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朱俊峰，于 飞，陈 燕，朱云安，薛 超
（1南京市溧水区城乡建设局，江苏南京 210000；
2南京溧水城市建设集团有限公司，江苏南京 210000；
3南京河西工程项目管理有限公司，江苏南京 210000；
4中铁四局集团有限公司南京分公司，江苏南京 210000）
为了防止地下管廊锚杆发生变化进而影响周围围岩变形产生灾害等风险，需要对施工地下管廊进行支护防护，以提升其抵抗变形的能力，增加安全储备。当前，多数地下管廊为抑制其易于开裂和承载力不足等问题，通常在地下管廊中加入碳纤维/钢支撑锚杆结构以提升管廊承载能力和抵抗变形的能力，且研究表明该支撑方式效果较好[1]。而碳纤维与钢属于不同类型的结构材料，常用的焊接、铆接等连接方式不并适用于二者，因为这些连接方式会对结构件产生损伤且质量难以稳定[2]，较为可行的是采用胶粘剂将二者进行连接。然而，碳纤维与锚杆的粘结过程中经常出现由于胶粘剂选择不当、粘结层厚度控制不当而造成脱粘等问题[3-5]，这主要与碳纤维/锚杆界面粘结界面的粘结质量和稳定性等有关。目前，建筑地下管廊支护中的碳纤维/钢结构也有采用线性胶粘剂进行粘结的应用，而关于非线性胶粘剂的报道较少，且粘结层厚度是否对粘结质量有影响及其作用规律不清楚[6-9]。基于此，本文研究了胶粘剂种类和厚度对碳纤维复合锚杆剪切性能的影响，通过基于界面断裂能计算方法得到了界面极限承载力，并与实测值进行了对比，结果可对碳纤维复合锚杆试件的胶粘剂选择和应用提供参考，并有助于提高地下管廊支护的稳定性和安全性。
1.1 实验原料
以市售Q345方钢管(壁厚6mm、屈服强度365MPa、抗拉强度515MPa、断后伸长率38%、弹性模量2.08×105、泊松比0.28)、碳纤维复合板(简称CFRP，厚度2mm、宽度25mm，拉伸强度1663MPa、断后伸长率0.96、弹性模量174.51GPa)，Tc结构胶粘剂(非线性胶粘剂，弹性模量1.74GPa、拉伸强度39.81MPa、应变能2.01N/mm)和T1结构胶粘剂(线性胶粘剂，弹性模量3.16GPa、拉伸强度52.92MPa、应变能0.68N/mm)为实验材料。
1.2 试样制作
为了制备碳纤维复合锚杆试件，预先采用800#砂纸对碳纤维表面进行轻微打磨，清水冲洗后转入丙酮溶液中超声30min，取出干燥后备用；
锚杆试样依次进行除油和表面砂纸打磨，清水冲洗和丙酮清洗后在钢基体上划线以确定碳纤维板粘结区域。使用Tc和T1胶粘剂对碳纤维复合锚杆进行粘结，胶层厚度在0.5~1.5 mm，粘结过程中避免胶粘剂逸出，室温固化3天后转入烘箱中进行45℃/周期6天的固化处理，空冷后得到碳纤维复合锚杆试件[10]，并将试样命名为胶粘剂种类-粘结层厚度-相同条件试件编码形式，如Tc-0.5-1表示采用Tc胶粘剂、粘结层厚度0.5mm、编号为1的试件。
1.3 测试方法
采用单面剪切的方法对碳纤维复合锚杆试件进行剪切实验[11]，实验前在试件上预置应变片，碳纤维复合锚杆试件示意图如图1所示。采用MTS-810型万能材料试验系统对碳纤维复复合锚杆试件进行剪切实验（位移加载）[12]，加载速度为0.1mm/min、频率1Hz。
图1 碳纤维复合锚杆试件示意图Fig. 1 Schematic diagram of carbon fiber composite anchor specimen
表1为碳纤维复合锚杆试件的剪切试验结果。可见，在胶粘剂为Tc前提下，当界面粘结层实际粘结厚度为0.5mm时，两个平行纤维锚杆的界面极限承载力平均值为54.11kN，界面破坏模式为CFRP 板层间剪切破坏；
厚度为1mm时，平均值为67.46kN，界面破坏模式为胶粘剂破坏+CFRP 板层间剪切破坏；
厚度为1.5mm时，平均值为69.58kN，界面破坏模式为CFRP 板断裂破坏+CFRP 板层间剪切破坏。在胶粘剂为T1前提下，当纤维锚杆界面粘结层实际粘结厚度为0.5mm时，两个平行纤维锚杆的界面极限承载力平均值为48.86kN，界面破坏模式为CFRP 板层间剪切破坏；
厚度为1mm时，平均值为48.74kN，界面破坏模式为CFRP 板层间剪切破坏；
厚度为1.5mm时，平均值为45.17kN，界面破坏模式为CFRP 板层间剪切破坏。综合而言，在相同粘结层厚度时，采用Tc的胶粘剂试件的界面极限承载力都高于T1胶粘剂试件；
此外，随着粘结层厚度增加，Tc为胶粘剂时试件的极限承载力平均值逐渐增大，而T1为胶粘剂时纤维锚杆的极限承载力平均值逐渐减小。根据胶粘剂的基本力学性能可知，Tc结构胶粘剂的拉伸强度为39.81MPa、T1结构胶粘剂的拉伸强度为52.92MPa，可见，并不是结构胶黏剂拉伸强度越大，碳纤维复合锚杆试件的极限承载力平均值越大。此外，Tc为胶粘剂时，粘结层厚度从1mm增加至1.5mm时，碳纤维复合锚杆试件的极限承载力变化幅度不大；
T1为胶粘剂时，粘结层厚度从1mm增加至1.5mm时，碳纤维复合锚杆试件的极限承载力有所减小。因此，碳纤维复合锚杆试件适宜的Tc胶粘剂和T1胶粘剂的粘结层厚度都为1mm。
