CN105133849A - 一种预应力frp片材加固混凝土梁的预应力装置和施加方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种预应力FRP片材加固混凝土梁的预应力装置和施加方法，第一钢板固定在墙或柱上，长钢板组的一端垂直固定在第一钢板上，槽钢组的一端垂直固定在长钢板组底部，且其与第一钢板垂直设置，斜向拉杆组的一端与长钢板组的另一端固定连接，另一端与槽钢组的另一端固定连接；长钢板组之间由上至下依次固定连接有钢筒转轴、锚固钢板，锚固钢板通过设置在长钢板组上的限位块进行锚固，限位块与锚固钢板之间设有弹性压缩垫块；千斤顶固定在千斤顶支座上，可调式斜向撑杆组的一端与槽钢组连接，另一端与千斤顶支座连接；千斤顶支座的底部与槽钢组的另一端连接；通过此预应力装置进行施加的方法降低挠度，抑制裂缝的发展，延缓开裂的发生。

Description

一种预应力FRP片材加固混凝土梁的预应力装置和施加方法

技术领域

本发明属于工程结构加固应用学科领域，尤其涉及一种预应力FRP片材加固混凝土梁的预应力装置和施加方法。

背景技术

FRP材料以其轻高强、耐腐蚀、操作方便等特点很早就被人发现并利用。历史上，早在20世纪80年代就有人利用FRP材料对钢筋混凝土梁进行修复。在接下来的几十年里，FRP材料以及加固它的工具的研究得到飞速发展。在本世纪早些时候，多采用非预应力普通粘贴FRP，它尚具有明显的缺点：加固用FRP应变滞后现象明显，只有在被加固结构二次受荷发生进一步变形之后才能逐步参与作用，加固效率低；不能调整原结构的受力状况，对结构正常使用状态的性能改善较小。然后，对FRP片材进行预应力加载，可以更加有效的利用FRP的高强度，对于提高被加固构件的承载力和变形都有良好的效果。预应力的施加使既有裂缝闭合，延迟了新裂缝的产生。然而，FRP片材的抗剪性能较差，所以在加固锚固方面仍然存在着挑战。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种预应力FRP片材加固混凝土梁的预应力装置和施加方法，不仅预应力装置体型小，重量轻，易于安装，而且通过此预应力装置进行施加的方法增强了加固梁的延性，提高了其承载能力，并降低挠度，抑制裂缝的发展，延缓开裂的发生。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：

一种预应力FRP片材加固混凝土梁的预应力装置，所述预应力装置设置在梁下的墙或柱上，其包括加载装置和施力装置；

加载装置：包括第一钢板、长钢板组、槽钢组和斜向拉杆组，所述第一钢板固定在墙或柱上，所述长钢板组的一端垂直固定在第一钢板上，所述槽钢组的一端垂直固定在长钢板组底部，且其与第一钢板垂直设置，所述斜向拉杆组的一端与长钢板组的另一端固定连接，另一端与槽钢组的另一端固定连接；所述斜向拉杆组、长钢板组合槽钢组形成三角形稳定体系；所述长钢板组之间由上至下依次固定连接有钢筒转轴、锚固钢板，所述锚固钢板通过设置在长钢板组上的限位块进行锚固，所述限位块与锚固钢板之间设有弹性压缩垫块；

施力装置：包括千斤顶、千斤顶支座和可调式斜向撑杆组，所述千斤顶固定在千斤顶支座上，所述可调式斜向撑杆组的一端与槽钢组连接，另一端与千斤顶支座连接；所述千斤顶支座的底部与槽钢组的另一端连接。

