專利名稱：纖維增強塑料片材用主動式錨夾具的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種錨夾具，尤其涉及一種用于建筑結構混凝土采用纖維增強塑料 (FRP)片材補強時，FRP板條端部的永久及臨時錨固的主動式錨夾具。
背景技術：
工程結構加固改造項目中，有采用專用結構膠進行淺層嵌固或表面粘貼FRP片材 的技術措施。此類措施通過粘貼的方式，發揮FRP片材良好的抗拉強度，可以很大程度地提 高建筑結構的承載力。FRP片材提供的拉力若僅通過結構膠傳遞到混凝土結構上，FRP板條 與結構膠之間、結構膠與混凝土界面之間存在較大的剪應力，如剪應力不足以傳遞FRP片 材的拉力，則發生剪切破壞，不利于FRP片材高強性能的發揮；另外還有FRP片材粘貼前對 其施加預應力的技術措施。以上兩種情況均需對FRP片材端部采用附加錨固措施。由于FRP 片材的抗拉強度高而抗剪強度低，采用普通鋼筋用錨夾具會造成FRP片材在錨固區提早破 壞。FRP片材端部的附加錨固當前主要有以下三種1.粘結錨固措施(如一種預應力纖維布平板式永久錨具公開號CN2804269)它 公開了一種預應力纖維布平板式永久錨具，該永久錨具包括固定端部分和張拉端部分，每 個部分均由鋼板和纖維布構成，張拉端部分中的鋼板和絲桿通過焊接而成為一個整體。每 個部分中的鋼板的表面均形成0. 5 1. 0%的坡度，然后交叉開U形槽，纖維布通過樹脂浸 漬膠粘貼于開槽的鋼板表面，形成預應力纖維布平板式永久錨具。該錨具可以保證預應力 纖維布的張拉預應力水平達到其極限抗拉強度的65%以上，很方便對各種橋梁和工業建筑 進行加固維修。此類錨固措施是預先采用結構膠將FRP片材錨固于鋼板或其它抗剪強度高的錨 板上，再將錨板錨固于相應位置。此類錨固措施的缺點是錨固需等結構膠固化后才能起作 用，施工周期較長，且不能拆卸。2.擠壓錨固措施(如土木建筑工程用的碳纖維板錨具公開號CN1827975)。該 發明公開了一種土木建筑工程用的碳纖維板錨具，該錨具包括用于夾碳纖維板的上下兩夾 板、壓板、壓緊螺栓和錨固螺栓，上下兩夾板在與碳纖維板的接觸面上設有用于增加摩擦的 紋路，壓板的中間段設成凸起狀，下夾板上設有與壓緊螺栓相配合的螺孔，由壓緊螺栓通過 壓板使上下兩夾板夾緊，下夾板通過錨固螺栓錨固到待加固的砼構件上。此類錨具完全依靠預擠緊夾持FRP板條的夾板，依靠夾板與FRP板條之間的摩擦 力實現對碳纖維板的錨固。此類錨固措施的缺點是FRP板條在受力過程中，摩擦力的大小 取決于夾板與FRP板的摩擦系數和緊固力。緊固力的施加過小則摩擦力不足，FRP板條易 拉脫；緊固力過大則可能造成FRP板條的損傷。由于螺桿在高應力狀態會有些應力松弛現 象，再加上螺栓會有機械松動現象，緊固力會有所降低，造成錨固力會有所降低。3.錨夾具錨固措施(如碳纖維板錨具公開號CN101463638)該發明涉及一種錨具，特別是一種土木建筑工程中用的碳纖維板錨具，由錨板及 夾片組成，錨板為一整體，內有一楔形通孔，夾片為兩片式楔形塊、其楔入錨板夾緊碳纖維板后與錨板內的楔形通孔緊配合，所述的錨板為橫截面為長方形或正方形或橢圓形或圓形 的柱體，其內開有橫截面為長方形或正方形或橢圓形或圓形、縱截面帶有錐度的楔形通孔， 夾片楔入錨板夾緊碳纖維板后合攏的外形與錨板內橫截面為長方形或正方形或橢圓形或 圓形、縱截面帶有錐度的楔形通孔相同；夾片的夾持面有一層碳纖維板接觸增強材料；夾 片與錨板的接觸面涂抹有潤滑油或潤滑脂。