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方法文章

提高纤维增强聚合物钉锚质量控制的安装方法

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DOI：

10.3791/56886

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2018年4月10日

 ,  , 
1Technical University of Madrid

本文内容

摘要

本文介绍了一种用于控制剪切销钉锚栓安装质量的方法，该锚栓旨在延缓外贴纤维增强聚合物的分层。本方案包括钻孔准备和插入过程。文中讨论了影响锚栓效率的最关键参数。

摘要

纤维增强聚合物（FRP）锚具是一种有前景的技术，可提高应用于既有结构的外贴FRP的性能，因其能够延缓甚至防止剥离破坏。然而，设计人员面临的一个主要问题是锚具因应力集中而导致的过早破坏。清孔质量差和钻孔准备不当可能引起应力集中，从而导致此类过早破坏。本文介绍一种旨在减小应力集中影响并实现钻孔制备过程有效质量控制的安装方法。该方法包括三个部分：钻孔与清孔、使用定制钻头对孔边缘进行修整，以及锚具本身的安装，包括锚杆的浸渍和插入。随后将锚具扇片（钉刺的自由段）粘贴至外部FRP加固层上。对于端部锚固，且在多层加固的情况下，建议将锚具扇片插入两层之间，以促进应力传递机制。

该建议的施工流程辅以一种基于大量数据库的钉形锚固件设计方法。建议设计过程遵循若干步骤，即：选择锚固件直径及连接件的相应抗拉强度（即锚固件在自由端展开前的抗拉强度）、评估因弯曲导致的抗拉强度折减、提供足够的埋入深度以防止滑移破坏，以及针对特定的加固材料考虑锚固件的数量和间距。需要指出的是，为进一步获得钉形锚固件对FRP加固材料整体粘结强度贡献的通用表达式，仍需开展深入研究。

引言

FRP 锚具为提升现有结构外贴 FRP 的性能提供了一种有前景的方法，因为它可以延缓甚至防止剥离破坏1,2。然而，设计人员主要担忧的问题是锚具在弯曲区域因应力集中而在剪切作用下发生过早破坏。安装质量以及预留孔的加工精度对于限制引发此类过早破坏的应力集中至关重要。

本文介绍一种安装方法，旨在减小应力集中的影响，并对钻孔制备和锚杆安装过程提供适当的质量控制。该方法包括四个部分：钻孔并清理孔洞，使用定制钻头修整孔边缘以避免弯曲区域内的应力分布不均，锚杆本身的安装（包括锚杆的浸渍及其插入），以及将锚杆粘结到加固材料上。

根据先前已发表的研究3,4,5,6,7，可以得出结论：带有弯曲区域的钉状锚栓（即自由端与嵌入区域之间存在一定角度）会发生应力集中，容易导致过早失效。由于原始构件的几何形状限制，这种情况并不总是能够避免。在许多情况下，广泛采用90°的销钉角度，尽管普遍认为135°的销钉角度能够降低应力集中，从而提高钉状锚栓的性能。采用90°销钉角度的主要原因是其在任何方向上均更易于施工和控制，并且可减少与内部钢筋相碰的可能性。

图1展示了一种典型的钉锚结构及其最常见的销钉角度。然而，若能有效控制应力集中，即使采用90°销钉角度安装的钉锚也能表现出相对良好的性能。限制应力集中通常需要设计较大的内弯半径，因为研究发现内弯半径在纤维屈曲中起着重要作用8,9。在此基础上，Orton et al.3等作者建议，弯折半径应为锚杆直径的四倍。但这一建议会导致弯折半径在实际应用中难以实现，即使对于较小的锚杆直径也是如此，因为增大弯折半径意味着在给定钻孔深度下会减少实际的有效锚固长度。

作者认为，从几何角度来看，推荐采用大弯曲半径与手工修整时难以控制实际内侧弯曲半径的困难有关。因此设计了一种定制的钻头，可方便地对安装质量进行控制，并确保在设计中考虑了弯曲半径。

