CN101929250B - 利用平行多杆对纤维片材施加预应力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用平行多杆对纤维片材施加预应力的方法，其特征在于：片材绕2根杆件形成1个带绕结的环包，当杆件多于2根时，继续在环包与其余杆件的共同外围绕靠；将绕杆自锁并绕靠完毕的片材连同平行的多根杆件安装锚固在结构构件上，通过嵌压条将锚固后的片材在杆件外围的部分区段顶入或压入杆件之间施加预应力，然后将嵌压条锚固以保持预应力。这种利用平行多杆对纤维片材施加预应力的方法易于实施、效果可靠。

Description

利用平行多杆对纤维片材施加预应力的方法

技术领域

本发明涉及柔性片状材料的张拉及锚固，特别是涉及一种利用平行多杆对纤维片材施加预应力的方法。

技术背景

由于种种原因，大量房屋、桥梁等土木工程结构需要加固和修复。采用简便高效的结构加固技术当然具有巨大的经济价值和社会效益。因此，有关探索长期为国际土木工程界所重视。

作为继钢材和混凝土后的第三代现代结构材料，以高性能碳纤维布为代表的片状纤维增强复合材料(简称纤维片材)具有质量轻、强度高、耐腐蚀、易操作等特点，且用于结构加固补强时，基本不增加结构的重量和尺寸，因而成为一种较为理想的加固材料，纤维片材加固技术也迅速成为国际土木工程界的热门研究和应用领域。目前，该技术的主要应用形式是用胶粘剂把纤维片材外贴在结构构件表面，这种粘结加固法存在易受力剥离、易受热软化、怕老化脱胶和需耗时静养等显著缺陷，导致高性能纤维材料的加固效率低下，具体表现为：功效方面，材料强度利用率极低，对使用环境的适应性差；时效方面，长期使用的可靠性差；工效方面，无法满足快速加固的要求。

此外，纤维片材的弹性模量普遍比钢材低，加上截面面积相对较小，以及应力滞后的影响，故当应变较小时其对被加固构件的贡献较小，所以粘贴纤维片材对提高混凝土梁的开裂荷载和钢梁的屈服荷载帮助不大，对提高结构在正常使用阶段的刚度以减小变形也作用不大。施加预应力以产生反拱并预压荷载下的受拉(开裂)区可以在很大程度上克服上述问题，同时为材料发挥高强度提供了可能。但施加预应力对剥离防治提出了更高的要求，不仅如此，还对张拉设备和施工工艺提出了新的挑战。

为了应对这种挑战，国内外已有一些学者进行了有益的探索。其中卓静等人的研究颇有特色。他们先是发明了“高强度复合材料波形齿夹具锚”(中国实用新型授权专利，公告号为CN2594357Y)，它公开了一种主要由上、下波形齿板、加劲波形板和压紧及锁定装置等组成的纤维片材专用锚具；然后在此基础上提出了一种体外锚固碳纤维带预应力加固方法(中国发明专利02128047.9)，即根据波形齿夹具锚的特点，采用多个(不少于3个)锚具，先固定端头的两个，再紧固中间的，紧固中间锚具的同时完成对纤维片材的预应力张拉和锚固。该发明在技术上有一定的创新性，但在体量大小及锚固效果等方面还不够理想。例如，由于波形齿夹具锚是依靠上、下2块或更多的波形齿板对纤维片材的夹紧实施锚固的，在拉力很大时欲保证端部锚固可靠、中部锚具能够有效保持预应力，要求锚具齿板具有较大的厚度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用平行多杆对纤维片材施加预应力的方法，该方法效果可靠、易于实施。

本发明的技术解决方案如下：

一种利用平行多杆对纤维片材施加预应力的方法，片材绕2根杆件形成1个带绕结的环包，当杆件多于2根时，继续在环包与其余杆件的共同外围绕靠；将绕杆自锁并绕靠完毕的片材连同平行的多根杆件安装锚固在结构构件上，通过嵌压条将锚固后的片材在杆件外围的部分区段顶入或压入杆件之间施加预应力，然后将嵌压条锚固以保持预应力。

2根平行的杆件中，选择其中1根杆件作为主杆，片材端部绕过主杆后折回，与片材本部叠合并贴靠在另1根杆件上，然后叠合的片材一同绕靠另1根杆件，叠合的片材或剩下的片材本部再回靠到主杆，此时片材在2根杆件的外围形成1个带绕结的环包。

