CN109235923B - 预应力frp加固结构的单杆预警装置及延性调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预应力FRP加固结构的单杆预警装置及延性调控方法，其中装置包括固定板、FRP条带、自锁板、锚固板、预警功能的张拉螺杆、螺母和膨胀螺栓，固定板和锚固板位于自锁板的两侧，FRP条带的两端分别与固定板和自锁板固定连接，张拉螺杆穿过自锁板和锚固板，张拉螺杆在结构超载时发生较大的塑性变形、实现结构安全预警功能，螺母为多个且与张拉螺杆螺纹连接，螺母用以锁紧于自锁板的两侧和锚固板的两侧，膨胀螺栓用以将固定板、自锁板和锚固板固定于混凝土上，自锁板上用于安装膨胀螺栓的通孔为长圆孔，长圆孔与张拉螺杆平行设置。与现有技术相比，本发明不仅提高构件的延性和刚度，而且具备结构超载的预警功能、增加了构件的安全性。

Description

预应力FRP加固结构的单杆预警装置及延性调控方法

技术领域

本发明涉及FRP加固混凝土结构技术领域，特别是涉及一种预应力FRP加固结构的单杆预警装置及延性调控方法。

背景技术

随着混凝土结构加固工艺的发展，FRP(FiberReinforcedPolymer/Plastic)的卓越性能被越来越多的人所熟知，FRP加固混凝土结构也被越来越多的人所青睐。

然而，目前的FRP预应力加固混凝土结构中存在显著的缺点：(1)延性较差，和普通混凝土构件相比承载力虽然提高，但是延性在一定程度上降低，破坏缺乏预警；(2)FRP的脱锚和滑移，预应力纤维布在施加预应力时，碳纤维板与锚具易发生相对滑移，随着应力的不断增大，碳纤维从锚具中脱离，预应力失效，无法起到应有的加固效果；(3)张拉锚固装置结构繁重、工艺复杂，技术要求高、造价高，不能重复利用。

因此，如何提供一种张拉装置及方法，用以解决现有技术中FRP预应力加固混凝土结构的上述缺点，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种预应力FRP加固结构的单杆预警装置及延性调控方法，在提高加固结构的承载力和延性的同时，解决了FRP与锚具之间易脱离的连接和脆性破坏问题，较大幅度地提高了FRP的利用率和结构安全性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明公开了一种预应力FRP加固结构的单杆预警装置，包括固定板、FRP条带、自锁板、锚固板、张拉螺杆、螺母和膨胀螺栓，所述固定板和所述锚固板位于所述自锁板的两侧，所述FRP条带的一端与所述固定板固定连接，所述FRP条带的另一端与所述自锁板固定连接，所述张拉螺杆穿过所述自锁板和所述锚固板，所述螺母为多个且与所述张拉螺杆螺纹连接，所述螺母用以锁紧于所述自锁板的两侧和所述锚固板的两侧，所述膨胀螺栓用以将所述固定板、所述自锁板和所述锚固板固定于混凝土基体上，所述自锁板上用于安装所述膨胀螺栓的通孔为长圆孔，所述长圆孔与所述张拉螺杆平行设置。

优选地，所述固定板和所述自锁板上均设置有两个相互平行的条形槽，所述条形槽用以供所述FRP条带穿过，所述FRP条带的两端通过自锁式缠绕结构与所述固定板和所述自锁板固定连接。

优选地，所述自锁板为T形，所述自锁板包括连接段和固定段，所述固定段垂直于所述连接段且关于所述连接段对称，所述连接段用以连接所述FRP条带的一端，所述连接段上设置有所述条形槽，所述固定段上设置有所述长圆孔。

优选地，所述FRP条带的中心线和所述张拉螺杆的中心线重合优选地，所述长圆孔的长度大于所述张拉螺杆的最大伸长量的两倍。

优选地，所述条形槽的边缘为光滑过渡结构。

本发明还公开了一种预应力FRP加固结构的延性调控方法，使用上述的单杆预警装置，包括如下步骤：

S1、将锚固板通过膨胀螺栓固定于混凝土基体上；

S2、将FRP条带的两端分别固定于固定板和自锁板上；

S3、根据预应力的设计水平，选择张拉螺杆的直径和材料，将张拉螺杆穿过锚固板和自锁板，将膨胀螺栓穿过自锁板的长圆孔的中点位置并固定于混凝土基体上，此时自锁板上的膨胀螺栓上的螺母没有拧紧，使用螺母将张拉螺杆与自锁板相互锁紧，同时拧紧固定板上的膨胀螺栓的螺母，然后开始施加预应力，当预应力张拉到设计水平时，使用螺母将张拉螺杆与锚固板相互锁紧，最后停止张拉。

