一种适用于FRP板的变曲率夹持式锚具及设计方法

一种适用于frp板的变曲率夹持式锚具及设计方法
技术领域
1.本发明涉及土木工程和复合材料技术领域，特别是指一种适用于frp板的变曲率夹持式锚具及设计方法。


背景技术：

2.frp（fiber reinforced polymer，纤维增强塑料）具有轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳性能优异等特点，已经被广泛应用于结构增强或加固维修。然而，frp是一种各向异性材料，具有较低的横向抗压强度和抗剪强度（约为纵向抗拉强度的1/20—1/10），容易引起锚固失效而提前破坏，导致其高抗拉强度的特性不能被充分发挥。
3.frp板因其具有更大的比表面积、弯折性能更好、更容易通过控制锚具外形而改善应力分布等优势，被逐渐用于桥梁加固、体外预应力和空间结构。但是，现有的适用于frp板的锚具只能锚固单层或者少量层数的frp板，不适用于锚固大吨位frp板索。且现有的锚具存在着应力分布不均匀、锚固长度较长、制作安装复杂等问题。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种适用于frp板的变曲率夹持式锚具及设计方法，现有的frp板夹持式锚具有以下问题，现有的frp板锚具只能锚固单层或者少量层数的frp板，不适用于锚固大吨位frp板索；锚具内应力分布不均匀，锚具加载端存在应力集中，锚固长度较长，制作安装复杂。
5.为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：一方面，本发明实施例提供一种适用于frp板的变曲率夹持式锚具，包括依次设置的上夹板和下夹板，在所述上夹板和所述下夹板之间夹紧有单层frp板，所述上夹板和所述下夹板均具有变曲率波形，所述frp板弯曲成变曲率波形，所述变曲率波形具有可调节波形和波峰。
6.优选地，所述变曲率夹持式锚具还包括上耳板、下耳板和变曲率波形夹片，在所述上夹板和所述下夹板之间设置有多层夹片，所述夹片具有变曲率波形，在所述上夹板、多层所述夹片和所述下夹板形成的多层构件的每层均夹紧有frp板。
7.优选地，所述上夹板、所述下夹板及所述夹片的变曲率波形函数满足的条件为：在锚具内连续可导，在锚具出口处一、二阶导数均为0，在锚具入口处一阶导数为0。
8.优选地，所述上夹板、所述下夹板、所述夹片及所述frp板在锚具内有相同的波形，在锚具出口处不发生弯折，随着距锚具出口处距离的增大，每个波段的弯折程度逐渐增加，在锚具入口处与frp板的纵向方向相切。
9.优选地，所述变曲率波形的函数为：式中，，为沿frp板纵向方向离坐标中心的距离，l为锚固长度，则
；为横坐标所对应的幅值；a、m、n、w为控制波形的四个主要参数，a为正数可调节波形的个数，w为正数可调节波峰个数，m和n为正整数，且m≥3。
10.优选地，所述变曲率夹持式锚具还包括垫片、螺栓和螺母，所述螺栓穿过上耳板、上夹板、夹片、下夹板、下耳板，所述螺母旋合在所述螺栓上。
11.优选地，在所述上耳板、所述上夹板、所述夹片、所述下夹板和所述下耳板上均设有螺栓孔，所述螺栓穿过所述螺栓孔。
12.优选地，所述螺母对所述螺栓施加的预紧力从锚具出口处到锚具入口处逐渐增大，每级预紧力增加值在10-20kn。
13.优选地，在多层所述frp板中，最上层和最下层frp板分别与上夹板和下夹板紧密贴合，中间层frp板与夹片紧密贴合。
14.另一方面，本发明实施例提供一种适用于frp板的变曲率夹持式锚具设计方法，所述设计方法用于设计所述的适用于frp板的变曲率夹持式锚具，所述设计方法包括：设锚具出口处为坐标中心（0,0），设计所述变曲率波形函数，函数为：式中，，为沿frp板纵向方向离坐标中心的距离，l为锚固长度，则；为横坐标所对应的幅值；a、m、n、w为控制波形的四个主要参数，a为正数可调节波形的个数，w为正数可调节波峰个数，m和n为正整数，且m≥3；通过参数优化分析获得最佳的a、m、n、w参数组合，得到所述变曲率波形；根据所述变曲率波形函数，加工上夹板、下夹板及波形夹片；将所述下夹板放在所述下耳板的上面，按照一层frp板、一层夹片的顺序逐步叠合至所需层数，在最上层所述frp板的上面放置所述上夹板，将所述上耳板放置于所述上夹板的上面；在所述上耳板顶部和所述下耳板底部的螺栓孔处放置垫片，螺栓依次穿过所述垫片、所述上耳板、所述上夹板、所述夹片、所述下夹板及所述下耳板；拧紧所述螺母对所述螺栓施加变预紧力，所述frp板弯曲成变曲率波形，使得所述frp板被紧密夹持。
