CN104895251A - 用于纤维片材的绕回式波形锚及其预张拉方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于纤维片材的绕回式波形锚及其预张拉方法，绕回式波形锚，包括连接螺杆、绕回式波形齿板、上波形齿板、下波形齿板，所述连接螺杆固定在绕回式波形齿板的中部，绕回式波形齿板上下侧分别设有上波形齿板、下波形齿板，所述绕回式波形齿板中部缠绕FRP片材，所述绕回式波形齿板、上波形齿板、下波形齿板上相对设有孔，紧固螺栓穿套在孔内并锁紧。其方法，通过绕回式波形锚夹持和锚固FRP片材的两端，拉动一端绕回式波形锚，实现FRP片材的纵向张拉。其具有波形锚结构简单，安装方便，成本低廉；张拉方法直观、简单、实用，施工方便，能充分发挥FRP片材的高强度特性的特点。

Description

用于纤维片材的绕回式波形锚及其预张拉方法

技术领域

本发明属于高强度纤维复合材料预应力张拉技术领域，具体涉及增强或加固工程结构的高强度纤维复合材料的预应力的锚夹具及方法。

背景技术

高强度纤维复合材料（英文名称Fiber Reinforced Polymer，简称FRP），如碳纤维增强塑料、高分子聚合物纤维增强塑料、玻璃纤维增强塑料等，具有自重轻、承载力大、抗疲劳、耐腐蚀等特性，广泛应用于航天航空、飞机制造、体育娱乐用品、船舶、汽车、建筑等领域。特别是经预应力张拉的高强度纤维复合材料片材（简称FRP片材），能广泛应用于增强或加固土木工程结构（如混凝土结构、钢结构、木结构等），从而提高工程结构的承载能力，并延长其使用寿命，具有很重要的社会、经济效益。

现有的对FRP片材进行预应力张拉的方法，如申请号为201010269438.1的“利用平行多杆对纤维片材施加预应力的方法”专利，公开的张拉方法是：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，继续在环保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，然后将嵌压压条锚固以保持锚固力。该方法的主要有以下缺点：

1．该方法是依靠嵌压条对FRP片材进行横向挤压形成张拉力，这种张拉方法张拉效率不高，特别是对FRP片材较长的情况，实际张拉应力水平更小，能够获得的预拉力就十分有限，从而降低了对混凝土梁的加固效果。

2．该专利采用平行多杆对FRP片材进行对此绕靠，以此形成对FRP片材的夹持和锚固，平行多杆实质上就是FRP片材的夹具，该夹具的缺点是在对FRP片材进行绕靠时操作非常麻烦、困难，并且绕靠时会出现较多的质量缺陷。

现有的对FRP片材进行预应力张拉的方法，如申请号为201010137082.0的“FRP片材锚具及其锚固方法”专利，公开的锚固方法是：FRP片材穿过波纹管置于上锚板和下锚板之间，上锚板和下锚板将FRP片材吻合夹持，然后通过螺栓将上、下锚板紧密；上、下锚板由FRP材料制成。该发明的主要有以下缺点：

1．该专利公开的夹持和锚固FRP片材的夹具，与申请号为02244587.0的“波形齿夹具锚”专利并没有实质性的区别。

2．该专利公开的FRP片材的张拉方案是张拉端采用的夹具为楔形夹具，固定端采用波形夹具，两种夹具的工作原理不一样，锚固能力区别较大，因此造成加固施工时工艺复杂，正常工作时存在安全隐患的缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于纤维片材的绕回式波形锚及其预张拉方法，解决现有的对FRP片材进行预应力张拉的装置及方法的不足，其具有波形锚结构简单，安装方便，成本低廉；张拉方法直观、简单、实用，施工方便，能充分发挥FRP片材的高强度特性的特点。