本文考虑了两种不同的过程。第一种涉及连接器（特别是展开自由端之前）的安装程序，而第二种则包括使用 spike 锚栓进行设计的建议方法以及相应的验证需求。

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方案

1. 锚点安装方法

注意：该方法包括钻孔、清洁孔边缘并使其平滑，以及锚固剂的浸渍和锚栓的插入。

  1. 钻孔至所需的埋置深度，并确保孔径符合规定。
    1. 使用合适的钻孔工具（例如电锤或金刚石取芯钻头）。对于混凝土结构，钻孔工具的选择标准与粘结锚栓相同，可参考已发表的研究10,11。使用电锤时，钻孔转速不得超过800 rpm。
      1. 应保证钻孔间隙（即钻头直径与连接件直径之差）不小于4 mm，建议该间隙为8–10 mm。这有助于孔壁的修整，并允许锚杆在钻孔内弯曲。
        ​注意：商用纤维绳在浸渍后的公称直径通常为10至12 mm。视频协议中展示的锚杆所用纤维绳的公称直径为12 mm。
  2. 控制埋置长度并修整孔壁。长度控制极为重要，因为锚杆性能对长度极为敏感。建议埋置长度范围为75至150 mm。
    1. 进行长度控制时，将一根刚性杆插入钻孔中，用卷尺测量该杆的总长度以及插入后外露部分的长度，通过比较两者来确定埋深。
    2. 钻孔完成后，使用手动吹气泵进行首次清尘。请遵循吹气泵制造商的操作说明。首次清尘至少应吹气两次。
    3. 使用旋转式非冲击工具修整孔壁。定制钻头的详细结构见图2。所建议的钻头可轻松适配大多数电锤。作业过程中需持续用水对基材进行冷却。当孔壁无明显锐边，且钻头顶部与混凝土表面接触时，修整完成。
  3. 通过吹气与刷洗交替的方式清洁孔洞，这对实现最高粘结强度至关重要。FRP销钉和粘结锚栓的清洁流程相似。建议至少进行两次清洁循环。有关清洁过程的更多建议，请参考现有指南10；若使用其他清洁工具，应始终遵循制造商的建议。
    1. 刷洗前后均需进行吹气。因此，每一次机械刷洗循环包括两次吹气和一次刷洗。
    2. 应从孔内向外吹气，以清除钻孔中的松散颗粒。吹气方式有两种：若锚杆安装于干燥混凝土上，可使用手动吹气泵；若安装于潮湿混凝土上，则必须使用压缩空气（最大压力为10 bar）。
      ​注意：本协议基于干燥基材开发，但也可适应潮湿条件。需注意的是，修整过程涉及对基材的润湿，因此最终湿度取决于环境条件以及修整完成至连接件插入之间的时间间隔。“干燥基材”定义为相对湿度低于5%，通常对应数天的自然干燥状态。对于既有混凝土结构，若孔边缘修整完成24小时后才插入锚杆，则可视为干燥状态；而“潮湿状态”指相对湿度接近100%，通常对应海洋环境结构。
    3. 使用钢丝刷对孔壁进行径向刷洗。刷子直径应等于或最多比钻头直径大20 mm。应尽可能选择与孔径相近的刷子，以确保孔截面各处摩擦均匀。
    4. 清洁完成后应立即安装锚杆。若无法立即安装（即清洁后1小时内未插入锚杆），则在插入前需再进行一次清洁循环。此步骤对水平锚杆及基材顶面所钻孔尤为重要。
  4. 准备并安装锚杆。该过程包含三个不同步骤。
    1. 将纤维束或绳索裁剪至所需长度。锚杆总长度应等于埋置长度（或销杆长度）加上锚扇部分的长度。
    2. 使用软毛刷将低粘度环氧底涂树脂浸渍到锚杆段。务必遵守制造商规定的树脂适用期（pot-life）。每个锚杆约需150 g树脂。浸渍时需将纤维束部分展开成扇形，以最大化树脂渗透效果。
      1. 浸渍时应始终从连接件末端开始，以避免纤维弯曲。操作时应固定弯曲区域，防止部分纤维从束中滑出，并避免在此步骤中使自由端过早展开。
    3. 浸渍完成后，立即用扎带固定浸渍端。随后插入锚杆段。可借助一根导线推动扎带，确保纤维完全达到规定的埋置深度。
  5. 将加固材料与锚杆连接，以确保荷载有效传递至连接件。本协议针对多层外贴FRP加固材料的端部锚固进行开发和说明。该过程的图示说明见图3。
    1. 如图3所示，在插入锚杆前（但必须在完成钻孔准备与清洁之后）铺设第一层加固材料。或者，也可使用比锚扇上粘贴层更短的第一层，以便在铺设第一层加固材料前先插入锚杆。
    2. 当预期可能发生端板剥离（或分层）时，应提供端部锚固。对于外贴加固材料的湿法施工，必须根据现行标准或指南12,13对基材表面进行预处理。
      ​注意：锚扇应与加固材料完全粘结，因为该粘结界面将承担应力传递功能。对于由多层构成且需端部锚固的FRP加固材料，建议将锚扇安装于两层之间。这可避免锚杆穿透层压板，从而防止对加固材料造成损伤。目前文献中尚未确定最小锚扇长度，作者建议锚扇长度不应小于50 mm。
    3. 在外部FRP加固材料和锚扇上均涂布环氧树脂。可使用滚筒或刷子进行涂布。用于粘结外部FRP加固材料与基材、以及锚扇与外部加固材料的树脂应为同一种。务必遵循制造商规定的树脂适用期。
      1. 在每层（包括锚扇层）浸渍后，使用消泡滚筒排除加固层间的气泡，防止空隙产生。
        NOTE: For the development of the protocol, a resin with a pot life of 90 min at 20 °C was employed.