15.本发明的上述方案至少包括以下有益效果：上述方案中，适用于frp板的变曲率夹持式锚具包括适用于单层frp板的锚具和适用于多层frp板的锚具，适用于frp板的变曲率夹持式锚具设计方法包括适用于单层frp板的锚具的设计方法和适用于多层frp板的锚具的设计方法，适用于多层frp板的锚具适用于锚固大吨位frp板索，上夹板6、下夹板7、夹片8及frp板9均具有相同的变曲率波形，可以有效地改善锚具内的应力分布，降低锚具加载端的应力集中，缩短锚固长度，提高锚固效率，充分发挥frp板9材高抗拉强度的优势。
附图说明
16.图1为本发明的实施例一的适用于frp板的变曲率夹持式锚具的结构示意图；图2为本发明的实施例二的适用于frp板的变曲率夹持式锚具的结构示意图；
图3为本发明的适用于frp板的变曲率夹持式锚具的上夹板的结构示意图；图4为本发明的适用于frp板的变曲率夹持式锚具的下夹板的结构示意图；图5为本发明的适用于frp板的变曲率夹持式锚具的夹片的结构示意图；图6为本发明的适用于frp板的变曲率夹持式锚具的多层frp板的结构示意图；图7为本发明的实施例三的适用于frp板的变曲率夹持式锚具设计方法的流程图；图8为本发明的实施例四的适用于frp板的变曲率夹持式锚具设计方法的流程图。
17.附图标记：1、垫片；2、螺栓；3、螺母；4、上耳板；5、下耳板；6、上夹板；7、下夹板；8、夹片；9、frp板；a、锚具入口；b、锚具出口。
具体实施方式
18.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
19.实施例一如图1、图3、图4所示的，本实施例提供一种适用于单层frp板的变曲率夹持式锚具，包括依次设置的上夹板6和下夹板7，在上夹板6和下夹板7之间夹紧有单层frp板9，上夹板6和下夹板7均具有变曲率波形，frp板9弯曲成变曲率波形，变曲率波形具有可调节波形和波峰。本实施例的变曲率夹持式锚具为单层frp板锚具，上夹板6、下夹板7及frp板9均具有相同的变曲率波形，可以有效地改善锚具内的应力分布，降低锚具加载端的应力集中，缩短锚固长度，提高锚固效率，充分发挥frp板9材高抗拉强度的优势。
20.具体地，变曲率波形的函数为：式中，，为沿frp板9纵向方向离坐标中心的距离，l为锚固长度，则；为横坐标所对应的幅值；a、m、n、w为控制波形的四个主要参数，a为正数可调节波形的个数，w为正数可调节波峰个数，m和n为正整数，且m≥3。
21.具体地，上夹板6、下夹板7的变曲率波形函数满足的条件为：在锚具内连续可导，在锚具出口b处一、二阶导数均为0，在锚具入口a处一阶导数为0。frp板9在锚具内曲率的连续变化，使得横向压应力峰值被转移到了锚具后端，有效地避免了在锚具出口b处因横向压应力集中而引起的受压破坏。上夹板6、下夹板7及frp板9在锚具内有相同的波形，在锚具出口b处不发生弯折，随着距锚具出口b处距离的增大，每个波段的弯折程度逐渐增加，使得frp板9纵向拉应力从锚具出口b处到锚具入口a处逐渐减小，弯曲应力从锚具出口b处到锚具入口a处逐渐增大，不仅避免了拉伸和弯曲耦合作下锚具出口b处的应力集中，而且可以有效地减小锚固长度，提高经济效益。
22.具体地，变曲率夹持式锚具还包括垫片1、螺栓2和螺母3，螺栓2穿过垫片1、上夹板6、下夹板7，螺母3旋合在螺栓2上，螺栓2采用高强螺栓2，螺母3采用防松动螺母3或高强螺
母3。在上夹板6和下夹板7上均设有螺栓2孔，螺栓2穿过螺栓2孔。螺母3对螺栓2施加的预紧力从锚具出口b处到锚具入口a处逐渐增大，每级预紧力增加值在10-20kn。本实施例的变曲率夹持式锚具，通过拧紧螺母3对不同位置的螺栓2施加大小不同的预紧力，使frp板9在锚具内弯曲成形，和夹板紧密贴合在一起。
23.本实施例的所用frp板9是一种单向板，可以是cfrp板9，也可以是由碳纤维和其它纤维混杂成型的混杂纤维板。frp在锚固长度内的部分处于拉毛状态，表面没有树脂层。
24.实施例二如图2~图6所示的，在实施例一的基础上，本实施例提供的适用于多层frp板的变曲率夹持式锚具还包括上耳板4、下耳板5和变曲率波形夹片8，在上夹板6和下夹板7之间设置有多层夹片8，夹片8具有变曲率波形，在上夹板6、多层夹片8和下夹板7形成的多层构件的每层均夹紧有frp板9，形成多层frp板9，在多层frp板9中，最上层和最下层frp板9分别于与上夹板6和下夹板7紧密贴合，中间层frp板9与夹片8紧密贴合。本实施例的变曲率夹持式锚具为多层frp板锚具，适用于锚固大吨位frp板索。上夹板6、下夹板7、夹片8及frp板9均具有相同的变曲率波形，可以有效地改善锚具内的应力分布，降低锚具加载端的应力集中，缩短锚固长度，提高锚固效率，充分发挥frp板9材高抗拉强度的优势。
