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[摘要]借助有限元参数化设计分析方法，研究构成高强CFRP筋锚具系统的主要参数在不同情况下的基本力学性能，进而设计其锚具体系。
[关键词]高强CFRP筋 锚具 有限元 设计 铜套管
中图分类号：TU528 文献标识码：B 文章编号：1671－7597(2008)0710018－01
一、有限元模型的建立
本文选用直径10mm的高强CFRP筋为研究对象，轴向极限抗拉强度3400MPa，在参考了国内外已有研究和锚具成果的基础上[1]，用ANSYS建立CFRP筋夹片套管型锚具的一个有限元基准模型，根据锚具和荷载的对称特点，有限元模型采用二维轴对称单元进行分析。在有限元分析中夹片与铜管的摩擦系数视为无穷大。锚具的接触分析是一个大应变和大变形分析，整个模型共划分了1460个单元，1294个节点。程序选择（NROPT，AUTO），接触算法采用增强的拉格朗日法[2]。
二、有限元分析
预应力CFRP筋夹片式锚具的影响因素中，锚环锥孔锥角、夹片和锚环之间的锥角差、铜套管厚度、锚具的长度和预紧力的大小尤为重要。因此，本文在有限元分析时分别只变化上述因素中的一个，研究其对锚具系统的影响，并主要通过CFRP筋平面最大剪应力（MPa）（用A表示），CFRP筋接触面最大摩擦应力（MPa）（用B表示），CFRP筋与套管接触面相对最大滑移量（mm）（用C表示），CFRP筋接触面最大压应力（MPa）（用D表示），铜套管与夹片接触面最大压应力（MPa）（用E表示），锚环与夹片接触面最大压应力（MPa）（用F表示）等判断锚具系统的锚固效果。
（一）锚环锥角
由于CFRP筋横向性能较差，为了提高锚固能力，CFRP筋锚具的长度较传统的钢绞线锚具要长而锥角要小，选取锚环锥角分别为1.79°、1.89°、1.99°、2.09°、2.19°进行比较分析计算，见表1。
（二）夹片与锚环之间的锥角差
在钢绞线锚具中，由于夹片和锚环之间没有锥角差，导致夹片在小直径端容易对钢绞线造成“切口效应”[3]。在CFRP筋夹片式锚具体系中，夹片与锚环之间合适的锥角差可以使CFRP筋上的应力分布达到最佳。表2列出了锚具系统在锚环与夹片之间锥角差取0.01°、0.05°、0.07°、0.10°、0.20°五种情况下的基本力学性能。
（三）铜套管厚度
（四）锚具长度
三、高强CFRP筋夹片套管型锚具的设计
CFRP筋夹片套管型锚具的设计思路是使设计的锚具在CFRP筋上产生的接触应力相对均匀和接触应力峰值最小，同时保证锚具系统的锚固性能。CFRP筋与铜套管间的摩擦系数取0.2，夹片与锚环之间的摩擦系数取 0.07，满足锚具自锁和CFRP筋可靠锚固的要求。
高强预应力CFRP筋夹片式锚具的设计分为Ф10筋和Ф8筋两种，图略。高强Ф10mmCFRP筋的锚具长度为100mm，锥角为2.09°，锥角差0.10°，夹片采用三片式。铜套管由普通黄铜片卷成，其内径比CFRP筋的直径稍小，长度略大于夹片长度，加工缝隙小于0.5mm。铜套管厚度采用1.20mm、0.90mm和0.60mm三种规格。
高强Ф8mmCFRP筋的锚具长度为90mm和100mm两种，对于90mm长的锚具，锥角2.09°，锥角差有0.10°、0.20°两种，夹片采用两片式。对于100mm长的锚具，锥角为2.09°，锥角差0.10°，夹片也可采用三片式。铜套管作法与Ф10筋的相同。铜套管厚度采用1.50mm、1.20mm和0.90mm三种规格。
