CN112360179A - 一种预应力frp片材加固钢筋混凝土梁的施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种预应力FRP片材加固钢筋混凝土梁的施工方法，属于结构工程和桥梁工程施工技术领域。在制作平台上，展开FRP纤维布并利用重物使其有一定的张力，多层FRP纤维布的中部粘贴在一起，从而实现FRP片材的制备，随后利用张拉装置完成对FRP片材的张拉，用锚固部件将FRP片材锚固在钢筋混凝土梁需要加固的部位。本装置结构简单，便于组装制造，使用方便，通过扳手即可实现对FRP片材的张拉，便于在室内外施工。同时该方法施工简单、成本低廉，可用于桥梁和民用建筑，粘贴后的FRP板端部不易脱粘。
Description
技术领域
本发明涉及一种预应力FRP片材加固钢筋混凝土梁的施工方法，属于结构工程和桥梁工程施工技术领域。
背景技术
纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,简称为FRP)以其轻质高强、耐腐蚀等优势被越来越多的应用到土木工程当中，其中比较具有代表性的应用有FRP加固钢筋混凝土梁。FRP加固梁技术与传统的钢板加固技术相比具有材料便于运输，施工方便和全寿命成本低等优点，但是FRP加固梁技术也存在一些缺点，比如FRP利用率低和FRP相对于钢筋和混凝土来说存在应力滞后等问题。因此，后来有学者提出预应力FRP加固钢筋混凝土梁的构想，通过实验发现预应力FRP加固技术与非预应力FRP加固技术相比具有减小结构既有裂缝宽度、挠度，提高开裂荷载、屈服荷载和极限荷载等优点，同时由于FRP被预张拉，FRP的利用率也有相应的提高。
相较与无粘结技术中对锚具要求较高，有粘结的预应力FRP技术在加固工程中应用较多。有粘结的预应力FRP的粘贴形式有外贴式和表层嵌贴式，后者将FRP筋或板条用粘结剂嵌入预先开出的混凝土槽中，通过扩大FRP与混凝土的粘结面积来提高二者的粘结能力，从而缓解剥离破坏，但因需在结构或构件上大量开槽，增加了工作量，施工噪音和空气污染对工人健康有害。目前的外贴式所用的FRP板较窄，宽度不超过150mm，且需安装端部较大尺寸的锚具，需在混凝土上开槽。科学研究和工程中，一直缺少能避免端部剥离、端部锚固形式简单、操作简单的预应力FRP宽板加固钢筋混凝土梁的施工方法，所以预应力FRP技术一直没能得到广泛的运用和推广。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种预应力FRP片材加固钢筋混凝土梁的施工方法，施工用的张拉装置主要包括一个钢梁、两个活动框架部、两个分别设置在钢梁端部的固定部；钢梁垂直穿过活动框架；每个固定部包括两个相同的矩形固定板和连接这两个固定板的四个固定板螺栓，螺栓孔开设在固定板的四个角处，固定板靠近钢梁端面，侧面的长边与钢梁端面平齐，两个短边对称地伸向钢梁两侧，紧贴钢梁的固定板与钢梁的底面焊接，一段张拉带的端部夹持在两个固定板间，张拉带的伸出端位于活动框架部一侧；两个活动框架部到各自所靠近的钢梁端面的距离相等，每个活动框架部主要包括一个活动框架、两个导向管、及两个连接相应的导向管与钢梁腹板侧面的两个导向板；每个活动框架由滚轴、两个穿过相应导向管的竖杆、横梁、顶推螺杆、顶推螺母组成；横梁中部开设有一个圆孔，顶推螺杆从该圆孔穿过，底端焊接在钢梁顶面；导向管外侧面开设有上下两个带内螺纹的圆孔，安装有配套的定位螺栓；竖杆的上端对称地焊接在横梁底面，下端靠近端部开设有圆孔，滚