作为本发明的进一步优选，所述长钢板组与槽钢组、千斤顶支座的底部与槽钢组均通过螺丝固定连接；

作为本发明的进一步优选，所述可调式斜向撑杆组为中间开长孔的长钢板，所述可调式斜向撑杆组的另一端通过设置在长孔内的螺母与千斤顶支座连接；

作为本发明的进一步优选，所述千斤顶的顶部设置有一块弧形加载钢条；

作为本发明的进一步优选，所述弹性压缩垫块采用制作的材料为聚四氟乙烯；

一种预应力FRP片材加固混凝土梁的预应力装置的施加方法，其特征在于：包括以下步骤：

⑴根据所选预应力等级，选择加载角度和安装高度范围，通过以下公式进行加载角度的计算：加载角度的计算公式为：

其中：L—梁的长度，a—加载装置的高度，b—加载装置的长度，h—加载装置顶端距离梁底面的距离，α—千斤顶的角度，l _F2 —固定在加载装置内的另一部分FRP材料自由端长度，—FRP片材的应变量；

⑵根据选择的安装高度，用步骤⑴中计算出的公式进行调节加载角度，并固定住角度；

⑶将FRP片材的一端固定在远离加载装置的梁的底部，另一端绕过加载装置上的钢筒转轴并固定，加载装置上设有弹性压缩垫块，通过弹性压缩垫块的压缩变形可以准确估算FRP片材的初始应力；

⑷将FRP片材的两端安装完成后，将千斤顶安放在千斤顶支座上，并在千斤顶的顶部放置一块弧形加载钢条；

⑸对千斤顶进行加压，使直线的FRP片材转为折线，预应力逐渐产生并增大，直到FRP片材与被加固的梁贴合在一起，停止加载，对FRP片材的端部进行锚固，对加载装置端的多余FRP片材进行裁剪，拆除装置。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明的预应力装置体型小，重量轻，易于安装，施加荷载轻松方便，采用斜向的千斤顶推FRP片材，将直线FRP片材变折线伸长的方式产生预应力，克服了现有技术不能充分利用其强度的弊端。同常规加固方法相比，此方法增强了加固梁的延性，提高了其承载能力，并降低了挠度，抑制裂缝的发展，延缓开裂的发生。

附图说明

图1所示为本发明的千斤顶推FRP预应力加固混凝土梁施加装置的三维透视图；

图2所示为本发明的加载装置的部分分解示意图，其中，图2-a为长钢板组受力部分的高度，即加载装置的高度，图2-b为槽钢组受力部分的长度，即加载装置的长度；

图3中，图3-a所示为本发明的预应力施加原理示意图，图3-b所示为本发明的计算简图；

图4所示为本发明的预应力装置安装在混凝土柱或墙上的左视图；

图5所示为本发明的预应力装置安装在混凝土柱或墙上的主视图；

图6所示为本发明的预应力装置初始预应力的测量方法示意图；

图7所示为本发明的预应力装置两端加载的示意图；

其中：1为第一钢板，2为长钢板组，3为槽钢组，4为斜向拉杆组，5为钢筒转轴，6为锚固钢板，7为限位块，8为弹性压缩垫块，9为千斤顶，10为千斤顶支座，11为可调式斜向撑杆组，12为弧形加载钢条，图3-b中，HC为梁的长度L，FE为加载装置的高度a，DE为加载装置的长度b，CF为加载装置顶端距离梁底面的距离h，FG为固定在加载装置内的另一部分FRP片材的自由端长度l _F2 。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

图1-2所示，一种预应力FRP片材加固混凝土梁的预应力装置，所述预应力装置设置在梁下的墙或柱上，其包括加载装置和施力装置；

加载装置：包括第一钢板1、长钢板组2、槽钢组3和斜向拉杆组4，所述第一钢板1固定在墙或柱上，所述长钢板组2的一端垂直固定在第一钢板1上，所述槽钢组3用于承受FRP片材传递的反力，所述槽钢组3的一端垂直固定在长钢板组2底部，且其与第一钢板1垂直设置，所述斜向拉杆组4的一端与长钢板组2的另一端固定连接，另一端与槽钢组3的另一端固定连接；所述斜向拉杆组4、长钢板组2合槽钢组3形成三角形稳定体系；所述长钢板组2之间由上至下依次固定连接有钢筒转轴5、锚固钢板6，所述锚固钢板6通过设置在长钢板组2上的限位块7进行锚固，所述限位块7与锚固钢板6之间设有弹性压缩垫块8；