优选地，在步骤S2中，FRP条带的两端分别通过自锁式缠绕方式固定于固定板和自锁板上。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

(1)该张拉装置结构简单、施工工艺明确，技术要求低、造价低，同时施工方便，适合工程现场施工；

(2)能够显著提高预应力加固混凝土结构的延性，解决FRP条带与夹具之间的松弛问题；

(3)提高了FRP条带利用率和加固装置的可靠性，节约了FRP材料，为加固工程节约了成本；

(4)通过张拉螺杆的弹塑性变形实现了结构超载的自我预警功能；

(5)整体结构易于加工生产，可以满足产业化生产的需要，便于在工程加固领域大面积推广与应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明单杆预警装置的固定板一端的连接方式俯视图；

图2为本发明单杆预警装置的固定板一端的连接方式侧视图；

图3为本发明单杆预警装置的锚固板一端的连接方式俯视图；

图4为本发明单杆预警装置的锚固板一端的连接方式侧视图；

图5为本发明单杆预警装置的俯视图；

图6为本发明单杆预警装置的侧视图；

图7为固定板一端的FRP条带固定方式示意图；

图8为图7的简化示意图；

图9为预应力张拉锚固荷载滑移曲线示意图；

图10为改进安装方法梁的横截面示意图；

图11为FRP条带和张拉螺杆的应力应变曲线；

附图标记说明：1固定板；2FRP条带；3自锁板；4锚固板；5张拉螺杆；6螺母；7膨胀螺栓。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种预应力FRP加固结构的单杆预警装置及延性调控方法，在提高加固结构的承载力和延性的同时，解决了FRP与锚具之间易脱离的连接和脆性破坏问题，较大幅度地提高了FRP的利用率和结构安全性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-10所示，本实施例提供一种预应力FRP加固结构的单杆预警装置，包括固定板1、FRP条带2、自锁板3、锚固板4、张拉螺杆5、螺母6和膨胀螺栓7。其中，固定板1、自锁板3和锚固板4均为低碳钢结构，FRP条带2用以连接固定板1和自锁板3，张拉螺杆5用以连接自锁板3和锚固板4，螺母6与张拉螺杆5螺纹连接，螺母6用以将张拉螺杆5与自锁板3及锚固板4相互锁紧，膨胀螺栓7用以将固定板1、自锁板3和锚固板4固定于混凝土基体上。

固定板1和锚固板4分别位于自锁板3的左右两侧，FRP条带2的一端与固定板1固定连接，FRP条带2的另一端与自锁板3固定连接。张拉螺杆5穿过自锁板3和锚固板4，螺母6为多个且用以锁紧于自锁板3的两侧和锚固板4的两侧。自锁板3上用于安装膨胀螺栓7的通孔为长圆孔，长圆孔与张拉螺杆5平行设置。长圆孔的长度大于张拉螺杆5的最大伸长量的两倍，目的在于使张拉螺杆5的变形得到充分发挥，以充分利用张拉螺杆5的伸长提高整个构件的延性。

FRP条带2的端部固定方式有多种，本实施例中，固定板1和自锁板3上均设置有两个相互平行的条形槽，条形槽用以供FRP条带2穿过，FRP条带2的两端通过自锁式缠绕结构与固定板1和自锁板3固定连接。条形槽做光滑处理，防止FRP条带2在缠绕时因应力集中被割断。如图7-8所示，图中箭头所示是FRP条带2在外力张拉时的滑动趋势。FRP条带2在外力拉力T₀作用下会产生如图中箭头所示的运动趋势，若各个接触面无摩擦，则FRP条带2将被拉出。正是因为内外层FRP条带2及FRP条带2和钢板之间的摩擦阻力的存在，使其可以产生绕杆自锁。

FRP条带2的两端在固定板1和自锁板3上缠绕之前，可在固定板1和自锁板3上的长圆孔处和FRP条带2上涂上结构胶，这主要考虑到FRP条带2宽度大、厚度小，在安装以及装配过程中产生偏心受力，易导致应力大的一侧大的一侧先破坏，小的一侧后破坏。而涂上结构胶以后，FRP条带2之间的各束纤维丝连成整体，受力均匀。按照图7-8的缠绕方向进行FRP条带2的粘贴，在结构胶硬化以前可以对FRP条带2的连接位置做适当的调整以达到良好的连接位置，防止发生偏心等不利影响。随着FRP条带2缠绕厚度的增加，连接性能会逐渐提高，从而解决FRP条带2连接松弛的问题，达到提高加固承载力的良好效果。FRP条带2与混凝土基体可以采用有粘结或者无粘结两种形式，本领域技术人员可根据实际需要进行选择。

