纤维增强复合材料（FRP）锚索性能及其工程应用.pdf

预应力锚索在边坡施工过程中能显著提升支护结构的强度，得到了广泛的应用。工程中一般选用钢绞线作为锚索主体材料，但容易发生锈蚀、断索等问题。纤维增强复合材料(FiberReinforcedPolymer,FRP)具有轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳等优点，应用到预应力锚索结构上可以大幅提高其承载力，并且可以为锚索的回收利用提供条件。首先介绍了FRP锚索的制备工艺，按照应变率相关的岩石力学问题分类及试验方法将FRP力学性能研究分类阐述，其次分析了现有的FRP锚索的端头锚固形式及其特点，最后对FRP锚索在工程中的应用与发展情况进行了梳理，并对FRP锚索的可行回收方式进行了展望。关键词：纤维增强复合材料；支护工程；锚固方式；锚索回收中图分类号：TU502Properties and Engineering Applications of Fiber ReinforcedGuan Shuai,Sun Jiahui,Liu Yue2*,Wang Bo,Huang Zehua(1.Faculty of Urban Construction,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China;2.School of Ciwil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)Abstract:The prestressed anchor cable can significantly improve the strength of support structure,which is widelyused in slope support.Generally,steel strands are the main material for anchors in engineering,but they are sus-ceptible to face the problems of corrosion or broken cable.Because fiber reinforced polymer(FRP)has the advantagesof lightweight,high strength,corrosion resistance and excellent fatigue resistance,that it is applied in prestressedanchor structures can significantly improve their load-bearing capacity and provide conditions for recovering the an-chors.Firstly,the preparation process of FRP anchor cable is introduced in this paper,and the FRP mechanicalproperties research is classified according to the strain rate related rock mechanics problem classification and exper-imental methods.Then,the existing anchoring forms and characteristics of FRP anchor cable are analyzed.Finally,its application and development are reviewed and the feasible recovery methods are prospected.Key words:fiber reinforced polymer(FRP);support engineering;anchorage mode;cable recovery文献标志码：APolymerAnchorCable近几十年来，我国公路路堑边坡以及基坑支护等工程数量显著增加，边坡失稳跨塌等问题日趋严重。