为了达到上述设计目的，本发明采用的技术方案如下：

一种绕回式波形锚，包括连接螺杆、绕回式波形齿板、上波形齿板、下波形齿板、紧固螺栓，所述连接螺杆固定在绕回式波形齿板的中部，绕回式波形齿板上下侧分别设有上波形齿板、下波形齿板，所述绕回式波形齿板中部缠绕FRP片材，所述绕回式波形齿板、上波形齿板、下波形齿板侧边沿处分别相对设有孔，紧固螺栓穿套在绕回式波形齿板、上波形齿板、下波形齿板侧边沿的孔内并锁紧，将绕回式波形齿板、上波形齿板、下波形齿板锁接在一起。

优选地，所述绕回式波形齿板上端面设有凹凸的波形面，上波形齿板下侧设有波形面，上波形齿板下侧的波形面与绕回式波形齿板上端面的波形面相对。

优选地，所述绕回式波形齿板上端面的波形面与上波形齿板下侧的波形面紧密贴合，使得FRP片材夹固在绕回式波形齿板与上波形齿板之间的波形面上。

优选地，所述绕回式波形齿板下端面设有凹凸的波形面，下波形齿板上侧设有波形面，下波形齿板上侧的波形面与绕回式波形齿板下端面的波形面相对。

优选地，所述绕回式波形齿板下端面的波形面与下波形齿板上侧的波形面紧密贴合，使得FRP片材夹固在绕回式波形齿板与下波形齿板之间的波形面上。

一种用于纤维片材的预张拉方法，通过绕回式波形锚夹持和锚固FRP片材的两端，拉动一端绕回式波形锚，实现FRP片材的纵向张拉，其具体方法步骤如下：

（1）预先将两锚固座固定在被加固的工程结构上；

（2）将FRP片材包覆在绕回式波形齿板的中部，然后用紧固螺栓将上波形齿板、包覆的FRP片材、绕回式波形齿板、下波形齿板紧固在一起，形成FRP片材的锚固头；

（3）将FRP片材一端的绕回式波形锚的连接螺杆通过螺丝锁固在（1）设置的锚固座上，将FRP片材另一端的绕回式波形锚的连接螺杆穿过（1）设置的另一锚固座，并通过螺丝锁接，FRP片材拉动一端的绕回式波形锚的连接螺杆，达到设计预应力张拉吨位时，将锚固座外侧的螺母拧紧，实现对张拉端绕回式波形锚的固定。

优选地，（1）中，对钢结构的加固通过焊接、开孔方式将锚固座固定在被加固的工程结构上；对混凝土结构的加固，通过植入螺栓的方式预先将锚固座固定在被加固的工程结构上。

优选地，（1）中，所述两锚固座的间距根据FRP片材的长度设置。

优选地，（3）中，所述一锚固座外侧设置反力板，所述反力板外侧设有锁接在连接螺杆上螺丝，将千斤顶固定在反力板和锚固座之间，驱动千斤顶，反力板带动连接螺杆及其绕回式波形锚移动，当达到设计预应力张拉吨位时，将锚固座外侧的螺母拧紧，实现对张拉端绕回式波形锚的固定，然后拆除千斤顶和反力板。

更优选地，当FRP片材与被增强或加固的工程结构有粘贴要求时，在FRP片材与被增强和加固的工程结构的粘贴面之间补充灌注粘结剂，通过压板将张拉后FRP片材与被加固结构紧密粘贴。

本发明所述的用于纤维片材的绕回式波形锚及其预张拉方法的有益效果是：波形锚结构简单，安装方便，成本低廉；张拉方法直观、简单、实用，施工方便，能充分发挥FRP片材的高强度特性。

1．用本发明的绕回式波形锚夹持和锚固FRP片材，能保证未浸渍树脂和预浸渍树脂的纤维片材的可靠夹持和锚固，为预张拉FRP片材提供可靠且足够的锚固力。

2．本发明的张拉FRP片材的方法为直接张拉法，FRP片材中的预拉力就是千斤顶的推力，可以通过千斤顶的油压表直接读出，非常直观方便，而且也便于控制张拉过程。

3．本发明方法的FRP片材的两端采用相同的绕回式波形锚以及其它标准配件，使得施工的安装、更换、拆除都非常简单方便，便于标准化作业，降低工程造价。而且，部件简单，易于批量生产，降低成本，便于推广应用。

