FRP锚杆综述

纤维增强塑料筋（FRP）锚杆研究综述摘要：文中论述了纤维增强塑料筋（FRP）锚杆的特点，综述国内外纤维增强塑料筋锚杆的研究、发展以及应用现状并具体介绍我国一些新的研究成果；最后,分析其在设计理论以及工程应用中存在的问题,指出需要进一步研究的方向。关键词：岩土工程；纤维增强塑料筋（FRP）锚杆；工程应用1纤维增强塑料筋简介1.1纤维增强塑料筋的特点1）具有优良的抗腐蚀性能,耐久性好；2）抗拉强度高,等于甚至高于预应力钢筋；3）自重轻,只有预应力钢筋的15-20%；4）低松弛性,荷载损失较小；5）优良的抗疲劳特性；6）对电磁场不敏感；7）温度应力小,弹性模量小,由于热膨胀系数与混凝土接近,当环境温度发生变化时,纤维增强塑料筋能够与混凝土较好地协同工作；8）纤维增强塑料筋锚杆每米的价格稍低与同等规格的钢锚杆。1.2纤维增强塑料筋类型在纤维增强塑料筋中,常用的纤维有玻璃(Glass)纤维、聚芳基酞胺(Aramid)纤维、碳(Carbon)纤维和玄武纤维（Basalt）；常用的基体材料是不饱和聚酷树醋、环氧树脂、乙烯基酷树脂。在这三种锚杆中，GFRP锚杆的价格最为低廉，国内生产的FRP锚杆主要以GFRP锚杆为主。目前,国内生产的玻璃钢锚杆主要包括整体式全螺纹结构实心杆体和全螺纹结构中空自钻式杆体，岩土工程支护中采用实心杆体。1.3锚具国内外的研究结果表明，纤维增强塑料筋锚杆最好采用粘结型锚具。根据荷载传递机理和纤维增强塑料筋拉杆特点，在纤维增强塑料筋锚杆施工中常用的两种锚固系统为钢套粘结式和楔形粘结式，见图1。其原理是纤维增强塑料筋拉杆通过粘结材料与钢套粘结成为一个整体，通过钢套再与紧固器相连。钢套粘结式锚固系统常用于后张法预应力锚杆中。单根或多根纤维增强塑料筋平行或成圆锥形用灰浆浇筑在钢套中。钢套的内表面成锯齿形以增加粘结强度，其外表面成螺纹状以便于锁紧螺帽。楔形粘结式锚固系统常用于先张法锚杆。用环氧树脂将单根或多根纤维增强塑料筋浇筑在圆锥形钢套内，再用钢楔块握裹单个钢套。荷载通过粘聚力和横向楔块压力传递。在施工中，楔形粘结式锚固系统适用于横向抗压强度和剪切强度较低的纤维增强塑料筋。(a）钢套粘结锚固系统(b)楔形粘结式锚固系统图1纤维增强塑料筋锚杆的锚固系统2纤维增强塑料筋锚杆应用与研究现状综合国内外现有研究成果,大致可分为以下几个研究方向:(1)杆体本身拉、压、剪力学性能；(2)与混凝土、水泥砂浆的粘结性能及与岩体的错固机理；(3)杆体本身冻融、酸碱盐等抗腐蚀性能；(4)杆体本身变形性能；(5)锚具设计；(6)杆体本身耐火性能；(7)杆体材料主要为玻璃纤维增强塑料。2.1国外研究现状国外学者自20世纪60年代开始研究用FRP筋代替钢筋解决钢筋锈蚀问题，经过30年的研究，认为采用GFRP筋替代普通钢筋是行之有效的方法，他们对FRP筋所进行的研究工作，多数是测试FRP筋混凝土试件的抗拉拔、抗弯性能，论证FRP筋替代钢筋应用于混凝土结构的可行性。近年来，在欧洲、北美、日本等发达国家开始用纤维增强聚合物筋取代建筑钢筋，试图从根本上解决由钢筋腐蚀所引起的土木工程耐久性问题。在欧洲，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塑料筋用于土木工程的实验方法标准和设计施工规程；瑞士Weidman公司成功地推出了全螺纹锚杆、注浆锚杆和全螺纹锚索，并在矿山、隧道等工程中得到了应用；法国赛尔泰特(Calcite)公司研制生产的玻璃钢锚杆简单、实用；90年代初，前苏联的劳动保护与安全管理局和矿山管理局立项，试制以玻璃纤维为增强材料和绞合式聚合材料锚杆，1991年生产出第一批并进行了井下工业性试验；在德国和奥地利，玻璃纤维增强塑料筋已用于7座公路桥和人行桥的加固。