支护工程具有施工周期短、施工难度大以及施工收稿日期：2 0 2 3-0 5-31基金项目：国家自然科学基金（5190 8 0 12、52 17 8 0 97)作者简介：关帅，男，在读硕士研究生，主要研究方向为碳纤维增强复合材料（CFRP）锚索及其锚固性能研究。通讯作者：刘越，男，教授，博士，主要研究方向为纤维增强复合材料（FRP）加固混凝土结构、高性能材料与新型结构、桥梁性能评估与加固。引文格式：关帅，孙嘉辉，刘越，等.纤维增强复合材料（FRP）锚索性能及其工程应用.市政技术，2 0 2 3，41（8）：16 6-17 9.（GUANS，SU NJH，LIU Y,et al.Properties and engineering applications of fiber reinforced polymer anchor cableJ.Journal of municipal technology,2023,41(8):166-179.)环境复杂等特点，同时由于地质条件的不确定性、支护结构设计的不合理性和施工技术的不当等因素导致事故频发!。这些问题如果不及时解决，可能会第8 期导致支护结构失稳、破坏,给工程造成严重的影响和损失。锚杆支护技术作为一种有效加固边坡的方式，分为土钉墙、预应力锚索、框架预应力锚杆和预应力锚索抗滑桩等形式2。其中预应力锚索是将锚索置入岩土体中，通过注浆粘结剂把锚索的锚固段与稳定岩土体牢牢地粘结在一起，依靠锚固段的锚索与围岩间的粘结强度来加固不稳定的岩土体，达到保持边坡稳定的目的3。预应力锚索支护使锚固地层产生压应力区，并对加固地层起到加筋作用，改善地层的强度并提升力学性能。预应力锚索支护可以使结构与地层连接在一起，形成一种共同工作的复合体，使其能有效地承受拉力和剪力，并能提高潜在滑移面上的抗剪强度，有效地阻止坡体滑移，这是被动受力支护结构所不具备的力学特点。预应力锚索凭借其构造简单、安装方便、造价低和适用范围广等优势，在边坡工程和其他防护工程中被广泛采用。预应力锚杆（索）支护结构如图1所示。坡顶框架锚杆一滑移面锚固段坡底台座承压板锚具图1预应力锚杆（索）支护结构Fig.1 Support structure of the prestressed anchor bolt(cable)传统锚索一般采用钢绞线作为主要受力结构构件。随着大量金属锚索投人应用，锚索锚固提前失效引发的边坡失稳问题逐渐显现出来。通过研究国内外实际工程案例，发现钢筋锈蚀是导致锚固结构破坏的主要原因，这带来了潜在的巨大经济浪费以及安全问题4。同时我国每年边坡工程中需要消耗大量的锚索，对于高边坡上部的锚索通常在支护中发挥临时作用，在工程完成后不易回收，从而带来了关帅等：纤维增强复合材料(FRP)锚索性能及其工程应用1FRP锚索制备工艺FRP是由连续纤维和树脂通过浸润和固化过程制备得到的复合材料，主要采用拉挤成型工艺。与无粘结段锚固段167种种问题。一方面，由于钢筋锈蚀污染地下水造成地下环境污染；另一方面，锚索需向外辐射布置，易对周边地下结构及设施的施工造成障碍，产生一定的经济损失和法律纠纷。为解决上述问题，可回收式锚索技术在近年来应运而生，其不仅具有传统锚索的技术优点，且在施工完成后可将锚杆杆体拆除回收，减少了后续施工障碍。然而，传统钢筋可回收锚索由于材料性能限制了其承载力，此外钢锚索自身重量大、运输与安装不便、耐腐蚀性差等问题也大大影响了传统钢筋可回收锚索的二次利用。采用纤维增强复合材料（FiberReinforced Polymer,FRP)作为可回收锚索的主体材料可以很好地解决以上问题。FRP是由高性能纤维和树脂材料一起，通过拉挤、手糊、缠绕和模压等方式生产而成。根据纤维材料的不同，大致可分为玻璃纤维增强复合材料（GFRP）、玄武岩纤维增强复合材料(BFRP）、碳纤维增强复合材料(CFRP)和芳纶纤维增强复合材料（A FR P）。在实际应用中FRP锚索由于各向异性,无法采用传统的钢锚索回收体系，因此开发并设计一套适用于FRP的回收系统尤为重要。同时该类型的边坡可回收锚杆又满足了“绿色建筑”与“绿色施工”的可持续发展时代要求，具有很高的研究意义和较广阔的工程应用前景。目前,北美、日本、欧洲等国家已经开始采用FRP材料代替钢筋应用于支护结构的锚索中，但在回收方式上则没有明显的进展。单一材料相比,FRP在力学强度和刚度、耐疲劳性、耐蠕变和耐热性方面具有明显的提升，因此其性质也与单一材料有很大的不同5。