纤维增强复合材料(FRP)锚索性能及其工程应用.pdf
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1、预应力锚索在边坡施工过程中能显著提升支护结构的强度,得到了广泛的应用。工程中一般选用钢绞线作为锚索主体材料,但容易发生锈蚀、断索等问题。纤维增强复合材料(FiberReinforcedPolymer,FRP)具有轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳等优点,应用到预应力锚索结构上可以大幅提高其承载力,并且可以为锚索的回收利用提供条件。首先介绍了FRP锚索的制备工艺,按照应变率相关的岩石力学问题分类及试验方法将FRP力学性能研究分类阐述,其次分析了现有的FRP锚索的端头锚固形式及其特点,最后对FRP锚索在工程中的应用与发展情况进行了梳理,并对FRP锚索的可行回收方式进行了展望。关键词:纤维增强复合材料;支护
2、工程;锚固方式;锚索回收中图分类号:TU502Properties and Engineering Applications of Fiber ReinforcedGuan Shuai,Sun Jiahui,Liu Yue2*,Wang Bo,Huang Zehua(1.Faculty of Urban Construction,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China;2.School of Ciwil and Resource Engineering,University of Science and Technology
3、Beijing,Beijing 100083,China)Abstract:The prestressed anchor cable can significantly improve the strength of support structure,which is widelyused in slope support.Generally,steel strands are the main material for anchors in engineering,but they are sus-ceptible to face the problems of corrosion or
4、broken cable.Because fiber reinforced polymer(FRP)has the advantagesof lightweight,high strength,corrosion resistance and excellent fatigue resistance,that it is applied in prestressedanchor structures can significantly improve their load-bearing capacity and provide conditions for recovering the an
5、-chors.Firstly,the preparation process of FRP anchor cable is introduced in this paper,and the FRP mechanicalproperties research is classified according to the strain rate related rock mechanics problem classification and exper-imental methods.Then,the existing anchoring forms and characteristics of
6、 FRP anchor cable are analyzed.Finally,its application and development are reviewed and the feasible recovery methods are prospected.Key words:fiber reinforced polymer(FRP);support engineering;anchorage mode;cable recovery文献标志码:APolymerAnchorCable近几十年来,我国公路路堑边坡以及基坑支护等工程数量显著增加,边坡失稳跨塌等问题日趋严重。支护工程具有施工周