轴的端部插入相应侧竖杆的圆孔；顶推螺杆上有与其配套的顶推螺母，顶推螺母紧贴横梁的顶面；所述的钢梁的长度是根据欲加固的钢筋混凝土梁的加固区域内的粘贴区域长度确定的，确保两个活动框架间的距离大于粘贴区域的长度和两个锚固段的长度之和，两个竖杆间的距离大于粘贴区域的宽度；制作FRP片材所用的制作台支撑在地面上，台面水平，宽度大于欲制作的FRP片材的宽度，制作台两端的台面与端面间有圆形折角，台面水平部分长度大于加固区域内的粘贴区域长度和两个锚固段的长度之和；进行钢筋混凝土梁加固时的施工方法主要包括以下步骤：
步骤1、根据欲粘贴FRP纤维布的层数，裁剪相应条数的FRP纤维布，使FRP纤维布的长度大于加固区域内的粘贴区域长度，与两个锚固段长度和两端连接张拉带所需最小长度之和，宽度等于粘贴区域的宽度；
步骤2、取一片FRP纤维布，对称地放置在制作台上，两端下垂；FRP纤维布的每一端用磁铁对夹持，使FRP纤维布的布面平展；
步骤3、在制作台上的FRP纤维布上均匀刷涂环氧树脂胶，涂抹范围的长度为设计的粘贴区域的长度和两个锚固段的长度之和；再取一片FRP纤维布，对称地压在前一片纤维布上，两端下垂；上层的FRP纤维布的每一端也用磁铁对夹持，使FRP纤维布的布面平展；用力抹压粘贴范围，使粘贴紧密；
步骤4、重复步骤3，使粘贴的FRP纤维布的层数达到要求；在室温下养护至少7天，得到FRP片材；该FRP片材的中部为各层FRP纤维布的结合段，两端仍为FRP纤维布，作为随后施工中与张拉带的连接段；
步骤5、在FRP片材的中部，及结合段的一端设计的相邻的多个锚固板对应位置间粘贴应变片；将FRP片材的一端从滚轴的外侧拉向钢梁的另一端，两端的FRP纤维布采用连接板和连接螺栓，分别与张拉装置的张拉带叠置连接；旋松所有的定位螺栓，同步旋转两个顶推螺母，使横梁靠近钢梁，FRP片材内产生张力；滚轴随着FRP片材的张拉自由转动，通过测量应变片读数，使FRP片材中的张力达到设计值F，旋紧定位螺栓；
步骤6、翻转钢筋混凝土梁，使其底面朝上；
步骤7、将粘贴区域凿毛、清理干净；在钢筋混凝土梁的两端、粘贴区域外钻锚固孔；每端的锚固孔分三组，每组四个，第一组紧贴粘贴区域纵边线；锚固孔中注入化学胶液，安装带螺纹的锚钉，锚钉外露长度不小于20mm；8小时后，在所述的钢筋混凝土梁的粘贴区域均匀涂抹一层环氧树脂胶；
步骤8、使张拉装置携带FRP片材靠近粘贴区域，粘贴FRP片材；在两端，分别将一个四角有孔的矩形锚固板与内侧的相应的锚钉连接，并旋紧相应的螺母；同步旋松顶推螺母，使中间一个应变计测得的张拉力为F的三分之二，在两端，分别将一个锚固板与中间一组锚钉连接，并旋紧相应的螺母；同步旋松顶推螺母，使最外侧一个应变计测得的张拉力为F的三分之一，在两端，分别将一个锚固板与相应的锚钉连接，并旋紧相应的螺母；同步彻底旋松顶推螺母，距离外侧锚固板5cm处剪断FRP片材，撤除张拉装置；
步骤9、翻转钢筋混凝土梁，使其底面再次朝下，完成加固。
优选地，所述的施工方法中的步骤6和步骤9可省略，对应地，所述的张拉装置上下翻转，滚轴侧朝上。
优选地，所述的固定板螺栓、定位螺栓及连接螺栓均采用12.9级的高强螺栓。
优选地，所述的锚固板及固定板上圆孔到其所在板边缘的最小距离为20mm。
优选地，所述的钢梁为工字型钢梁,所述的导向管为矩形钢管，所述竖杆为矩形钢管，所述的横梁为矩形钢管。
优选地，所述的加固区域内可横向设置多个不重叠的粘贴区域。
优选地，两个活动框架部完全相同。