25.具体地，夹片8的变曲率波形函数满足的条件为：在锚具内连续可导，在锚具出口b处一、二阶导数均为0，在锚具入口a处一阶导数为0。上夹板6、下夹板7、夹片8及frp板9在锚具内有相同的波形，在锚具出口b处不发生弯折，随着距锚具出口b处距离的增大，每个波段的弯折程度逐渐增加，在锚具入口a处与frp板9的纵向方向相切。
26.具体地，变曲率夹持式锚具还包括垫片1、螺栓2和螺母3，螺栓2穿过上耳板4、上夹板6、夹片8、下夹板7及下耳板5，螺母3旋合在螺栓2上。在上耳板4、下耳板5、夹片8上均设有螺栓2孔，螺栓2穿过螺栓2孔。本实施例的变曲率夹持式锚具，通过拧紧螺母3对不同位置的螺栓2施加大小不同的预紧力，使frp板9在锚具内弯曲成形，和夹片8以及夹板紧密贴合在一起。
27.具体地，上耳板4和下耳板5的一端为半圆形结构，且设有与半圆形结构同心的中心孔。
28.实施例三如图7所示的，本实施例提供一种适用于frp板的变曲率夹持式锚具设计方法，设计方法用于设计如实施例一的适用于frp板的变曲率夹持式锚具，设计方法包括：s110、设锚具出口b处为坐标中心（0,0），设计变曲率波形函数，函数为：式中，，为沿frp板9纵向方向离坐标中心的距离；l为锚固长度，则；为横坐标所对应的幅值；a、m、n、w为控制波形的四个主要参数，a为正数可调节波形的个数，w为正数可调节波峰个数，m和n为正整数，且m≥3；通过参数优化分析获得最佳的a、m、n、w参数组合，得到变曲率波形；其中，不同的a、m、n、w组合，可以获得不同的变曲率波形。最优的变曲率波形函数应以减小frp板9在锚具出口b处的拉应力峰值、使横向压应力均匀分布且减小压应力峰值为原则；
s120、根据变曲率波形函数，加工上夹板6和下夹板7；s130、将单层frp板9放置在下夹板7上面，在frp板9的上面放置上夹板6；s140、在上夹板6顶部和下夹板7底部的螺栓2孔处放置垫片1，螺栓2依次穿过垫片1、上夹板6及下夹板7；s150、拧紧螺母3对螺栓2施加变预紧力，frp板9弯曲成变曲率波形，使得frp板9被紧密夹持。
29.本实施例的设计方法为设计单层frp板锚具的设计方法，上夹板6、下夹板7及frp板9均具有相同的变曲率波形，可以有效地改善锚具内的应力分布，降低锚具加载端的应力集中，缩短锚固长度，提高锚固效率，充分发挥frp板9材高抗拉强度的优势。
30.实施例四如图8所示的，本实施例提供一种适用于frp板的变曲率夹持式锚具设计方法，设计方法用于设计如实施例二的适用于frp板的变曲率夹持式锚具，设计方法包括：本发明实施例提供一种适用于frp板的变曲率夹持式锚具设计方法，设计方法包括：s210、设锚具出口b处为坐标中心（0,0），设计变曲率波形函数，函数为：式中，，为沿frp板9纵向方向离坐标中心的距离；l为锚固长度，则；为横坐标所对应的幅值；a、m、n、w为控制波形的四个主要参数，a为正数可调节波形的个数，w为正数可调节波峰个数，m和n为正整数，且m≥3；通过参数优化分析获得最佳的a、m、n、w参数组合，得到变曲率波形；其中，不同的a、m、n、w组合，可以获得不同的变曲率波形。最优的变曲率波形函数应以减小frp板9在锚具出口b处的拉应力峰值、使横向压应力均匀分布且减小压应力峰值为原则；s220、根据变曲率波形函数，加工上夹板6、下夹板7及波形夹片8；s230、将下夹板7放在下耳板5的上面，按照一层frp板9、一层夹片8的顺序逐步叠合至所需层数，在最上层frp板9的上面放置上夹板6，将上耳板4放置于上夹板6的上面；s240、在上耳板4顶部和下耳板5底部的螺栓2孔处放置垫片1，螺栓2依次穿过垫片1、上耳板4、上夹板6、夹片8、下夹板7及下耳板5；s250、拧紧螺母3对螺栓2施加变预紧力，frp板9弯曲成变曲率波形，使得frp板9被紧密夹持。
31.本实施例的设计方法为设计多层frp板锚具的设计方法，适用于锚固大吨位frp板索；上夹板6、下夹板7、夹片8及frp板9均具有相同的变曲率波形，可以有效地改善锚具内的应力分布，降低锚具加载端的应力集中，缩短锚固长度，提高锚固效率，充分发挥frp板9材高抗拉强度的优势。
32.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。