为了便于与FRP条带2连接，自锁板3为T形，自锁板3包括连接段和固定段，固定段垂直于连接段且关于连接段对称，连接段用以连接FRP条带2的一端，连接段上设置有条形槽，固定段上设置有长圆孔。

为了使整体结构更稳定，FRP条带2的中心线和张拉螺杆5的中心线重合，使FRP条带2与张拉螺杆5近似位于同一高度。图6中FRP条带2和张拉螺杆5的安装方式为贴近混凝土基体的有粘结安装方式，此种方式并非优选安装方式。改进安装方法梁的横截面示意图如图10所示，FRP条带2和张拉螺杆5优选为距离混凝土基体一定高度(△h)，随着△h的增大，可以增加计算截面的高度，进而提高截面惯性矩，从而提高抗弯刚度，具体阐述如下:

根据《混凝土结构加固设计规范》(GB50367-2013)得预应力碳纤维受弯构件:

(1):不出现裂缝的受弯构件：

B_s＝0.85E_cI₀

(2):出现裂缝的受弯构件：

注释：B_s为抗弯刚度，I₀为惯性矩。

所以抗弯刚度B_s都随着截面惯性矩(I₀)的增大为增大。I₀为未加固梁横截面的惯性矩，I₁为改进安装方法以后梁横截面的惯性矩，ΔI为增加的惯性矩。通过上述公式可以看出，ΔI随着Δh的增加而增大，故这种安装方案通过增加Δh而增大ΔI，增大ΔI而增大B_s。

本实施例还提供一种预应力FRP加固结构的延性调控方法，使用上述单杆预警装置，其具体步骤如下：

S1、将锚固板4通过膨胀螺栓7固定于混凝土基体上；

S2、将FRP条带2的两端分别固定于固定板1和自锁板3上；

S3、根据预应力的设计水平，选择张拉螺杆5的直径和材料，将张拉螺杆5穿过锚固板4和自锁板3，将膨胀螺栓7穿过自锁板3的长圆孔的中点位置并固定于混凝土基体上，此时自锁板3上的膨胀螺栓7上的螺母6没有拧紧，使用螺母6将张拉螺杆5与自锁板3相互锁紧，同时拧紧固定板1上的膨胀螺栓7的螺母6，然后开始施加预应力，当预应力张拉到设计水平时，使用螺母6将张拉螺杆5与锚固板4相互锁紧，最后停止张拉。

步骤S1至S3为预应力设计过程，在预应力设计完毕后，得到的单杆预警装置可用于进行构件加载。在预应力设计时，对于步骤S3的张拉过程，不会发生张拉螺杆5的拉断现象，张拉螺杆5的拉断只会发生在构件加载过程中。

为了提升结构的延性、实现结构的自我预警功能，所述的张拉螺杆5应选用有具有弹塑性变形能力的材料制成(图11)，要求张拉螺杆5的弹性模量(E₂大于等于FRP的弹性模量(E₁)，且其断裂变形量(ε_u见图11)与塑性变形量(ε_y见图11)即ε_u/ε_y应满足结构延性需求。

张拉螺杆5在使用过程中具有与“保险丝”相同的预警作用，同时张拉螺杆5具有“可更换”、“可恢复”的功能，通过检测张拉螺杆5的伸长量来预警整个预应力加固过程；由于张拉螺杆5是塑性材料，张拉到一定水平时，承受荷载几乎不变，张拉螺杆5的变形量持续增大，变形量达到一定程度，即认为张拉螺杆5已经失效，可以更换张拉螺杆5并再次进行预应力加固。

在步骤S2中，FRP条带2优选为通过自锁式缠绕的方式与固定板1和自锁板3相互固定，用以改善FRP条带2的连接方式，提高连接的可靠性，其具体缠绕结构如图7-8所示。

在步骤S4中，长圆孔的长度为△L₁+△L₂，其中△L₁为膨胀螺栓7与长圆孔左端的距离，△L₂为膨胀螺栓7与长圆孔右端的距离。随着自锁板3的移动，△L₁和△L₂的大小是不断变化的，其长度和保持不变。将膨胀螺栓7穿过自锁板3的长圆孔的中点位置并固定于混凝土基体上时，△L₁＝△L₂。当张拉螺杆5拉断以后，自锁板3会逐渐向左移动，直到移动到膨胀螺栓7位置为止，即膨胀螺栓7右边的△L₂变为0。然后拧紧膨胀螺栓7的螺母6，这时膨胀螺栓7起固定自锁段的作用，预应力加固可转换为非预应力加固，结构仍处于安全状态，实现对构件延性的控制。实现张拉螺杆5拉伸的牵引结构有多种，此为本领域的常规手段，不再赘述。