本发明可广泛应用于对已建或在建的桥梁或房屋建筑等大型工程结构进行增强或加固，特别适用于对大跨度混凝土梁、板等进行体外预应力加固，提高FRP片材的材料强度利用率，显著提高被增强或加固工程结构的承载力及使用寿命。

附图说明

图1为本发明所述的绕回式波形锚的平面示意图；

图2为图1的A-A断面图；

图3为图1的B-B断面图；

图4为对FRP片材进行预应力张拉的平面示意图；

图5为对FRP片材预应力加固工程结构的立面示意图。

其中：1、连接螺杆，2、绕回式波形齿板，3、上波形齿板，4、下波形齿板，5、紧固螺栓，6、FRP片材，7、螺母，8、锚固座，9、千斤顶，10、反力板，11、混凝土结构，12、螺栓。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的最佳实施方案作进一步的详细的描述。

如图1～3所示，本发明实施例所述的用于纤维片材的绕回式波形锚，包括连接螺杆1、绕回式波形齿板2、上波形齿板3、下波形齿板4、紧固螺栓5，所述两连接螺杆1并排固定在绕回式波形齿板2同侧的中部，绕回式波形齿板2上下侧分别设有上波形齿板3、下波形齿板4，所述绕回式波形齿板2中部缠绕FRP片材6（未浸渍树脂的或已经浸渍树脂的），所述绕回式波形齿板2、上波形齿板3、下波形齿板4侧边沿处分别相对设有孔，紧固螺栓5穿套在绕回式波形齿板2、上波形齿板3、下波形齿板4侧边沿的孔内并锁紧，从而将绕回式波形齿板2、上波形齿板3、下波形齿板4锁接在一起，使得上波形齿板3、下波形齿板4将FRP片材6夹固在绕回式波形齿板2上。

所述绕回式波形齿板2上端面设有凹凸的波形面，上波形齿板3下侧设有波形面，上波形齿板3下侧的波形面与绕回式波形齿板2上端面的波形面相对（即两波形面上的凹凸结构完全贴合）。

所述绕回式波形齿板2上端面的波形面与上波形齿板3下侧的波形面紧密贴合，使得FRP片材6夹固在绕回式波形齿板2与上波形齿板3之间的波形面上，夹固更紧密。

所述绕回式波形齿板2下端面设有凹凸的波形面，下波形齿板4上侧设有波形面，下波形齿板4上侧的波形面与绕回式波形齿板2下端面的波形面相对（即两波形面上的凹凸结构完全贴合）。

所述绕回式波形齿板2下端面的波形面与下波形齿板4上侧的波形面紧密贴合，使得FRP片材6夹固在绕回式波形齿板2与下波形齿板4之间的波形面上，夹固更紧密。

如图4、5所示，一种高强度纤维复合材料片材的预张拉方法，利用本发明的绕回式波形锚夹持和锚固FRP片材的两端，通过反力架及千斤顶对FRP片材进行直接的纵向张拉。其具体方法步骤如下：

（1）在被加固结构上设置锚固座：

预先将两锚固座8固定在被加固的工程结构上，对钢结构的加固可以通过焊接、开孔等方式将锚固座固定在被加固的工程结构上；对混凝土结构11的加固，可以通过植入螺栓12的方式预先将锚固座固定在被加固的工程结构上。

所述两锚固座8的间距根据FRP片材的长度设置。

（2）夹持和锚固FRP片材：

将FRP片材（未浸渍树脂的或已经浸渍树脂的）包覆在绕回式波形齿板的中部，然后用紧固螺栓将上波形齿板、包覆的FRP片材、绕回式波形齿板、下波形齿板紧固在一起，形成FRP片材的锚固头。

