CN103388407A - 表层预应力嵌入技术加固混凝土构件的方法与机械装置 - Google Patents

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Abstract

本发明是采用表层预应力嵌入技术加固混凝土构件的方法及机械装置。装置由带有孔洞和纵向槽的钢框、实心螺杆、套在实心螺杆外侧的空心钢管、对空心钢管限位的四个实心钢杆和焊接在外框内侧壁的C形轨道、焊接在空心钢管上的钢板和U形钢槽组成。加固方法为：先将FRP筋嵌入到梁底部的凹槽内；将装置开口朝向梁的底部安装；将FRP筋端部粘结在空心钢套管内，并嵌入U形钢槽。通过加力螺杆使钢棒沿着轨道槽滑动，使FRP筋产生预拉力。当达到预定的预应力后，将FRP筋粘贴在梁底部凹槽内，胶干之后切断FRP筋，对梁底进行表面处理。本发明通过施加预应力加固梁，提高了梁的承载能力和变形能力，并减缓裂缝开展。

Description

表层预应力嵌入技术加固混凝土构件的方法与机械装置
技术领域
本发明涉及一种表层预应力嵌入技术加固混凝土构件的方法与机械装置，属于土木工程结构加固与改造、预应力施工技术领域。
背景技术   
钢筋混凝土结构是国内外应用最广泛的建筑结构形式。随着既有结构使用年限的增长或使用要求的提高，每年都有数量庞大的结构需要加固。钢筋混凝土结构的加固方法很多，其中纤维增强复合材料（FRP）加固技术是最有活力的技术之一。由于其材料强度高，耐久性好，重量轻，施工方便等诸多优点，FRP加固技术的研究和应用得到了飞速发展。
但至今仍存在许多尚未成熟的地方，如FRP材料的高强度难以发挥，对裂缝的控制作用较弱等。
预应力FRP筋加固可以克服缺陷，更好的利用材料的性能。但现有FRP筋施加预应力的装置庞大笨重、施工不便、对预应力度的控制精度较差。目前尚未有成熟的适用于现场应用的对FRP筋施加预应力的方法和设备，因此应开发新的或改进FRP筋预应力施加设备。 
发明内容
为了克服现有的高性能纤维类材料加固混凝土梁时存在强度不能充分利用的缺点，本发明的目的在于提供一种混凝土梁预应力FRP筋加固方法，并设计一套机械装置，具有施工方便、成本低、易于控制预应力度等特点。
这是一种对纤维筋（FRP筋）施加预应力的新型机械系统，该系统通过采用表层预应力嵌入技术（NSM）代替常规的表面粘结技术（SB）加固方式加固混凝土构件。
NSM加固技术通过将纤维筋（FRP筋）嵌入到构件指定位置凹槽内并施加预应力，再涂上环氧树脂，从而提高混凝土承载力。
表层预应力嵌入技术加固混凝土构件的方法与机械装置，其特征在于包括固定端和自由端的施加预应力的机械装置，在装置较长边的两侧壁上设置C型轨道，短边的侧壁孔洞、平面轴承和空心钢管在同一轴线上，用钢拉杆贯穿并用钢螺母固定，空心钢杆两侧均焊接两根实心钢杆，实心钢杆的另一侧均嵌套进C型轨道，FRP筋粘结固定在U形钢槽前端的空心钢管中，并卡在U形钢槽中。
所述的表层预应力嵌入技术加固混凝土构件的加固方法包括以下步骤：
⑴、混凝土表面预处理，即在混凝土受拉区表面的纵向切割出凹槽，凹槽内残留的混凝土粉末用吹风机除去并用丙酮清洗凹槽；
⑵、FRP筋（16）的每一端用油漆刷涂抹环氧树脂，然后放入空心钢管（14）中，让它完全固化，如图8；
⑶、在混凝土构件的凹槽（22）内填充环氧树脂，把FRP筋放入凹槽中，如图9；
⑷、把实心钢杆（11）放入预应力机械装置的C型轨道（7）中；
⑸、采用锚固螺栓把两个机械装置固定在混凝土表面，内部部件的安装顺序如下：
① 把实心螺纹杆（6）穿过孔洞（5）、平面轴承（8）和空心钢管（10），并把它们用钢螺母（9）固定；
② 用钢螺母把钢棒（19）固定在钢锚具上；
③拧紧钢螺母使U型钢槽（13）水平，通过拧动钢螺母（9）推动空心钢管（10），使FRP筋（16）产生预应力；
⑹、FRP筋中的预应力用安装在预应力系统末端的力传感器（18）监测；
⑺、达到了所需要的预应力值以后，把环氧树脂涂抹在混凝土表面的凹
槽（22）内，用抹刀除去多余的环氧树脂；
⑻、环氧树脂完全凝固后，通过两端的实心螺纹杆（6）的缓慢释放实现对预应力的传递；
⑼、拆卸下钢锚具（4）和所有组件；
⑽、把环氧树脂涂抹在空心钢管（14）上。
所述的表层预应力嵌入技术加固混凝土构件的方法，其特征在于拧动螺母推动空心钢管左右滑动，使固定在U型钢槽上的FRP筋产生预应力。
所述的表层预应力嵌入技术加固混凝土构件的加固方法，其特征在于步骤（6）中力传感器安装在固定端机械装置的平面轴承和钢锚具短边侧壁之间。
所述的表层预应力嵌入技术加固混凝土构件的方法，其特征在于步骤（7）施加的最大预应力值为FRP筋材料强度的60%。
