm。如此设置，避免锚固区波纹状平行板1出现初始纤维破损或断裂，采用二维波形线符合正弦曲线函数波形圆齿面。且在平行板3的尾段留有20-50mm平板段便于平行板3插入分丝槽6内，同时避免对平行板3端部进行成型时出现变形突变而产生应力集中现象。

相邻平行板3的横向距离为(0.5～8)b，纵向间距为(0.3～0.5)b。对中板5与锚固板1通过螺栓安装，对中板5上开有若干分丝孔5-1，分丝孔5-1数量与分丝槽6相同，起固定锚固平行板3并使板间互相平行的作用，且分丝孔5-1和平行板3之间设有密封橡胶圈7。如此设置，如图5所示，对中板5为一体化设计，内部按照空间分布均匀挖设有等大三排18个板套状的中空结构体作为分丝孔5-1，对中板5与上下两个锚固板1采用螺栓4连接，起固定每层板并使板间互相平行的作用，每层平行板3穿过对中环并安插完毕后，平行板3与对中板5之间的缝隙以及上下两个锚固板1之间的缝隙需要用密封橡胶圈7塞满以防止灌胶时漏胶。

分丝槽6与锚固板1为一体结构或榫卯为一体。如此设置，如图6所示，前段穿过分丝孔5-1的平行板3的末端紧密插入具有“燕尾夹”状且左右两端“封堵”的分丝槽6内，然后将每个分丝板卡设在U型凹槽钢板的后端索槽内使得板材间互相平行，“燕尾夹”状分丝槽6与锚固板1的封闭端榫卯为一体，并优先灌入胶粘填料2确保分丝槽6与平行板3具有良好的界面粘结，可对平行板3整体进行初级板端锚固。

上述平行板3的预挤压成型装置，如图7所示，该装置包括成型上钢板9和成型下钢板11，成型上钢板9和成型下钢板11上下正对布置，均包括平板段12和波形齿面段10，当成型上钢板9和成型下钢板11扣合时上下两个平板段12形成成型平行板3的平板段，上下两个波形齿面段10形成成型平行板3的波纹段，如图8所示。

应用上述装置进行平行板索的锚固方法，该方法包括以下步骤：

首先，将成型上钢板9、成型下钢板11、锚固板1、螺栓4、对中板5、密封橡胶圈7、密封块8和待成型平行板浸泡在丙酮溶液中进行超声处理并擦拭表面杂质，清理完毕后，在锚固板1的表面喷涂脱模剂，这是因为当胶粘填料2与锚固板1间有微小错动时可使胶粘填料2与板材作为整体提高其界面粘结力，同时利用铁砂的高模量与环氧树脂的粘结效应也可提高锚具的重复利用率和锚固效率，放置备用；

然后，将待成型平行板一端放置在预挤压成型装置内，并在成型上钢板9放置按不同板径需求的一定重量的砝码，然后将整体放置在高温炉中，待加热成型完毕后，将待成型平行板另一端继续重复上述过程，获得两端均为波纹板的平行板3，在平行板3的两端波纹板处各安装一个锚固装置，并将尾段的平板段插入对应的分丝槽6内完成多个平行板3的空间分列排布，并使用胶粘填料2填充分丝槽6，各平行板3分别经过对中板5的分丝孔5-1校正使得每层以及相邻平行板3的中心线与锚固装置中心重合，并使用胶粘填料2填充分丝孔5-1，如图5所示，在两个锚固板1之间塞满密封橡胶圈7，同时用螺栓4将对中板5固定以及上下两个锚固板1固定；

最后，采用压力注射器将胶粘填料2沿着不同位置处的圆楔形通孔1-2注入，圆楔形通孔1-2的注射顺序为先注射边孔再注射中间孔，可以保证胶液均匀填充至钢板内部圆孔及其余空腔中，并采用分阶段方式注射，每阶段注射完成后，停歇3-6min再进行下一次注射，防止因内部气体未及时排出而出现胶液未填满情况，直至填充溢满为止，注胶完成后采用密封块8封堵圆楔形通孔1-2，避免胶液固化膨胀时出现挤出而产生界面松弛现象同时注意板材在锚具内部出现偏斜现象，导致后期受力并非纯拉伸，待胶液固化后即可进行拉伸试验。

实施例1：

一种用于热塑性树脂基复合材料平行板索的锚固系统，具体方法如下：

首先，取以聚丙烯为树脂基体的碳纤维FRP(CFRP)板材，宽度分别为15mm、20mm、25mm，每种宽度CFRP板材各18个，表面用丙酮浸泡超声并擦拭干净；然后分别将上述CFRP板材一端放置在预挤压成型装置内夹好，成型上钢板放置50kg的砝码，并一同放置在温度为180℃的高温炉中4小时，待加热成型后再对CFRP板材的另外一端重复上述程序直至两端均具有波纹板纹路，每类18个CFRP板材均按照上述工艺加工；