施力装置：包括千斤顶9、千斤顶支座10和可调式斜向撑杆组11，所述千斤顶9固定在千斤顶支座10上，所述可调式斜向撑杆组11的一端与槽钢组3连接，另一端与千斤顶支座10连接；所述千斤顶支座10的底部与槽钢组3的另一端连接；通过此种设置，所述千斤顶9可以调节角度。

图3所示，加载前根据所需的预应力值，选择合适的加载角度和预应力装置的安装高度，将预应力装置固定在梁下的柱或者墙上，FRP片材的一端固定在远离装置的梁端底部，另一端绕过加载装置上的钢筒转轴5，端部粘贴于第一钢板1与锚固钢板6之间，通过弹性压缩垫块8的压缩变形可以准确的估计FRP片材的初始应力。将千斤顶9安装在千斤顶支座10上，启动千斤顶9，通过设置在千斤顶9顶部的弧形加载钢条12，顶推FRP片材，使直线FRP片材转为折线，预应力逐渐产生并增大，直至FRP片材的上部贴紧被加固的梁，端部锚固后，裁剪未被粘贴到梁底部的FRP片材。

图4所示，当所需预应力不大的情况下，只需锚栓将第一钢板1锚固在混凝土柱或墙上即可，倘若所需的预应力等级较大，锚栓的抗剪强度不能承受预应力装置所受到的竖向荷载和弯矩时，就需要采用在柱或墙另一侧设置与第一钢板1相同的另一块钢板，通过螺杆固定连接，形成对拉的形式，这样第一钢板1与混凝土的摩擦力也可以抵抗竖向荷载。

图5所示，将FRP片材的端部粘贴于第一钢板1与锚固钢板6之间，将锚固钢板6卡在限位块7上，通过使用百分表或者游标卡尺测量限位块7与锚固钢板6之间设有的弹性压缩垫块8的变形量，可以计算出初始预应力的大小。

一种预应力FRP片材加固混凝土梁的预应力装置的施加方法，其特征在于：包括以下步骤：

⑴根据所选预应力等级，选择加载角度和安装高度范围，通过以下公式进行加载角度的计算：加载角度的计算公式为：

其中：L—梁的长度，a—加载装置的高度，b—加载装置的长度，h—加载装置顶端距离梁底面的距离，α—千斤顶的角度，l _F2 —固定在加载装置内的另一部分FRP材料自由端长度，—FRP片材的应变量；

⑵根据选择的安装高度，用步骤⑴中计算出的公式进行调节加载角度，并固定住角度；

⑶将FRP片材的一端固定在远离加载装置的梁的底部，另一端绕过加载装置上的钢筒转轴5并固定，加载装置上设有弹性压缩垫块8，通过弹性压缩垫块8的压缩变形可以准确估算FRP片材的初始应力；

⑷将FRP片材的两端安装完成后，将千斤顶9安放在千斤顶支座10上，并在千斤顶9的顶部放置一块弧形加载钢条12；

⑸对千斤顶9进行加压，使直线的FRP片材转为折线，预应力逐渐产生并增大，直到FRP片材与被加固的梁贴合在一起，停止加载，对FRP片材的端部进行锚固，对加载装置端的多余FRP片材进行裁剪，拆除装置。

通过以上的步骤，即可以对混凝土梁的预应力FRP片材进行加固。

图6所示，在被加固梁的两端的柱子上都安装上预应力装置，通过计算，使两端的预应力装置的安装高度和加载角度保持一致就可以方便的进行加载。

图7所示，为FRP片材的预应力的产生原理，将FRP片材的两端绷紧，在中部施加一个外力，FRP片材产生一个向下的变形量，根据简单的力学原理可知，只要角小于30，则产生的内力就会大于所施加的外力。