优选地，所述的FRP纤维布为碳纤维复合材料CFRP、玻璃纤维复合材料GFRP、芳纶纤维复合材料AFRP或玄武岩纤维复合材料BFRP中的一种。
优选地，所述的叠置连接为FRP片材的端部及张拉带的端部，分别缠绕在一个连接板上至少一周，这两块连接板叠置，FRP纤维布紧贴张拉带，在两块连接板外侧各增加一个连接板，安装并拧紧连接螺栓。
优选地，所述的制作台的台面粗糙。
本发明有益效果是：(1)该方法通过简单的操作可利用FRP布制作较宽的FRP片材，FRP片材中间部分为结合段，其中的多层FRP布已结合并固化为整体，两端仍为FRP布，随后利用设计的张拉装置简单有效的实现对FRP片材的张拉，并且把张拉过的FRP片材的中部施加到钢筋混凝土梁需要加固的部位，剪除端部FRP片材后，实现FRP板对钢筋混凝土梁的加固，实现了制作的FRP片材的形式与张拉装置的有机配合；(2)FRP板的端部采用多道锚固，且锚固组间FRP板中的张力依次均匀变化，使各锚固组承担的FRP板的张力差相近，多个锚固组均摊FRP板中的张力，提高了锚固安全性，同时可避免FRP板在端部与混凝土梁的剥离；(3)通过翻转混凝土梁，在跨中受压的情况下粘贴预应力FRP板对梁施加预应力，翻转后预应力得到进一步提高；(4)本张拉装置结构简单，便于组装制造，使用方便，通过扳手即可实现对FRP板的张拉，降低能量消耗，便于在室内外施工，且便于调整张拉力；(5)该方法施工简单、成本低廉，可以比较容易的完成预应力FRP板对钢筋混凝土梁的加固操作，省去了夹具锚具，可用于桥梁和民用建筑。
本发明可用于预应力混凝土板的FRP板加固，也可用于对箱梁腹板的竖向及斜向加固。
附图说明
图1本发明中的张拉装置的正面示意图；
图2本发明中的张拉装置的左侧面示意图；
图3FRP片材制作台示意图；
图4在制作台上放置第一片FRP纤维布的示意图；
图5粘贴第二片FRP纤维布的示意图；
图6粘贴第三片FRP纤维布的示意图；
图7张拉后安装第一道锚固组的示意图；
图8施加第二道锚固组的示意图；
图9施加第三道锚固组的示意图；
图10张拉带与FRP纤维布连接的局部A的放大示意图；
图11加固后的钢筋混凝土梁的示意图；
图12FRP纤维布上各区域分布的示意图。
图中：1-FRP纤维布,2-左锚固板,2a-右锚固板,3-左锚固板锚钉,3a-右锚固板锚钉,4-顶推螺杆,5-顶推螺母,6-竖杆,7-固定板,8-固定板螺栓,9-滚轴,10-定位螺栓,11-导向管,12-钢梁,13-导向板,14-钢筋混凝土梁,15-横梁,16-张拉带,17-制作台,18-左端头纤维布,18a-右端头纤维布,19-FRP板,20-磁铁对,21-连接板,22-连接螺栓,23-第一应变片,24-第二应变片,25-第三应变片。
具体实施方式
实施例1
本例中，钢筋混凝土梁长6m，梁宽30公分。如图1和2所示，预应力FRP片材加固钢筋混凝土梁的装置主要包括钢梁12、由固定板7和固定板螺栓8组成的左右两个固定部、两个活动框架部组成。钢梁12采用22B型工字钢，长8m；固定板7由两块厚度为12mm的260mm×200mm的矩形钢板组成，其中靠近钢梁12的钢板与钢梁12端部的底面焊接。钢板靠外侧的长边与钢梁12端面对齐，另外两边对称伸出钢梁12两侧，固定板7的四角处各开设有一个直径12mm的圆孔。一段张拉带16的端部夹持在两个固定板7之间，张拉带16的伸出端位于活动框架部一侧。张拉带16的材质为凯夫拉。固定板螺栓8采用12.9级的高强螺栓。