采用柔性片状材料平行杆式锚固装置即锚具，其中杆件根数不少于3根，片材端部绕2根杆件形成1个带绕结的环包后继续在环包与锚具中其余杆件的共同外围绕靠，将绕杆自锁并绕靠完毕的片材连同锚具安装锚固在结构构件上。

采用1根独立杆件和柔性片状材料平行杆式锚具即锚具，其中锚具中杆件根数不少于2根，片材端部绕独立杆件和锚具中与其相邻的1根杆件形成1个带绕结的环包后继续在环包与锚具中其余杆件的共同外围绕靠，将绕杆自锁并绕靠完毕的片材连同独立杆件和锚具安装锚固在结构构件上。

独立杆件在绕片材或锚固之前插入或穿入1组活节状带孔杆件，活节状带孔杆件分散布置，相邻的活节状带孔杆件之间的净距不小于片材的宽度；将绕杆自锁并绕靠完毕的片材连同独立杆件和锚具安装锚固在结构构件上时，将活节状带孔杆件插入结构构件上事先准备的孔中锚固。

独立杆件上设有1组锚固孔，相邻锚固孔间净距不小于片材的宽度；将绕杆自锁并绕靠完毕的片材连同独立杆件和锚具安装锚固在结构构件上时，将铆钉、螺栓、螺杆、吊杆、拉杆或钢筋插件穿过独立杆件上的锚固孔再插入结构构件上事先准备的孔中锚固。

采用柔性片状材料平行杆式锚固装置即锚具，其中锚具中杆件根数为2根，片材端部绕锚具中2根杆件形成1个带绕结的环包后停止绕靠或继续绕靠，然后将片材连同锚具安装锚固在结构构件上。

在片材的一端或两端对纤维片材施加预应力。

片材为一层或多层纤维片材。

有益效果：

本发明是绕杆自锁方法与预应力施加方法的高效结合，以实现对结构加固用纤维片材的张拉和锚固，通过绕杆自锁解决了现有的纤维片材端部在高应力下可能剥离或被拉出的技术问题，绕杆自锁方法区别于其他锚固方式的突出特征在于纤维片材在平行杆件中越拉越紧；施加预应力后，纤维片材的强度可以得到更为充分的利用。本发明可以简捷高效地实现对结构加固用纤维片材的张拉和锚固，用于对纤维片材施加预应力，能够克服常规的粘贴加固法存在的易受力剥离、易受热软化、怕老化脱胶和需耗时静养等显著缺陷，能够大幅度提高高价高性能纤维片材的利用效率和适用范围，取得节约高价材料、加快工程进度、降低总体造价的优良综合效益。本发明具有方法巧妙、操作简便、效果可靠、成本低廉等优点。

附图说明

图1为柔性片状材料绕2根杆件自锁的第一个步骤示意图：片材绕过第一杆件折回后，叠合点靠于第二杆件，形成绕结；

图2为柔性片状材料绕2根杆件自锁的第二个步骤示意图：叠合片材继续绕靠于第二杆件，本图中叠合片材最终回靠于第一杆件形成了1个带绕结的环包；

图3为柔性片状材料绕2根杆件形成1个带绕结的环包后继续在环包的外围绕靠的示例；

图4为柔性片状材料绕5根杆件自锁的示例：绕左边2根杆件形成1个带绕结的环包后，继续在环包与其余3根杆件的共同外围绕靠；

图5为柔性片状材料平行杆式锚具的的1个示例：用此锚具可实现纤维片材的绕杆自锁及继续绕靠(如图4所示)，以及嵌压条对片材的嵌压。为充分展现该锚具的结构，未绘片材和构件。