FRP由纤维、树脂、界面、填料和添加剂5个部分组成。其中,纤维具有较高的弹性模量，有助于提高复合材料整体的力学性能，而树脂有助于将应力从单根纤维转移或分散到其他纤维，以保护纤维免受机械破坏和环境腐蚀。纤维和基体之间的界面是表面反应的产物，相对于基体具有明显的不同。界面是纤维和基体连接的纽带，也是应力传递的桥梁。除了这3种主要成分外，填料有助于减少基体收缩同时降低成本，添加剂有助于改善FRP的机械性能以及可操作性6。FRP拉挤成型技术的首个专利申请于1951年，FRP单丝1681960年实现了首个工程化应用。使用该技术生产的FRP型材不仅广泛应用于航空航天、汽车制造7 等行业，在土木工程中也获得了快速的发展8。通过拉挤成型得到的FRP筋纤维束沿轴向排列,因此具有很大的抗拉强度。然而，该FRP无法像金属一样焊接，需要特制的杆体连接器才能获得较长的锚固深度，因此在支护领域FRP多以土钉和锚杆的形式存在。在面对大吨位锚索时，由于FRP筋弯曲性能较弱,筋材之间连接工艺复杂等因素限制了FRP的应用。因此，一些学者尝试采用FRP绞线来代替FRP筋，在保证承载力的同时可以通过绞线盘卷运输的分纱器纱筒浸脂槽图2 FRP筋拉挤工艺Fig.2 Manufacturing process of FRP bars通过拉挤成型得到以轴向纤维为主的FRP棒材,此时棒材表面光滑,难以提供足够的锚固力。为了提高FRP筋的粘结性能，常采用以下方法对拉挤型筋材表面进行二次加工9：固化前螺旋缠绕纤维束成肋；在筋材表面用纤维带编织,形成凹槽；在筋材表面粘石英砂或短纤维束；通过具有凹凸内表面的模头挤压成肋；用机械法直接对筋材外表面进行喷砂加工。在实际应用中缠绕工艺最为常见，该方法是将连续的纤维束浸渍树脂后，按一定的缠绕方向和角度缠绕在棒材表面，最后通过加压固化装置和切割装置，得到所需的带肋FRP筋。FRP筋缠绕带肋工艺如图3所示。1.2FRP索制备采用多根FRP筋纽绞得到FRP锚索的索体，并线模成缆机前固化装置后固化装置图4框绞机制备FRP绞线Fig.4 Preparing FRP stranded wire by frame stranding machineJournal of Municipal Technology纤维前固化装置后固化装置FRP筋Fig.3 Manufacturing process of FRP bars winding rib在保证拉伸强度的同时提高了锚索的柔软度，从而确保FRP锚索在盘卷运输时不易损坏，大大减少了运输与施工的成本。具体设备由线轴、成缆机、并线模、前固化装置、后固化装置、牵引装置和切割装置等组成，如图4所示。线轴FRP单丝第41卷特性从而实现更长的锚固深度。1.1FRP筋制备FRP筋制备所用的设备由纤维纱架、浸脂槽、分纱器、固化装置、牵引装置和切割装置等组成，如图2 所示。在制备时首先将纤维束从纱筒中抽出，通过分纱器上的小孔牵引通过盛有环氧树脂的浸脂槽；随后在前固化装置中初步固化成型并挤出筋材表面多余树脂,初步成型的FRP筋在牵引机的作用下分阶段通过后固化装置，进行加热加压处理并定型；最后通过盘卷机将所制备的FRP绞线单丝缠绕到线轴上，多余部分通过切割装置切断。牵引装置切割装置肋浸脂槽图3FRP筋缠绕带肋工艺牵引装置FRP绞线切割装置缠绕装置导向装置纤维纱筒第8 期FRP索在制备时首先需要通过拉挤成型得到以轴向纤维为主的FRP绞线单丝，并通过线轴进行缠绕。将线轴放置在成缆机悬臂上，将FRP单丝通过成缆机上的小孔穿出，在并线模处纽绞形成绞线。随后通过前固化装置在表面浸渍硅胶溶液并进行高温预成型。在牵引机的作用下缓慢通过后固化装置，得到成品FRP绞线并切割成适当的尺寸。2FRP锚索力学性能与传统钢材相比,FRP质量轻、强度高，然而其力学范畴工程背景常规试验技术加载恒定加载装置应力保持恒定应变液动、装置气动加载分类蠕变加载10-710-510-610-4图5应变率相关的岩石力学问题分类与试验方法Fig.5 Classification and experimental methods of rock mechanics related to strain rate2.1蠕变性能FRP的蠕变性能与钢筋有着明显的区别,由于聚合物树脂的黏弹性响应以及对温度的敏感特性，使得FRP在变或其他与应变速率相关的性能方面相较于钢筋更加敏感。