表1 碳纤维复合锚杆试件的剪切试验结果Table 1 Shear test results of carbon fiber composite anchor specimens
图2为碳纤维复合锚杆试件的荷载-位移曲线，分别列出了Tc为胶粘剂、T1为胶粘剂以及Tc/T1为胶粘剂时试件的荷载-位移曲线。在初始加载阶段，碳纤维复合锚杆试件的荷载都会随着位移增加而快速增大，但是不同碳纤维复合锚杆试件的荷载-位移曲线斜率存在明显差异。当Tc为胶粘剂时，碳纤维复合锚杆试件的荷载-位移曲线斜率从大至小顺序为：0.5mm>1mm>1.5mm，这也就说明碳纤维复合锚杆试件的刚度会随着粘结层厚度增加而减小；
此外，对比分析还可以发现，粘结层厚度为1mm和1.5mm时碳纤维复合锚杆试件的最大位移要大于粘结层厚度为0.5mm的试件，这说明粘结层厚度增加可以提升纤维锚杆的韧性和协调变形能力[13-14]。当T1为胶粘剂时，碳纤维复合锚杆试件的荷载-位移曲线斜率差异性较小，这也就说明此时粘结层厚度对纤维锚杆试件的刚度影响较小。对比Tc和T1为胶粘剂时碳纤维复合锚杆试件的荷载-位移曲线[图(2c)]可知，T1为胶粘剂时碳纤维复合锚杆试件的刚度要相对Tc为胶粘剂时更大，结合前述的两种胶粘剂的弹性模量可知，弹性模量更大的胶粘剂可以为碳纤维复合锚杆试件提供更大的剪切刚度，而T1为胶粘剂时碳纤维复合锚杆试件的最大位移要相对Tc为胶粘剂时更小，即Tc为胶粘剂时碳纤维复合锚杆试件的协调变形能力更强，这主要与后者的弹性模量较小，有助于提高纤维锚杆的韧性有关[15]。
图2 碳纤维复合锚杆试件的荷载-位移曲线Fig. 2 Load displacement curve of carbon fiber composite anchor specimen
纤维锚杆的界面极限承载力主要受断裂能控制[16]，而试验过程中的界面断裂能一方面主要通过滑移曲线与横坐标的面积来测定，另一方面可以通过计算来获得，具体界面极限承载力P的计算公式为[17]：
式（1）中，b为CFRP板厚度（mm），G为界面断裂能（N•mm-1），E为CFRP板弹性模量，t为CFRP板厚。碳纤维复合锚杆试件的界面极限承载力试验值与预测值列于表2。可见，无论是Tc为胶粘剂还是T1为胶粘剂，不同粘结层厚度碳纤维复合锚杆试件的界面极限承载力试验值与预测值都较为接近，预测值/试验值基本都保持在0.8以上；
此外，计算得到的界面断裂能结果表明，Tc-1和Tc-2试件的界面断裂能要明显大于其他，究其原因，这主要是因为Tc-1断裂模式为胶粘剂破坏+CFRP 板层间剪切破坏，Tc-2断裂模式为CFRP 板断裂破坏+CFRP 板层间剪切破坏有关[18]；
此外，Tc胶粘剂试件的界面断裂能要大于相同粘结层厚度的T1试件，这主要与Tc为胶粘剂时碳纤维复合锚杆试件的协调变形能力更强、弹性模量较小、有助于提高试件的韧性有关[19]。
表2 碳纤维复合锚杆试件的界面极限承载力试验值与预测值Table 2 Test and predictive values of the ultimate bearing capacity of the interface of carbon fiber composite anchor specimens
图3为碳纤维复合锚杆试件的极限承载力试验值与预测值关系曲线。可见，碳纤维复合锚杆试件的极限承载力试验值与预测值较为吻合，预测值和试验值的线性方程为y=0.93x，相关系数R2=0.86。众多研究表明，相关系数R2值越接近1，拟合曲线的吻合度越高[20-21]。整体而言，碳纤维复合锚杆试件的极限承载力测试结果与基于界面断裂能的测试结果较好吻合，可以有效对纤维锚杆的极限承载力进行预测。
图3 碳纤维复合锚杆试件的极限承载力试验值与预测值关系曲线Fig. 3 Relation curve between test value and predicted value of ultimate bearing capacity of carbon composite fiber anchor specimen
（1）Tc为胶粘剂时，粘结层厚度从1mm增加至1.5mm时，纤维锚杆的极限承载力变化幅度不大；
T1为胶粘剂时，粘结层厚度从1mm增加至1.5mm时，纤维锚杆力学性能呈下降趋势；
碳纤维复合锚杆试件适宜的Tc胶粘剂和T1胶粘剂的粘结层厚度都为1mm。
（2）当Tc为胶粘剂时，碳纤维复合锚杆试件的荷载-位移曲线斜率从大至小顺序为：0.5mm>1mm>1.5mm；
当T1为胶粘剂时，粘结层厚度对试件的刚度影响较小。T1为胶粘剂时碳纤维复合锚杆试件的刚度要相对Tc为胶粘剂时更大，弹性模量更大的胶粘剂可以为纤维锚杆提供更大的剪切刚度，而Tc为胶粘剂时纤维锚杆的协调变形能力更强。
（3）无论是Tc为胶粘剂还是T1为胶粘剂，不同粘结层厚度碳纤维复合锚杆试件的界面极限承载力试验值与预测值都较为接近，预测值/试验值基本都保持在0.8以上，可为碳纤维复合锚杆的极限承载力预测提供参考。
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