CN112096108B - 一种嵌入式体外预应力实施系统及其加固rc柱施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌入式体外预应力实施系统及其加固RC柱施工方法，包括钢绞线布设槽、预应力钢绞线、端部锚固装置、预应力横张装置、牵引线提升装置和预应力施加装置。待加固钢筋混凝土柱表面开设呈m圈螺旋上升的钢绞线布设槽和n条竖直凹槽；在竖直凹槽与钢绞线布设槽的交点处均布设预应力横张装置；牵引线提升装置包括牵引线和m个牵引线卡扣；当预应力施加装置向下牵拉牵引线时，m个牵引线卡扣将挤压m个预应力横张装置，从而使得m个横向张拉组件横向伸长，进而使得预应力钢绞线横向张拉。本发明采用横向张拉的方式，仅需提供纵向张拉时张拉力的1/5~1/7，便能够达到预期张拉效果。同时，采用先锚固、后张拉，端部锚固方便、极大降低锚固难度。

Description

一种嵌入式体外预应力实施系统及其加固RC柱施工方法

技术领域

本发明涉及钢筋混凝土加固领域，特别是一种嵌入式体外预应力实施系统及其加固RC柱施工方法。

背景技术

随着使用年限的增加，钢筋混凝土结构的力学性能会不断退化，在地震等自然灾害作用下，结构会因承载力不足而发生破坏，严重影响建筑的正常使用，因此需要采取有效方法对钢筋混凝土结构进行加固。对于钢筋混凝土柱，目前常见的加固方法有外加钢片法、外包FRP法等，其原理主要为增加横向约束，由此增加柱的承载力。但是，一般的体外加固方式无法有效应对加固材料应力滞后于原有结构的问题，因此，有学者提出运用预应力材料，如预应力钢绞线、纤维布等对钢筋混凝土柱进行加固。目前的预应力体外加固方式一般采用先张拉，后锚固的施工顺序，这使得施工难度大大增加。另外，在预应力张拉过程中，张拉方式也是影响加固效果的一项重要因素，一般的预应力张拉方式需要提供很大的张拉力才能达到预期效果。

公告号为CN 108252228 A的发明专利提出了一种用于加固钢筋混凝土墩柱的预应力纤维布加固装置，其将纤维布包裹于混凝土墩柱上，两端纤维布缠绕在楔片上，并插入套板固定，将套板锚头中的螺栓孔对齐，插入螺杆，通过同时拧动螺杆来拉动固定楔片，从而实现对纤维布施加预应力。公告号为CN 106917517 A的发明专利提出了一种预应力高强纤维布加固柱构件的施工方法，其先将纤维布一端缠绕固定钢棒上，并将钢棒置入待加固柱上的开槽中，另一端用张拉装置张拉，并在张拉后缠绕粘贴在待加固柱上。

以上两种装置虽然能够有效将预应力纤维布布置在待加固柱上，但是在实际工程中仍存在如下不足：

1、以上两种预应力纤维布施加装置施工均比较繁琐，其仍采用沿预应力缠绕方向纵向张拉的方式，所需张拉力较大，对张拉装置和施工要求较高，不利于施工。

2、第二种装置采用先张拉后锚固的施工方式，预应力纤维布在张拉状态下不易锚固，且容易产生预应力损失。

3、加固后纤维布与其锚固端暴露在柱表面，无保护层，其抗老化性能以及防火性能较差，在自然环境下容易失效，耐久性不强。

公告号为CN 2809064 Y的实用新型专利提出了一种矩形截面混凝土柱加固的预应力钢板箍，其通过高强螺栓拉动块安装有加力耳的U型加工箍板对混凝土方柱施加横向预应力。其构造较简单，但其本质仍然采用纵向张拉的方式施加预应力，预应力施加装置要求较高，施工不便，且此装置的适用性较差，每套加固装置只能适应与其相尺寸相对应的柱，不具有普遍适用性。另外，以上装置在加固时，构件上的每道加固层均独立起作用，加固时难以保证整个柱体预应力均匀施加，影响加固的整体性。

因此，需发明一种结构简单，施工方便快捷且加固效果良好的钢筋混凝土柱体外预应力加固装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种嵌入式体外预应力实施系统及其加固RC柱施工方法，该嵌入式体外预应力实施系统及其加固RC柱施工方法采用横向张拉的张拉方式，可用较小的力提供较大的预应力，预应力施加更容易，且对于预应力钢绞线，采用先锚固后张拉的施工顺序，使施工难度降低。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种嵌入式体外预应力实施系统，包括钢绞线布设槽、预应力钢绞线、端部锚固装置、预应力横张装置、牵引线提升装置和预应力施加装置。

钢绞线布设槽为开设在待加固钢筋混凝土柱表面上的一条呈m圈螺旋上升的凹槽。沿待加固钢筋混凝土柱的周向均匀开挖有n条竖直凹槽。每条竖直凹槽均竖直布设，且与钢绞线布设槽具有m个交点。

在每个交点处均布设一个所述预应力横张装置，预应力横张装置包括底座、钢绞线固定环和横向张拉组件。底座锚固在待加固钢筋混凝土柱上。钢绞线固定环能在横向张拉组件的横向伸缩带动下，实现横向伸缩。