在工程应用中FRP的变行为更多取决于树脂的种类而不是纤维界面的性能,并且与树脂固化条件也存在关联Saadatmanesh等12 对AFRP筋、CFRP筋以及CFCC绞线在空气和酸碱溶液中的蠕变性能进行了初步研究。结果表明，CFRP筋在空气环境中几乎不发生蠕变；与在空气中测试的对照组相比,所有材料在酸碱溶液中的蠕变松弛损失都更高。Zou13对GFRP、AFRP和CFRP筋进行了蠕变试验，在常温恒湿的条件下测试了超过10 0 0 h。试验表明,FRP筋的蠕变破坏应力和时间的对数呈线性关系，对试验结果进行回归分析建立了蠕变寿命预测模型，在50 0 0 0 0 h后GFRP、A FR P和CFRP筋变破坏应力和静力拉伸强度的比值分别为0.2 9、0.47 和0.93。Shi等14研关帅等：纤维增强复合材料(FRP)锚索性能及其工程应用惯性效应可忽略蠕变问题常规力学问题保持常规伺服式液压准静态加载T10-310-110-2应变率/s-1究并试验了盐溶液腐蚀后对于BFRP筋蠕变性能的影响，试验变量包括温度和腐蚀时间。结果表明，蠕变断裂应力与原始抗拉强度的比值明显减小，但是同样腐蚀退化后的BFRP筋蠕变断裂应力与退化后的抗拉强度比值不变，表明持续荷载下BFRP筋的蠕变性能与腐蚀老化无关。Yasushi等15开发了基于基体树脂黏弹性的CFRP蠕变和疲劳强度加速试验方法(ATM),用来预测以耐热环氧树脂为基体的单向CFRP在蠕变拉伸荷载下的蠕变失效时间。通过对CFRP绞线在任意温度下几种恒定拉伸荷载下的蠕变破坏时间的比较,基于基体树脂黏弹性的时间-温度叠加原理，对CFRP绞线的长期蠕变失效时间进行了统计预测。2.2准静态性能FRP作为各向异性材料,其静态性能与钢筋相比存在鲜明的特点，在边坡支护用锚索相关试验中将FRP准静态性能主要分为3类：拉伸、剪切和弯曲性能。这3种性能分别对应预应力锚索正常工况下的169力学性能表现为线性弹性，没有一个明显的屈服阶段,这导致结构破坏时的应变和伸长率较低。此外,将FRP作为锚索进行支护时，为限制加固体的前期变形需要对锚索施加预应力，由于FRP的弹性模量通常小于钢的弹性模量（除了CFRP弹性模量较高）,这种材料属性也使其在支护完成后发生收缩变形时预应力损失较小10。根据道路边坡实际应用环境情况，可以按照应变率相关的岩石力学问题分类及试验方法将FRP力学性能研究分为以下3部分：蠕变加载、准静态加载和中等应变率加载。如图5所示。惯性效应不可忽略地震作用爆破结构振动弹头冲击海浪、潮汐晃动岩爆、爆炸验动态轻平化伺服式气加载装置锤分离式炮板爆霍布金斯压杆冲试试击验验超高应变率中等应变率加载|高应变率加载加载101031102超动能武器试104105170受力情况、锚索在边坡滑坡等情况下受到垂直轴向的剪力以及盘卷直径对于锚索在运输过程中影响。Ganczakowski等16 对AFRP纤维和直筋分别进行了静态加载和循环加载试验，发现在静载作用下AFRP表现为线弹性直至破坏，而在循环荷载作用下材料的弹性模量随着循环次数的增加而增加。Benmokrane等17 采用树脂型粘结锚具对不同规格的AFRP与CFRP筋进行了拉伸试验，发现FRP筋的拉伸性能与理论数据接近。FRP筋的表面几何形状、填充树脂的性能和锚固套管的刚度对于粘结型锚具的拉伸性能都有一定的影响。Wang等18 研究了BFRP以及混杂纤维增强聚合物（HFRP)作为抗剪构件的剪切性能,试验发现FRP筋的主要剪切强度是由内部纤维贡献的，而树脂只占总强度的8%,并且只在第一阶段发挥作用。诸葛萍等19利用模型试验测试了CFRP筋对应不同角度的弯曲抗拉强度，计算出了CFRP筋在土木工程中的弯曲抗拉强度降低系数，发现当弯折角度达到3时，CFRP筋弯折抗拉强度较直线状态下降了18.9%左右，因此在实际工程中需要慎重考虑筋材弯折对抗拉强度的折减。Rossini等2 0 通过三点弯曲试验研究了GFRP绞线弯曲特性,并通过弯曲挠度计算极限曲率半径,发现直径为10.2 mm的CFRP绞线可通过直径约为1.50 5mm的卷轴进行运输而不发生损坏,弯曲性能对于CFRP绞线的存储和运输至关重要。2.3动力学性能自FRP材料问世以来，人们对于其动力学性能理论和实践方面不断探索。其中，芳纶纤维浸渍树脂形成的Kevlar纤维增强复合材料于2 0 世纪6 0 年代被发现后，由于其优异的抗冲击性能，引起国内外学者对AFRP纤维布、AFRP层压板以及AFRP筋的动力学性能开展了大量的研究2 1。