图6为柔性片状材料平行杆式锚具与独立杆件结合使用的1个示例：预应力U形片材抗剪加固T形截面，截面上未绘U形片材。

图7为柔性片状材料平行杆式锚固装置的1个示例。

标号说明：1-第一杆件，2-第二杆件，3-柔性片状材料的端部，4-柔性片状材料，5-活节状带孔杆件。

11-独立杆件，12-锚具中与独立杆件相邻的杆件，13-锚具中另1根杆件，14-锚具中薄条状并联件，15-嵌压条，16-螺杆等杆状插件，17-活节状带孔杆件。

具体实施方式

下面结合附图以具体实施例对本发明的技术方案及工作过程作进一步的说明，但本发明

的保护范围不限于此。

将图7所示带锚固孔的柔性片状材料平行双杆式锚固装置试称为双杠锚。首先以应用双杠锚为例，结合附图1、2说明用平行双杆对柔性片材实施自锁的方法和原理。

将柔性片状材料绕过1根杆件后叠合，形成一个绕结(图1)，一只手将叠合后的柔性片状材料在片材端部附近捏在一起不动，再用另一只手将双杠锚整体连带绕结朝片材绕杆方向转动若干角度(图2为转动180°后的情形，也可不动锚具但反向转动片材)，此时若固定锚具，并手拉柔性片状材料，片材在平行杆件中将被越拉越紧，也就是通过绕杆拉紧实现了自锁，换言之，双杠锚中的平行杆件因此实现了对片材端部的夹持，或称为机械绕结。

对柔性片状材料另一端可以反方向同样处理。把持片材两端的双杠锚用力对拉，片材即在平行杆件中自锁。若采取某种方式把双杠锚固定在外部物体上(如在双杠锚的孔洞中穿过插件植入外部物体相应位置预先钻好的孔中)，也就把片材锚固在该外部物体上了。显然，其过程方便快速，其效果牢固可靠。

结构加固用纤维片材本部大致沿构件表面贴靠，片材侧面的投影可为直线、曲线或折线。所贴靠的构件表面为平面时(如贴靠等截面梁受拉表面进行抗弯加固)，上述投影为直线。所贴靠的构件表面为曲面时(如贴靠鱼腹梁受拉表面进行抗弯加固、贴靠圆柱表面进行约束加固)，上述投影为曲线。所贴靠的构件表面有转折时(如被加固受弯构件的受拉面呈折线形、沿矩形和箱形截面梁的底面和侧面呈U形贴靠)，上述投影为折线。对图6所示T形截面梁进行抗剪加固时，U形贴靠于截面底面和侧面的纤维片材可转弯后稍许延伸到翼缘板底。

结构构件等外部物体上事先准备的孔为通孔时(如薄腹梁的腹板、工字和T形截面梁的翼板、箱形截面梁的侧壁等所开孔洞)，用于辅助锚固的各种杆状插件可插穿通孔后拧螺母锚固；不是通孔时，杆状插件可插入孔中用植筋胶或膨胀螺栓头锚固。外部物体上事先准备的孔还可在构件表面转折处(如T形截面梁中翼板与腹板交界的阴角)。

实施例1：

图4、图5为采用柔性片状材料平行杆式锚具施加预应力的的1个示例：用图5(a)所示锚具部分可完成图4所示的纤维片材绕杆自锁及继续绕靠，再安装在结构构件上，图5(a)中安装时采用了活节状带孔杆件和对穿于构件的杆件；仍然采用活节状带孔杆件和对穿于构件的杆件将图5(b)所示锚具部分(其中3个嵌压条已通过侧板联系成为整体)初步安装到结构构件上；然后借助千斤顶等设备施加压力，或缓慢拧紧活节状带孔杆件端部的螺母，通过嵌压条将锚固后的片材在杆件外围的部分区段顶入杆件之间，片材将逐渐获得预应力；完成片材顶入的嵌压条最终与图5(a)所示先装部分结合，见图5(c)，此时将嵌压条锚固。

实施例2：

图6为柔性片状材料平行杆式锚具与独立杆件结合使用的1个示例：准备好1根独立杆件、柔性片状材料平行杆式锚具(本图锚具中杆件根数为2根，将2根平行的杆件连接在一起的并联件为条状薄片)和杆状插件；在独立杆件上预先穿入1组活节状带孔杆件，活节状带孔杆件分散布置，相邻的活节状带孔杆件之间的净距不小于片材的宽度；片材绕独立杆件和锚具中与其相邻的1根杆件形成1个带绕结的环包后，继续在环包与锚具中另1根杆件的共同外围绕靠；将活节状带孔杆件穿过结构构件上事先准备的通孔后拧螺母锚固，此时绕杆自锁并如上绕靠完毕的片材和锚具虽未固定，但不会坠落；将铆钉、螺杆等杆状插件穿过嵌压条(或块)和结构构件后初步固定；借助千斤顶等设备施加压力，或缓慢拧紧杆状插件端部螺母，通过嵌压条(或块)将片材在杆件外围的部分区段顶入杆件之间，片材将逐渐获得预应力，预应力到位后将嵌压条(或块)锚固。图6为用于U形片材抗剪加固T形截面，实际上也可用于纵向片材抗弯加固中。

