纤维增强塑料筋锚杆及其应用

第23卷第13期岩石力学与工程学报23(13)：2205～22102004年7月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringJuly，20042002年8月30日收到初稿，2003年1月11日收到修改稿。*国家自然科学基金(50079028)资助项目。作者高丹盈简介：男，40岁，博士，1989年毕业于大连理工大学结构工程专业，现任教授，主要从事纤维增强复合材料方面的研究工作。E-mail：[e-mail]。纤维增强塑料筋锚杆及其应用*高丹盈1朱海堂1谢晶晶2(1郑州大学环境与水利学院郑州450002)(2上海市市政工程设计研究院上海200092)摘要纤维增强塑料(FRP)筋锚杆在岩土工程中的应用是目前国际土木工程领域研究开发的热点。介绍了锚杆材料的发展，讨论了纤维增强塑料筋锚杆的组成、生产工艺和这种锚杆的优点及其工程应用，并对纤维增强塑料筋锚杆锚具的设计问题也进行了简单的讨论。关键词岩土工程，纤维增强塑料筋锚杆，应用分类号TU502文献标识码A文章编号1000-6915(2004)13-2205-06APPLICATIONSOFFIBERREINFORCEDPLASTIC(FRP)BOLTSGaoDanying1，ZhuHaitang1，XieJingjing2(1CollegeofEnvironmentalandHydraulicEngineering，ZhengzhouUniversity，Zhengzhou450002China)(2ShanghaiMunicipalEngineeringDesignInstitute，Shanghai200092China)AbstractTheapplicationsoffiberreinforcedplastic(FRP)boltsinrockandsoilengineeringareahighlightedtopicincivilengineeringresearch.Thematerialdevelopment，constituentcomponentsandmanufactureprocessofFRPboltsarepresented，andtheadvantagesofFRPboltsandtheapplicationofthemtothefieldarediscussed.ThedesignproblemofFRPisalsoanalyzed.Keywordsrockandsoilengineering，fiberreinforcedplastic(FRP)bolt，application1引言在岩土工程中采用锚固技术，能提高岩土体自身的强度和稳定性，缩小结构物尺寸和减轻其自重，显著节约工程材料。锚固技术已经成为提高岩土工程稳定性和解决复杂的岩土工程问题的有效方法之一。随着锚固技术的拓宽和发展，钢锚杆几乎应用于土木建筑领域的各个方面，并且其应用领域正在日益扩大。随着理论研究的深入和工程应用的推广，钢锚杆应用于锚固工程中存在的一些问题也逐步被人们所认识，如钢锚杆的防腐问题，自重大，运输和安装困难等。这些问题在一定程度上制约了钢锚杆的应用，尤其是钢锚杆的腐蚀，不仅影响结构的耐久性，严重时还会出现重大工程事故。纤维增强塑料筋锚杆能够克服钢锚杆的这些不足，其主要特性是：高耐久性材料，无需防腐处理；自重轻，制造、运输、安装容易，施工方便，效率高；构造简单，张拉和重新张拉简单；易适应岩土层变形，使岩土层徐变引起的张拉损失减小；抗电磁性好，可用于磁场和有散乱电流的地方；即使在侵蚀性环境(化学或电腐蚀环境等)中也无需特殊处理；能用光纤传感器监测；可用传统的锚杆装配技术施工。因此，纤维增强塑料筋锚杆为锚固技术在岩土工程中的应用开辟了更为广阔的前景。•2206•岩石力学与工程学报2004年2锚杆材料的发展锚杆的拉杆是将来自锚头的拉力传递给锚固体，是锚杆重要的部件之一。