附图说明
图1是本发明表层预应力嵌入技术加固混凝土构件机械装置的布置图；
    图2是本发明表层预应力嵌入技术加固混凝土构件机械装置的三维透视图；
    图3是本发明表层预应力嵌入技术加固混凝土构件机械装置自由端的平面图；
    图4是本发明表层预应力嵌入技术加固混凝土构件机械装置固定端的平面图；
    图5是本发明表层预应力嵌入技术加固混凝土构件机械装置的侧面图；
    图6是本发明表层预应力嵌入技术加固混凝土构件机械装置的纵向剖面图；
    图7是本发明表层预应力嵌入技术加固混凝土构件机械装置的横向剖面图；
    图8是本发明表层预应力嵌入技术加固混凝土构件机械装置的FRP筋与空心钢管连接详图；
    图9是本发明表层预应力嵌入技术加固混凝土构件机械装置的FRP筋与钢筋混凝土构件连接详图；
图1-9中：需加固的钢筋混凝土构件-1、加载装置-2、混凝土柱-3、钢锚具-4、孔洞-5、实心螺纹杆-6、C型轨道-7、平面轴承-8、钢螺母-9、空心钢管-10、实心钢杆-11、纵向槽-12、U型钢槽-13、空心钢管-14、钢板-15、FRP筋-16、滚动轴承-17、力传感器-18、钢棒-19、水平钢板-20、环氧树脂-21、混凝土凹槽-22。
具体实施方式
表层预应力嵌入技术加固混凝土构件的方法与机械装置，其特征在于包括固定端和自由端的施加预应力的机械装置，在装置较长边的两侧壁上设置C型轨道（7），短边的侧壁孔洞（5）、平面轴承（8）和空心钢管（10）在同一轴线上，用实心螺纹杆（6）贯穿并用钢螺母（9）固定，空心钢杆（10）两侧均焊接两根实心钢杆（11），实心钢杆的另一侧均嵌套进C型轨道，FRP筋粘结固定在U形钢槽（13）前端的空心钢管（14）中，并卡在U形钢槽中。
该机械装置包括两个部分，两部分分别位于需加固梁的两端（见图1），每部分都由带有纵向槽（12）和圆钢棒（19）的钢锚具（4）组成。具体的主要组成部分及详细构造如图2~7所示。
钢棒（19）的两端通过钢螺母（9）固定在钢锚具（4）上。纵向槽（12）在钢锚具（4）的底部居中部位。
U型钢棒 (13) 用来将预应力传递到FRP筋（16）上。该部分 (13) 通过钢板（15）连在空心钢管（10）上。 
四个实心钢杆（11）一端焊在空心钢管（10）上，另一端有滚动轴承（17）可以在钢锚具的C型轨道（7）上滚动。 
采用滚动轴承（17）是为了减小钢杆（11）与C型轨道（7）的摩擦。
空心钢管（14）用填环氧树脂（21）来固定FRP筋的一端。
实心螺纹杆（6）的一端被空心钢管（10）套住，并用螺母固定；另一端穿出孔洞（5），并用钢螺母（9）稳定。 
  施加预应力的方法是通过拧钢螺母（9）使得内部系统一起水平滑动来实
现。
水平轴承（8）是用来减小钢螺母（9）与钢锚具内壁的摩擦。
力传感器（18）安装在钢螺母（9）和钢锚具内壁之间，并准确控制纤维带上的预应力度。
表层预应力嵌入技术加固混凝土构件的加固方法步骤：
⑴、混凝土表面预处理，即在混凝土受拉区表面的纵向切割出凹槽，凹槽内残留的混凝土粉末用吹风机除去并用丙酮清洗凹槽；
⑵、FRP筋（16）的每一端用油漆刷涂抹环氧树脂，然后放入空心钢管（14）中，让它完全固化，如图8；
⑶、在混凝土构件的凹槽（22）内填充环氧树脂，把FRP筋放入凹槽中，如图9；
⑷、把实心钢杆（11）放入预应力机械装置的C型轨道（7）中；
⑸、采用锚固螺栓把两个机械装置固定在混凝土表面，内部部件的安装顺序如下：
① 把实心螺纹杆（6）穿过孔洞（5）、平面轴承（8）和空心钢管（10），并把它们用钢螺母（9）固定；
② 用钢螺母把钢棒（19）固定在钢锚具上；
③拧紧钢螺母使U型钢槽（13）水平，通过拧动钢螺母（9）推动空心钢管（10），使FRP筋（16）产生预应力；
⑹、FRP筋中的预应力用安装在预应力系统末端的力传感器（18）监测；
⑺、达到了所需要的预应力值以后，把环氧树脂涂抹在混凝土表面的凹
槽（22）内，用抹刀除去多余的环氧树脂；
⑻、环氧树脂完全凝固后，通过两端的实心螺纹杆（6）的缓慢释放实现对预应力的传递；
⑼、拆卸下钢锚具（4）和所有组件；
⑽、把环氧树脂涂抹在空心钢管（14）上。
所述的表层预应力嵌入技术加固混凝土构件的方法，其特征在于拧动螺母推动空心钢管左右滑动，使固定在U型钢槽上的FRP筋产生预应力。
所述的表层预应力嵌入技术加固混凝土构件的加固方法，其特征在于步骤（6）中力传感器安装在固定端机械装置的平面轴承和钢锚具短边侧壁之间。
所述的表层预应力嵌入技术加固混凝土构件的方法，其特征在于步骤（7）施加的最大预应力值为FRP筋材料强度的60%。