预应力钢绞线布设在钢绞线布设槽中，且依次从每个预应力横张装置的钢绞线固定环中穿过。

端部锚固装置用于将预应力钢绞线的两端分别锚固在待加固钢筋混凝土柱上。

牵引线提升装置包括牵引线和m个牵引线卡扣。m个牵引线卡扣分别位于同一竖直凹槽内m个预应力横张装置的正上方，且通过牵引线相连接，牵引线的底端与预应力施加装置相连接。

当预应力施加装置将牵引线向下牵拉时，m个牵引线卡扣将挤压m个预应力横张装置的横向张拉组件，从而使得m个横向张拉组件横向伸长，进而使得位于钢绞线固定环内的预应力钢绞线，实现横向张拉。

横向张拉组件包括四块支撑板和伸缩套筒组件。其中两块支撑板通过上铰接轴相铰接形成上铰接板，另外两块支撑板通过下铰接轴相铰接形成下铰接板。上铰接板和下铰接板的一端均与底座相铰接，另一端均与钢绞线固定环相铰接。伸缩套筒组件安装在上铰接轴和下铰接轴上，且能竖向伸缩。

伸缩套筒组件包括上套筒、下套筒、上锚固板、下锚固板和Y型卡扣。上套筒顶部嵌套在上铰接轴上，上套筒底部嵌套在上锚固板中。下套筒底部嵌套在下铰接轴上，上套筒顶部嵌套在下锚固板中。上锚固板为空心结构，能滑动套设在下锚固板外周。上锚固板和下锚固板外周均设置有锁合卡槽。牵引线依次从上套筒和下套筒中穿过，当牵引线下拉，上锚固板沿下锚固板向下滑移，直至上锚固板和下锚固板的锁合卡槽相对位配合，通过Y型卡扣实现上锚固板和下锚固板的锁定。

每个牵引线卡扣均包括U型环、L型支座、推进块和推进螺栓。U型环和L型支座相互插接配合，推进块横向滑动设置在L型支座内，推进块能和U型环相拼合形成牵引线过孔。推进螺栓螺接在L型支座内，用于推动推进块的横向滑动，从而控制牵引线过孔内牵引线的锁紧状态。

预应力施加装置包括张拉支架、定滑轮、固定平台、滑动板、千斤顶和两个小型定滑轮。张拉支架安装在地面、基础或待加固钢筋混凝土柱底部。固定平台固定安装在张拉支架上，定滑轮转动安装在在张拉支架上。滑动板横向滑动设置在张拉支架上，并能在千斤顶的驱动下，实现横向滑动。两个小型定滑轮分别安装在滑动板的上下部。从竖直凹槽内引入的牵拉线，先经定滑轮导向，再经两个小型定滑轮后，底部末端安装在固定平台上。当滑动板在千斤顶驱动下，横向滑动时，将使得牵引线向下张拉。

预应力钢绞线横向张拉后的预应力值f_p，按如下式进行计算：

式中，n_t为预应力横张装置的总数量，E_p为预应力钢绞线的弹性模量。L为钢绞线布设槽内预应力钢绞线的总长，ΔL为在单个预应力横张装置张拉后，预应力钢绞线的伸长量。

当待加固钢筋混凝土柱为圆柱时，伸长量ΔL采用如下公式(4)进行计算：

式中，l₁为预应力横张装置的竖直提升距离。a为待加固圆柱半径。

当待加固钢筋混凝土柱为方柱时，伸长量ΔL采用如下公式(5)进行计算：

式中，l₁为预应力横张装置的竖直提升距离。b为待加固方柱边长。

预应力横张装置的总数量n_t采用如下公式(1)进行计算：

n_t＝n·m (1)

其中，

式中，H为待加固钢筋混凝土柱的加固区高度。S为相邻两圈预应力钢绞线的截面中心间距。m为预应力钢绞线的圈数。n为竖直凹槽的条数。

一种采用嵌入式体外预应力实施系统加固RC柱施工方法，包括如下步骤。

步骤1、钢绞线布设槽及竖直凹槽的开挖：初步估算预应力钢绞线所需的缠绕密度，在待加固钢筋混凝土柱侧表层开一条呈m圈螺旋上升的沟槽，形成钢绞线布设槽。再沿待加固钢筋混凝土柱周向表层均匀开挖n条竖直凹槽。

步骤2、安装预应力横张装置：将预应力横张装置安装在每条竖直凹槽与钢绞线布设槽之间的交点处。每个预应力横张装置的底座均锚固在待加固钢筋混凝土柱上，且每个预应力横张装置的横向张拉组件均处于横向收缩状态。

步骤3、缠绕预应力钢绞线：将预应力钢绞线沿钢绞线布设槽螺旋铺设，且使预应力钢绞线从每个预应力横张装置的钢绞线固定环中穿过，预应力钢绞线的两端均通过端部锚固装置锚固在待加固钢筋混凝土柱上，并在锚固处用水泥砂浆进行浆锚。

步骤4、第1条竖直凹槽内所有预应力横张装置的横向伸长，具体包括如下步骤：

步骤41，预应力施加装置安装：将预应力施加装置安装在与第一条竖直凹槽相对应的地面、基础或待加固钢筋混凝土柱底部。

步骤42，牵引线提升装置安装：将牵引线的一端安装在预应力施加装置上，牵引线的另一端从下至上依次穿过第一条竖直凹槽中所有预应力横张装置的伸缩套筒组件。在第一条竖直凹槽中每个预应力横张装置正上方均布设一个牵引线卡扣，牵引线卡扣均卡合在牵引线上。