每个活动框架部包括活动框架、导向管11、及两个连接相应的导向管11与钢梁12腹板侧面的导向板13；活动框架由滚轴9、两个穿过相应导向管11的竖杆6、横梁15、顶推螺杆4、顶推螺母5组成；横梁15为边长160mm的正方形钢管，中部开设有一个直径28mm的圆孔。顶推螺杆4直径为24mm，从相应横梁15上的圆孔穿过，底端焊接在钢梁12顶面。竖杆6为边长为100mm的正方形钢管，与横梁15焊接。导向管11为边长为120mm的正方形钢管，外侧面开设有上下两个带内螺纹的圆孔，安装有配套的公称直径为12mm的定位螺栓10，定位螺栓10为12.9级的高强螺栓。竖杆6的上端对称地焊接在横梁15底面，下端靠近端部开设有圆孔，滚轴9的端部插入该圆孔。两活动框架间的距离为5.2m，每个活动框架的两个竖杆6间的净距为30公分。钢梁12垂直穿过活动框架。两个活动框架部到各自所靠近的钢梁12端面的距离相等。
制作FRP片材所用的制作台17支撑在地面上，台面水平，宽度50公分，制作台17两端的台面与端面间有圆形折角，台面水平部分长度5.0米，台面粗糙，参见图3。
进行钢筋混凝土梁14加固时的施工方法主要包括以下步骤：
步骤1、加固设计方案确定粘贴3层碳纤维布，裁剪3条FRP纤维布1，FRP纤维布1长度为7米，宽度为28公分；
步骤2、取一片FRP纤维布1，对中地放置在制作台17上，两端下垂；FRP纤维布1的每一端用磁铁对20夹持，使FRP纤维布1的布面平展，参见图4；
步骤3、在制作台17上的FRP纤维布1上均匀刷涂环氧树脂胶，涂抹范围为台面水平部分5.0米；再取一片FRP纤维布1，对称地压在前一片FRP纤维布1上，两端下垂；上层的FRP纤维布1的每一端也用磁铁对20夹持，使FRP纤维布1的布面平展，参见图5；用力抹压粘贴范围，使粘贴紧密；
步骤4、重复步骤3，使粘贴的FRP纤维布1的层数达到3层，参见图6；在室温下养护至少7天，得到FRP片材；该FRP片材的中部为各层FRP纤维布1的结合段，两端仍为FRP纤维布1，作为随后施工中与张拉带16的连接段；
步骤5、图12为FRP纤维布1上各区域分布的示意图，中间阴影区段对应钢筋混凝土梁14加固时的粘结区域，长度4.0米；虚线框内的范围为施工时底面的加固范围，长度为5.1米，对应最终FRP板19对应的范围。中间阴影区段外侧的虚线框内的范围为为锚固段，内显示有3个锚固组对应的区域。在FRP片材中部粘贴第一应变片23，在左端的锚固组间粘贴第二应变片24和第三应变片25；将FRP片材的一端从滚轴9的外侧拉向钢梁12的另一端，两端的FRP纤维布1采用连接板21和连接螺栓22，分别与张拉装置的张拉带16连接，连接螺栓22为12.9级的高强螺栓；具体为左端头纤维布18和右端头纤维布18a、两端的张拉带16的端部，分别如图10缠绕在一个连接板21上一周。随后每端的前述两块连接板21叠置，在两块连接板21外侧各增加一个连接板21，安装并拧紧连接螺栓22。旋松所有的定位螺栓10，两个活动框架下落，FRP片材张紧。同步旋转两个顶推螺母5，使横梁15靠近钢梁12，FRP片材内产生张力；滚轴9随着FRP片材的张拉自由转动，通过测量应变片读数，使FRP片材中的张力达到设计值F，旋紧定位螺栓10；
步骤6、翻转钢筋混凝土梁14，使其底面朝上；
步骤7、钢筋混凝土梁14只有一个粘贴区域，长4m,对称地位于钢筋混凝土梁14的底面。将粘贴区域凿毛、清理干净；在钢筋混凝土梁14的两端、粘贴区域外，紧贴粘贴区域纵边线各钻3组孔，每组四个，对称地分居在粘贴区域两侧；设计的左锚固板2和右锚固板2a的宽度为10公分，两端的相邻锚固板间的净距为10公分。向孔中注入化学胶液，安装带螺纹的左锚固板锚钉3及右锚固板锚钉锚钉3a，锚钉外露长度30mm，外径12mm；将粘贴区域预先处理、凿毛、清理干净，随后均匀涂抹一层环氧树脂胶；