7、期短、施工难度大以及施工收稿日期:2 0 2 3-0 5-31基金项目:国家自然科学基金(5190 8 0 12、52 17 8 0 97)作者简介:关帅,男,在读硕士研究生,主要研究方向为碳纤维增强复合材料(CFRP)锚索及其锚固性能研究。通讯作者:刘越,男,教授,博士,主要研究方向为纤维增强复合材料(FRP)加固混凝土结构、高性能材料与新型结构、桥梁性能评估与加固。引文格式:关帅,孙嘉辉,刘越,等.纤维增强复合材料(FRP)锚索性能及其工程应用.市政技术,2 0 2 3,41(8):16 6-17 9.(GUANS,SU NJH,LIU Y,et al.Properties and eng
8、ineering applications of fiber reinforced polymer anchor cableJ.Journal of municipal technology,2023,41(8):166-179.)环境复杂等特点,同时由于地质条件的不确定性、支护结构设计的不合理性和施工技术的不当等因素导致事故频发!。这些问题如果不及时解决,可能会第8 期导致支护结构失稳、破坏,给工程造成严重的影响和损失。锚杆支护技术作为一种有效加固边坡的方式,分为土钉墙、预应力锚索、框架预应力锚杆和预应力锚索抗滑桩等形式2。其中预应力锚索是将锚索置入岩土体中,通过注浆粘结剂把锚索的锚固段与稳
9、定岩土体牢牢地粘结在一起,依靠锚固段的锚索与围岩间的粘结强度来加固不稳定的岩土体,达到保持边坡稳定的目的3。预应力锚索支护使锚固地层产生压应力区,并对加固地层起到加筋作用,改善地层的强度并提升力学性能。预应力锚索支护可以使结构与地层连接在一起,形成一种共同工作的复合体,使其能有效地承受拉力和剪力,并能提高潜在滑移面上的抗剪强度,有效地阻止坡体滑移,这是被动受力支护结构所不具备的力学特点。预应力锚索凭借其构造简单、安装方便、造价低和适用范围广等优势,在边坡工程和其他防护工程中被广泛采用。预应力锚杆(索)支护结构如图1所示。坡顶框架锚杆一滑移面锚固段坡底台座承压板锚具图1预应力锚杆(索)支护结构F
10、ig.1 Support structure of the prestressed anchor bolt(cable)传统锚索一般采用钢绞线作为主要受力结构构件。随着大量金属锚索投人应用,锚索锚固提前失效引发的边坡失稳问题逐渐显现出来。通过研究国内外实际工程案例,发现钢筋锈蚀是导致锚固结构破坏的主要原因,这带来了潜在的巨大经济浪费以及安全问题4。同时我国每年边坡工程中需要消耗大量的锚索,对于高边坡上部的锚索通常在支护中发挥临时作用,在工程完成后不易回收,从而带来了关帅等:纤维增强复合材料(FRP)锚索性能及其工程应用1FRP锚索制备工艺FRP是由连续纤维和树脂通过浸润和固化过程制备得到的复合
11、材料,主要采用拉挤成型工艺。与无粘结段锚固段167种种问题。一方面,由于钢筋锈蚀污染地下水造成地下环境污染;另一方面,锚索需向外辐射布置,易对周边地下结构及设施的施工造成障碍,产生一定的经济损失和法律纠纷。为解决上述问题,可回收式锚索技术在近年来应运而生,其不仅具有传统锚索的技术优点,且在施工完成后可将锚杆杆体拆除回收,减少了后续施工障碍。然而,传统钢筋可回收锚索由于材料性能限制了其承载力,此外钢锚索自身重量大、运输与安装不便、耐腐蚀性差等问题也大大影响了传统钢筋可回收锚索的二次利用。采用纤维增强复合材料(FiberReinforced Polymer,FRP)作为可回收锚索的主体材料可以很好
12、地解决以上问题。FRP是由高性能纤维和树脂材料一起,通过拉挤、手糊、缠绕和模压等方式生产而成。根据纤维材料的不同,大致可分为玻璃纤维增强复合材料(GFRP)、玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)、碳纤维增强复合材料(CFRP)和芳纶纤维增强复合材料(A FR P)。在实际应用中FRP锚索由于各向异性,无法采用传统的钢锚索回收体系,因此开发并设计一套适用于FRP的回收系统尤为重要。同时该类型的边坡可回收锚杆又满足了“绿色建筑”与“绿色施工”的可持续发展时代要求,具有很高的研究意义和较广阔的工程应用前景。目前,北美、日本、欧洲等国家已经开始采用FRP材料代替钢筋应用于支护结构的锚索中,但在回收方式上