步骤43，横向张拉：预应力施加装置对牵引线施加拉力，牵引线下拉，m个牵引线卡扣将挤压m个预应力横张装置的横向张拉组件，从而使得m个横向张拉组件横向伸长，进而使得位于钢绞线固定环内的预应力钢绞线，实现横向张拉。

步骤44，横向张拉组件锁紧：当横向张拉组件横向伸长到位后，对横向张拉组件进行锁紧，限制横向伸缩。

步骤45，牵引线提升装置和预应力施加装置拆卸：将位于第1条竖直凹槽内的m个牵引线卡扣从牵引线上拆除，接着将牵引线从第1条竖直凹槽内的所有伸缩套筒组件中拆除。然后，解除预应力施加装置的固定限位。

步骤5，重复步骤4，完成第2条竖直凹槽至第n条竖直凹槽内所有预应力横张装置的横向伸长。

步骤6、筋混凝土柱表面抹平：步骤5完成后，将步骤1开挖的所有钢绞线布设槽及竖直凹槽，均使用混凝土砂浆填充并抹平。

步骤2中，在预应力横张装置安装之前，还包括预应力钢绞线缠绕圈数m确认步骤；预应力钢绞线缠绕圈数m的确认方法，包括如下步骤：

步骤2A、设置预应力横张装置竖直提升距离的阈值l_1max：对预应力横张装置竖直提升距离l₁的允许最大值进行设置。

步骤2B、先计算加固钢筋混凝土柱所需的预应力f_p，再根据计算的预应力f_p确定每个预应力横张装置所需的竖直提升距离l₁。

步骤2C、确认预应力钢绞线缠绕圈数m：将步骤2B计算的竖直提升距离l₁与阈值l_1max进行比较，若l₁≤l_1max，则当前预应力钢绞线缠绕圈数m符合要求；若l₁＞l_1max，则需通过增加当前预应力钢绞线缠绕圈数m，使得l₁≤l_1max。

本发明具有如下有益效果：

1.相比于一般体外加固方式，本发明采用嵌入式加固，钢绞线布设槽能够固定预应力钢绞线的位置。嵌入式加固不会增大加固柱截面尺寸，不会影响结构原本的使用功能及结构使用要求。采用一根预应力钢绞线螺旋缠绕加固，可使得预应力施加较为均匀，约束性能高，结构整体性能好，避免地震、振动、疲劳及偶然复杂荷载作用下结构发生破坏或倒塌。同时，针对荷载变化、环境腐蚀及偶然作用等因素导致的预应力损失过大的情况，本发明装置可及时、方便地更换预应力钢绞线和相关装置，极大地延长结构柱服役年限和使用寿命。另外，本发明不受待加固柱的形状、尺寸限制，并可根据实际情况判断所需预应力大小，从而调节预应力钢绞线缠绕密度及钢绞线布设槽的开凿，能够更加灵活、合理地施加预应力。

2.本发明在施工过程中，在非拉力状态下对预应力钢绞线两端进行锚固，并用水泥砂浆填充锚固区凹槽进行浆锚，待锚固后再进行张拉，施加预应力。与一般的先张拉后锚固的施工方式相比，本发明能够有效避免预应力状态下锚固时施工不便的问题，端部锚固更容易，并能减小张拉锚固时的预应力损失，预应力加固效果更好。

3.与传统的纵向张拉方式相比，本发明的预应力施加过程中，运用预应力横张装置对预应力钢绞线进行张拉，张拉采用横向张拉的施工方式。此种施工方式下，张拉装置只需提供纵向张拉时张拉力的1/5～1/7即可达到同等张拉效果，显著降低了张拉设备及工艺要求，降低了施工难度。同时，可根据计算结果改变横张装置的数量，从而控制张拉量。

4.本发明系统在张拉过程中，牵引线可贯穿整列横张装置，牵引提升装置将牵引线本身拉力转化为牵引线卡扣对横张装置的压力，降低对预应力施加装置的要求，并且可对整列横张装置同时起到作用，使其同时工作，施工更为简洁。预应力施加装置位于加固柱底部，对操作空间要求较小，不影响整体结构使用，更容易布置。牵引张拉装置及底部预应力施加装置在使用后可以拆除，可重复使用且对原结构的使用不产生不利影响。

附图说明

图1显示了本发明一种嵌入式体外预应力实施系统的轴测图。

图2显示了本发明一种嵌入式体外预应力实施系统的俯视平面图。

图3显示了本发明中预应力横张装置的三维结构示意图。

图4显示了本发明中预应力横张装置张拉前收缩时的侧视图。

图5显示了本发明中预应力横张装置张拉后横向伸长时的侧视图。

图6显示了本发明中伸缩套筒组件的结构示意图。

图7显示了本发明中牵引线卡扣的结构示意图。

图8显示了本发明中牵引线卡扣的爆炸图。

图9显示了本发明中预应力施加装置的结构示意图。

图10显示了本发明的张拉后整体结构轴测图(方柱)。

图11显示了本发明的张拉后整体结构俯视平面(方柱)。

图12显示了本发明的张拉后整体结构轴测图(圆柱)。

图13显示了核心混凝土未受到的径向约束应力时的受力分析图。

图14显示了核心混凝土受到的径向约束应力时的受力分析图。

附图标记说明：

10-预应力横张装置；

11-底座；12-膨胀螺栓；13-转动轴；14-支撑板；15-锚固板；151-上锚固板；152-下锚固板；153-上套筒；154-下套筒；16-钢绞线固定环；17-Y型卡扣；18-上铰接轴；19-下铰接轴；