在北美，也有两座用玻璃纤维增强塑料筋和碳纤维增强塑料筋(索)加固，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年政府投入3000多万元用于开发新型的纤维增强塑料筋以及纤维增强塑料筋用于混凝土结构、地下工程、锚固工程以及桥梁工程的研究，加拿大学者D.A.彼德森等90年代初研制成功了玻璃纤维锚索，证明技术经济上都有明显优势；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实验方法标准及设计施工规程。在日本，芳纶纤维增强塑料筋和碳纤维增强塑料筋作为研究和开发的重点，其研究项目主要集中在纤维增强塑料筋、板及网产品的研制、实验方法以及应用于混凝土构件、地下工程的设计方法的研究等方面。1990年，纤维增强塑料筋锚杆在日本首先用于加固一人行桥的桥台(Mochidaeta1．1992)，现已作为拉杆广泛应用于高速公路的挡土墙和高边坡等岩土锚固工程中，在此基础上，日本的JSCE公司于1997年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。1.3.2国内研究现状相对国外来说，国内在这方面的研究起步较晚。目前已有厂家生产FRP锚杆，仅限于在煤巷临时加固和边坡支护中使用，对于FRP锚杆的研究和应用还是较少,还没有形成比较成熟的理论体系。1995年河海大学获得水利部水利科技基金，薛伟辰博士开始在国内首次开展了纤维增强塑料筋锚杆的试验研究，基于63个试件的拔出试验，对纤维塑料筋锚杆与多种环境介质之间的界面粘结强度进行了较为系统的研究，研究表明，纤维塑料增强筋锚杆具有较高的界面粘结强度。范世平等人(1996年)对玻璃钢锚杆材质的性能、锚杆的结构特点、拉力试验、粘结力及抗扭力试验情况进行了介绍。杨振茂等人（2001年）对玻璃钢锚杆杆体原材料、生产工艺与杆体的拉伸性能及锚尾性能进行了试验研究，试验结果表明该锚杆性能良好，能满足煤矿支护的要求。张向东等人（2001年）通过对纤维硬塑复合材料进行正交试验，获得了纤维硬塑复合材料的最佳配比，研究了固化时间与杆体强度的关系，杆体直径对强度的影响，并在试验的基础上，对杆体损伤破坏机理进行了分析。周红安等人（2002年）介绍了水泥灌浆玻璃钢杆的拉拔试验，通过加载端滑移量外加荷载曲线分析了其受力和破坏机理。谢晶晶等人对（2002年）纤维增强塑料筋锚杆的粘结滑移机理及支护设计方法进行了研究，提出了简化的四折段粘结滑移本构模型。高丹盈等人（2004年）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进行了简单的讨论。闫富有等（2004年）通过对直径为25mm的GFRP螺纹杆的材性试验和灌浆锚固下的拉拔力测试试验，研究了GFRP的锚固性能，试验结果表明GFRP螺纹杆的抗拉能力高于同直径的钢筋，其最大拉拔力比同直径的螺纹钢高30％左右，一般的砂浆锚固不能充分发挥GFRP的材料优势。刘汉东等人（2005年）采用φ10,φ13,φ15几种不同直径的GFRP锚杆试件进行试验，然后用回归方法预测大直径φ32试件力学指标。通过拉伸试验，研究了GFRP锚杆基本力学指标，画出了应力一应变关系曲线，讨论了其基本破坏形态。与普通钢材比较具有强度高、脆性破坏的特征，应力—应变曲线呈直线型。同时，与螺纹钢的力学性能指标和经济指标进行了比较，GFRP锚杆显示了优越的力学性能和良好的性价比。通过试验证实，GFFR锚杆具有强度高、与混凝土变形协调性好等力学性能，如果替代钢材锚杆应用于边坡永久加固工程，将具有广阔的应用前景。李国维等人（2006年）进行了玻璃纤维增强聚合物锚杆承载特征现场试验，采用千斤顶施加拉拔荷载，用锚杆应力计和分布式光纤BOTDR技术测量锚杆应力，研究不同荷载条件下玻璃纤维增强聚合物锚杆承载力特征及分布规律，为玻璃纤维增强聚合物锚杆用于永久加固工程的可行性研究提供了基础资料。李国维等人（2007年）进行了全长粘结玻璃纤维增强聚合物锚杆破坏机制拉拔模型试验。