然后，将上述同类CFRP板材安装在锚固装置上，通过一体化对中板校正复合材料板并用高强螺栓上下固定，同时每层板的末端插入对应的后端分丝槽内使得其具有最佳的空间分列排布，然后用环氧树脂与铁砂的混合填充剂优选灌入已经插满每层板的分丝槽内，再将后端分丝板卡设在U型凹槽钢板的后端索槽内使得每层板间互相平行，然后形成平行板索的整体锚固，同时用软体橡胶圈密封好所有缝隙，并用固定螺栓拧紧上下两个具有楔形内孔的U型凹槽锚固板；

最后，采用压力注射器将配制好的环氧铁砂填充剂不同预留孔缓缓的注入直至填充溢满为止，待环氧树脂+铁砂填充剂固化后即可进行拉伸试验。以上三种不同板宽的CFRP板材在拉升试验时，板中间区域拉伸断裂，锚固端未出现脱粘现象。

实施例2：

首先，取以聚醚醚酮为树脂基体的玻璃纤维FRP(GFRP)板材，宽度分别为15mm、20mm、25mm，每种宽度GFRP板材各18个，表面用丙酮浸泡超声并擦拭干净；然后分别将上述GFRP板材一端放置在成型装置内夹好，上部钢板放置50kg的砝码，并一同放置在温度为360℃的高温炉中4小时，待加热成型后再对GFRP板材的另外一端重复上述程序直至两端均具有波形圆齿板纹路，每类18个GFRP板材均按照上述工艺加工；

然后，将上述同类CFRP板材安装在锚固装置上，通过一体化对中板校正复合材料板并用高强螺栓上下固定，同时每层板的末端插入对应的后端分丝槽内使得其具有最佳的空间分列排布，然后用环氧树脂与铁砂的混合填充剂优选灌入已经插满每层板的分丝槽内，再将后端分丝板卡设在U型凹槽钢板的后端索槽内使得每层板间互相平行，然后形成平行板索的整体锚固，同时用软体橡胶圈密封好所有缝隙，并用固定螺栓拧紧上下两个具有楔形内孔的U型凹槽锚固板；

最后，采用压力注射器将配制好的环氧铁砂填充剂不同预留孔缓缓的注入直至填充溢满为止，待环氧树脂+铁砂填充剂固化后即可进行拉伸试验。以上三种不同板宽的CFRP板材在拉升试验时，板中间区域拉伸断裂，锚固端未出现脱粘现象。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (8)

1.一种平行板索的锚固系统，其特征在于，包括用于锚固平行板的锚固装置、对中板、胶粘填料和螺栓，锚固装置包括两个结构相同且上下正对布置的锚固板，锚固板内开有三排平行的U型凹槽，U型凹槽的槽底包括若干高度不同的楔形槽底，并设有若干等大圆楔形通孔；两个锚固板对接后一端为开口端，另一端为封闭端，封闭端的开槽处沿锚固板的厚度方向平行设有若干燕尾夹状的分丝槽，平行板的两端均为波纹板，波纹板的尾段为平板段，平板段插装在分丝槽内，波纹板另一端通过对中板的分丝孔从开口端穿出，对中板嵌装在开口端；在锚固板的未开槽位置处沿长度方向设有若干连接孔，通过螺栓穿过连接孔使两个对接的锚固板连接，通过圆楔形通孔向两个对接的锚固板围合的空腔内填充胶粘填料；

对中板与锚固板通过螺栓安装，对中板上开有若干分丝孔，分丝孔数量与分丝槽相同，起固定锚固平行板并使板间互相平行的作用，且分丝孔和平行板之间设有密封橡胶圈；

平行板为热塑性树脂基复合材料板。

2.根据权利要求1所述的平行板索的锚固系统，其特征在于，平行板的波纹板为圆齿面，圆齿面投影的二维波形线符合正弦曲线函数，当板宽为b时，振幅为（0.1-0.4）b，波长为(0.2-0.8)bπ，平板段的长度为20-50mm。

3.根据权利要求2所述的平行板索的锚固系统，其特征在于，相邻平行板的横向距离为(0.5~8)b，纵向间距为(0.3~0.5)b。

4.根据权利要求1所述的平行板索的锚固系统，其特征在于，分丝孔数量为18个，呈3排6行分布。

5.根据权利要求1所述的平行板索的锚固系统，其特征在于，分丝槽与锚固板为一体结构或榫卯为一体。

6.根据权利要求1所述的平行板索的锚固系统，其特征在于，胶粘填料由环氧树脂和铁砂组成。

7.一种平行板索的锚固方法，其特征在于，应用权利要求1所述的平行板索的锚固系统，包括以下步骤：

S1，采用预挤压成型装置将热塑性树脂基复合材料板制成平行板；

S2，将平行板安装在锚固系统内，保证平行板互相平行，并采用胶粘填料填充胶粘填料与分丝孔和分丝槽之间的缝隙，拧紧螺栓，并在两个锚固板之间塞满密封橡胶圈；

S3，采用压力注射器将胶粘填料沿着不同位置处的圆楔形通孔注入直至填充溢满为止，注胶完成后采用密封块封堵圆楔形通孔。

8.根据权利要求7所述的一种平行板索的锚固方法，其特征在于，圆楔形通孔的注射顺序为先注射边孔再注射中间孔，并采用分阶段方式注射，每阶段注射完成后，停歇3-6min再进行下一次注射。