Welsh等2 2 在10-4、10、10 3s-1应变速率下分别测试了CFRP、A FR P以及GFRP层合板的动态拉伸应力应变曲线，结果发现CFRP在高速率下的拉伸强度明显增加，并提出了对于编织加固结构，其基体可能承担很大一部分负荷。Scarponi等2 3采用超声波无损探伤（NDI)技术对CFRP、G FR P和AFRP层压板进行了低速落锤冲击试验，并对沿厚度方向的变形量和层间位移进行了监测。朱德举等2 1采用MTS液压伺服高速试验机测试AFRP在不同应变率Journal of Municipal Technology第41卷(25、50、10 0、2 0 0 s-)和温度（-2 5、0、2 5、50、10 0)条件下的力学性能，结果表明在相同温度下，随着应变率的增大，杨氏模量和拉伸强度先增大后减小，而韧性则呈现完全相反的结果。目前对于FRP锚索抗冲击性能的研究尚处于起步阶段,FRP锚索性能受到树脂基体、纤维含量以及冲击落锤重量等多重因素的影响2 4。经查阅相关资料,国外关于FRP锚索冲击性能的研究甚少,国内主要有湖南大学方志教授课题组对桥梁CFRP拉索进行了横向冲击性能方面的研究。向宇等2 5设计了一款适用于CFRP绞线与棒索的锚固系统，并采用落锤试验研究了锚索在冲击荷载下的抗冲击性能，试验结果表明CFRP绞线与棒索的破坏形式与抗冲击性能均存在较大差异,其中CFRP绞线多为断裂破坏,进而使锚索整体结构失效，而CFRP棒索则出现锚具滑移与筋材断裂2 种破坏形式。王常林2 6 研究了CFRP筋材的横向抗冲击性能及GFRP锚索失效模式的影响因素,包括冲击能量、预张力和锚固长度3个方面，试验结果表明CFRP筋材在横向冲击荷载作用下，初始损伤点对应的冲击荷载与冲击能量之间并不存在明显的变化规律，峰值反作用荷载与冲击能量成正比。Fang等2 7 在预张力对CFRP筋横向抗冲击性能影响研究的基础上，进一步针对温度效应对CFRP筋材抗冲击性能的影响进行了分析，同时测试了不同的保护措施对CFRP筋抗横向冲击性能的提升效果，试验发现试件温度由-40 升高至8 0 时，CFRP筋最大冲击反作用荷载、纵向极限反作用荷载和横向断裂位移分别提高了41.6%、10.1%和45.6%，在循环冲击作用下，CFRP筋的抗冲击性能表现出明显的退化现象;此外，还发现在CFRP筋外部设置聚乙烯柔性防护体系,可以显著改善CFRP筋的冲击抗性与吸能能力。方志等2 8 采用锚固长度作为参数，对采用超高性能混凝土（UHPC)作为粘结介质的CFRP压纹筋进行了轴向冲击试验，结果表明动态平均粘结强度约为同等情况下静态粘结强度的0.46 倍，CFRP筋材的动态临界锚固长度约为静态临界锚固长度计算值的1.7 1 倍。3FRP锚索锚固形式在支护工程中，存在拉力型锚索和压力型锚索第8 期2种主要形式。前者通过锚固段与混凝土灌浆料之间的握裹力提供承载力，此时锚固段承受拉力；后者通过锚索端头的承载板预紧力对锚固段施加压力，并且锚索与灌浆料之间采用无粘结方式，在临时支护完成后为锚索回收提供了条件。压力型预应力CFRP锚索结构的失效有可能是由于锚固段的受压破坏或锚索自身的拉伸破坏导致的，但FRP绞线与锚索端头承载板的锚固强度也不容忽视2 9。合适的锚固体系是FRP锚索结构强度的决定性因素,可以确保力的可靠传递并与结构的其他部分相互作用。目前尚未出现一种经济实用的FRP锚索体系能够与现有后张拉钢绞线锚索系统相竞争。此外，由于FRP的侧向抗压强度和抗剪强度远低于其拉伸强度，用传统的锚固方法（如钢楔锚固体系）锚固FRP锚索时，由于局部剪切力过大可能会导致锚固端提前失效。目前对FRP锚固体系研究主要分为机械式锚固和粘结式锚固2 大类，具有各自的优势与短板。3.1机械式锚固机械式锚固主要依靠FRP和内锚固面之间的摩擦力，因此必须施加一个垂直于FRP的压应力。通常是通过外套筒和夹片之间形成的锥体界面，通过夹持来获得对FRP的锚固应力。在这种情况下锚索是由各向同性和可屈服的钢材制成的，对于传统的预应力锚索十分有效，但由于FRP各向异性，使得材料在垂直于纤维的方向上很脆弱，这使FRP筋采用机械式锚固面临不小的挑战。3.1.1锥塞式锚固锥塞式锚固为机械式锚固方法之一，其结构由一个内锥塞与外套筒组成，使用时将筋材的纤维压在锥塞与外套筒内壁之间达到锚固的效果，如图6所示。