背景技术
工程结构加固改造项目中，有采用专用结构胶进行浅层嵌固或表面粘贴FRP片材的技术措施。此类措施通过粘贴的方式，发挥FRP片材良好的抗拉强度，可以很大程度地提高建筑结构的承载力。FRP片材提供的拉力若仅通过结构胶传递到混凝土结构上，FRP板条与结构胶之间、结构胶与混凝土界面之间存在较大的剪应力，如剪应力不足以传递FRP片材的拉力，则发生剪切破坏，不利于FRP片材高强性能的发挥；另外还有FRP片材粘贴前对其施加预应力的技术措施。以上两种情况均需对FRP片材端部采用附加锚固措施。由于FRP片材的抗拉强度高而抗剪强度低，采用普通钢筋用锚夹具会造成FRP片材在锚固区提早破坏。FRP片材端部的附加锚固当前主要有以下三种：
1.粘结锚固措施(如：一种预应力纤维布平板式永久锚具公开号：CN2804269)它公开了一种预应力纤维布平板式永久锚具，该永久锚具包括固定端部分和张拉端部分，每个部分均由钢板和纤维布构成，张拉端部分中的钢板和丝杆通过焊接而成为一个整体。每个部分中的钢板的表面均形成0.5～1.0％的坡度，然后交叉开U形槽，纤维布通过树脂浸渍胶粘贴于开槽的钢板表面，形成预应力纤维布平板式永久锚具。该锚具可以保证预应力纤维布的张拉预应力水平达到其极限抗拉强度的65％以上，很方便对各种桥梁和工业建筑进行加固维修。
此类锚固措施是预先采用结构胶将FRP片材锚固于钢板或其它抗剪强度高的锚板上，再将锚板锚固于相应位置。此类锚固措施的缺点是锚固需等结构胶固化后才能起作用，施工周期较长，且不能拆卸。
2.挤压锚固措施(如：土木建筑工程用的碳纤维板锚具公开号：CN1827975)。该发明公开了一种土木建筑工程用的碳纤维板锚具，该锚具包括用于夹碳纤维板的上下两夹板、压板、压紧螺栓和锚固螺栓，上下两夹板在与碳纤维板的接触面上设有用于增加摩擦的纹路，压板的中间段设成凸起状，下夹板上设有与压紧螺栓相配合的螺孔，由压紧螺栓通过压板使上下两 夹板夹紧，下夹板通过锚固螺栓锚固到待加固的砼构件上。
此类锚具完全依靠预挤紧夹持FRP板条的夹板，依靠夹板与FRP板条之间的摩擦力实现对碳纤维板的锚固。此类锚固措施的缺点是FRP板条在受力过程中，摩擦力的大小取决于夹板与FRP板的摩擦系数和紧固力。紧固力的施加过小则摩擦力不足，FRP板条易拉脱；紧固力过大则可能造成FRP板条的损伤。由于螺杆在高应力状态会有些应力松弛现象，再加上螺栓会有机械松动现象，紧固力会有所降低，造成锚固力会有所降低。
3.锚夹具锚固措施(如：碳纤维板锚具公开号：CN101463638)
该发明涉及一种锚具，特别是一种土木建筑工程中用的碳纤维板锚具，由锚板及夹片组成，锚板为一整体，内有一楔形通孔，夹片为两片式楔形块、其楔入锚板夹紧碳纤维板后与锚板内的楔形通孔紧配合，所述的锚板为横截面为长方形或正方形或椭圆形或圆形的柱体，其内开有横截面为长方形或正方形或椭圆形或圆形、纵截面带有锥度的楔形通孔，夹片楔入锚板夹紧碳纤维板后合拢的外形与锚板内横截面为长方形或正方形或椭圆形或圆形、纵截面带有锥度的楔形通孔相同；夹片的夹持面有一层碳纤维板接触增强材料；夹片与锚板的接触面涂抹有润滑油或润滑脂。该锚具的锚固性能可靠，结构简单紧凑，制作、施工操作方便，效率高，锚具形状多种多样，能够满足不同施工环境的要求。
此类锚固措施是采用小角度扁平夹片夹住FRP板条，FRP板条拉紧时，扁平夹片滑动收紧，夹紧FRP板条，利用扁平夹片与FRP板条之间的机械摩擦力锚固FRP板条。此类锚固措施与钢筋用锚夹具的原理相同，随着夹片的回缩，锚固力可以增大，但此类锚固措施同样也有相同的预应力损失，即锚具变形和FRP板条内缩引起的预应力损失σl1。根据此项预应力损失的计算公式：σl1=alEs]]>
式中：a——锚具变形和FRP片材内缩值(mm)；l——锚固端之间的距离(mm)；Es——FRP片材的弹性模量(MPa)。
