第1章 绪论
1.1 CFRP 复合材料性能与应用现状
1.1.1 CFRP 复合材料性能简介
碳纤维增强聚合物（CFRP）筋是以多股连续碳纤维为增强材料，以热固性树脂为基体材料，并掺加辅助剂，通过固定截面形状的模具挤压、拉拔快速化成型和必要的表面处理所形成的一种新型复合材料[1]。CFRP 筋自身性能突出，轻质高强、不易被腐蚀、抗疲劳等。此外，具有较高电阻与较低的磁感应等特点。CFRP 筋在预应力大跨度结构体系中的应用前景得到了工程界的广泛认可。但也存在抗剪强度低、弹性模量低、热稳定性差等缺点。
1.1.2 CFRP 复合材料应用现状
CFRP 材料最初主要应用于航空航天、军事等领域，后逐渐应用于建筑工程中。CFRP材料目前在土木工程中主要应用于既有结构的加固补强以及在建大跨度结构中的设计应用。CFRP 材料主要分为片材和筋材，片材主要分为碳纤维板和碳纤维布，目前主要是经树脂浸润后贴在结构的表面对结构进行加固。CFRP 筋主要用于大跨度结构中替代钢筋或预应力筋，在大跨索支撑结构、张拉结构和悬索结构中用作拉索，也可在加固工程中用作嵌入筋。
基于 CFRP 筋材综合性能优异，故早在 20 世纪 90 年代一些发达国家就展开了对于CFRP 筋在工程实际中的应用研究。之后其他国家相继对 CFRP 筋材的工程应用进行探索。
世界上首座 CFRP 拉索结构坐落在日本茨城建成于 1996 年 3 月。这座 Tsukuba 桥是全 FRP 筋结构。这座桥是一座三跨步行桥，主跨 11 米，两侧边跨各 4.5 米。桥塔由GFRP 制成，桥面由 GFRP 制成并由 CFRP 薄片加固而成，24 根斜拉索均由 CFRP 筋构成[6]。
1.2 CFRP 筋的锚具分类与研究现状
近期国内外跨海桥梁迅猛发展，斜拉桥受到很多工程师的青睐。但由于海上环境长期潮湿且海水成分复杂具有腐蚀性，普通钢索与钢绞线的服役寿命大幅缩短。CFRP 筋具有轻质高强、耐腐蚀抗疲劳等优异性能，故被广泛用于替代普通钢索或钢绞线。但由于 CFRP 筋的性能具有各向异性，其横向性能是制约锚具锚固效果的关键因素，所以研制出适合 CFRP 筋的锚具具有重要意义。
1.2.1 CFRP 筋锚具的分类
目前较常见的 CFRP 筋锚具包括：粘结式、夹片式以及复合式锚具，典型的结构形式如图 1.2 所示[7]。
其中粘结式锚具和夹片式锚具各有自己的优缺点：粘结式锚具的环向压应力小，避免了筋材夹伤破坏；夹片式锚具结构简单，组装方便。但两者均具有局限性：粘结式锚具因锚固性能要求，其锚固体积一般比较大。粘结长度大则灌胶工艺复杂对粘结介质的性能要求较高，且群锚中不能单根换筋；夹片式锚具中锚具滑移量较大，夹片易损伤筋材，夹片切口处易发生应力集中。而复合式锚具可以兼具两者的优点，避开他们的不足。
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第 2 章 粘结式锚具锚固机理与疲劳损伤理论
2.1 粘结式锚具的应力分布与优化
2.1.1 应力分布模型
锚固区合理的应力分布对粘结式锚具的锚固性能有着至关重要的影响，故研究锚固区的应力分布对优化锚具设计很有帮助。目前常见的三种主要的粘结式锚具形式如图2.1 所示：
1）内锥角不变的锚具(ACC)；
2）内锥段+直线段组成的锚具(ACS)；
3）直线段Ⅰ+内锥段+直线段Ⅱ组成的锚具(ASCS)。
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2.2 粘结式锚具的疲劳性能研究
在 CFRP 筋锚具的开发与应用中，锚具的抗疲劳特性及其疲劳寿命预测是不可忽视的方面。本节通过在不同应力比加载条件下，对两种 CFRP 筋粘结式锚具进行恒幅疲劳试验，并借助背部应变片技术研究不同疲劳应力比对于粘结式锚具疲劳响应的影响；基于 Goodman 方程建立了恒幅疲劳荷载下粘结式锚具疲劳损伤预测模型。通过试验数据与数值模型相结合的分析手段来研究应力比对粘结式锚具疲劳响应的影响。
2.2.1 疲劳试验
1）材料及其力学性能
筋材选用直径 8mm 压纹型 CFRP 筋；钢套筒选用 45 号钢、长度为 200mm，内锥角 4°，筋材和套筒的力学性能列于表 2.2。粘结介质采用 Lica-300A/B 植筋胶和石英砂以 2.5 和 2.2 两种配比（本节将这两种不同粘结介质的试件分别称为锚具Ⅰ和锚具Ⅱ）。电阻应变片采用 BX120-3AA 型号，电阻 120Ω，灵敏系数为 2.18。