20-牵引线提升装置；21-U型环；22-L型支座；23-推进块；24-推进螺栓；25-牵引线；

30-预应力施加装置；

31-张拉支架；32-定滑轮；33-固定平台；34-滑动板；35-千斤顶；36-小型定滑轮；

40-钢绞线布设槽；50-预应力钢绞线；60-待加固钢筋混凝土柱；70-端部锚固装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如图1和图2所示，一种嵌入式体外预应力实施系统，包括钢绞线布设槽40、预应力钢绞线50、端部锚固装置70、预应力横张装置10、牵引线提升装置20和预应力施加装置30。

钢绞线布设槽为开设在待加固钢筋混凝土柱表面上的一条呈m圈螺旋上升的凹槽，m采用如下公式(2)进行计算：

式中，H为待加固钢筋混凝土柱的加固区高度；S为相邻两圈预应力钢绞线的截面中心间距；m也称为预应力钢绞线的圈数。

沿待加固钢筋混凝土柱的周向均匀开挖有n条竖直凹槽，本实施例中，优选n＝4。每条竖直凹槽均竖直布设，且与钢绞线布设槽具有m个交点；n条竖直凹槽，共计n*m个交点。

在每个交点处均布设一个预应力横张装置。

如图3、图4和图5所示，预应力横张装置包括底座11、钢绞线固定环16和横向张拉组件。

底座优选通过若干根膨胀螺栓12锚固在待加固钢筋混凝土柱60上。

横向张拉组件包括四块支撑板14和伸缩套筒组件。其中两块支撑板通过上铰接轴18相铰接形成上铰接板，另外两块支撑板通过下铰接轴19相铰接形成下铰接板。

上铰接板和下铰接板的一端均优选通过转动轴13与底座相铰接，另一端均优选通过转动轴13与钢绞线固定环相铰接。本实施例中，四块支撑板、底座和钢绞线固定环优选围合形成六边形结构。

伸缩套筒组件安装在上铰接轴和下铰接轴上，且能竖向伸缩。

如图6所示，伸缩套筒组件优选包括锚固板15、上套筒153、下套筒154和Y型卡扣17。

锚固板15优选包括上锚固板151和下锚固板152。

上套筒顶部嵌套在上铰接轴上，上套筒底部嵌套在上锚固板中。下套筒底部嵌套在下铰接轴上，上套筒顶部嵌套在下锚固板中。上锚固板为空心结构，能滑动套设在下锚固板外周。上锚固板和下锚固板外周均设置有锁合卡槽。

牵引线依次从上套筒和下套筒中穿过，当牵引线下拉，上锚固板沿下锚固板向下滑移，直至上锚固板和下锚固板的锁合卡槽相对位配合，通过Y型卡扣实现上锚固板和下锚固板的锁定。

如图7和图8所示，每个牵引线卡扣均优选包括U型环21、L型支座22、推进块23和推进螺栓24。

U型环和L型支座相互插接配合，如U型环端部优选设置有倒钩，L型支座上有倒L型孔洞，使用时，将U型环套在牵引线上，将U型环端部倒钩插入L型支座的倒L型孔洞中，下移L型支座使U型环固定。

推进块横向滑动设置在L型支座内，推进块能和U型环相拼合形成牵引线过孔。进一步，U型环内部及推进块端部有螺纹，可增大对牵引线间的摩擦力，夹紧牵引线。

推进螺栓螺接在L型支座内，用于推动推进块的横向滑动，从而控制牵引线过孔内牵引线的锁紧状态。具体优选设置为：L型支座上设有螺栓孔，底部翼缘中间有滑槽，推进块可在滑槽区间内滑动。工作时转动推进螺栓推动推进块，将牵引线夹紧。

钢绞线固定环能在横向张拉组件的横向伸缩带动下，实现横向伸缩。

预应力钢绞线布设在钢绞线布设槽中，且依次从每个预应力横张装置的钢绞线固定环中穿过。

端部锚固装置用于将预应力钢绞线的两端分别锚固在待加固钢筋混凝土柱上。

牵引线提升装置包括牵引线和m个牵引线卡扣。

m个牵引线卡扣分别位于同一竖直凹槽内m个预应力横张装置的正上方，且通过牵引线相连接，牵引线的底端与预应力施加装置相连接。

当预应力施加装置将牵引线向下牵拉时，m个牵引线卡扣将挤压m个预应力横张装置的横向张拉组件，从而使得m个横向张拉组件横向伸长，进而使得位于钢绞线固定环内的预应力钢绞线，实现横向张拉。