FRP片材的弹性模量较高，较小的锚具变形和FRP片材内缩量也会引起较大的预应力损失。
对于不采用预应力的FRP片材，需构件加固部位产生的变形大于锚具变形和FRP片材内缩值a后，才能充分发挥锚具的作用，存在着FRP片材应力滞后现象，同样不利于FRP片材作用的发挥。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足提出了一种纤维增强塑料片材用主动式锚夹具，它不同于需要锚具变形和FRP片材回缩才能产生夹持力的锚夹具，也不同于仅通过挤压产生摩擦力夹持FRP片材的锚夹具。它是利用旋紧加力螺杆挤压传力片，使小角度扁平夹片与FRP板条完全挤紧，锚夹具在FRP板条受力前即具备一定的夹持能力。随着FRP板条的受力，扁平夹片有极小量回缩并进一步挤紧，从而实现对FRP片材有效夹持。
本方案是通过如下技术措施实现的：纤维增强塑料片材用主动式锚夹具，它包括锚块和设置于锚块中的夹片，所述锚块为内有一通孔的整体，所述夹片是由上下对称布置的两片式楔形块组成的上夹片和下夹片，其特征是在锚块中夹片的上方设置有上下滑动的传力片，所述传力片的顶面是与锚块适配的平面，传力片的底面是与上夹片顶面适配的斜面，夹片楔入锚块中夹紧纤维增强塑料片材后与锚块和传力片之间形成的楔形通孔紧配合，在传力片的上部穿过锚块设置有加力螺杆。
上下夹片的坡度一致，其角度θ均不大于5.7°，传力片和锚块上与之相应的斜面与夹片相适配，且表面光滑并涂有润滑油脂。传力片上表面设置有供加力螺杆插入的限位槽，加力螺杆旋紧后插入限位槽，可以限制传力片在垂直于加力螺杆轴线方向的位移。
上下夹片之间的夹持面做喷砂处理，以增大与FRP板条的摩擦。
在传力片上部的加力螺杆上设置有紧固螺帽，紧固螺帽的设置，可以避免加力螺栓和夹片的松动，增大了锚夹具的可靠性。
本发明的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，试验表明由于设置了加力螺杆与传力片，本发明基本消除了锚夹具内缩量a，减小了应力损失，锚夹具效率系数高，方便拆卸。该锚夹具结构简单紧凑，操作方便，适用于FRP板条的永久和临时锚固，对于施加预应力的FRP板条，可以有效地减小锚具变形和FRP片材内缩引起的预应力损失σl1；对于未施加预应力的FRP板条，则不需加固部位产生大于a值的变形即可发挥锚具的作用，减小了FRP片材应力滞后现象；对于需拆卸的锚夹具，则可通过旋松加力螺栓方便地拆卸。因此本发明与现有技术相比，实现了技术目的。
夹片及传力片外侧坡度θ的设计：
传力片与夹片之间的摩擦系数μ＝0.1，假设传力片所传的压力为N，则：
N对夹片外侧产生的法向压力N1为：
N1＝N·cosθ
由法向压力产生的静摩擦力F为：
F＝μ·N1＝μ·N·cosθ
N对夹片外侧产生的切向力N2为：
N2＝N·sinθ
此切向力会使夹片有向外滑移的趋势。
若使夹片在加力螺杆紧固时不产生滑移，需使最大静摩擦力F不小于切向力N2，即：F≥N2
故：μ·N·cosθ≥N·sinθ
μ·cosθ≥sinθ
tanθ≤μ
θ≤5.7°
具体实施方式
如图1-2所示，纤维增强塑料片材用主动式锚夹具，它包括锚块3和设置于锚块3中的夹片5，所述锚块3为内有一通孔的整体，所述夹片5是由上下两片式楔形块组成的上夹片和下夹片，其特征是在锚块3中夹片5的上方设置有上下滑动的传力片4，所述传力片4的顶面是与锚块3适配的平面，传力片4的底面是与上夹片顶面适配的斜面，夹片5楔入锚块3中夹紧纤维增强塑料片材后与锚块3和传力片4之间形成的楔形通孔紧配合，在传力片4的上部穿过锚块3设置有加力螺杆1。上下夹片的坡度一致，其角度θ均不大于5.7°，传力片和锚块上与之相应的斜面与夹片相适配，且表面光滑并涂有润滑油脂。传力片4上表面设置有供加力螺杆1插入的限位槽7，上下夹片之间的夹持面做喷砂处理；在传力片4上部的加力螺杆1上设置有紧固螺帽2。