該錨具的錨固性能可靠，結構簡單緊湊，制作、 施工操作方便，效率高，錨具形狀多種多樣，能夠滿足不同施工環境的要求。此類錨固措施是采用小角度扁平夾片夾住FRP板條，FRP板條拉緊時，扁平夾片滑 動收緊，夾緊FRP板條，利用扁平夾片與FRP板條之間的機械摩擦力錨固FRP板條。此類錨 固措施與鋼筋用錨夾具的原理相同，隨著夾片的回縮，錨固力可以增大，但此類錨固措施同 樣也有相同的預應力損失，即錨具變形和FRP板條內縮引起的預應力損失0ll。根據此項
預應力損失的計算公式Pn =Je,式中a—錨具變形和FRP片材內縮值(mm) ；1——錨固端之間的距離(mm)； Es——FRP片材的彈性模量(MPa)。FRP片材的彈性模量較高，較小的錨具變形和FRP片材內縮量也會引起較大的預 應力損失。對于不采用預應力的FRP片材，需構件加固部位產生的變形大于錨具變形和FRP 片材內縮值a后，才能充分發揮錨具的作用，存在著FRP片材應力滯后現象，同樣不利于FRP 片材作用的發揮。
發明內容
本發明針對現有技術中的不足提出了一種纖維增強塑料片材用主動式錨夾具，它 不同于需要錨具變形和FRP片材回縮才能產生夾持力的錨夾具，也不同于僅通過擠壓產生 摩擦力夾持FRP片材的錨夾具。它是利用旋緊加力螺桿擠壓傳力片，使小角度扁平夾片與 FRP板條完全擠緊，錨夾具在FRP板條受力前即具備一定的夾持能力。隨著FRP板條的受 力，扁平夾片有極小量回縮并進一步擠緊，從而實現對FRP片材有效夾持。本方案是通過如下技術措施實現的纖維增強塑料片材用主動式錨夾具，它包括 錨塊和設置于錨塊中的夾片，所述錨塊為內有一通孔的整體，所述夾片是由上下對稱布置 的兩片式楔形塊組成的上夾片和下夾片，其特征是在錨塊中夾片的上方設置有上下滑動的 傳力片，所述傳力片的頂面是與錨塊適配的平面，傳力片的底面是與上夾片頂面適配的斜 面，夾片楔入錨塊中夾緊纖維增強塑料片材后與錨塊和傳力片之間形成的楔形通孔緊配 合，在傳力片的上部穿過錨塊設置有加力螺桿。上下夾片的坡度一致，其角度θ均不大于5. 7°，傳力片和錨塊上與之相應的斜 面與夾片相適配，且表面光滑并涂有潤滑油脂。傳力片上表面設置有供加力螺桿插入的限 位槽，加力螺桿旋緊后插入限位槽，可以限制傳力片在垂直于加力螺桿軸線方向的位移。上下夾片之間的夾持面做噴砂處理，以增大與FRP板條的摩擦。在傳力片上部的加力螺桿上設置有緊固螺帽，緊固螺帽的設置，可以避免加力螺 栓和夾片的松動，增大了錨夾具的可靠性。本發明的有益效果可根據對上述方案的敘述得知，試驗表明由于設置了加力螺桿與傳力片，本發明基本消除了錨夾具內縮量a，減小了應力損失，錨夾具效率系數高，方便拆 卸。該錨夾具結構簡單緊湊，操作方便，適用于FRP板條的永久和臨時錨固，對于施加預應 力的FRP板條，可以有效地減小錨具變形和FRP片材內縮引起的預應力損失ο u ；對于未施 加預應力的FRP板條，則不需加固部位產生大于a值的變形即可發揮錨具的作用，減小了 FRP片材應力滯后現象；對于需拆卸的錨夾具，則可通過旋松加力螺栓方便地拆卸。因此本 發明與現有技術相比，實現了技術目的。夾片及傳力片外側坡度θ的設計傳力片與夾片之間的摩擦系數μ = 0. 1，假設傳力片所傳的壓力為N，則N對夾片外側產生的法向壓力N1為N1 = N · cos θ由法向壓力產生的靜摩擦力F為F = μ · N1 = μ · N · cos θN對夾片外側產生的切向力N2為N2 = N · sin θ此切向力會使夾片有向外滑移的趨勢。若使夾片在加力螺桿緊固時不產生滑移，需使最大靜摩擦力F不小于切向力N2, 即=F ^N2故μ · N · cos θ 彡 N · sin θμ · cos θ 彡 Sin θtan θ ^ μθ ^ 5. 7°