通过拉拔模型试验的方法研究全长粘结玻璃纤维增强聚合物锚杆结构的破坏机制。共设计制作3个锚杆结构模型，进行3次2个构件的并行破坏性试验，根据试验发生的现象和分析试验测试数据得到的结果，肯定玻璃纤维增强聚合物锚杆拉拔试验模型的合理性，说明砂浆体强度与锚杆的应力传递深度的关系，指出玻璃纤维增强聚合物螺纹锚杆剪应力的峰值特征和随荷载增加的变化趋势，结合砂浆体内的应力分布特征，充分论证玻璃纤维增强聚合物螺纹锚杆结构的可能的破坏形式和破坏机制。黄志怀等人（2008年）通过现场原型试验，系统分析了不同围岩环境和受力条件下GFRP锚杆的抗拉特性，论证GFRP锚杆使用的适宜性，为GFRP锚杆的推广应用提供了较充分的基础数据。根据现场锚杆结构拉拔破坏性试验，研究了GFRP螺纹锚杆破坏机制和应力应变规律，为GFRP锚杆的工程应用提供了理论依据。试验结果表明，GFRP锚杆结构破坏形式有3种：杆体自由段脆性劈裂破坏、锚杆和砂浆界面剪切破坏及砂浆和围岩界面剪切破坏；GFRP锚杆的锚固机制因围岩风化程度不同而异；锚杆应力应变在锚固体内的传递深度随围岩风化程度的增加而增加；围岩风化程度越高，围岩和砂浆接触面强度较低，随着荷载的增加，围岩和砂浆界面出现剪切滑移破坏。袁国青等（2009年）提出了一种创新的测试FRP筋应力松弛特性的试样端部加强锚固的方法,实现了松弛试验时端部近似为零的滑移,保证了试验段应变的恒定,从而可准确测定FRP筋的应力松弛性能。黄生文等人（2009年）通过玻璃纤维增强塑料锚杆与水泥砂浆之间的粘结强度试验。研究了GFRP锚杆的锚固特性．包括不同强度等级砂浆对粘结强度的影响和GFRP锚杆直径对锚杆拉拔性能的影响。采用理论分析方法，研究了GFRP锚杆表面沿锚固长度方向的应力分布，获得了锚杆轴力和粘结应力沿杆长的分布规律．并采用数值模拟方法对结果进行了验证。刘颖浩等人（2010年）通过全螺纹GFRP锚杆的改进拉拔试验，测试与分析全螺纹GFRP锚杆在锚固工程中与岩体的黏结性能，并推导出GFRP锚杆的锚固承载力设计公式，给出GFRP锚杆锚固设计各参数的确定方法，以便于全螺纹GFRP锚杆在工程中的应用。试验测试项目包括砂浆强度、锚固长度、锚杆直径等对于全螺纹GFRP锚杆锚固力的影响，以及GFRP锚杆杆体黏结应力分布。测试发现：锚固力随砂浆强度、锚固长度、锚杆直径的增大而增大；黏结强度则随砂浆强度等级增大，但随锚固长度和锚杆直径的增大而减小。分析认为：采用全螺纹GFRP锚杆进行工程锚固时，全螺纹GFRP锚杆的直径可取12～32mm，锚固长度应大于20倍的锚杆直径，锚固砂浆的强度等级为M15以上。黄志怀等（2010年）进行了φ16、φ32两种类型GFRP锚杆在相同岩性，全、强、弱三种不同风化程度围岩条件下的张拉试验，研究了GFRP锚杆的破坏特征及锚固机理。试验结果表明，这两种直径GFRP锚杆的最终破坏方式是锚杆自由段脆性劈裂破坏；GFRP锚杆极限承载力随锚杆直径增大而增加；φ16小直径GFRP锚杆的应力传递深度受围岩风化程度影响较小；φ32大直径GFRP锚杆的应力传递深度受围岩风化程度影响较大，锚杆的应力传递深度随围岩风化程度增加而增大；GFRP错杆与砂浆界面间的粘结强度随杆体直径增加而降低。刘颖浩等（2011年）对用于GFRP锚杆的几个粘结应力分布模型进行了对比分析，指出了其适用范围，并对实测全螺纹GFRP筋与混凝土粘结应力分布特性进行了分析，在此基础上，通过理论分析提出了包含滑移段和未滑移段的两段式的粘结应力简化分布模型。李国维等（2013年）通过不同锚固方式的FRP筋应力松弛试验，研究测试大直径喷砂FRP筋应力松弛特性的试件锚固方法和量测方法。研究表明，改进的钢套筒灌胶锚固方法，可有效减少加载过后FRP筋杆体的滑移量，能满足杆体应力松弛实验要求；预置加载设施的混凝土构件模拟锚固法，可用于测试FRP筋锚杆结构的应力松弛综合性状；光纤光栅变形监测方法能用于应力松弛试验，所测应变数据可靠性高。3当前FRP锚杆研究中