螺栓尺寸的设计：
夹片与FRP板条的摩擦系数μ取0.3，FRP板条抗拉强度f取2500MPa，截面积A取1.4×10mm，则FRP板条的拉力F：
F＝f·A＝2500×1.4×10＝35000N＝35kN
所需的传力片压力N为：
μ·N＝F
故：N＝F/μ＝35/0.3＝117kN
此压力由两个螺杆共同承担，并取安全系数3.0，则每螺杆承担的力为175kN。45Mn钢的屈服强度σ为355MPa，选用M10螺栓小径d1为8.4mm，其承载力T为： ![]()
故本发明选用M10螺栓、 螺帽及螺杆。“纤维增强塑料片材用主动式锚夹具”是在工程结构加固改造项目中混凝土结构采用纤维增强塑料片材(FRP)加固时，用于FRP端部的永久及临时锚固。
加力螺杆1一端为加力螺杆内六角圆柱头端，采用《内六角圆柱头》GB/T70.1-2000中M10的规格，圆柱头总长度10mm；另一端为加力螺杆普通螺杆端，采用《普通螺纹基本尺寸》GB/T 196-2003中D10，P＝1.5的规格，螺杆总长度20mm。加力螺杆作用是锚固时挤紧传力片、夹片和FRP板材，消除锚具变形和FRP片材内缩值a；如需拆除锚具，则松开加力螺杆，使传力片、夹片和FRP片材间隙增大，可以方便地拆除本锚具。
紧固螺帽2采用《六角螺母》GB/T 41-2000中M10的规格，其作用是加力螺杆1拧紧后，再拧紧紧固螺帽2，可以避免加力螺杆1和夹片5松动，增大了锚夹具的可靠性；拆除锚具前，先松开紧固螺帽2，则可以方便地松开加力螺杆1。
如图4所示，传力片4为50mm×14mm×(5.5～7)mm的六面体，其中传力片4与夹片5的接触面9有θ≤5.7°的坡度，该滑动面表面光滑，并涂有润滑油脂；传力片4与加力螺杆1的接触面为限位槽7。传力片4的作用是在加力螺杆1的作用下调整夹片5间的距离：锚固时挤紧夹片5，FRP板条受力时，夹片5不再内缩，减小了由于夹片5内缩引起的应力损失；拆除锚夹具时，松开夹片5，可以方便地抽出FRP板条。限位槽7的作用是当加力螺杆1拧紧后，加力螺杆1端部伸入限位槽7中，可限制传力片5在垂直于加力螺杆1轴线方向上的移动。
如图5所示，夹片5为50mm×14mm×(3～4.5)mm的六面体，其中夹片与传力片的接触面9有θ≤5.7°的坡度，该滑动面表面光滑，并涂抹有润滑油脂，以减小夹片5滑移的摩擦力；夹片与FRP板条的接触面8为平面，做喷砂处理，以增大夹片5与FRP板条的摩擦力。
锚块3为50mm×30mm×30mm的长方体，内有一通孔，孔的尺寸为50mm×15mm×(15～16.5)mm，其锚块坡面11与夹片滑动面接触，表面光滑，并涂有润滑油脂。锚块坡面11的对面的锚块3上设两个锚块孔12，孔内壁有螺纹，螺纹规格与《六角螺母》GB/T 41-2000中M10螺母内螺纹相同。锚块3的作用是为夹片5提供法向压力，以实现对FRP板条的夹持。
本发明有紧固螺帽2，可以消除螺杆的机械松动现象。加力螺杆1在高应力状态如有应力松弛现象，可由夹片5产生的相对滑移来弥补，不会使锚夹 具的锚固力降低。
锚夹具的基本性能试验
1静载锚固性能
1.1采用试验机对FRP直接进行拉伸试验，试验结果如下：
FRP板条实测极限拉力Fapu
试件编号
截面尺寸(mm×mm)
极限拉力(kN)
1
1.2×10
31.8
2
1.2×10
32.4
3
1.2×10
34.2
4
1.2×10
33.0
5
1.2×10
33.0
平均值
/
32.9
FRP板条采用本锚夹具进行锚固后，采用试验机夹持锚夹具，从而得到FRP板条-锚夹具实测极限拉力Fpm，测定时分两种情况分别进行。
1.2不采用加力螺杆和传力片时：
试件编号
截面尺寸(mm×mm)
极限拉力(kN)