下面結合附圖對本發明作進一步詳細地描述。圖1為纖維增強塑料片材用主動式 錨夾具組裝效果圖；圖2為纖維增強塑料片材用主動式錨夾具組裝剖面圖；圖3為夾片及 傳力片受力分析圖；圖4為傳力片示意圖；圖5為夾片示意圖；圖中，1、加力螺桿；2、緊固螺 帽；3、錨塊；4、傳力片；5、夾片；6、FRP板條；7、限位槽；8、夾片與FRP接觸面；9、傳力片與 夾片的接觸面；10、夾片與錨塊的接觸面；11、錨塊坡面；12、錨塊孔。
具體實施例方式如圖1-2所示，纖維增強塑料片材用主動式錨夾具，它包括錨塊3和設置于錨塊 3中的夾片5，所述錨塊3為內有一通孔的整體，所述夾片5是由上下兩片式楔形塊組成的 上夾片和下夾片，其特征是在錨塊3中夾片5的上方設置有上下滑動的傳力片4，所述傳力 片4的頂面是與錨塊3適配的平面，傳力片4的底面是與上夾片頂面適配的斜面，夾片5楔 入錨塊3中夾緊纖維增強塑料片材后與錨塊3和傳力片4之間形成的楔形通孔緊配合，在 傳力片4的上部穿過錨塊3設置有加力螺桿1。上下夾片的坡度一致，其角度θ均不大于 5.7°，傳力片和錨塊上與之相應的斜面與夾片相適配，且表面光滑并涂有潤滑油脂。傳力 片4上表面設置有供加力螺桿1插入的限位槽7，上下夾片之間的夾持面做噴砂處理；在傳 力片4上部的加力螺桿1上設置有緊固螺帽2。
螺栓尺寸的設計夾片與FRP板條的摩擦系數μ取0. 3，FRP板條抗拉強度f取2500MPa，截面積A 取1. 4 X IOmm,則FRP板條的拉力F F = f · A = 2500X1. 4X10 = 35000N = 35kN所需的傳力片壓力N為μ · N = F故N= F/μ = 35/0. 3 = 117kN此壓力由兩個螺桿共同承擔，并取安全系數3. 0，則每螺桿承擔的力為175kN。 45Mn鋼的屈服強度σ為355MPa，選用MlO螺栓小徑(I1為8. 4mm，其承載力T為 Τ^σ.^Γ. ^Μ = ^ ^^! 〗^，故本發明選用MlO螺栓、螺帽及螺桿。“纖維增強塑料 片材用主動式錨夾具”是在工程結構加固改造項目中混凝土結構采用纖維增強塑料片材 (FRP)加固時，用于FRP端部的永久及臨時錨固。加力螺桿1 一端為加力螺桿內六角圓柱頭端，采用《內六角圓柱頭》GB/ T70. 1-2000中MlO的規格，圓柱頭總長度IOmm ；另一端為加力螺桿普通螺桿端，采用《普通 螺紋基本尺寸》GB/T 196-2003中D10，P = 1. 5的規格，螺桿總長度20mm。加力螺桿作用 是錨固時擠緊傳力片、夾片和FRP板材，消除錨具變形和FRP片材內縮值a ；如需拆除錨具， 則松開加力螺桿，使傳力片、夾片和FRP片材間隙增大，可以方便地拆除本錨具。緊固螺帽2采用《六角螺母》GB/T 41-2000中MlO的規格，其作用是加力螺桿1擰 緊后，再擰緊緊固螺帽2，可以避免加力螺桿1和夾片5松動，增大了錨夾具的可靠性；拆除 錨具前，先松開緊固螺帽2，則可以方便地松開加力螺桿1。如圖4所示，傳力片4為50mmX 14mmX (5. 