Burgoyne301采用锥塞锚对AFRP作为内芯的Parafifil索进行了锚固，验证了Parafifil索在拉伸弯曲共同作用下的耐久性能、耐热性能和抗疲劳性能，同时介绍了这种材料的研究和相关项目的应用。试验表明,锥塞式锚固系统可以成功地应用于结构工程中，其拉伸荷载可以达到6 0 0 kN以上。外套筒FRP锥塞图6 锥塞式锚固Fig.6Spikeanchor关帅等：纤维增强复合材料(FRP)锚索性能及其工程应用3.1.2夹片式锚固常见的解决方式是采用复合式夹片锚具，其主要原理是通过夹片将压应力施加在筋材表面的套筒上，从而不与FRP筋材直接接触，避免了应力集中的情况。这种锚固方式可以有效提高锚固强度，缺点是结构较为复杂且相对滑移较大，如图7 所示。外套筒FRP金属软管图7 复合式夹片锚固Fig.7 Composite wedge anchorEzzeldin等31设计了一种应用于后张法预应力锚索的全新锚固系统，该系统解决了当时CFRP筋锚固件存在的缺点，同时满足了后张拉锚固系统的要求。该锚固系统由1个钢套管和4个楔形夹片组成，界面上涂有润滑脂。采用薄的铝或者铜制内套管在CFRP筋周围分散来自楔形夹片的径向应力,使用有限元方法进行数值分析，对锚固系统内的应力分布进行了评估。分析结果表明，在满足锚固需求的前提下，可以缩小现有锚固长度，从而减少材料的使用。薛伟辰等32 在分析研究国外已有FRP筋锚具的基础上，在国内首次研制出了适用于CFRP绞线的夹片式锚具。采用该锚具对CFRP锚杆与多种粘结介质之间的界面粘结强度进行了研究。试验结果表明，该锚具适用于目前工程中常用的夹片式锚固体系，具有高效的锚固效率。詹界东等33-34对复合式夹片锚具系统的静载锚固性能、抗疲劳循环荷载性能以及周期荷载性能进行了试验。发现在适当的循环荷载下，该种锚具的锚固性能有所提高，其组装件在经受循环疲劳荷载及周期荷载后，在夹持区域的CFRP筋均未发生破坏，可以有效地达到现行的锚固效率系数要求。殷杰等35针对复合式夹片锚具存在的滑移问题，对锚索自由端锚具表面进行了螺纹处理，并配置了与之匹配的螺母。在加载过程中当受荷端的CFRPFRPFRP单丝锥塞171夹片FRP金属软管筋受拉时，由螺母提供稳定的纵向紧固力，该方案能够有效地避免夹片滑移。通过对多组复合式锚具以及改进型复合式锚具进行静载拉伸试验，得到如下结论：在不施加预紧力的前提下，改进型复合式锚具螺母纵向紧固力可以有效避免夹片滑移；粘结172材料种类对锚固过程的稳定性有一定影响，但并不影响最终锚固效果；筋材表面形式对锚具锚固性能影响较大。3.2粘结式锚固粘结式锚固可以有效避免FRP应力集中，实践中通常采用向外套筒中填充水泥或树脂的方式来对FRP进行锚固。按照FRP端头处理方式的不同，可以分为集中粘结式锚固（如图8 所示）、分散粘结式锚固（如图9所示)等形式。FRP外套筒图8 集中粘结式锚固Fig.8 Centralized bonded anchorFRP单丝FRP外套筒图9 分散粘结式锚固Fig.9 Dispersed bonded anchor3.2.1集中粘结式锚固集中粘结式锚固制作方式相对简单，其研究与应用较早。Lees等36 为了解决FRP筋锚固中的应力集中问题，设计了一款采用膨胀水泥作为介质的杆体连接器。首先进行了钢筋-钢筋连接的静力加载试验，随后进行了AFRP-钢筋之间的连接试验。试验结果表明，在实验室控制的条件下，使用膨胀水泥连接器实现FRP材料之间的锚固连接是可行的。然而，由于膨胀水泥水灰比(WIC)很难精确控制,且水泥在长期服役下的耐久性能不稳定，因此在大规模生产中采用该方案并不可行。Meier等37 采用环氧树脂十氧化铝颗粒作为粘结剂,开发了一种变刚度锚固系统。该锚固系统采用内锥形套筒和一种特制的粘结介质对CFRP平行棒索进行锚固，该粘结介质由氧化铝颗粒和环氧树脂调配而成，氧化铝颗粒在环氧树脂中的分布从锚固末端逐渐由稠密变稀疏，刚度也逐渐变小，从而实现变刚度粘结锚固的目的。该锚具可以有效地减小CFRP锚索端部应力集中，防止CFRP拉索的过早破坏，提高锚固效率。Zhang等38 分析了FRP筋粘结式锚固的本构关Journal of Municipal TechnologyFRP粘结介质FRP粘结介质定位板第41卷系，随着外加荷载的增加，粘结强度峰值点从锚固的加载端向锚具内部转移，并在此基础上提出了计算FRP筋粘结锚固界面粘结应力和抗拉能力的概念模型。