（3）对FRP片材进行预张拉：

将FRP片材一端的绕回式波形锚的连接螺杆通过螺丝7锁固在第（1）设置的锚固座8上，将FRP片材另一端的绕回式波形锚的连接螺杆穿过第（1）设置的另一锚固座8及其外侧设置的反力板10，所述锚固座7及反力板10外侧均设有锁接在连接螺杆上螺丝7，将千斤顶9固定在反力板10和锚固座8之间，驱动千斤顶，反力板带动连接螺杆及其绕回式波形锚移动，当达到设计预应力张拉吨位时，将锚固座外侧的螺母拧紧，实现对张拉端绕回式波形锚的固定，然后拆除千斤顶和反力板。

当FRP片材与被增强或加固的工程结构有粘贴要求时，在FRP片材与被增强和加固的工程结构的粘贴面之间补充灌注粘结剂，通过压板将张拉后FRP片材与被加固结构紧密粘贴。

通过上述方式实施的案例如下：

案例1

广东省***高速公路某桥梁上部结构主梁为35米工字梁承载能力和应力都不满足规范要求。所以，采用本发明对主梁进行加固，提高主梁的承载能力并改善其应力分布。具体施工工艺如下：

（1）在主梁底面开孔并植入化学锚栓，然后将用于预应力张拉的锚固座固定于主梁的底面。

（2）将已经浸渍树脂的FRP片材包覆在绕回式波形齿板的中部，然后用紧固螺栓将上波形齿板、包覆的FRP片材、绕回式波形齿板紧固在一起，形成FRP片材的锚固头。

（3）将固定端绕回式波形锚固定在主梁底面的锚固座上，将张拉端绕回式波形锚的连接螺杆穿过锚固座和反力板，将千斤顶安装在反力板和锚固座之间，驱动千斤顶，反力板带动张拉端绕回式波形锚移动，当达到设计预应力张拉吨位时，将锚固螺母拧紧，实现对张拉端绕回式波形锚的固定，然后拆除千斤顶和反力板。

（4）在FRP片材与主梁底面之间补充灌注粘结剂，通过压板将张拉后FRP片材与被加固结构紧密粘贴。

该35米工字梁桥，经过本发明加固后，进行了荷载实验，实验结果表明，桥梁承载能力提高23%，主梁梁底拉应力降低了3.5MPa，主梁应力分布得到很大改善。此外，对锚固端进行封闭处理后，加固后桥梁结构的环境耐久性能得到很大保证，经过2年的跟踪观察。该桥的运营状况良好。

案例2

广东省***中承式吊杆拱桥的吊杆横梁开裂情况严重。采用本发明对吊杆横梁进行加固，提高横梁的承载能力并改善其应力分布。具体施工工艺如下：

（1）在横梁底面开孔并植入化学锚栓，然后将用于预应力张拉的锚固座固定于主梁的底面。

（2）将已经浸渍树脂的FRP片材包覆在绕回式波形齿板的中部，然后用紧固螺栓将上波形齿板、包覆的FRP片材、绕回式波形齿板紧固在一起，形成FRP片材的锚固头。

（3）将固定端绕回式波形锚固定在主梁底面的锚固座上，将张拉端绕回式波形锚的连接螺杆穿过锚固座和反力板，将千斤顶安装在反力板和锚固座之间，驱动千斤顶，反力板带动张拉端绕回式波形锚移动，当达到设计预应力张拉吨位时，将锚固螺母拧紧，实现对张拉端绕回式波形锚的固定，然后拆除千斤顶和反力板。

（4）在横梁底面搭设临时模板，采用环氧砂浆将横梁底面的预应力系统进行封闭，并在封闭后采用芳纶纤维Ｕ行箍对新增结构进行固定。

该拱桥在加固完成后进行了荷载实验，实验结果表明，吊杆横梁的承载能力提高28%，主梁梁底拉应力降低了3.7MPa，主梁应力分布得到很大改善。目前，该桥的运营状况良好。

