作者；郑晓敏
碳纤维板是一种先进的纤维增强复合材料，20世纪60年代起，美国、加拿大、欧洲和日本开始研究开发纤维增强复合材料，在桥梁和房屋建筑的新建、改建和加固工程中应用。我国从20世纪80年代后期开始研发纤维增强复合材料加固技术，随着技术发展和社会需要，其近年来在工程中得到了越来越广泛的应用。目前，纤维增强复合材料加固技术一般采用的是“表面粘贴法”，而对纤维复合材料先施加预应力再加固混凝土结构方面的研究工作才刚刚开始。针对预应力碳纤维板锚固体系，提出了一种适用于该体系的张拉端锚固支座，对锚固支座的承载机理进行分析，利用ANSYS进行有限元分析，同时对锚固支座组装件进行荷载传递试验，采取理论分析与试验分析相结合的方法验证锚固支座的性能，为施工单位正确选择锚固支座提供参考依据。
1 锚固体系
预应力碳纤维板锚固体系主要由锚具、锚固支座、碳纤维板、专用环氧胶、压紧条、张拉工具挡板及张拉设备组成，锚固体系示意图见图1。
1.1 锚固体系主要构件
1)锚具
锚具是安装在碳纤维板的端部且可以在碳纤维板张拉过程中始终对碳纤维板端部保持锚固状态的锚固工具，其作用是夹持在碳纤维板的端部传递预应力。预应力碳纤维板锚具的锚固单元是由两片式楔形夹片和锚板锥孔构成，预应力依靠碳纤维板与夹片之间的咬合以及夹片与锚板锥孑L内壁的摩擦来传递，具体的锚具示意图见图2。
2)锚固支座
锚固支座的作用是将锚具传来的碳板预应力传递到加固构件上，通过锚栓的固定长期维持碳纤维板的预应力，同时为张拉设备（千斤顶）在碳纤维板张拉过程中提供反力支撑，构造示意图见图3。
3)张拉设备
张拉设备由小型千斤顶和高压油泵组成，加载时通过油泵向小型千斤顶内供油，千斤顶通过活塞的伸出张拉碳纤维板。
1.2锚固体系的主要施工工序锚固体系施工工序见图4。
1.3锚固体系中锚固支座的承载机理及受力分析
锚固体系安装完成之后，开始张拉碳纤维板，整个张拉过程主要分两个阶段，下面主要分析张拉端锚固区（见图5）锚固支座的承载机理及受力：
1)张拉设备加载阶段。加载时，张拉设备（千斤顶）通过活塞的伸出张拉碳纤维板，千斤顶的一端由锚固支座提供反力支撑，锚固支座在底板的锚栓孔处通过锚栓固定在加固构件上，此时穿过锚固支座螺杆上的两个六角螺母处于完全松弛状态，不产生应力，锚固支座只受到千斤顶施加的压应力。锚固支座的受力图见图6。
由图6可建立平衡方程：
F= 4R (1)
2)张拉设备卸载阶段。当持续加载至碳纤维板设计预应力时，需要移除张拉设备，在移除张拉设备之前，需要拧紧锚固支座螺杆上的两个六角螺母，螺母通过螺杆的配合达到锁紧预应力、减少预应力损失的目的，最终碳纤维板的预应力通过两个螺母的锁紧传递到锚固支座上来维持，此时，千斤顶已卸载不再产生应力，锚固支座只受到两个螺母的应力。
由图7可建立平衡方程：
由式(1)、(2)可知，需要施加的碳板预应力值越大，锚固支座的受力越大，因此，锚固支座是锚固体系的重要组成部分，其优良特性将直接影响到预应力的效果和结构的安全性，所以重视锚固支座的安全可靠性能将对提高碳纤维板预应力水平和加固效果有重要意义。
2有限元模型概况
ANSYS拥有完备的非线性分析模块，能较好地支持接触单元，并提供多种非线性接触分析单元类型。借助ANSYS软件，采用SOLID186单元模拟锚固支座，运算类型为非线性弹塑性运算，运算时需考虑螺母与锚固支座的接触问题，ANSYS接触方式可以分为三种：点-点、点一面以及面·面接触。由于面一面接触支持低阶和高阶单元，刚体表面的形状不受限制，需要较少的接触单元，较小的磁盘空间和较少的计算时间，所以为了模拟实体六角螺母与锚固支座的接触，采用了面·面接触，摩擦系数取0. 15 0
2.1 张拉控制应力的规定
根据预应力施工规范以及碳纤维板锚固体系的特点，结合国内碳纤维板的质量标准要求，为充分发挥碳纤维板的高强度性能，在参考体外索相关标准基础进行如下规定：
依据上述规定，取截面尺寸为50mm×3mm、极限张拉应力为2600MPa的碳纤维板进行有限元模拟计算（K取0.4）。
通过多方面查阅资料，模型的力学参数见表1。
2.2计算条件及假定
根据该锚固支座的设计和使用特点，进行如下假设：