Claims (5)

1.一种表层预应力嵌入技术加固混凝土构件的机械装置，其特征在于包括固定端和自由端的施加预应力的机械装置，在装置较长边的两侧壁上设置C型轨道，短边的侧壁孔洞、平面轴承和空心钢管在同一轴线上，用钢拉杆贯穿并用钢螺母固定，空心钢杆两侧均焊接两根实心钢杆，实心钢杆的另一侧均嵌套进C型轨道，FRP筋粘结固定在U形钢槽前端的空心钢管中，并卡在U形钢槽中。
2.根据权利要求1所述的表层预应力嵌入技术加固混凝土构件的加固方法包括以下步骤：
⑴、混凝土表面预处理，即在混凝土受拉区表面的纵向切割出凹槽，凹槽内残留的混凝土粉末用吹风机除去并用丙酮清洗凹槽；
⑵、FRP筋的每一端用油漆刷涂抹环氧树脂，然后放入空心钢管中，让它完全固化；
⑶、在混凝土构件的凹槽内填充环氧树脂，把FRP筋放入凹槽中；
⑷、把实心钢杆放入预应力机械装置的C型轨道中；
⑸、采用锚固螺栓把两个机械装置固定在混凝土表面，内部部件的安装顺序如下：
① 把实心钢拉杆穿过孔洞、平面轴承和空心钢管，并把它们用钢螺母固定；
② 用钢螺母把钢棒固定在钢锚具上；
③拧紧钢螺母使U型钢槽水平，推动空心钢管，使FRP筋产生预应力；
⑹、FRP筋中的预应力用安装在预应力系统末端的力传感器监测；
⑺、达到了所需要的预应力值以后，把环氧树脂涂抹在混凝土表面的凹
槽内，用抹刀除去多余的环氧树脂；
⑻、环氧树脂完全凝固后，通过两端的钢拉杆的缓慢释放实现对预应力
的传递；
⑼、拆卸下钢锚具和所有组件；
⑽、把环氧树脂涂抹在空心钢管上。
3.根据权利要求2所述的表层预应力嵌入技术加固混凝土构件的加固方法，其特征在于拧动螺母推动空心钢管左右滑动，使固定在U型钢槽上的FRP筋产生预应力。
4.根据权利要求2所述的表层预应力嵌入技术加固混凝土构件的加固方法，其特征在于步骤（6）中力传感器安装在固定端机械装置的平面轴承和钢锚具短边侧壁之间。
5.根据权利要求2所述的表层预应力嵌入技术加固混凝土构件的加固方法，其特征在于步骤（7）施加的最大预应力值为FRP筋材料强度的60%。
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