2. 使用棘突锚点进行设计

注意：此处以风扇锚栓为例说明设计方法，但类似步骤也可适用于其他类型的锚固装置。该方法包括评估锚栓承载力、粘结强度以及锚栓对加固构件整体强度的贡献。

  1. 评估锚固件的承载能力。这主要取决于锚固件承受的是拉力还是剪切力。在大多数情况下，当销钉角度小于180°（剪切应用）时，由于弯曲区域的应力集中，销钉角度将限制连接件的有效性。通过遵循上述安装方法来控制弯曲强度。
    1. 将锚固件承载能力表示为其抗拉强度的一部分。锚固件的设计承载能力应为以下各项中的最小值：混凝土锥体强度、粘结强度（按混凝土中任何后安装锚固件的计算方法计算10）、弯曲强度和抗拉强度，并计入安全系数。由此得到锚固件的设计承载能力（）。Villanueva Llauradó et al.14 讨论了钉状锚固件所有可预见破坏模式的表达式。
    2. 使用 Kim 和 Smith15 提出的类似表达式估算混凝土锥体强度，以防止发生混凝土锥体破坏。混凝土锥体强度仅对极浅的锚固件具有关键影响，通常情况下，对于埋置深度大于75 mm的锚固件可忽略不计。
    3. 计算锚固销钉的粘结强度。可依据规范和设计指南中关于后安装锚固件的一般表达式进行计算。根据这些表达式，粘结强度取决于以下因素：混凝土的抗拉强度、钻孔直径和埋置长度15,16。当使用环氧树脂时，建议采用混凝土-树脂界面平均抗剪强度在8至15 MPa之间的取值。
    4. 估算因弯曲引起的强度折减。这主要取决于内侧弯曲半径，可依据 JSCE8 提供的表达式进行计算，该表达式已被广泛用于内部FRP钢筋。然而，建议对独立锚固件进行补充试验，以评估特定几何构型下连接件的实际建成强度。此类试验应通过剪切试验进行，并按照本文提出的安装程序安装锚固件。
    5. 根据连接件横截面中纤维所占比例及纤维的抗拉强度，计算锚固件的抗拉强度。对于纤维绳，制造商通常会规定浸渍后连接件的抗拉强度，设计时可采用该值并乘以足够的折减系数（1.25至1.5）。对于手工制作锚固件的纤维束，应按照ASTM标准17进行平板试件试验。
  2. 采用国际规范或分析模型（如参考文献18,19中提供的模型）中的任意表达式，计算无锚固加固件的粘结强度。或者，可对粘结但无锚固的试件进行单剪或双剪试验。后续计算中必须使用粘结强度的设计值（Pdb,d）。
  3. 对于带有一个锚固件的加固件，将其整体强度估算为加固件粘结强度与锚固件承载能力之和。根据现有数据，当锚固扇形区域完全覆盖FRP宽度时，该假设可被接受，这与研究人员比较粘结与非粘结锚固试件性能所得结论一致20,21。使用以下公式计算带一个钉状锚固件的锚固FRP设计强度：
       Pd = Pdb,d + Panc,d   (1)
  4. 对于多个锚固件，需根据锚固件布置方式（层数和排数、锚固件间距）确定锚固件的效率及其贡献。请测试所需的布置方式，以评估因多个锚固件导致的效率降低，并按下式表示锚固节点的设计强度（Pd）：
      Pd = Pdb,d + y' • n • Panc,d   (2)
    根据项目中特定锚固件布置的实际试验结果获取系数 y'，具体取决于钉状锚固件的数量，如参考文献20,23 所述。作为试验的替代方案，可参考这些出版物中报道的试验结果所建议的效率值 y'20,23。

