CN110629685B - 一种基于梯度放张预应力的混凝土结构的加固方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于梯度放张预应力的混凝土梁的加固方法，其步骤为：步骤S1：将张拉的预应力纤维增强复合材料（FRP）板条嵌入被加固混凝土结构的预制开槽内，使预应力FRP板条与混凝土梁在指定范围内通过粘结剂形成粘结；步骤S2：待粘结剂固化后释放部分或全部预应力，然后按实际需求的设计构造在FRP板条的预应力放张端部截面两侧填入一定长度粘结剂并养护；步骤S3：待新填入粘结剂固化后再放张剩余预应力，并在新的粘结端部再填入粘结剂形成粘结段作为锚具。本发明具有结构简单、施工便捷、效果好等优点。
Description
技术领域
本发明主要涉及到土建交通工程领域，特指一种基于梯度放张预应力的混凝土结构的表层嵌贴预应力FRP加固方法。
背景技术
纤维增强复合材料（FRP）作为一种新兴的结构修复及加固材料，已经被广泛应用于桥梁工程等各种结构体的施工领域。近年来，业界学者通过对FRP加固钢筋混凝土梁施加预应力的方法，解决了普通FRP加固强度利用率低和材料应变滞后的问题，即对FRP预先施加一定预应力使其提前受力，再在结构表面用树脂等粘结剂粘贴连续纤维增强聚合物复合材料(FRP)。
一方面从材料角度考虑，对结构施加预应力能充分发挥FRP片材的高强抗拉性能，另一方面从结构本身考虑不仅可以提高结构强度，同时还能有效改善结构的刚度、抗开裂强度、屈服强度等使用性能。但是，在不设置端部永久性锚具的情况下，预应力FRP板在材料粘结端部截面释放预应力时往往容易形成应力集中，由于FRP与混凝土界面粘结强度有限，加固构件将在荷载作用下过早发生脆性的端部剥离破坏。而FRP 片材预应力外粘结加固技术的端部锚固处理是该技术的关键，端部的锚固处理直接影响到该技术的加固效果。为此国内外学者提出表层嵌贴(Near Surface Mounted, NSM)预应力FRP加固技术，将张拉预应力的FRP（板条、筋材或棒材）嵌入被加固混凝土结构的预制开槽内，极大增强FRP与混凝土界面粘结强度的同时利用嵌贴提供的卓越粘结性能锚固预应力。
尽管上述加固方式有机结合了表层嵌贴钢筋加固技术与预应力外粘结加固技术的相对优势，仅凭粘结胶和保护层混凝土仍不能在有限的粘结长度内同时充分传递NSMFRP中的预应力和外荷载引起的拉剪应力，研究和应用表明在某些情况下被加固结构容易在FRP粘结端部发生混凝土保护层的撕裂剥离，导致加固结构因加固材料性能无法充分发挥而过早破坏。这是因为在FRP粘结端部有限的应力传递长度内（通常为10~20cm）混凝土保护层同时承受着外部荷载以及预应力放张传递所引起的拉剪应力，有限的应力传递长度使得拉剪应力容易超过FRP粘结端部保护层混凝土的强度，从而导致保护层被撕裂甚至剥离。设置专门的FRP锚具或其它端部锚固措施也存在工艺复杂、增加成本、锚固效果不理想、存在耐久性风险等缺陷，不能同时满足减小FRP端部应力集中和降低施工作业复杂程度的要求，这些成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、施工便捷、效果好的表层嵌贴预应力FRP混凝土梁的加固方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于梯度放张预应力的混凝土结构的加固方法，其步骤为：
步骤S1：将张拉的预应力FRP板条嵌入被加固混凝土结构的预制开槽内，使预应力FRP板条与结构混凝土在指定范围内通过粘结剂形成粘结；
步骤S2：待粘结剂固化至设计强度后释放部分或全部预应力，再按实际需求的设计构造在FRP板条的预应力放张端部截面两侧填入一定长度粘结剂并养护；
步骤S3：待新填入粘结剂固化后再放张剩余预应力，并在新的粘结端部再填入粘结剂形成粘结段作为锚具。
作为本发明的进一步改进：在步骤S1之前，对FRP板条进行预应力张拉操作，首先在待加固混凝土结构上安装FRP板条张拉装置，然后通过张拉实现FRP板条的预应力。
作为本发明的进一步改进：在预开槽中设计范围内填充密实粘结剂并于一定条件下养护至粘结胶达到力学性能标准强度。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S2中采用逐步释放部分预应力的方式时，释放的预应力水平为总应力的50%。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S2中采用直接释放全部预应力的方式时，可省去步骤S3，作为一种简化的混凝土梁加固方法。
作为本发明的进一步改进：在完成上述步骤S3之后，截断被加固混凝土梁外侧的FRP板条。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明通过人为延长应力传递长度来巧妙降低粘结界面应力，从而可有效避免被加固结构承受较大荷载时容易发生粘结端部混凝土保护层被撕裂剥离的情况，显著提高加固结构极限承载能力并充分发挥加固材料的高强性能。与传统机械锚固法相比，直接取消了永久性锚具的设置，降低了加固混凝土结构的工程成本，解放了实际作业的设备空间，具有施工便捷、易于设计、不损伤原结构的显著特点。
2、本发明设置的无预应力粘结段、低预应力粘结段和预应力粘结段外观上形成整体，无需在混凝土梁加固表面钻孔或在保护层埋设锚固装置，满足结构加固的美观需求。