如图9所示，预应力施加装置优选包括张拉支架31、定滑轮32、固定平台33、滑动板34、千斤顶35和两个小型定滑轮36。

张拉支架安装在地面、基础或待加固钢筋混凝土柱底部。固定平台固定安装在张拉支架上，定滑轮转动安装在在张拉支架上。

滑动板横向滑动设置在张拉支架上，并能在千斤顶的驱动下，实现横向滑动。两个小型定滑轮分别安装在滑动板的上下部。

从竖直凹槽内引入的牵拉线，先经定滑轮导向，再经两个小型定滑轮后，底部末端安装在固定平台上。

当滑动板在千斤顶驱动下，横向滑动时，将使得牵引线向下张拉。

预应力钢绞线横向张拉后的预应力值f_p，按如下式进行计算：

式中，n_t为预应力横张装置的总数量，E_p为预应力钢绞线的弹性模量。L为钢绞线布设槽内预应力钢绞线的总长，ΔL为在单个预应力横张装置张拉后，预应力钢绞线的伸长量。

当待加固钢筋混凝土柱为圆柱时，伸长量ΔL采用如下公式(4)进行计算：

式中，l₁为预应力横张装置的竖直提升距离。a为待加固圆柱半径。

当待加固钢筋混凝土柱为方柱时，伸长量ΔL采用如下公式(5)进行计算：

式中，l₁为预应力横张装置的竖直提升距离。b为待加固方柱边长。

预应力横张装置的总数量n_t采用如下公式(1)进行计算：

n_t＝n·m (1)

其中，m为预应力钢绞线的圈数；n为竖直凹槽的条数。

一种采用嵌入式体外预应力实施系统加固RC柱施工方法，包括如下步骤。

步骤1、钢绞线布设槽及竖直凹槽的开挖。

根据工程经验，初步估计所需预应力钢绞线缠绕密度，并根据预应力钢绞线所需的缠绕密度，在待加固钢筋混凝土柱侧表层开一条呈m圈螺旋上升的沟槽，形成钢绞线布设槽。再沿待加固钢筋混凝土柱周向表层均匀开挖n条竖直凹槽。

当待加固钢筋混凝土柱为方柱时，用打磨机在四个角处打磨如图10所示的倒角。

步骤2、安装预应力横张装置。

步骤21、预应力钢绞线缠绕圈数m确认，具体确认方法，优选包括如下步骤。

步骤2A、设置预应力横张装置竖直提升距离的阈值l_1max：对预应力横张装置竖直提升距离l₁的允许最大值进行设置。

步骤2B、先计算加固钢筋混凝土柱所需的预应力f_p，再根据计算的预应力f_p确定每个预应力横张装置所需的竖直提升距离l₁。

步骤2C、确认预应力钢绞线缠绕圈数m：将步骤2B计算的竖直提升距离l₁与阈值l_1max进行比较，若l₁≤l_1max，则当前预应力钢绞线缠绕圈数m符合要求；若l₁＞l_1max，则需通过增加当前预应力钢绞线缠绕圈数m，使得l₁≤l_1max。

步骤22、将预应力横张装置安装在每条竖直凹槽与钢绞线布设槽之间的交点处。每个预应力横张装置的底座均优选采用膨胀螺栓12锚固在待加固钢筋混凝土柱上，且每个预应力横张装置的横向张拉组件均处于如图4所示的横向收缩状态。

横向收缩状态：牵引线松弛，上铰接板中的两块支撑板向上折叠，下铰接板中的两块支撑板向下折叠；伸缩套筒组件处于竖向伸长状态：上锚固板和下锚固板分离，钢绞线固定环与底座之间的水平横向间距最小。

步骤3、缠绕预应力钢绞线：将预应力钢绞线沿钢绞线布设槽螺旋铺设，且使预应力钢绞线从每个预应力横张装置的钢绞线固定环中穿过，预应力钢绞线绑紧在钢筋混凝土柱外侧壁面，预应力钢绞线的两端均通过端部锚固装置锚固在待加固钢筋混凝土柱上，并在锚固处用水泥砂浆填平凹槽进行浆锚。

步骤4、第1条竖直凹槽内所有预应力横张装置的横向伸长，具体包括如下步骤：

步骤41，预应力施加装置安装：将预应力施加装置安装在与第一条竖直凹槽相对应的地面、基础或待加固钢筋混凝土柱底部。

步骤42，牵引线提升装置安装。

将牵引线的一端安装在预应力施加装置上，具体安装方法为：从竖直凹槽内引入的牵拉线(也称牵引线的一端或牵引线的底端)，先经定滑轮导向，再经两个小型定滑轮后，底部末端安装在固定平台上。

牵引线的另一端从下至上依次穿过第一条竖直凹槽中所有预应力横张装置的伸缩套筒组件(优选均从上套筒和下套筒中穿过)。在第一条竖直凹槽中每个预应力横张装置正上方均布设一个牵引线卡扣，牵引线卡扣均卡合固定在牵引线上。

牵引线卡扣与牵引线之间为可拆卸连接，具体连接方式为：将U型环21的倒钩插入L型底座22的倒L型孔洞中，下滑L型支座22将其固定，将推进螺栓24拧入螺栓孔，转动推进螺栓24以推动推进块23夹紧牵引线。进一步，U型环内部及推进块端部有螺纹，可增大对牵引线间的摩擦力，夹紧牵引线。