1
1.2×10
32.2
2
1.2×10
31.9
3
1.2×10
32.5
4
1.2×10
31.4
5
1.2×10
32.4
平均值
/
32.1
1.3采用加力螺杆和传力片时：
试件编号
截面尺寸(mm×mm)
极限拉力(kN)
1
1.2×10
31.8
2
1.2×10
32.8
3
1.2×10
31.0
4
1.2×10
33.0
5
1.2×10
33.0
平均值
/
32.3
参照预应力筋用锚夹具效率系数ηa
本锚夹具为单锚，取ηp＝1，则不采用传力片时：
ηa=Fapuηp·Fpm=32.11·32.9=97.6%]]>
采用传力片时：
ηa=Fapuηp·Fpm=32.31·32.9=98.2%]]>
2锚夹具夹片内缩量测定
本项内容为FRP板条张拉应力达到0.8fptk后，测定锚固过程中FRP板条的内缩量。检测时在夹片外露的顶部设百分表，夹片内缩则百分表会产生读数的变化，记录百分表在板条拉力为0kN和23.5kN时的读数，由此计算内缩量。锚夹具内缩量测定分两种情况分别进行。
2.1不采用加力螺杆和传力片时：
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2.1采用加力螺杆和传力片时：
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3结论
3.1锚夹具效率系数
采用加力螺杆和传力片比不采用该部件，锚夹具的效率系数有一定的提高。其原因在于不设加力螺杆和传力片时，锚夹具的两片夹片都会产生较大的内缩，由于两片夹片的摩擦力等各项指标不可能完全一致，其内缩量就不 会完全相同。内缩量的差异会使FRP板条在锚夹具端部有一定的应力集中现象，从而造成FRP板条提早破坏。
采用加力螺杆和传力片之后，夹片的内缩量和内缩量的差异均大幅降低，应力集中也相应的大幅降低，FRP板条抗拉强度高的特点会更加充分地发挥，从而提高了锚夹具的效率系数。
3.2锚夹具夹片内缩量
采用加力螺杆和传力片比不采用该部件，锚夹具夹片的内缩量会大幅度降低。其原因在于不设加力螺杆和传力片时，锚夹具只有通过夹片的内缩才能使其受到挤压力，实现锚夹具的夹持作用，没有内缩量就没有夹持作用。
采用加力螺杆和传力片之后，夹片不需内缩即可通过传力片的主动挤压实现对FRP板条的夹持作用，在FRP以后的受力过程中，夹片的内缩量极小。
假设待加固的构件长度l＝3m，FRP的弹性模量Es＝1.6×105，不设加力螺杆和传力片时，夹片内缩量a0＝2.34mm，设置加力螺杆和传力片时，夹片内缩量a1＝0.18mm，则两种情况下应力损失分别为：
不设加力螺杆和传力片，共两个锚夹具：
σl1=alEs=2.343000·1.6×105×2=249.6MPa]]>
设置加力螺杆和传力片，共两个锚夹具：
σl1=alEs=0.183000·1.6×105×2=19.2MPa]]>
设置加力螺杆和传力片后，应力损失仅为不设置该部件时应力损失的8％。由此可见加力螺栓和传力片的设置对于减小夹片内缩量、减小应力损失的巨大作用。
使用方法：1锚固前的准备。清理FRP板条6端部，确认无污物油脂等；
2锚固。将钢质垫板抵紧混凝土面，将FRP板条穿入锚块5，FRP板条受力方向布置在锚块5通孔较小的一侧，并使锚块5抵紧钢质垫板。塞入传力片6和夹片4，夹片的夹持面夹住FRP板条。再次确认锚块与钢质垫板、钢质垫板与混凝土面均已抵紧。
将紧固螺帽2旋入加力螺杆1的根部，再将加力螺杆1旋入锚块孔12中，待旋紧后再将紧固螺帽2旋至锚块5一侧旋紧，完成对FRP板条端部的锚固。
3拆卸锚夹具。采用适当方法使FRP板条端部不再受力，旋松紧固螺帽2，再旋松加力螺杆1，此时夹片4、传力片3之间产生空隙，可方便地一一取出，最后抽出锚块5，拆卸锚夹具完毕。