1)根据六角螺母与锚固支座的接触形式及加固系统的传力实际情况，将施加给碳纤维板的张拉应力通过面积转化计算，简化为直接作用在两个六角螺母侧面上的平均应力。
依据2.1规定，计算施加在一个六角螺母侧表面上的平均应力，面积转化过程如下：
碳纤维板的张拉力（K取0.4）：
经计算一个螺母的面积S为670. 23 mm2，则施加在一个螺母上的平均应力为：
综上所述，施加在一个螺母表面上的应力为116. 38MPa。
2)锚固支座采用铸造式的生产工艺，所以有限元模拟时可将锚固支座视为一个整体结构。
3)视锚固支座为各向同性均质体。
3锚固支座的有限元分析
3.1 有限元分析模型建立
锚固支座为轴对称模型，为了节省计算时间和计算空间，取锚固支座1/2模型进行分析。由于锚固支座分为两个受力阶段，故按两个阶段的两种不同的加载方式分别进行有限元分析计算。第一阶段按照张拉设备直接加载方式进行加载，第二阶段按照螺母加载方式进行加载。
3.2有限元分析结果
1)按照张拉设备（千斤顶）加载方式加载的锚固支座有限元分析结果。
由图9可知，按张拉设备加载方式进行加载，有限元分析结果显示锚固支座的最大应力为264MPa，远低于材料的屈服强度400MPa，除了小范围应力集中区其他部位的应力值均低于200MPa，故按照张拉设备预应力张拉时锚固支座是安全可靠的。
2)按照螺母加载方式加载的锚固支座有限元分析结果。
由图10可知，按照螺母加载方式进行加载，有限元分析结果显示锚固支座的最大应力为153MPa，相比于张拉设备加载阶段产生的应力更小，且远小于材料的屈服强度400MPa，故按螺母加载方式锚固支座是安全可靠的而且具有良好的安全储备。
4锚固支座的荷载传递试验
为了验证锚固支座的性能，对锚固支座进行两组荷载传递试验。
4.1 试验机具及仪器
YCW400B千斤顶一台、CL-YB-M12MN传感器一台、压力表一台、电动油泵一台、Sm卷尺一个、0-125规格游标卡尺一个、0 - 300规格深度游标卡尺一个、垫块及其他专用工具若干。
4.2试验加载过程
锚固体系是安装在预制的混凝土矩形截面构件上进行荷载传递试验，整体试验效果见图11。
两组荷载传递试验时，试验模型与模拟计算的参数相同。本试验参照国际预应力混凝土协会( FIP)1993年发表的《后张预应力体系验收建议》加载方式进行加载，荷载按照碳纤维板特征极限抗拉力Fpk所对应的值以20%为增量从0%到80%逐级施加（张拉荷载分级张拉控制力见表2）。当达到0. 8Fpk后，进行至少10次慢速循环加载，荷载上限和下限分别为0. 8Fpk和0.12Fpk，循环加载之后持续加载直至碳板被拉坏。欧洲标准的循环加荷程序见图12。
4.3试验结果分析
两组试验的碳纤维板均被拉断破坏，破坏形式见图13。
试验记录了碳板被拉断时的极限破断力，试验结果见表3。
由表3可知，两组试验的锚固效率均超过95%，满足锚固性能的基本要求，且试验后锚固支座完好，未出现肉眼可见的裂缝及变形等，碳板拉坏后锚固支座状态见图14。
5 结论
1)针对预应力碳纤维板锚固体系锚固支座存在两种加载状态，对其分别进行分析，明确承载机理。
2)利用有限元分析软件ANSYS，对锚固支座以两种不同的加载方式分别加载分析，分析结果表明，两种状态下构件的最大应力均远小于材料的屈服强度，能较好地满足张拉碳纤维板时的受力要求。
3)通过对锚固支座进行荷载传递试验，结果表明，锚固支座具有良好的承载能力，具有较高的安全储备。
6摘要]随着新型加固技术的兴起和发展，预应力碳纤维板加固技术已经得到了越来越广泛的应用。在加固系统中，锚固支座是其中的重要组成部分，其优良特性将直接影响到预应力的效果和结构的安全性。针对预应力碳纤维板锚固体系，提出了一种适用于该体系的预应力碳板张拉端锚固支座，分析锚固支座的承载机理，同时利用有限元分析软件ANSYS进行有
限元分析。分析结果显示，该锚固支座能较好地满足预应力碳纤维板加固技术的要求。通过对锚固支座组装件进行荷载传递试验，结果表明，锚固支座具有较好的锚固性能。
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