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结果

对分离的连接件进行测试，以评估平滑方法的有效性。此外，比较了两种连接件的浸渍与插入方法。湿法是在插入前立即浸渍锚固件，如本方案所述。硬化法（或预浸渍法）则是在插入前至少24小时预先对锚固件的嵌入区域进行浸渍。

根据所提出的方法进行的测试表明，与相同埋入长度和孔径的未抛光试样相比，平均强度提高了27 MPa。值得注意的是标准差方面的差异：采用该方法处理的抛光试样标准差仅为10.9 MPa，而相同构型的未抛光试样标准差则为88.2 MPa。需要指出的是，在任何测试中均未达到所用碳纤维绳的抗拉强度，因为所有锚固试样均因发生剪切破坏而提前失效。

两种浸渍与安装方法在极限荷载方面差异不大，但在数据离散性方面存在显著差异。这与质量控制的相对难易程度有关，而质量控制对钉形锚固件尤为关键。需要注意的是，FRP锚固件的操作需要熟练工人。然而，由于硬化...

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讨论

本文介绍了一种用于安装和设计纤维增强复合材料（FRP） spike anchors 的分步操作方案。据作者所知，目前尚无关于安装参数及安装过程对锚固承载力影响的 spike anchors 详细操作规程。

所提出的修整钻头通过降低应力集中，有助于提高倒刺锚杆的性能，并已证明其在减少单个锚杆试验数据离散性方面具有显著效果。这与安装过程中质量控制的提升密切相关。此外，按照建议的安装规程施工的锚杆表现出较低的数据离散性，从而可减小标准差，有助于实现更可靠的设计。

关于所呈现的测试结果，在极限载荷方面，预浸渍安装与湿法安装之间没有显著差异。然而，针对所提出的方案，建议在插入锚固销钉之前立即进行浸渍，以确保弯曲区域得到充分浸渍。此外，这可以防止因弯曲区域中树脂固化而导致的脆性破坏。如果采用预浸渍安装，则必须确保已固化部分的长度短于锚固销钉的直腿部分。在测试条件下，插入后对弯曲区域实现充分浸渍较为困难。但应注意，当连接器的分叉区域被展开时，这一问题会有所减轻。

定制钻头的主要缺点是其...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者谨向Sika SAU表示感谢，感谢他们的支持，特别是为锚栓和加固材料提供的物资。特别感谢Betazul在定制钻头以及视频制作过程中提供的帮助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
混凝土用于支撑的混凝土由作者配制，强度等级不低于C40
SikaWrap anchor CSIKA该材料用于FRP spike锚栓。SikaWrap Anchor C是一种单向碳纤维绳，外覆弹性纱布。该纱布可在现场切割，形成扇形端部，用于锚固在砌体和混凝土结构加固中使用的CFRP布材和板材。 
Sikadur 330SIKA浸渍树脂，适用于手工浸渍方法。该产品用于在插入前对锚固销进行浸渍处理
Sikadur 30SIKA触变性双组分环氧树脂，可用刮刀涂抹，因此几乎适用于任何施工场合，包括顶面施工
钻头Betazul用于修整孔洞的钻头，由作者设计并由Betazul SA公司开发
电锤钻Hilti用于在砌体和混凝土上钻设锚固孔的工具，适用于不同钻孔范围
钢丝刷HiltiHit系列用于对不同直径和埋置深度的钻孔进行适当清理
吹气泵HiltiHit系列手动吹气泵 
SikaWrap-230 CSIKA用于干法施工的单向编织碳纤维布
铝制气泡滚压辊Fibre glast适用于需要施加较高压力以排除气泡的层压操作。其辊面宽度方向平直，可为几乎所有应用提供优良的排气效果
刷子用于FRP束材和片材的浸渍
600 kN试验机ProetiDI-CP/S用于锚固件的抗剪试验，以评估所提出插入方法的有效性
扎带需要使用扎带来固定锚固销的末端，以防止纤维在插入过程中散开
卷尺卷尺用于控制埋置长度以及钻头直径和孔径间隙
钢丝辅助插入操作所需
刚性（钢制）杆需要一根任何材质的刚性杆（本例中使用钢杆）来控制埋置长度

参考文献

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