步骤8、使张拉装置携带FRP片材靠近粘贴区域，粘贴FRP片材；在两端，分别将内侧锚固组的四角有孔的矩形锚固板与相应的锚钉连接，并旋紧相应的螺母；随后，同步旋松顶推螺母5，使第二应变片24和第三应变片25测得的张拉力为F的三分之二，在两端，分别将中间锚固组的锚固板与对应锚钉连接，并旋紧相应的螺母；同步旋松顶推螺母5，使第三应变片25测得的张拉力为F的三分之一，在两端，分别将剩余的锚固板与相应的锚钉连接，并旋紧相应的螺母；同步彻底旋松顶推螺母5，距离外侧锚固板5cm处剪断FRP片材，撤除张拉装置；
步骤9、再次翻转钢筋混凝土梁14，使其底面朝下，完成了加固工作。
Claims (10)
1.一种预应力FRP片材加固钢筋混凝土梁的施工方法，其特征为：施工用的张拉装置主要包括一个钢梁、两个活动框架部、两个分别设置在钢梁端部的固定部；钢梁垂直穿过活动框架；每个固定部包括两个相同的矩形固定板和连接这两个固定板的四个固定板螺栓，螺栓孔开设在固定板的四个角处，固定板靠近钢梁端面，侧面的长边与钢梁端面平齐，两个短边对称地伸向钢梁两侧，紧贴钢梁的固定板与钢梁的底面焊接，一段张拉带的端部夹持在两个固定板间，张拉带的伸出端位于活动框架部一侧；两个活动框架部到各自所靠近的钢梁端面的距离相等，每个活动框架部主要包括一个活动框架、两个导向管、及两个连接相应的导向管与钢梁腹板侧面的两个导向板；每个活动框架由滚轴、两个穿过相应导向管的竖杆、横梁、顶推螺杆、顶推螺母组成；横梁中部开设有一个圆孔，顶推螺杆从该圆孔穿过，底端焊接在钢梁顶面；导向管外侧面开设有上下两个带内螺纹的圆孔，安装有配套的定位螺栓；竖杆的上端对称地焊接在横梁底面，下端靠近端部开设有圆孔，滚轴的端部插入相应侧竖杆的圆孔；顶推螺杆上有与其配套的顶推螺母，顶推螺母紧贴横梁的顶面；所述的钢梁的长度是根据欲加固的钢筋混凝土梁的加固区域内的粘贴区域长度确定的，确保两个活动框架间的距离大于粘贴区域的长度和两个锚固段的长度之和，两个竖杆间的距离大于粘贴区域的宽度；
制作FRP片材所用的制作台支撑在地面上，台面水平，宽度大于欲制作的FRP片材的宽度，制作台两端的台面与端面间有圆形折角，台面水平部分长度大于加固区域内的粘贴区域长度和两个锚固段的长度之和；
进行钢筋混凝土梁加固时的施工方法主要包括以下步骤：
步骤1、根据欲粘贴FRP纤维布的层数，裁剪相应条数的FRP纤维布，使FRP纤维布的长度大于加固区域内的粘贴区域长度，与两个锚固段长度和两端连接张拉带所需最小长度之和，宽度等于粘贴区域的宽度；
步骤2、取一片FRP纤维布，对称地放置在制作台上，两端下垂；FRP纤维布的每一端用磁铁对夹持，使FRP纤维布的布面平展；
步骤3、在制作台上的FRP纤维布上均匀刷涂环氧树脂胶，涂抹范围的长度为设计的粘贴区域的长度和两个锚固段的长度之和；再取一片FRP纤维布，对称地压在前一片纤维布上，两端下垂；上层的FRP纤维布的每一端也用磁铁对夹持，使FRP纤维布的布面平展；用力抹压粘贴范围，使粘贴紧密；
步骤4、重复步骤3，使粘贴的FRP纤维布的层数达到要求；在室温下养护至少7天，得到FRP片材；该FRP片材的中部为各层FRP纤维布的结合段，两端仍为FRP纤维布，作为随后施工中与张拉带的连接段；