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第 3 章 复合式锚具的锚固机理与疲劳损伤理论 ................................... 38
3.1 复合式锚具的锚固机理 ........................................ 38
3.2 复合式锚具的疲劳损伤理论 ................................. 42
第 4 章 复合式锚具试验与结果分析 ....................................... 55
4.1 复合式锚具静载及疲劳试验 ........................................... 55
4.1.1 试验材料与试件的制作养护 ..................................... 55
4.1.2 试验材料的选定及试验结果分析 ................................... 56
第 5 章 结论与展望 ....................................... 74
5.1 主要研究结论 ............................ 74
5.2 研究展望 ........................... 75
第 4 章 复合式锚具试验与结果分析
4.1 复合式锚具静载及疲劳试验
4.1.1 试验材料与试件的制作养护
为了对 CFRP 筋锚具进行静载拉伸试验以及疲劳加载试验，制作多根试件。复合式锚具包括锚环、夹片、金属套筒、粘结介质、CFRP 筋。
4.1.1.1 试验材料与试件设计
试件中筋材选用直径 8mm 压纹型 CFRP 筋（其力学参数见表 4.1）；钢套筒选用 45号钢、长度为 200mm，复合式锚具中套筒厚 3mm 且无内锥角。粘结介质采用 Lica-300A/B植筋胶和石英砂以 2.5：1 的比例配比而成。粘结介质起到填充和传递荷载的作用，是决定锚具性能的关键因素之一。采用与粘结式锚具试验中的相同型号的电阻应变片。
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第 5 章 结论与展望
5.1 主要研究结论
对锚具进行静载及疲劳分析后得出如下结论：
1）粘结式锚具在疲劳过程中的背面应变变化状态能较好地反映锚具内部的疲劳损伤状况，说明试验中采用的背面粘贴应变片法是一种适用于粘结式锚具的简便高效的无损检测手段。粘结式锚具的疲劳损伤预测模型是否具有普适性需要进一步的研究。
2）对于复合式锚具，无论是干燥还是湿润状态试件其应力比与系统滑移值均呈正相关变化。当复合式锚具试件应力比相同时，湿润状态试件的系统滑移值均比干燥状态试件的要大。跨海大桥常年处于潮湿环境中，水分吸收对锚具性能的影响不可避免，所以做好桥索等的防潮措施具有重大现实意义。
3）同样的干湿状态下，应力比增大时锚具的温度上升值较小。当应力比偏大（>0.5）时,试件温度上升趋势较平缓、具有较强的线性特性且上升值较小；而当应力比偏小（<0.5）时,系统温度曲线多数呈锯齿状、没有明显的线性特征且温度相对升高较多。
4）相同频率且试件均为干燥状态时，应力比增大轴向应变相应的减小，且应变变化均具有明显的三个增长阶段，这与粘结式锚具的干燥状态试件应变变化趋势完全一致。而当试件处于湿润状态时其应力比与轴向应变变化呈正相关，但其增长过程整体平缓没有明显的阶段区分。
5）当频率与应力比不变时，湿度对锚具温度上升具有明显影响且湿润状态试件比干燥状态试件滑移值大。锚具长期处于潮湿环境中会导致裂纹扩展变得容易，降低界面的粘结强度，影响锚具的整体寿命。
6）当应力比和干湿状态相同时，加载频率越大复合式锚具的温度上升越快，温度增量曲线越容易偏离线性特征。在加载过程中拉-拉荷载是对称施加在锚具的两端，不会由于两端受力不一致导致某一端提前达到疲劳寿命。
7）疲劳加载后由于内部损伤的存在导致抗拉极限不同程度的降低，疲劳试验后的抗拉极限均比疲劳试验前的有所降低。湿润状态试件疲劳加载后抗拉极限占疲劳加载前抗拉极限的百分比要比干燥状态试件的百分比低，说明湿度对锚具的疲劳性能具有一定的影响。
参考文献（略）