因此，实际工程中，对拉杆的材料有特殊的要求。例如，衡量拉杆材料性能指标主要有强度、延展性、松弛性、弹性模量和抗腐蚀性等。理想的拉杆材料应具有高强度、良好的抗腐蚀性、低松弛等性能。2.1钢锚杆在目前的岩土工程中，通常采用抗拉强度高的钢材作为拉杆，如钢绞线、高强度钢丝或高强度螺纹钢筋等。当预应力较小(＜500kN)、长度不大(＜20m)时，拉杆通常采用Ⅱ级或Ⅲ级钢筋。在大预应力(≥500kN)、长锚杆(≥20m)或地层徐变较大时，宜采用钢绞线作为拉杆。低质钢材通常只适用于制作使用寿命不长的短锚杆或不要求使用预应力的临时锚杆。使用钢材作为拉杆的锚固工程的主要问题是钢拉杆的腐蚀引起的。影响钢拉杆腐蚀的因素，除自身的物理化学性质、地下水和地层的水化和电学性质外，地层的化学成分对腐蚀的形成和发展具有重大的影响。特别当地层中存在钠盐、钙盐和镁盐(一般酸性的碳酸盐、硫酸盐、氯盐)时，由于这些盐的可溶性高，易于被地层中的水分解，为锚固工程中应用的钢锚杆(如钢绞线、高强钢丝或高强螺纹钢筋)与周围介质之间提供了极有利于电化学反应的环境，使传统的钢锚杆易于腐蚀。所以，对锚固工程中应用的钢锚杆特别是永久性钢锚杆，必须进行防腐设计，并采取适当的防腐措施。例如，对腐蚀环境中的永久性钢锚杆，其锚固段内的杆体宜用波纹管外套，管内空隙用环氧树脂、水泥浆或水泥砂浆充填，管套周围保护层厚度一般在10m以上；自由段内杆体表面宜涂润滑油或防腐漆，然后包裹塑料布，在塑料布上再涂润滑油或防腐漆，昀后装入塑料套管中，形成双层防腐。由此可见，钢锚杆的防腐保护使锚固工程工作量大、耗材多、施工复杂。另外，钢锚杆重量大，制造、运输和安装困难。因此，研究和开发轻质高强、耐腐蚀、低松弛的新型锚杆代替钢锚杆，将具有重要的理论意义、实用价值和经济效益。2.2纤维增强塑料筋锚杆近年来，在欧洲、北美、日本等发达国家，开始用纤维增强塑料筋取代建筑钢筋，试图从根本上解决由钢筋腐蚀所引起的土木工程的耐久性问题。以英国为首的欧洲诸国于1996年成立了研究纤维增强塑料筋的联合攻关组织，同时设立了研究该材料的重大欧共体合作研究项目(简称EUROCRETE)，并投入了雄厚的人力、物力。该项目的目的是研制适宜的纤维增强塑料筋以及制定相应的纤维增强塑料筋用于土木工程的试验方法标准和设计施工规程。在北美，加拿大在1995年成立了专门研究纤维增强塑料筋的专家委员会(简称ISIS)。1997和1998年加拿大政府投入3000多万加元用于开发新型的纤维增强塑料筋及其用于混凝土结构、地下工程、锚固工程以及桥梁工程的研究。美国也成立了相应的专业委员会(ACICommittee440)，目前正在编制纤维增强塑料筋及其混凝土结构的试验方法标准和设计施工规程。日本的研究集中在纤维增强塑料筋、板及网产品的研制、试验方法以及应用于混凝土构件、地下工程的设计方法等，在此基础上，1997年日本的JSCE提出了连续纤维材料(筋、薄板和网)增强混凝土结构的设计和施工建议。在我国，纤维增强塑料筋及其应用研究正在起步。纤维增强塑料筋锚杆是以纤维增强塑料筋为拉杆、以与纤维增强塑料筋受力特性相适应的粘结型传力锚具为锚头的一种新型锚杆，这种锚杆的拉杆以纤维为增强材料，以合成树脂为基体材料，并掺入适量辅助剂(如交联单体、引发剂、促进剂、蚀变剂、阻燃剂、阴聚剂、填料、颜料等)，经拉挤成型和必要的表面处理形成的一种新型复合材料。它具有优良的抗腐蚀性能，耐久性好；抗拉强度高(等于甚至高于预应力钢筋)；自重轻，只有预应力钢筋的15%～20%；低松弛性，荷载损失较小；抗疲劳特性优良；对电磁场不敏感。由于岩土锚杆是一轴向受拉杆件，因此，纤维增强塑料筋作为拉杆，其高轴向抗拉强度可以得到较充分发挥，高抗腐蚀能力使锚杆更耐久，并且不需做防腐处理，也使其制造更为简单。放置纤维增强塑料筋锚杆只需较小的孔径就足够了，这就节省了制造和钻孔的费用，且运输、加工、安装变得更容易、更高效，特别在进出场地受到限制的工程中，象水坝和地基的施工，这种优势更加突出。