试验和分析结果表明,FRP筋和外套筒的几何形状以及粘结剂力学性能是影响FRP筋-粘结界面应力发展的主要因素，这与计算结果相吻合。3.2.2分散粘结式锚固研究发现,以CFRP为代表的具有高抗拉强度的FRP锚索在采用集中粘结式锚固时所需的锚固长度较大。方志等39针对CFRP绞线设计了3种粘结型锚固方式，分别为整束锚固、分散锚固以及分散再合并锚固。对于分散锚固试件，将锚固区内的CFRP绞线打散用以提高粘结面积，并用RPC作为粘结剂制作了2 9 个静载试件，探究不同张开角度对锚固性能的影响。试验结果表明,相较于整束锚固,分散锚固的锚固效率提高了2.33倍，而分散再合并锚固则具有更优异的锚固性能。分散锚固的CFRP绞线末端张开角度为35分散再合并锚固的拱角为37 时可获得最优的锚固性能。Liu等40 提出了一种端头无聚合物基体的CFRP筋端头溶解-重粘式锚固系统，在锚固区内由粘结剂直接粘结纤维，可以极大地增大碳纤维的粘结表面积。通过对4种不同长度的CFRP筋进行静力拉伸试验，结果表明该锚固形式的破坏模式、极限承载能力以及锚固效率均要明显优于传统粘结型锚固试件，整个锚固系统的承载能力显著提高，试件的平均锚固效率大于95%。4FRP锚索工程应用我国地质情况复杂，交通路网密布，极易发生边坡地质灾害。边坡失稳破坏便是其中一种，具有频率高、范围广、危害大、治理难等特点，为减轻或避免该类灾害带来的损失，采取合理的防护与支护技术势在必行。边坡框架预应力锚杆（索)支护技术由于结构具有稳定性、便捷性、高耐久性等诸多优点而被广泛研究并大量应用于边坡加固防护工程中41。永久性FRP锚杆的整体结构与传统锚杆相似,分为被动型锚杆与主动型锚杆。2 种锚杆在支护结构中主要承受拉力，用于平衡锚固结构中的断面压力、不稳定岩层自重和上部结构荷载42 4.1永久性FRP锚索目前，国内外学者主要通过试验手段研究FRP第8 期锚杆的力学性能,并对其破坏机理进行了分析。FRP锚索在工程中主要应用于桥台地锚与边坡锚杆支护中，展现出了十分优异的性能。1990年，日本首次将CFRP锚索用于人行悬板桥的地锚43,在Birdie桥的桥台处设置了32 组Leadline型号的CFRP后张拉锚索，平均长度为15545004000跨度46 50 0一关帅等：纤维增强复合材料(FRP)锚索性能及其工程应用400017320m,如图10 所示。根据前期计算,混凝土徐变和桥面荷载等因素所引起的应力损失约为设计荷载的2 0%。因此，所有锚杆在施工时锁定荷载设置为1.25倍设计荷载（约39 2 kN），通过锚杆上的测力计观察，张拉后的瞬间损失荷载小于设计荷载的3%，1.5年后荷载损失约为3%5.5%。Leadline锚索-1500020000图10 Birdie悬板桥的锚索位置示意图Fig.10 Location diagram of anchor cable of Birdie suspension bridge1993年，北海道高速Jukan段建设中采用了由7012.5的碳纤维复合材料缆索（CFCC)组成的锚索用于边坡支护施工44,该锚索由多股CFCC、粘结型锚具、导向装置和玻璃纤维加强聚氨脂泡沫压力板(FFU)等组成，如图11所示。该种锚索地上部分被固定于一种特殊结构的混凝土台座中,锚杆平均总长度锚固段为2 2 m，设计荷载为49 0 kN。直到2 0 世纪末在日本记载的关于FRP锚索的应用已经累计有2 3例4。然而那时关于CFRP作为预应力锚索的相关研究有限,由于CFRP的表面形式和力学性能与钢筋不同，缺乏部分理论数据支撑，如与灌浆料的粘结强度、蠕变和疲劳性能等。轻质压力板22012.5自由段灌浆料CFCC7012.5锚固段北海道高速边坡图11CFCC锚索在北海道高速边坡中的应用Fig.11 Application of CFCC anchor cable in high speed slope of Hokkaido1996年日本高速公路公司的Karbhari设计了一款由AFRP构成的锚杆43,其前端与一个不锈钢锚连接，使用螺母固定在承载板上，其他部分为无粘结段，如图12 所示。随后采用36 根该类型的AFRP锚杆，作用于日本大阪滨海高速公路Kajiwara段的部分边坡上，来验证使用FRP锚杆稳定边坡的可行性。