3、本发明同常规加固方法相比，本发明结合非预应力加固构件整体延性高和预应力加固构件正常使用阶段承载性能好的技术优势，在提升构件承载性能的同时弥补预应力结构的剩余变形能力，有效缓解端部预应力放张及荷载作用引起的应力集中。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图。
图2是本发明在具体应用实例中的三维原理示意图。
图例说明：
1、FRP板条；2、预制开槽；3、混凝土梁；4、放张端部；5、粘结端部（低预应力段）； 6、粘结端部（无预应力粘结段）；7、预应力粘结段；8、低预应力粘结段；9、无预应力粘结段。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明的混凝土梁3结构的加固方法，为一种基于梯度放张预应力的表层嵌贴预应力FRP混凝土梁3加固方法，其步骤为：
步骤S1：将张拉的预应力FRP板条1嵌入加固结构的预制开槽2内，使预应力FRP板条1与混凝土梁3在指定范围内通过粘结剂形成粘结；将步骤S1中混凝土梁3与预应力FRP板条1形成粘结区段的端部截面位置称为放张端部4。在具体应用时，可以根据实际需要采用粘结剂，如本实施例中的环氧树脂，采用其他胶结剂也应在本发明的保护范围之内。
步骤S2：待粘结剂固化后释放部分或全部预应力，然后按实际需求的设计构造在FRP板条1的预应力放张端部4截面两侧填入一定长度粘结剂并养护；将步骤S2中预应力FRP板条与混凝土梁的粘结长度端部截面称为粘结端部5。这样就相当于在原有粘结长度之外增设一个粘结剂锚具，即人为延长CFRP-混凝土间应力传递长度，巧妙分散了FRP端部受预应力和外荷载作用引起的剪应力集中，并利用嵌贴提供的卓越粘结性能替代传统方式中通过附加装置实现预应力的锚固。
步骤S3：待新填入粘结剂固化后再放张剩余预应力，并在新的粘结端部6再填入粘结剂形成粘结段作为锚具；这样在不同区段的CFRP粘结长度（预应力粘结段7、低预应力粘结段8及无预应力粘结段9）内形成了梯度预应力水平，在延长应力传递长度的基础上降低了FRP预应力放张以及外荷载引起的拉剪应力，进一步改善了端部区段的受力状况。
在具体应用实例中，在步骤S1之前，对FRP板条1进行预应力张拉操作。预应力张拉方式可以根据实际需要来进行选择，在本实例中，首先在被加固混凝土结构（梁、板）上开槽，在预制开槽2两端安装FRP板条1张拉装置；将FRP板条1放入槽中并两端锚固于张拉装置上，然后通过千斤顶张拉FRP板条1，实现FRP板条1的预应力；张拉完成后向预制开槽2内填入粘结剂充满FRP与混凝土之间的空间，也可在安装张拉FRP之前先向预制开槽2内填入约1/3~1/2槽深的粘结剂，待张拉完FRP后再将粘结剂填充密实预制开槽2内剩余空间。
在具体应用实例中，在预制开槽2中在设计范围内填充密实粘结剂（如环氧树脂胶）并于一定条件下（如室温条件）养护至粘结剂达到力学性能标准强度。
作为较佳的具体应用实例，所述步骤S2中采用缓慢控制张拉千斤顶逐步释放部分预应力的方式时，释放的预应力水平为总应力的50%。
作为简化的具体应用实例，所述步骤S2中采用直接释放全部预应力的方式时，可省去步骤S3，作为一种简化的混凝土梁3加固方法。
在具体应用实例中，在完成上述步骤S3之后，可以截断被加固混凝土梁3外侧的FRP板条1。这样，无预应力粘结段、低预应力粘结段和预应力粘结段外观上形成整体，整个方案也无需在混凝土梁3加固表面钻孔或在保护层埋设锚固装置，满足了结构加固的美观需求。
在具体应用实例中，预应力粘结段7为所述步骤S1中张拉预应力的FRP板条1与混凝土梁3的粘结区段；低预应力粘结段8为所述步骤S2中采用逐步释放部分预应力时FRP板条放张端部4截面两侧填入粘结剂并养护的粘结区段；无预应力粘结段9为所述步骤S3中放张剩余预应力后新填入粘结剂并养护的粘结区段，或所述步骤S2中采用直接释放全部预应力方式时FRP板条放张端部4截面两侧填入粘结剂并养护的粘结区段。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于梯度放张预应力的混凝土结构的加固方法，其特征在于，步骤为：
步骤S1：将张拉的预应力FRP板条嵌入被加固混凝土结构的预制开槽内，使预应力FRP板条与结构混凝土在指定范围内通过粘结剂形成粘结；
步骤S2：待粘结剂固化至设计强度后释放部分预应力，再按实际需求的设计构造在FRP板条的预应力放张端部截面两侧填入一定长度粘结剂并养护；
步骤S3：待新填入粘结剂固化后再放张剩余预应力，并在新的粘结端部再填入粘结剂形成粘结段作为锚具。
2.根据权利要求1所述的基于梯度放张预应力的混凝土结构的加固方法，其特征在于，在步骤S1之前，对FRP板条进行预应力张拉操作，首先在待加固混凝土结构上安装FRP板条张拉装置，然后通过张拉实现FRP板条的预应力。
3.根据权利要求1所述的基于梯度放张预应力的混凝土结构的加固方法，其特征在于，在预开槽中设计范围内填充密实粘结剂并于一定条件下养护至粘结胶达到力学性能标准强度。
4.根据权利要求1所述的基于梯度放张预应力的混凝土结构的加固方法，其特征在于，所述步骤S2中采用逐步释放部分预应力的方式时，释放的预应力水平为总应力的50%。
5.根据权利要求1或2或3所述的基于梯度放张预应力的混凝土结构的加固方法，其特征在于，在完成上述步骤S3之后，截断被加固混凝土梁外侧的FRP板条。
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