纤维增强塑料筋的抗电磁特性可使其应用在一些特殊的场合，如电厂、电气化路轨等附近有散乱电流的地方。与钢筋相比，纤维增强塑料筋的弹性模量较低，这能使因徐变和锚固系统第23卷第13期高丹盈等.纤维增强塑料筋锚杆及其应用•2207·及地层的松弛引起的荷载损失降低。因此，用纤维增强塑料筋制作锚杆代替钢锚杆具有不需要防腐保护，结构简单，重量轻，易于制造、运输和安装，预应力损失小等优点。3纤维增强塑料筋拉杆的组成与生产工艺在纤维增强塑料筋拉杆中使用的纤维有有机纤维和无机纤维两种，它们的抗拉强度和弹性模量都较基体高，是纤维塑料筋中的承载成份。基体是粘结成份，用来把纤维粘结约束在一起，也起保护纤维、维持纤维塑料筋尺寸稳定的作用。在纤维增强塑料筋中，常用的纤维有玻璃(Glass)纤维、聚芳基酰胺(Aramid)纤维、碳(Carbon)纤维；常用的基体材料有不饱和聚酯树酯、环氧树脂、乙烯基酯树脂。由于所用纤维和基体的材料性能、纤维含量、纤维断面和表面构造的不同，纤维增强塑料筋有不同的物理力学性能。纤维增强塑料筋的类型包括编织型、绳索型、拉挤型等。编织型是利用编织机将纤维束浸胶后编织成辫子状经固化而成；绳索型纤维增强塑料索是将纤维束浸胶，经制绳工艺制成绳索状固化而成；拉挤型是将纤维束浸胶后通过热成型模在一定张力下拉挤成型，具有作业速度快、质量控制好、生产成本低等特点，是制造建筑工业用纤维增强塑料材料的普遍方法，欧美等国大多数公司都用这种方法生产纤维增强塑料筋。实现拉挤成型(Pultrusion)工艺的设备是拉挤机，主要由送纱装置、浸渍装置、成型模具和固化装置、牵引装置、切割装置等5部分组成，对应的工艺过程分别是排纱、浸渍、成型与固化、牵引、切割。其工艺特点是连续纤维浸渍树脂后，通过具有一定截面形状的模具成型并固化，即纤维粗纱在传递系统的牵引下通过含有树脂基体、催化剂(或硬化剂)和其他添加剂的浸胶槽并在其中浸润，当浸润过的粗纱进入长度一般为0.9～1.3m的模具时，多余的树脂被排出并返回浸胶槽。该工艺加工的制品的横断面一定，长度可由建造和运输要求控制。拉挤成型制品包括各种棒材、板材、空心管材或型材。在混凝土结构中，用于代替钢筋增强混凝土的纤维增强塑料筋材有玻璃纤维增强塑料筋、碳纤维增强塑料筋和芳纶纤维增强塑料筋。代替钢板加固混凝土结构的纤维增强塑料板材是由纤维拉挤成型工艺结合二次加工制作的。为了提高筋材与混凝土的粘结性能，常采用以下方法对拉挤筋材进行二次表面加工[1]：(1)筋材固化前在筋上螺旋形缠绕纤维束；(2)在筋材上用纤维编织带子，形成凹凸；(3)在筋材表面覆以粒状物或短纤维；(4)让筋材通过具有凹凸内表面的模头，形成凹凸；(5)用机械法直接对筋材外表面进行加工，或用牵引链在表面压制波纹。4纤维增强塑料筋锚杆锚具的设计实际岩土工程中的锚杆除了传递拉力外，还承受横向压力、面内剪力。与钢锚杆相比，这种多轴应力状态对纤维增强塑料筋锚杆更加重要，这是因为纤维增强塑料筋锚杆对压力、剪力及筋表面的变形(如压痕、凸肋、螺纹等)效应更加敏感。纤维增强塑料筋锚杆的抗压强度及层间剪切强度与其抗拉强度之比很低，对现有的锚固技术来说，这是对纤维增强塑料筋锚杆应用于岩土工程的极大挑战。传统的钢筋锚固系统设计(如钢楔块锚固系统)，对纤维增强塑料筋锚杆锚固系统来说，并不能确保荷载的有效传递，且有可能因为纤维增强塑料筋拉杆的横向剪切性能差而在锚固系统区域过早地失效。因此，纤维增强塑料筋锚杆的设计还必须设计出适用于纤维增强塑料筋锚杆特点的锚固系统(见图1)，包括锚头的粘结型传力锚具和锚具与纤维增强塑料筋粘结的粘结剂。衡量锚固系统有效性的指标为其效率比，即纤维增强塑料筋锚固系统的抗拉强度与纤维增强塑料筋抗拉强度的比值。无论选择哪种类型的锚固系统，纤维增强塑料筋锚固系统必须满足下列要求：(1)不影响纤维增强塑料筋的短期抗拉强度和疲劳强度；(2)长期荷载下纤维增强塑料筋锚固系统的断裂强度不应比纤维增强塑料筋断裂强度低太