5 7)mm的六面體，其中傳力片4與夾 片5的接觸面9有θ <5.7°的坡度，該滑動面表面光滑，并涂有潤滑油脂；傳力片4與加 力螺桿1的接觸面為限位槽7。傳力片4的作用是在加力螺桿1的作用下調整夾片5間的 距離錨固時擠緊夾片5，FRP板條受力時，夾片5不再內縮，減小了由于夾片5內縮引起的 應力損失；拆除錨夾具時，松開夾片5，可以方便地抽出FRP板條。限位槽7的作用是當加 力螺桿1擰緊后，加力螺桿1端部伸入限位槽7中，可限制傳力片5在垂直于加力螺桿1軸 線方向上的移動。如圖5所示，夾片5為50mmX14mmX (3 4. 5)mm的六面體，其中夾片與傳力片的 接觸面9有θ ^5.7°的坡度，該滑動面表面光滑，并涂抹有潤滑油脂，以減小夾片5滑移 的摩擦力；夾片與FRP板條的接觸面8為平面，做噴砂處理，以增大夾片5與FRP板條的摩 擦力。錨塊3為50mmX30mmX30mm的長方體，內有一通孔，孔的尺寸為 50mmX15mmX (15 16. 5)mm，其錨塊坡面11與夾片滑動面接觸，表面光滑，并涂有潤滑油 脂。錨塊坡面11的對面的錨塊3上設兩個錨塊孔12，孔內壁有螺紋，螺紋規格與《六角螺 母》GB/T 41-2000中MlO螺母內螺紋相同。錨塊3的作用是為夾片5提供法向壓力，以實 現對FRP板條的夾持。本發明有緊固螺帽2，可以消除螺桿的機械松動現象。加力螺桿1在高應力狀態如 有應力松弛現象，可由夾片5產生的相對滑移來彌補，不會使錨夾具的錨固力降低。錨夾具的基本性能試驗
1靜載錨固性能1. 1采用試驗機對FRP直接進行拉伸試驗，試驗結果如下
FRP板條實測極限拉力Fapu FRP板條采用本錨夾具進行錨固后，采用試驗機夾持錨夾具，從而得到FRP板 條_錨夾具實測極限拉力Fpm，測定時分兩種情況分別進行。1. 2不采用加力螺桿和傳力片時 1. 3采用加力螺桿和傳力片時 參照預應力筋用錨夾具效率系數na本錨夾具為單錨，取ηρ = 1，則不采用傳力片時 采用傳力片時 2錨夾具夾片內縮量測定本項內容為FRP板條張拉應力達到0. Sfptk后，測定錨固過程中FRP板條的內縮 量。檢測時在夾片外露的頂部設百分表，夾片內縮則百分表會產生讀數的變化，記錄百分表在板條拉力為OkN和23. 5kN時的讀數，由此計算內縮量。錨夾具內縮量測定分兩種情況分 別進行。2. 1不采用加力螺桿和傳力片時 2. 1采用加力螺桿和傳力片時 3 結論3. 1錨夾具效率系數采用加力螺桿和傳力片比不采用該部件，錨夾具的效率系數有一定的提高。其原 因在于不設加力螺桿和傳力片時，錨夾具的兩片夾片都會產生較大的內縮，由于兩片夾片 的摩擦力等各項指標不可能完全一致，其內縮量就不會完全相同。內縮量的差異會使FRP 板條在錨夾具端部有一定的應力集中現象，從而造成FRP板條提早破壞。采用加力螺桿和傳力片之后，夾片的內縮量和內縮量的差異均大幅降低，應力集 中也相應的大幅降低，FRP板條抗拉強度高的特點會更加充分地發揮，從而提高了錨夾具的 效率系數。3. 2錨夾具夾片內縮量采用加力螺桿和傳力片比不采用該部件，錨夾具夾片的內縮量會大幅度降低。其原因在于不設加力螺桿和傳力片時，錨夾具只有通過夾片的內縮才能使其受到擠壓力，實 現錨夾具的夾持作用，沒有內縮量就沒有夾持作用。采用加力螺桿和傳力片之后，夾片不需內縮即可通過傳力片的主動擠壓實現對 FRP板條的夾持作用，在FRP以后的受力過程中，夾片的內縮量極小。假設待加固的構件長度1 = 3m, FRP的彈性模量Es = 1. 6X 105，不設加力螺桿和 傳力片時，夾片內縮量aQ = 2. 34mm，設置加力螺桿和傳力片時，夾片內縮量ai = 0. 18mm，則 兩種情況下應力損失分別為不設加力螺桿和傳力片，共兩個錨夾具