步骤5、在FRP片材的中部，及结合段的一端设计的相邻的多个锚固板对应位置间粘贴应变片；将FRP片材的一端从滚轴的外侧拉向钢梁的另一端，两端的FRP纤维布采用连接板和连接螺栓，分别与张拉装置的张拉带叠置连接；旋松所有的定位螺栓，同步旋转两个顶推螺母，使横梁靠近钢梁，FRP片材内产生张力；滚轴随着FRP片材的张拉自由转动，通过测量应变片读数，使FRP片材中的张力达到设计值F，旋紧定位螺栓；
步骤6、翻转钢筋混凝土梁，使其底面朝上；
步骤7、将粘贴区域凿毛、清理干净；在钢筋混凝土梁的两端、粘贴区域外钻锚固孔；每端的锚固孔分三组，每组四个，第一组紧贴粘贴区域纵边线；锚固孔中注入化学胶液，安装带螺纹的锚钉，锚钉外露长度不小于20mm；8小时后，在所述的钢筋混凝土梁的粘贴区域均匀涂抹一层环氧树脂胶；
步骤8、使张拉装置携带FRP片材靠近粘贴区域，粘贴FRP片材；在两端，分别将一个四角有孔的矩形锚固板与内侧的相应的锚钉连接，并旋紧相应的螺母；同步旋松顶推螺母，使中间一个应变计测得的张拉力为F的三分之二，在两端，分别将一个锚固板与中间一组锚钉连接，并旋紧相应的螺母；同步旋松顶推螺母，使最外侧一个应变计测得的张拉力为F的三分之一，在两端，分别将一个锚固板与相应的锚钉连接，并旋紧相应的螺母；同步彻底旋松顶推螺母，距离外侧锚固板5cm处剪断FRP片材，撤除张拉装置；
步骤9、翻转钢筋混凝土梁，使其底面再次朝下，完成加固。
2.根据权利要求1所述的预应力FRP片材加固钢筋混凝土梁的施工方法，其特征在于：所述的施工方法中的步骤6和步骤9可省略，对应地，所述的张拉装置上下翻转，滚轴侧朝上。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的预应力FRP片材加固钢筋混凝土梁的施工方法，其特征在于：所述的固定板螺栓、定位螺栓及连接螺栓均采用12.9级的高强螺栓。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的预应力FRP片材加固钢筋混凝土梁的施工方法，其特征在于：所述的锚固板及固定板上圆孔到其所在板边缘的最小距离为20mm。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的预应力FRP片材加固钢筋混凝土梁的施工方法，其特征在于：所述的钢梁为工字型钢梁,所述的导向管为矩形钢管，所述竖杆为矩形钢管，所述的横梁为矩形钢管。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的预应力FRP片材加固钢筋混凝土梁的施工方法，其特征在于：所述的加固区域内可横向设置多个不重叠的粘贴区域。
7.根据权利要求1或权利要求2所述的预应力FRP片材加固钢筋混凝土梁的施工方法，其特征在于：两个活动框架部完全相同。
8.根据权利要求1或权利要求2所述的预应力FRP片材加固钢筋混凝土梁的施工方法，其特征在于：所述的FRP纤维布为碳纤维复合材料CFRP、玻璃纤维复合材料GFRP、芳纶纤维复合材料AFRP或玄武岩纤维复合材料BFRP中的一种。
9.根据权利要求1或权利要求2所述的预应力FRP片材加固钢筋混凝土梁的施工方法，其特征在于：所述的叠置连接为FRP片材的端部及张拉带的端部，分别缠绕在一个连接板上至少一周，这两块连接板叠置，FRP纤维布紧贴张拉带，在两块连接板外侧各增加一个连接板，安装并拧紧连接螺栓。
10.根据权利要求1或权利要求2所述的预应力FRP片材加固钢筋混凝土梁的施工方法，其特征在于：所述的制作台的台面粗糙。
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