以上实施例仅仅为示例性的，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种用于纤维片材的绕回式波形锚，其特征在于：包括连接螺杆、绕回式波形齿板、上波形齿板、下波形齿板、紧固螺栓，所述连接螺杆固定在绕回式波形齿板的中部，绕回式波形齿板上下侧分别设有上波形齿板、下波形齿板，所述绕回式波形齿板中部缠绕FRP片材，所述绕回式波形齿板、上波形齿板、下波形齿板侧边沿处分别相对设有孔，紧固螺栓穿套在绕回式波形齿板、上波形齿板、下波形齿板侧边沿的孔内并锁紧，将绕回式波形齿板、上波形齿板、下波形齿板锁接在一起。

2.根据权利要求1所述的用于纤维片材的绕回式波形锚，其特征在于：所述绕回式波形齿板上端面设有凹凸的波形面，上波形齿板下侧设有波形面，上波形齿板下侧的波形面与绕回式波形齿板上端面的波形面相对。

3.根据权利要求2所述的用于纤维片材的绕回式波形锚，其特征在于：所述绕回式波形齿板上端面的波形面与上波形齿板下侧的波形面紧密贴合，使得FRP片材夹固在绕回式波形齿板与上波形齿板之间的波形面上。

4.根据权利要求1所述的用于纤维片材的绕回式波形锚，其特征在于：所述绕回式波形齿板下端面设有凹凸的波形面，下波形齿板上侧设有波形面，下波形齿板上侧的波形面与绕回式波形齿板下端面的波形面相对。

5.根据权利要求4所述的用于纤维片材的绕回式波形锚，其特征在于：所述绕回式波形齿板下端面的波形面与下波形齿板上侧的波形面紧密贴合，使得FRP片材夹固在绕回式波形齿板与下波形齿板之间的波形面上。

6.一种用于纤维片材的预张拉方法，其特征在于：通过绕回式波形锚夹持和锚固FRP片材的两端，拉动一端绕回式波形锚，实现FRP片材的纵向张拉，其具体方法步骤如下：

（1）预先将两锚固座固定在被加固的工程结构上；

（2）将FRP片材包覆在绕回式波形齿板的中部，然后用紧固螺栓将上波形齿板、包覆的FRP片材、绕回式波形齿板、下波形齿板紧固在一起，形成FRP片材的锚固头；

（3）将FRP片材一端的绕回式波形锚的连接螺杆通过螺丝锁固在（1）设置的锚固座上，将FRP片材另一端的绕回式波形锚的连接螺杆穿过（1）设置的另一锚固座，并通过螺丝锁接，FRP片材拉动一端的绕回式波形锚的连接螺杆，达到设计预应力张拉吨位时，将锚固座外侧的螺母拧紧，实现对张拉端绕回式波形锚的固定。

7.根据权利要求6所述的用于纤维片材的预张拉方法，其特征在于：（1）中，对钢结构的加固通过焊接、开孔方式将锚固座固定在被加固的工程结构上；对混凝土结构的加固，通过植入螺栓的方式预先将锚固座固定在被加固的工程结构上。

8.根据权利要求6所述的用于纤维片材的预张拉方法，其特征在于：（1）中，所述两锚固座的间距根据FRP片材的长度设置。

9.根据权利要求6所述的用于纤维片材的预张拉方法，其特征在于：（3）中，所述一锚固座外侧设置反力板，所述反力板外侧设有锁接在连接螺杆上螺丝，将千斤顶固定在反力板和锚固座之间，驱动千斤顶，反力板带动连接螺杆及其绕回式波形锚移动，当达到设计预应力张拉吨位时，将锚固座外侧的螺母拧紧，实现对张拉端绕回式波形锚的固定，然后拆除千斤顶和反力板。

10.根据权利要求6～9任意一项所述的用于纤维片材的预张拉方法，其特征在于：当FRP片材与被增强或加固的工程结构有粘贴要求时，在FRP片材与被增强和加固的工程结构的粘贴面之间补充灌注粘结剂，通过压板将张拉后FRP片材与被加固结构紧密粘贴。