实施例3：

采用柔性片状材料平行杆式锚固装置(例如图6中2、3、4组成的锚具)，其中锚具中杆件根数为2根，片材绕锚具中2根杆件形成1个带绕结的环包后可以停止绕靠(图2)，也可继续绕靠(例如图3)，将绕杆自锁并如上绕靠完毕的片材连同锚具安装锚固在结构构件上后，可以将嵌压条(或块)就顶入这2根杆件之间并锚固。虽然有一段片材在这2根杆件之间穿过，但并不妨碍通过嵌压使片材拉伸产生预应力。

以上只是本发明的部分实施例。根据本发明的上述构思，应用人员还可对此做出各种修改和变换，例如实施部位，活节状带孔杆件，柔性片状材料平行杆式锚固装置，平行杆件的根数、节段、截面形状和尺寸(不要求每根相同)，以及绕法均可加以调整，以适应受力大小和应用条件等现场情况的变化。但类似的这种修改和变换均属于本发明的实质。

Claims (8)

1.一种利用平行多杆对纤维片材施加预应力的方法，其特征在于：片材绕2根杆件形成1个带绕结的环包，当杆件多于2根时，继续在环包与其余杆件的共同外围绕靠；将绕杆自锁并绕靠完毕的片材连同平行的多根杆件安装锚固在结构构件上，通过嵌压条将锚固后的片材在杆件外围的部分区段顶入或压入杆件之间施加预应力，然后将嵌压条锚固以保持预应力；

2根平行的杆件中，选择其中1根杆件作为主杆，片材端部绕过主杆后折回，与片材本部叠合并贴靠在另1根杆件上，然后叠合的片材一同绕靠另1根杆件，叠合的片材或剩下的片材本部再回靠到主杆，此时片材在2根杆件的外围形成1个带绕结的环包。

2.根据权利要求1所述的利用平行多杆对纤维片材施加预应力的方法，其特征在于，采用柔性片状材料平行杆式锚固装置即锚具，其中杆件根数不少于3根，片材端部绕2根杆件形成1个带绕结的环包后继续在环包与锚具中其余杆件的共同外围绕靠，将绕杆自锁并绕靠完毕的片材连同锚具安装锚固在结构构件上。

3.根据权利要求1所述的利用平行多杆对纤维片材施加预应力的方法，其特征在于，采用1根独立杆件和柔性片状材料平行杆式锚固装置即锚具，其中锚具中杆件根数不少于2根，片材端部绕独立杆件和锚具中与其相邻的1根杆件形成1个带绕结的环包后继续在环包与锚具中其余杆件的共同外围绕靠，将绕杆自锁并绕靠完毕的片材连同独立杆件和锚具安装锚固在结构构件上。

4.根据权利要求3所述的利用平行多杆对纤维片材施加预应力的方法，其特征在于，独立杆件在绕片材或锚固之前插入或穿入1组活节状带孔杆件，活节状带孔杆件分散布置，相邻的活节状带孔杆件之间的净距不小于片材的宽度；将绕杆自锁并绕靠完毕的片材连同独立杆件和锚具安装锚固在结构构件上时，将活节状带孔杆件插入结构构件上事先准备的孔中锚固。

5.根据权利要求3所述的利用平行多杆对纤维片材施加预应力的方法，其特征在于，独立杆件上设有1组锚固孔，相邻锚固孔间净距不小于片材的宽度；将绕杆自锁并绕靠完毕的片材连同独立杆件和锚具安装锚固在结构构件上时，将铆钉、螺栓、螺杆、吊杆、拉杆或钢筋插件穿过独立杆件上的锚固孔再插入结构构件上事先准备的孔中锚固。

6.根据权利要求1所述的利用平行多杆对纤维片材施加预应力的方法，其特征在于，采用柔性片状材料平行杆式锚固装置即锚具，其中锚具中杆件根数为2根，片材端部绕锚具中2根杆件形成1个带绕结的环包后停止绕靠或继续绕靠，然后将片材连同锚具安装锚固在结构构件上。

7.根据权利要求1～6任一项所述的利用平行多杆对纤维片材施加预应力的方法，其特征在于，在片材的一端或两端对纤维片材施加预应力。

8.根据权利要求1～6任一项所述的利用平行多杆对纤维片材施加预应力的方法，其特征在于，片材为一层或多层纤维片材。

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