13、则没有明显的进展。单一材料相比,FRP在力学强度和刚度、耐疲劳性、耐蠕变和耐热性方面具有明显的提升,因此其性质也与单一材料有很大的不同5。FRP由纤维、树脂、界面、填料和添加剂5个部分组成。其中,纤维具有较高的弹性模量,有助于提高复合材料整体的力学性能,而树脂有助于将应力从单根纤维转移或分散到其他纤维,以保护纤维免受机械破坏和环境腐蚀。纤维和基体之间的界面是表面反应的产物,相对于基体具有明显的不同。界面是纤维和基体连接的纽带,也是应力传递的桥梁。除了这3种主要成分外,填料有助于减少基体收缩同时降低成本,添加剂有助于改善FRP的机械性能以及可操作性6。FRP拉挤成型技术的首个专利申请于1951年
14、,FRP单丝1681960年实现了首个工程化应用。使用该技术生产的FRP型材不仅广泛应用于航空航天、汽车制造7 等行业,在土木工程中也获得了快速的发展8。通过拉挤成型得到的FRP筋纤维束沿轴向排列,因此具有很大的抗拉强度。然而,该FRP无法像金属一样焊接,需要特制的杆体连接器才能获得较长的锚固深度,因此在支护领域FRP多以土钉和锚杆的形式存在。在面对大吨位锚索时,由于FRP筋弯曲性能较弱,筋材之间连接工艺复杂等因素限制了FRP的应用。因此,一些学者尝试采用FRP绞线来代替FRP筋,在保证承载力的同时可以通过绞线盘卷运输的分纱器纱筒浸脂槽图2 FRP筋拉挤工艺Fig.2 Manufacturin
15、g process of FRP bars通过拉挤成型得到以轴向纤维为主的FRP棒材,此时棒材表面光滑,难以提供足够的锚固力。为了提高FRP筋的粘结性能,常采用以下方法对拉挤型筋材表面进行二次加工9:固化前螺旋缠绕纤维束成肋;在筋材表面用纤维带编织,形成凹槽;在筋材表面粘石英砂或短纤维束;通过具有凹凸内表面的模头挤压成肋;用机械法直接对筋材外表面进行喷砂加工。在实际应用中缠绕工艺最为常见,该方法是将连续的纤维束浸渍树脂后,按一定的缠绕方向和角度缠绕在棒材表面,最后通过加压固化装置和切割装置,得到所需的带肋FRP筋。FRP筋缠绕带肋工艺如图3所示。1.2FRP索制备采用多根FRP筋纽绞得到FRP
16、锚索的索体,并线模成缆机前固化装置后固化装置图4框绞机制备FRP绞线Fig.4 Preparing FRP stranded wire by frame stranding machineJournal of Municipal Technology纤维前固化装置后固化装置FRP筋Fig.3 Manufacturing process of FRP bars winding rib在保证拉伸强度的同时提高了锚索的柔软度,从而确保FRP锚索在盘卷运输时不易损坏,大大减少了运输与施工的成本。具体设备由线轴、成缆机、并线模、前固化装置、后固化装置、牵引装置和切割装置等组成,如图4所示。线轴FRP单丝
17、第41卷特性从而实现更长的锚固深度。1.1FRP筋制备FRP筋制备所用的设备由纤维纱架、浸脂槽、分纱器、固化装置、牵引装置和切割装置等组成,如图2 所示。在制备时首先将纤维束从纱筒中抽出,通过分纱器上的小孔牵引通过盛有环氧树脂的浸脂槽;随后在前固化装置中初步固化成型并挤出筋材表面多余树脂,初步成型的FRP筋在牵引机的作用下分阶段通过后固化装置,进行加热加压处理并定型;最后通过盘卷机将所制备的FRP绞线单丝缠绕到线轴上,多余部分通过切割装置切断。牵引装置切割装置肋浸脂槽图3FRP筋缠绕带肋工艺牵引装置FRP绞线切割装置缠绕装置导向装置纤维纱筒第8 期FRP索在制备时首先需要通过拉挤成型得到以轴向
18、纤维为主的FRP绞线单丝,并通过线轴进行缠绕。将线轴放置在成缆机悬臂上,将FRP单丝通过成缆机上的小孔穿出,在并线模处纽绞形成绞线。随后通过前固化装置在表面浸渍硅胶溶液并进行高温预成型。在牵引机的作用下缓慢通过后固化装置,得到成品FRP绞线并切割成适当的尺寸。2FRP锚索力学性能与传统钢材相比,FRP质量轻、强度高,然而其力学范畴工程背景常规试验技术加载恒定加载装置应力保持恒定应变液动、装置气动加载分类蠕变加载10-710-510-610-4图5应变率相关的岩石力学问题分类与试验方法Fig.5 Classification and experimental methods of rock me