步骤43，横向张拉：预应力施加装置对牵引线施加拉力，牵引线下拉，m个牵引线卡扣将挤压m个预应力横张装置的横向张拉组件，从而使得m个横向张拉组件横向伸长，进而使得位于钢绞线固定环内的预应力钢绞线，实现横向张拉。

预应力施加装置对牵引线施加拉力的过程优选为：如9所示，千斤顶外对滑动板施加预应力，滑动板沿着张拉支架中的滑槽向外侧滑移，套设在滑动板外周的牵引线也将向外侧牵引拉伸，进而使得竖向凹槽内的牵引线下拉张紧。

横向张拉组件的横向伸长状态：如图5所示，牵引线下拉张紧，上铰接板中的两块支撑板向两侧展开，下铰接板中的两块支撑板也向两侧展开；伸缩套筒组件处于竖向收缩状态：上锚固板滑动并完全套设在下锚固板外周，钢绞线固定环与底座之间的水平横向间距逐渐增大，从而使得位于钢绞线固定环内的预应力钢绞线，实现横向张拉。此时，预应力钢绞线横向张拉的位移量为ΔL，通过公式(4)和公式(5)，计算求出。

另外，通过控制千斤顶，使得伸缩套筒组件的竖向收缩量等于预应力横张装置的竖直提升距离l₁。

进一步，施加预应力时将施加预拉力改为施加预压力(m个牵引线卡扣将挤压m个预应力横张装置的横向张拉组件)，同时能够降低对预应力实施装置的要求，降低施工难度。

步骤44，横向张拉组件锁紧：当横向张拉组件横向伸长到位后，对横向张拉组件进行锁紧，限制横向伸缩。也即当上锚固板和下锚固板中的锁合卡槽竖向对位后，采用Y型卡扣17锁合在锁合卡槽中，并采用螺栓进行限位固定。

步骤45，牵引线提升装置和预应力施加装置拆卸：将位于第1条竖直凹槽内的m个牵引线卡扣从牵引线上拆除，接着将牵引线从第1条竖直凹槽内的所有伸缩套筒组件中拆除。然后，解除预应力施加装置的固定限位。

步骤5，重复步骤4，完成第2条竖直凹槽至第n条竖直凹槽内所有预应力横张装置的横向伸长。

步骤6、筋混凝土柱表面抹平：步骤5完成后，将步骤1开挖的所有钢绞线布设槽及竖直凹槽，均使用混凝土砂浆填充并抹平。

如图13所示，在正常使用状态下，预应力钢绞线对加固柱核心混凝土提供主动约束力，由于正常使用状态下柱受到外部荷载较小(即轴压力较小)，此外柱核心混凝土无横向向外膨胀趋势，故可以不考虑箍筋对混凝土的约束作用。另外，正常使用状态下柱中的纵向钢筋未达到屈服状态、混凝土也未达到峰值应力状态。此时，柱的核心混凝土仅受到预应力钢绞线提供的主动约束，即混凝土受到的径向约束应力值σ_rp可按下式计算：

式中，A_p为预应力钢绞线截面面积；f_p为预应力钢绞线张拉后所产生的拉应力值，按(3)式进行计算；d_cor为柱的核心部分的直径或边长；S为沿柱轴线方向相邻钢绞线之间的间距，取钢绞线截面中心到中心的距离。

由此可得，正常使用状态下预应力加固核心混凝土的压应力值f_cp为：

f_cp＝f_c0+βσ_rp (7)

式中，f_c0为正常使用状态下未加固柱核心混凝土的轴向压应力值；β为横向约束混凝土应力增大系数，一般大于1。

正常使用状态下，未加固混凝土柱在压力荷载N₀作用下平衡关系为：

N₀＝f_c0A_cor+σ_sA_s (8)

即：

采用钢绞线加固后，将(7)式带入，则有如下平衡关系：

N₀＝f_cpA_cor+σ_s'A_s＝f_c0A_cor+βσ_rpA_cor+σ_s'A_s (10)

即：

式中，A_cor为加固混凝土柱的核心截面面积；σ_s为未加固时正常使用状态下纵筋压应力值；σ_s'为加固后正常使用状态下纵筋压应力值；A_s为全部纵筋的截面面积；

由(9)、(11)式对比，显然σ_s'<σ_s。可知，采用预应力加固后，在相同外部荷载作用下柱中纵筋的受压应力值明显减小，表明结构安全性大大提高；也就是说，采用预应力加固后，当柱中纵筋和混凝土相应的应力值与未加固时保持相同状态下，柱能承受的外部荷载将大大增加。因此，采用预应力加固后，在预应力筋提供的主动约束下，结构在正常使用状态下的安全性明显提高。

如图14所示，在承载能力极限状态下，由于竖向荷载为极限荷载，因而钢筋混凝土柱中的钢筋及加固预应力钢绞线均能达到最大值(即均能达到屈服状态)，此时柱核心混凝土受到被动约束作用。柱中核心混凝土受到的径向约束应力值σ_r可按下式计算(受力平衡图参见附图14)：

式中，f_yp为预应力钢绞线抗拉强度设计值；f_yv为原结构箍筋抗拉强度设计值；A_sv为箍筋截面面积；S'为沿柱纵轴方向箍筋的间距。

此时核心混凝土轴心抗压强度f_cu为：

f_cu＝f_c+βσ_r (13)