现在假设初始FRP片材长L，对其加载，产生竖向变形，可以计算出，

要使角小于30，则

其中

所以可以得出

以CFRP片材为例，进行计算分析。CFRP片材弹性模量为，拉伸强度为3900，若要达到强度50%的预应力，则拉应力为1950，通过计算可以看出

将（2）代入到（1）中可以得出

竖向变形量很小，说明角很小，所以只需施加很小的外力就可以达到50%的预应力等级。

再以一个6m长的CFRP片材为例，具体说明所需外力的大小。CFRP片材长6000mm，宽150mm，厚0.167mm。要达到50%的预应力等级，则预应力的大小为

而外力的大小为

可以看出所需施加的外力只占预应力的27.74%，所以这个方法可以大大减小所需施加的外力。

Claims (6)

1.一种预应力FRP片材加固混凝土梁的预应力装置，其特征在于：所述预应力装置设置在梁下的墙或柱上，其包括加载装置和施力装置；

加载装置：包括第一钢板、长钢板组、槽钢组和斜向拉杆组，所述第一钢板固定在墙或柱上，所述长钢板组的一端垂直固定在第一钢板上，所述槽钢组的一端垂直固定在长钢板组底部，且其与第一钢板垂直设置，所述斜向拉杆组的一端与长钢板组的另一端固定连接，另一端与槽钢组的另一端固定连接；所述斜向拉杆组、长钢板组合槽钢组形成三角形稳定体系；所述长钢板组之间由上至下依次固定连接有钢筒转轴、锚固钢板，所述锚固钢板通过设置在长钢板组上的限位块进行锚固，所述限位块与锚固钢板之间设有弹性压缩垫块；

施力装置：包括千斤顶、千斤顶支座和可调式斜向撑杆组，所述千斤顶固定在千斤顶支座上，所述可调式斜向撑杆组的一端与槽钢组连接，另一端与千斤顶支座连接；所述千斤顶支座的底部与槽钢组的另一端连接。

2.根据权利要求1所述的预应力FRP片材加固混凝土梁的预应力装置，其特征在于：所述长钢板组与槽钢组、千斤顶支座的底部与槽钢组均通过螺丝固定连接。

3.根据权利要求2所述的预应力FRP片材加固混凝土梁的预应力装置，其特征在于：所述可调式斜向撑杆组为中间开长孔的长钢板，所述可调式斜向撑杆组的另一端通过设置在长孔内的螺母与千斤顶支座连接。

4.根据权利要求3所述的预应力FRP片材加固混凝土梁的预应力装置，其特征在于：所述千斤顶的顶部设置有一块弧形加载钢条。

5.根据权利要求4所述的预应力FRP片材加固混凝土梁的预应力装置，其特征在于：所述弹性压缩垫块采用制作的材料为聚四氟乙烯。

6.一种如权利要求1所述的预应力FRP片材加固混凝土梁的预应力装置的施加方法，其特征在于：包括以下步骤：

⑴根据所选预应力等级，选择加载角度和安装高度范围，通过以下公式进行加载角度的计算：加载角度的计算公式为：

其中：L—梁的长度，a—加载装置的高度，b—加载装置的长度，h—加载装置顶端距离梁底面的距离，α—千斤顶的角度，l _F2 —固定在加载装置内的另一部分FRP材料自由端长度，—FRP片材的应变量；

⑵根据选择的安装高度，用步骤⑴中计算出的公式进行调节加载角度，并固定住角度；

⑶将FRP片材的一端固定在远离加载装置的梁的底部，另一端绕过加载装置上的钢筒转轴并固定，加载装置上设有弹性压缩垫块，通过弹性压缩垫块的压缩变形可以准确估算FRP片材的初始应力；

⑷将FRP片材的两端安装完成后，将千斤顶安放在千斤顶支座上，并在千斤顶的顶部放置一块弧形加载钢条；

⑸对千斤顶进行加压，使直线的FRP片材转为折现，预应力逐渐产生并增大，直到FRP片材与被加固的梁贴合在一起，停止加载，对FRP片材的端部进行锚固，对加载装置端的多余FRP片材进行裁剪，拆除装置。