长圆孔的长度大于张拉螺杆5的最大伸长量的两倍，保证张拉端自锁段滑移的位移大于保险丝的伸长量，从而充分利用张拉螺杆5的伸长提高整个构件的延性。

预应力张拉锚固荷载滑移曲线见图9，P_u3是施加预应力以后的承载力，P_u2是预应力卸载以后张拉端的自锁段被膨胀螺栓7锚固后的承载力，也可以认为张拉端的自锁段对FRP进行端部加固。P_u1是未施加预应力构件的承载力，△P₁是施加预应力增加的部分，△P₂是预应力卸载以后碳纤维加固的构件的承载力，△L₃是张拉螺杆5的伸长量。由图9可知，本实施例提供的单杆预警装置和延性调控方法能够显著提升预应力结构的延性，实现延性可控可设计。张拉螺杆5失效时预应力加固可转换为非预应力加固，结构仍处于安全状态。需要说明的是，传统预应力加固是以牺牲延性来提高构件的前期刚度，而本实施例不仅提高了构件早期刚度，而且提高了构件的延性，增加了构件的安全性。

本实施例中，张拉螺杆5是延性材料铸成的圆柱形螺纹杆，张拉螺杆5的变形是整体延性控制的关键，可以根据实际加固工程情况来对张拉螺杆5的材料和直径大小、形状进行设计来满足不同种类加固工程的需求。张拉螺纹杆材料优选为形状记忆合金，形状记忆合金优点是抗疲劳，形状记忆合金特点是在发生了塑性变形后，经过合适的热过程，能够恢复变形前的形状。因而，本实施例中的张拉螺杆5可通过加热恢复原状，也可在拉断后进行替换，并不影响整个张拉结构的使用。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种预应力FRP加固结构的单杆预警装置，其特征在于，包括固定板、FRP条带、自锁板、锚固板、张拉螺杆、螺母和膨胀螺栓，所述固定板和所述锚固板位于所述自锁板的两侧，所述FRP条带的一端与所述固定板固定连接，所述FRP条带的另一端与所述自锁板固定连接，所述张拉螺杆穿过所述自锁板和所述锚固板，所述螺母为多个且与所述张拉螺杆螺纹连接，所述螺母用以锁紧于所述自锁板的两侧和所述锚固板的两侧，所述膨胀螺栓用以将所述固定板、所述自锁板和所述锚固板固定于混凝土基体上，所述自锁板上用于安装所述膨胀螺栓的通孔为长圆孔，所述长圆孔与所述张拉螺杆平行设置。

2.根据权利要求1所述的预应力FRP加固结构的单杆预警装置，其特征在于，所述固定板和所述自锁板上均设置有两个相互平行的条形槽，所述条形槽用以供所述FRP条带穿过，所述FRP条带的两端通过自锁式缠绕结构与所述固定板和所述自锁板固定连接。

3.根据权利要求2所述的预应力FRP加固结构的单杆预警装置，其特征在于，所述自锁板为T形，所述自锁板包括连接段和固定段，所述固定段垂直于所述连接段且关于所述连接段对称，所述连接段用以连接所述FRP条带的一端，所述连接段上设置有所述条形槽，所述固定段上设置有所述长圆孔。

4.根据权利要求1所述的预应力FRP加固结构的单杆预警装置，其特征在于，所述FRP条带的中心线和所述张拉螺杆的中心线重合。

5.根据权利要求1所述的预应力FRP加固结构的单杆预警装置，其特征在于，所述长圆孔的长度大于所述张拉螺杆的最大伸长量的两倍。

6.根据权利要求2所述的预应力FRP加固结构的单杆预警装置，其特征在于，所述条形槽的边缘为光滑过渡结构。

7.一种预应力FRP加固结构的延性调控方法，其特征在于，使用如权利要求1所述的单杆预警装置，包括如下步骤：S1、将锚固板通过膨胀螺栓固定于混凝土基体上；

S2、将FRP条带的两端分别固定于固定板和自锁板上；

S3、根据预应力的设计水平，选择张拉螺杆的直径和材料，将张拉螺杆穿过锚固板和自锁板，将膨胀螺栓穿过自锁板的长圆孔的中点位置并固定于混凝土基体上，此时自锁板上的膨胀螺栓上的螺母没有拧紧，使用螺母将张拉螺杆与自锁板相互锁紧，同时拧紧固定板上的膨胀螺栓的螺母，然后开始施加预应力，当预应力张拉到设计水平时，使用螺母将张拉螺杆与锚固板相互锁紧，最后停止张拉。

8.根据权利要求7所述的预应力FRP加固结构的延性调控方法，其特征在于，在步骤S2中，FRP条带的两端分别通过自锁式缠绕方式固定于固定板和自锁板上。