长度90mm的锚具几何尺寸与基准模型相同：柱状锚环外径50.8mm，锚环上口内径24.26mm，锚环锥角2.09度，夹片上口外径25.17mm，按变角度设计，夹片与锚环锥角差为0.1度，套管壁厚1.5mm，套管长度110mm。
CFRP筋夹片式锚具体系中，锚环材料采用45号钢，具有良好的强度和组织均匀性。锚环锥孔内壁光滑，使用时涂一层润滑油，以减小使用时和夹片之间的摩擦。夹片材料采用20CrMnTi钢，表面热处理，夹片内侧做有细牙纹并喷砂，铜套管外侧喷砂，以保证夹片和铜套管之间有足够的摩擦，在张拉过程中不致出现相对滑移。夹片外表面和内侧细牙纹都具有较高的硬度，夹片芯部具有良好的韧性。为了避免预应力CFRP筋发生“切口效应”，在夹片的小直径端设计一个长15cm的小坡度。通过夹片与锚环之间的锥角差、铜套管的过渡作用和夹片小端的小坡度三者的共同作用，使锚具系统发生“应力重分布”，避免CFRP筋在夹片小端发生“切口效应”，使CFRP筋得到较理想的应力分布状态。CFRP筋锚具系统的锚固能力取决于构成锚具系统各要素合理的配合设计，高强CFRP筋锚具产品的定型还需结合实验进一步验证完善。
参考文献：
[1]郭范波、丁汉山，碳纤维预应力筋夹片式锚具的研究及开发[D]：[硕士学位论文].南京：东南大学土木工程学院，2006.
[2]王富耻、张朝辉编著，ANSYS10.0有限元分析理论与工程应用[M].北京：电子工业出版社，2006.5：51-131.
[3]钱锐、茅卫兵.国外对混凝土结构中新型材料 FRP 筋的研究及应用[J].江苏建筑，2001（1）：29-33.
[4]赵有梁、袁华、袁关生，对钢绞线“切口效应”改善的探讨[J].公路，1997（1）：29-31.
[关键词]高强CFRP筋 锚具 有限元 设计 铜套管
中图分类号：TU528 文献标识码：B 文章编号：1671－7597(2008)0710018－01
一、有限元模型的建立
本文选用直径10mm的高强CFRP筋为研究对象，轴向极限抗拉强度3400MPa，在参考了国内外已有研究和锚具成果的基础上[1]，用ANSYS建立CFRP筋夹片套管型锚具的一个有限元基准模型，根据锚具和荷载的对称特点，有限元模型采用二维轴对称单元进行分析。在有限元分析中夹片与铜管的摩擦系数视为无穷大。锚具的接触分析是一个大应变和大变形分析，整个模型共划分了1460个单元，1294个节点。程序选择（NROPT，AUTO），接触算法采用增强的拉格朗日法[2]。
二、有限元分析
预应力CFRP筋夹片式锚具的影响因素中，锚环锥孔锥角、夹片和锚环之间的锥角差、铜套管厚度、锚具的长度和预紧力的大小尤为重要。因此，本文在有限元分析时分别只变化上述因素中的一个，研究其对锚具系统的影响，并主要通过CFRP筋平面最大剪应力（MPa）（用A表示），CFRP筋接触面最大摩擦应力（MPa）（用B表示），CFRP筋与套管接触面相对最大滑移量（mm）（用C表示），CFRP筋接触面最大压应力（MPa）（用D表示），铜套管与夹片接触面最大压应力（MPa）（用E表示），锚环与夹片接触面最大压应力（MPa）（用F表示）等判断锚具系统的锚固效果。
（一）锚环锥角
由于CFRP筋横向性能较差，为了提高锚固能力，CFRP筋锚具的长度较传统的钢绞线锚具要长而锥角要小，选取锚环锥角分别为1.79°、1.89°、1.99°、2.09°、2.19°进行比较分析计算，见表1。