则未采用预应力钢绞线加固时，混凝土柱极限承载力N_u为：

N_u＝f_cA_cor+f_yA_s (14)

加固后柱的极限承载力N_u'为：

N_u'＝f_cuA_cor+f_yA_s＝f_uA_cor+βσ_rA_cor+f_yA_s (15)

式中，f_c为未约束状态下核心混凝土轴心抗压强度；f_y为纵筋抗压强度。

由式(14)、(15)进行对比，显然N_u'>N_u。可知，加固后，核心混凝土约束性能得到提升，抗压强度明显提高，因此加固柱的极限承载力有明显提高。此外，由于加固柱核心混凝土受约束性能提高，因而柱的延性和抗震性能也会明显提高。

另外，本发明中预应力钢绞线采用横向张拉的方式，仅需提供纵向张拉时张拉力的1/5～1/7便能够达到预期的张拉效果，对张拉设备的要求有所降低。对张拉设备的要求有所降低；施加预应力时将施加预拉力转换为施加预压力，同时能够降低对预应力实施装置的要求；另外由于本发明采用嵌入式加固方法，加固后RC柱截面尺寸基本不增加，不影响原有设计及结构使用功能；预应力通过装置在一条完整的钢绞线上实施，能均匀分配预应力，保证结构整体性和约束作用的有效实施，提高结构在静、动力作用下的受力性能及安全性，避免结构在地震、疲劳及偶然荷载作用下发生破坏或倒塌；同时，本预应力实施系统拆卸方便、能重复使用，可以方便地更换预应力钢绞线，极大地延长结构柱服役年限和使用寿命。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种嵌入式体外预应力实施系统，其特征在于：包括钢绞线布设槽、预应力钢绞线、端部锚固装置、预应力横张装置、牵引线提升装置和预应力施加装置；

钢绞线布设槽为开设在待加固钢筋混凝土柱表面上的一条呈m圈螺旋上升的凹槽；沿待加固钢筋混凝土柱的周向均匀开挖有n条竖直凹槽；每条竖直凹槽均竖直布设，且与钢绞线布设槽具有m个交点；

在每个交点处均布设一个所述预应力横张装置，预应力横张装置包括底座、钢绞线固定环和横向张拉组件；底座锚固在待加固钢筋混凝土柱上；钢绞线固定环能在横向张拉组件的横向伸缩带动下，实现横向伸缩；

横向张拉组件包括四块支撑板和伸缩套筒组件；其中两块支撑板通过上铰接轴相铰接形成上铰接板，另外两块支撑板通过下铰接轴相铰接形成下铰接板；上铰接板和下铰接板的一端均与底座相铰接，另一端均与钢绞线固定环相铰接；伸缩套筒组件安装在上铰接轴和下铰接轴上，且能竖向伸缩；

预应力钢绞线布设在钢绞线布设槽中，且依次从每个预应力横张装置的钢绞线固定环中穿过；端部锚固装置用于将预应力钢绞线的两端分别锚固在待加固钢筋混凝土柱上；

牵引线提升装置包括牵引线和m个牵引线卡扣；m个牵引线卡扣分别位于同一竖直凹槽内m个预应力横张装置的正上方，且通过牵引线相连接，牵引线的底端与预应力施加装置相连接；每个牵引线卡扣均包括U型环、L型支座、推进块和推进螺栓；U型环和L型支座相互插接配合，推进块横向滑动设置在L型支座内，推进块能和U型环相拼合形成牵引线过孔；推进螺栓螺接在L型支座内，用于推动推进块的横向滑动，从而控制牵引线过孔内牵引线的锁紧状态；

预应力施加装置包括张拉支架、定滑轮、固定平台、滑动板、千斤顶和两个小型定滑轮；张拉支架安装在地面、基础或待加固钢筋混凝土柱底部；固定平台固定安装在张拉支架上，定滑轮转动安装在在张拉支架上；滑动板横向滑动设置在张拉支架上，并能在千斤顶的驱动下，实现横向滑动；两个小型定滑轮分别安装在滑动板的上下部；从竖直凹槽内引入的牵拉线，先经定滑轮导向，再经两个小型定滑轮后，底部末端安装在固定平台上；当滑动板在千斤顶驱动下，横向滑动时，将使得牵引线向下张拉；

当预应力施加装置将牵引线向下牵拉时，m个牵引线卡扣将挤压m个预应力横张装置的横向张拉组件，从而使得m个横向张拉组件横向伸长，进而使得位于钢绞线固定环内的预应力钢绞线，实现横向张拉。

2.根据权利要求1所述的嵌入式体外预应力实施系统，其特征在于：伸缩套筒组件包括上套筒、下套筒、上锚固板、下锚固板和Y型卡扣；上套筒顶部嵌套在上铰接轴上，上套筒底部嵌套在上锚固板中；下套筒底部嵌套在下铰接轴上，上套筒顶部嵌套在下锚固板中；上锚固板为空心结构，能滑动套设在下锚固板外周；上锚固板和下锚固板外周均设置有锁合卡槽；牵引线依次从上套筒和下套筒中穿过，当牵引线下拉，上锚固板沿下锚固板向下滑移，直至上锚固板和下锚固板的锁合卡槽相对位配合，通过Y型卡扣实现上锚固板和下锚固板的锁定。