Λ ^ Aση = -Ef =~^~·1.6χ10} χ2 = 249.6ΜΡα
η I s 3000設置加力螺桿和傳力片，共兩個錨夾具crn·1.6χIO5 χ2 = 19.2ΜΡα L J Is 3000設置加力螺桿和傳力片后，應力損失僅為不設置該部件時應力損失的8%。由此可 見加力螺栓和傳力片的設置對于減小夾片內縮量、減小應力損失的巨大作用。使用方法1錨固前的準備。清理FRP板條6端部，確認無污物油脂等；2錨固。將鋼質墊板抵緊混凝土面，將FRP板條穿入錨塊5，FRP板條受力方向布 置在錨塊5通孔較小的一側，并使錨塊5抵緊鋼質墊板。塞入傳力片6和夾片4，夾片的夾 持面夾住FRP板條。再次確認錨塊與鋼質墊板、鋼質墊板與混凝土面均已抵緊。將緊固螺帽2旋入加力螺桿1的根部，再將加力螺桿1旋入錨塊孔12中，待旋緊 后再將緊固螺帽2旋至錨塊5 —側旋緊，完成對FRP板條端部的錨固。3拆卸錨夾具。采用適當方法使FRP板條端部不再受力，旋松緊固螺帽2，再旋松 加力螺桿1，此時夾片4、傳力片3之間產生空隙，可方便地一一取出，最后抽出錨塊5，拆卸 錨夾具完畢。
權利要求
一種纖維增強塑料片材用主動式錨夾具，它包括錨塊和設置于錨塊中的夾片，所述錨塊為內有一通孔的整體，所述夾片是由上下兩片式楔形塊組成的上夾片和下夾片，其特征是在錨塊中夾片的上方設置有上下滑動的傳力片，所述傳力片的頂面是與錨塊適配的平面，傳力片的底面是與上夾片頂面適配的斜面，夾片楔入錨塊中夾緊纖維增強塑料片材后與錨塊和傳力片之間形成的楔形通孔緊配合，在傳力片的上部穿過錨塊設置有加力螺桿。
2.根據權利要求1所述的纖維增強塑料片材用主動式錨夾具，其特征是上夾片和下夾 片的坡度一致，其角度θ均不大于5. 7°，傳力片和錨塊上與之相應的斜面與夾片相適配， 且表面光滑并涂有潤滑油脂。
3.根據權利要求1所述的纖維增強塑料片材用主動式錨夾具，其特征是傳力片上表面 設置有供加力螺桿插入的限位槽。
4.根據權利要求1所述的纖維增強塑料片材用主動式錨夾具，其特征是在傳力片上部 的加力螺桿上設置有緊固螺帽。
5.根據權利要求1所述的纖維增強塑料片材用主動式錨夾具，其特征是上夾片和下夾 片之間的夾持面做噴砂處理。
全文摘要
纖維增強塑料片材用主動式錨夾具，它包括錨塊和設置于錨塊中的夾片，所述錨塊為內有一通孔的整體，所述夾片是由上下兩片式楔形塊組成的上夾片和下夾片，其特征是在錨塊中夾片的上方設置有上下滑動的傳力片，所述傳力片的頂面是與錨塊適配的平面，傳力片的底面是與上夾片頂面適配的斜面，夾片楔入錨塊中夾緊纖維增強塑料片材后與錨塊和傳力片之間形成的楔形通孔緊配合，在傳力片的上部穿過錨塊設置有加力螺桿。它利用旋緊加力螺桿擠壓傳力片，使夾片與FRP板條完全擠緊，錨夾具在FRP板條受力前即具備一定的夾持能力。隨著FRP板條的受力，夾片有極小量回縮并進一步擠緊，從而實現對FRP板條有效夾持。
文檔編號E04C5/12GK101929221SQ20101010798
公開日2010年12月29日 申請日期2010年2月10日 優先權日2010年2月10日
發明者崔士起, 張文碩, 成勃 申請人:山東省建筑科學研究院