（二）夹片与锚环之间的锥角差
在钢绞线锚具中，由于夹片和锚环之间没有锥角差，导致夹片在小直径端容易对钢绞线造成“切口效应”[3]。在CFRP筋夹片式锚具体系中，夹片与锚环之间合适的锥角差可以使CFRP筋上的应力分布达到最佳。表2列出了锚具系统在锚环与夹片之间锥角差取0.01°、0.05°、0.07°、0.10°、0.20°五种情况下的基本力学性能。
（三）铜套管厚度
（四）锚具长度
三、高强CFRP筋夹片套管型锚具的设计
CFRP筋夹片套管型锚具的设计思路是使设计的锚具在CFRP筋上产生的接触应力相对均匀和接触应力峰值最小，同时保证锚具系统的锚固性能。CFRP筋与铜套管间的摩擦系数取0.2，夹片与锚环之间的摩擦系数取 0.07，满足锚具自锁和CFRP筋可靠锚固的要求。
高强预应力CFRP筋夹片式锚具的设计分为Ф10筋和Ф8筋两种，图略。高强Ф10mmCFRP筋的锚具长度为100mm，锥角为2.09°，锥角差0.10°，夹片采用三片式。铜套管由普通黄铜片卷成，其内径比CFRP筋的直径稍小，长度略大于夹片长度，加工缝隙小于0.5mm。铜套管厚度采用1.20mm、0.90mm和0.60mm三种规格。
高强Ф8mmCFRP筋的锚具长度为90mm和100mm两种，对于90mm长的锚具，锥角2.09°，锥角差有0.10°、0.20°两种，夹片采用两片式。对于100mm长的锚具，锥角为2.09°，锥角差0.10°，夹片也可采用三片式。铜套管作法与Ф10筋的相同。铜套管厚度采用1.50mm、1.20mm和0.90mm三种规格。
长度90mm的锚具几何尺寸与基准模型相同：柱状锚环外径50.8mm，锚环上口内径24.26mm，锚环锥角2.09度，夹片上口外径25.17mm，按变角度设计，夹片与锚环锥角差为0.1度，套管壁厚1.5mm，套管长度110mm。
CFRP筋夹片式锚具体系中，锚环材料采用45号钢，具有良好的强度和组织均匀性。锚环锥孔内壁光滑，使用时涂一层润滑油，以减小使用时和夹片之间的摩擦。夹片材料采用20CrMnTi钢，表面热处理，夹片内侧做有细牙纹并喷砂，铜套管外侧喷砂，以保证夹片和铜套管之间有足够的摩擦，在张拉过程中不致出现相对滑移。夹片外表面和内侧细牙纹都具有较高的硬度，夹片芯部具有良好的韧性。为了避免预应力CFRP筋发生“切口效应”，在夹片的小直径端设计一个长15cm的小坡度。通过夹片与锚环之间的锥角差、铜套管的过渡作用和夹片小端的小坡度三者的共同作用，使锚具系统发生“应力重分布”，避免CFRP筋在夹片小端发生“切口效应”，使CFRP筋得到较理想的应力分布状态。CFRP筋锚具系统的锚固能力取决于构成锚具系统各要素合理的配合设计，高强CFRP筋锚具产品的定型还需结合实验进一步验证完善。
参考文献：
[1]郭范波、丁汉山，碳纤维预应力筋夹片式锚具的研究及开发[D]：[硕士学位论文].南京：东南大学土木工程学院，2006.
[2]王富耻、张朝辉编著，ANSYS10.0有限元分析理论与工程应用[M].北京：电子工业出版社，2006.5：51-131.
[3]钱锐、茅卫兵.国外对混凝土结构中新型材料 FRP 筋的研究及应用[J].江苏建筑，2001（1）：29-33.
[4]赵有梁、袁华、袁关生，对钢绞线“切口效应”改善的探讨[J].公路，1997（1）：29-31.