3.根据权利要求1所述的嵌入式体外预应力实施系统，其特征在于：预应力钢绞线横向张拉后的预应力值f_p，按如下式进行计算：

式中，n_t为预应力横张装置的总数量，E_p为预应力钢绞线的弹性模量；L为钢绞线布设槽内预应力钢绞线的总长，ΔL为在单个预应力横张装置张拉后，预应力钢绞线的伸长量。

4.根据权利要求3所述的嵌入式体外预应力实施系统，其特征在于：当待加固钢筋混凝土柱为圆柱时，伸长量ΔL采用如下公式(4)进行计算：

式中，l₁为预应力横张装置的竖直提升距离；a为待加固圆柱半径；

当待加固钢筋混凝土柱为方柱时，伸长量ΔL采用如下公式(5)进行计算：

式中，l₁为预应力横张装置的竖直提升距离；b为待加固方柱边长。

5.根据权利要求3所述的嵌入式体外预应力实施系统，其特征在于：预应力横张装置的总数量n_t采用如下公式(1)进行计算：

n_t＝n·m (1)

其中，

式中，H为待加固钢筋混凝土柱的加固区高度；S为相邻两圈预应力钢绞线的截面中心间距；m为预应力钢绞线的圈数；n为竖直凹槽的条数。

6.一种采用嵌入式体外预应力实施系统加固RC柱施工方法，基于权利要求1-5任一项所述的嵌入式体外预应力实施系统，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、钢绞线布设槽及竖直凹槽的开挖：初步估计预应力钢绞线所需的缠绕密度，在待加固钢筋混凝土柱侧表层开一条呈m圈螺旋上升的沟槽，形成钢绞线布设槽；再沿待加固钢筋混凝土柱周向表层均匀开挖n条竖直凹槽；

步骤2、安装预应力横张装置：将预应力横张装置安装在每条竖直凹槽与钢绞线布设槽之间的交点处；每个预应力横张装置的底座均锚固在待加固钢筋混凝土柱上，且每个预应力横张装置的横向张拉组件均处于横向收缩状态；

步骤3、缠绕预应力钢绞线：将预应力钢绞线沿钢绞线布设槽螺旋铺设，且使预应力钢绞线从每个预应力横张装置的钢绞线固定环中穿过，预应力钢绞线的两端均通过端部锚固装置锚固在待加固钢筋混凝土柱上，并在锚固处用水泥砂浆进行浆锚；

步骤4、第1条竖直凹槽内所有预应力横张装置的横向伸长，具体包括如下步骤：

步骤41，预应力施加装置安装：将预应力施加装置安装在与第一条竖直凹槽相对应的地面、基础或待加固钢筋混凝土柱底部；

步骤42，牵引线提升装置安装：将牵引线的一端安装在预应力施加装置上，牵引线的另一端从下至上依次穿过第一条竖直凹槽中所有预应力横张装置的伸缩套筒组件；在第一条竖直凹槽中每个预应力横张装置正上方均布设一个牵引线卡扣，牵引线卡扣均卡合在牵引线上；

步骤43，横向张拉：预应力施加装置对牵引线施加拉力，牵引线下拉，m个牵引线卡扣将挤压m个预应力横张装置的横向张拉组件，从而使得m个横向张拉组件横向伸长，进而使得位于钢绞线固定环内的预应力钢绞线，实现横向张拉；

步骤44，横向张拉组件锁紧：当横向张拉组件横向伸长到位后，对横向张拉组件进行锁紧，限制横向伸缩；

步骤45，牵引线提升装置和预应力施加装置拆卸：将位于第1条竖直凹槽内的m个牵引线卡扣从牵引线上拆除，接着将牵引线从第1条竖直凹槽内的所有伸缩套筒组件中拆除；然后，解除预应力施加装置的固定限位；

步骤5，重复步骤4，完成第2条竖直凹槽至第n条竖直凹槽内所有预应力横张装置的横向伸长；

步骤6、筋混凝土柱表面抹平：步骤5完成后，将步骤1开挖的所有钢绞线布设槽及竖直凹槽，均使用混凝土砂浆填充并抹平。

7.根据权利要求6所述的采用嵌入式体外预应力实施系统加固RC柱施工方法，其特征在于：步骤2中，在预应力横张装置安装之前，还包括预应力钢绞线缠绕圈数m确认步骤；预应力钢绞线缠绕圈数m的确认方法，包括如下步骤：

步骤2A、设置预应力横张装置竖直提升距离的阈值l_1max：对预应力横张装置竖直提升距离l₁的允许最大值进行设置；

步骤2B、先计算加固钢筋混凝土柱所需的预应力f_p，再根据计算的预应力f_p确定每个预应力横张装置所需的竖直提升距离l₁；

步骤2C、确认预应力钢绞线缠绕圈数m：将步骤2B计算的竖直提升距离l₁与阈值l_1max进行比较，若l₁≤l_1max，则当前预应力钢绞线缠绕圈数m符合要求；若l₁＞l_1max，则需通过增加当前预应力钢绞线缠绕圈数m，使得l₁≤l_1max。

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