19、chanics related to strain rate2.1蠕变性能FRP的蠕变性能与钢筋有着明显的区别,由于聚合物树脂的黏弹性响应以及对温度的敏感特性,使得FRP在变或其他与应变速率相关的性能方面相较于钢筋更加敏感。在工程应用中FRP的变行为更多取决于树脂的种类而不是纤维界面的性能,并且与树脂固化条件也存在关联Saadatmanesh等12 对AFRP筋、CFRP筋以及CFCC绞线在空气和酸碱溶液中的蠕变性能进行了初步研究。结果表明,CFRP筋在空气环境中几乎不发生蠕变;与在空气中测试的对照组相比,所有材料在酸碱溶液中的蠕变松弛损失都更高。Zou13对GFRP、AFRP和CFRP筋进行
20、了蠕变试验,在常温恒湿的条件下测试了超过10 0 0 h。试验表明,FRP筋的蠕变破坏应力和时间的对数呈线性关系,对试验结果进行回归分析建立了蠕变寿命预测模型,在50 0 0 0 0 h后GFRP、A FR P和CFRP筋变破坏应力和静力拉伸强度的比值分别为0.2 9、0.47 和0.93。Shi等14研关帅等:纤维增强复合材料(FRP)锚索性能及其工程应用惯性效应可忽略蠕变问题常规力学问题保持常规伺服式液压准静态加载T10-310-110-2应变率/s-1究并试验了盐溶液腐蚀后对于BFRP筋蠕变性能的影响,试验变量包括温度和腐蚀时间。结果表明,蠕变断裂应力与原始抗拉强度的比值明显减小,但是同
21、样腐蚀退化后的BFRP筋蠕变断裂应力与退化后的抗拉强度比值不变,表明持续荷载下BFRP筋的蠕变性能与腐蚀老化无关。Yasushi等15开发了基于基体树脂黏弹性的CFRP蠕变和疲劳强度加速试验方法(ATM),用来预测以耐热环氧树脂为基体的单向CFRP在蠕变拉伸荷载下的蠕变失效时间。通过对CFRP绞线在任意温度下几种恒定拉伸荷载下的蠕变破坏时间的比较,基于基体树脂黏弹性的时间-温度叠加原理,对CFRP绞线的长期蠕变失效时间进行了统计预测。2.2准静态性能FRP作为各向异性材料,其静态性能与钢筋相比存在鲜明的特点,在边坡支护用锚索相关试验中将FRP准静态性能主要分为3类:拉伸、剪切和弯曲性能。这3种
22、性能分别对应预应力锚索正常工况下的169力学性能表现为线性弹性,没有一个明显的屈服阶段,这导致结构破坏时的应变和伸长率较低。此外,将FRP作为锚索进行支护时,为限制加固体的前期变形需要对锚索施加预应力,由于FRP的弹性模量通常小于钢的弹性模量(除了CFRP弹性模量较高),这种材料属性也使其在支护完成后发生收缩变形时预应力损失较小10。根据道路边坡实际应用环境情况,可以按照应变率相关的岩石力学问题分类及试验方法将FRP力学性能研究分为以下3部分:蠕变加载、准静态加载和中等应变率加载。如图5所示。惯性效应不可忽略地震作用爆破结构振动弹头冲击海浪、潮汐晃动岩爆、爆炸验动态轻平化伺服式气加载装置锤分离
23、式炮板爆霍布金斯压杆冲试试击验验超高应变率中等应变率加载|高应变率加载加载101031102超动能武器试104105170受力情况、锚索在边坡滑坡等情况下受到垂直轴向的剪力以及盘卷直径对于锚索在运输过程中影响。Ganczakowski等16 对AFRP纤维和直筋分别进行了静态加载和循环加载试验,发现在静载作用下AFRP表现为线弹性直至破坏,而在循环荷载作用下材料的弹性模量随着循环次数的增加而增加。Benmokrane等17 采用树脂型粘结锚具对不同规格的AFRP与CFRP筋进行了拉伸试验,发现FRP筋的拉伸性能与理论数据接近。FRP筋的表面几何形状、填充树脂的性能和锚固套管的刚度对于粘结型锚具
24、的拉伸性能都有一定的影响。Wang等18 研究了BFRP以及混杂纤维增强聚合物(HFRP)作为抗剪构件的剪切性能,试验发现FRP筋的主要剪切强度是由内部纤维贡献的,而树脂只占总强度的8%,并且只在第一阶段发挥作用。诸葛萍等19利用模型试验测试了CFRP筋对应不同角度的弯曲抗拉强度,计算出了CFRP筋在土木工程中的弯曲抗拉强度降低系数,发现当弯折角度达到3时,CFRP筋弯折抗拉强度较直线状态下降了18.9%左右,因此在实际工程中需要慎重考虑筋材弯折对抗拉强度的折减。Rossini等2 0 通过三点弯曲试验研究了GFRP绞线弯曲特性,并通过弯曲挠度计算极限曲率半径,发现直径为10.2 mm的CFR
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