Zhang等45对CFRP和AFRP锚杆的锚固特性进行了实验室试验和现场测试。通过改变锚杆锚固长度和表面处理形式，采用液压千斤顶对16 个单锚索和4个组合锚索进行了拉拔试验以及不同荷载下的变性能测试,取得了丰富的研究资料,如图13所示。174Journal of Municipal Technology第41卷承载板顶部锚具大孤滨海高速公路边坡末端锚具AFRP筋锚索锚固段长度图12 AFRP锚杆在大阪滨海高速公路边坡中的应用Fig.12 Application of AFRP anchor in slope of Osaka Binhai Expressway橡胶套管锚索自由段长度液压千斤顶FRP组合灌浆料桶FRP单根锚索锚索图13CFRP和AFRP锚杆实验室张拉测试Fig.13 Tensile test of CFRP and AFRP anchors in laboratory高丹盈等46 对FRP锚杆进行了深人的理论分析和数值模拟,研究了FRP锚杆的破坏形式、混凝土强度、锚固长度、纤维聚合物筋直径、混凝土浇筑深度以及环境条件等多种因素对FRP锚杆粘结性能的影响，同时在考虑锚杆、砂浆以及岩土体三者相互作用的条件下推导出了粘结-滑移的理论微分方程。2005年，海川新材料科技股份有限公司47-48 研发出了FRP全螺纹实心和中空注浆锚杆的新型岩锚系统，型号为路威2 0 0 6,如图14所示。该锚杆具有耐腐蚀性强、非导电性、非导热性、耐冲击性能好的特点，适用于隧道、矿山等环境,并且与树脂基粘结剂具有良好的结合力。其锚固力大、粘结力强、锚固反应快且杆体可切割，不仅可用于边坡支护中，还特别适用于煤巷隧道支护以及服务年限较长的地下工程。该产品的出现给边坡锚固技术带来了革新，目前已经成功应用于常吉高速公路边坡49、贵州道安高速、深圳市鹏坝通道工程排牙山隧道等工程中。常吉公路边坡GFRP锚杆图14路威2 0 0 6 锚杆在常吉高速公路边坡中的应用Fig.14 Application of LuWei 2006 anchor in slope of Changji Expressway第8 期Cheng等50 为澳大利亚机场枢纽开发了一种创新的GFRP土钉安装方法。由于很难保证良好的粘结强度和土壤的整体稳定性，传统的土钉施工方法在软黏土中效果不佳。该方法结合了断裂灌浆技术和复合型GFRP土钉,用以稳定边坡，并补偿地面的沉降。Zhang等51、方志等52 开发了一种以CFRP筋作为锚杆，活性粉末混凝土(RPC)以及高致密超细颗粒均布材料(DSP)作为灌浆料的创新大吨位地锚，大幅缩小了锚杆在地下的钻孔深度。通过单调荷载和约9 0%最大承载力的循环荷载试验研究了锚杆的垂直位移，同时监测了沿地上和地下部分的应变分布。试验结果表明，该CFRP新型地锚索体系表现出良好的锚固性能，可以满足40 0 0 kN的锚固需求，同时残余位移均小于5mm。在试验基础上，形成了一套完备的制作工艺和质量验收体系。该CFRP锚索体系在矮寨特大悬索桥的地锚吊杆工程中得到了成功应用，该吊杆不与加劲梁连接而是直接与地面连接，实践结果表明CFRP作为地下段锚固的锚杆在出厂检验、现场验收过程中均表现出了良好的性能，如图15所示。地上铺啶RPC灌浆料地下自由段CFRP筋地下锚固段锚杆末端RPC灌浆料图15矮寨大桥中CFRP新型地锚索体系Fig.15 New CFRP cable system in Aizhai Bridge杨国梁53研究了BFRP筋锚索系统的设计与应用，在土质边坡和岩质边坡2 种边坡锚固体系下，同时与传统钢绞线锚索进行对比试验。结果表明，BFRP筋材边坡锚固效果与传统锚杆效果相近。在进行BFRP筋施工时，可以参考传统锚杆规范进行设计。4.2可回收FRP锚索目前，国内外已开发出多种类型的钢制可回收锚杆，但仍存在回收困难、回收效率不高、长期使用关帅等：纤维增强复合材料(FRP)锚索性能及其工程应用4.2.1传统可回收锚索传统可回收锚索以压力型锚杆为主，针对钢筋或钢绞线进行回收。其原理是通过各种手段将杆体与锚具端部脱离以达到回收杆体的目的。现有可回收锚索可分为U形可回收锚索、机械式可回收锚索、力学式可回收锚索以及热熔式可回收锚索几种形式 5-56 。Barley等57 开发出了一种名为SBMA（Si n g l e Bo r eMultiple Anchors）的U