CN112554058B - 预应力锚具、锚固组件及锚固施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了预应力锚具、锚固组件及锚固施工方法，该预应力锚具包括本体，所述本体上设有填充凹槽，所述填充凹槽设有开口，且所述填充凹槽包括槽深不同的两个区域。预应力锚固组件则包括前述的预应力锚具，还包括将所述预应力锚具固定的固定结构、以及提供张拉作用的张拉机构。对碳纤维筋材先进行预应力张拉，再通过工作锚将碳纤维筋材顶紧至贴合结构面，此时由于工作锚内的填充凹槽设置为多维楔形的结构，当固化粘接剂固化成型后，固化粘接剂与工作锚之间会形成多方向上的楔形自锁结构，从而碳纤维筋材与结构面之间不仅仅依靠有粘接作用力，而且对于侧向剪力也具有较强的承受能力，极大的提高了整体结构的稳定性和耐久性。

Description

预应力锚具、锚固组件及锚固施工方法

技术领域

本发明涉及预应力结构加固施工技术领域，尤其涉及预应力锚具、锚固组件及锚固施工方法。

背景技术

目前，在桥梁和建筑混凝土结构加固工程中，常用的预应力碳纤维锚具主要利用上下组合楔形夹片夹持碳纤维筋材，该结构具有自锁和均匀夹持功能，通过两端顶推反力架对碳纤维筋材施加张拉应力和实现长期锚固。这种预应力碳纤维楔形锚具，主要包括用于一次性对碳纤维筋材施加张拉应力的工具锚和承担永久性锚固的工作锚两个功能锚固组件构成，即楔形夹片锚既为工作锚，两端的顶推反力架和施力装置为工具锚，虽然功能齐全，但是制造工艺复杂且成本高，性价比较低。

常规的预应力碳纤维楔形锚具，其施力装置一般采用张拉螺杆牵引式对碳纤维筋材施加应力，由于两端顶推反力架和锚具所占空间尺寸较大，所以，无法满足狭窄空间的安装使用。而如果采用顶推反力架顶推式对碳纤维筋材施加应力时，虽然，楔形锚具可以实现距离结构边缘的最小距离尺寸要求，但是，如果要满足永久性锚固的功能，仍然需要依靠特殊设计的支架和锚固于结构内的螺栓才能满足要求，因此普遍意义不强，不利于推广。

美国“辛普森”公司发明了一种分解式顶推预应力碳纤维张拉锚固系统，采用圆弧偏心转动机械夹持技术的工具锚，千斤顶及顶推反力架安装于永久性工作平板锚上，利用工作平板锚的锚固螺栓承载受力，顶推工具锚对碳纤维筋材施加预应力，满足张垃控制应力要求后，旋紧锚固螺栓对平板锚施加压紧力，利用碳纤维筋材双面涂抹的环氧结构胶固化后，与混凝土和平板锚之间产生的粘结力，实现预应力碳纤维筋材端部的永久性锚固。由于制造工艺复杂且成本高昂的圆弧偏心转动机械夹持技术的工具锚，可以多次重复使用，该系统具有较好的性价比优点，但是，因为工作平板锚仅仅依靠环氧结构胶的粘结力实现永久性锚固，在具有冲击动荷载疲劳等诸多不利因素条件下使用，其可靠性和耐久性无法完全满足要求。

美国“辛普森”公司发明的分解式顶推预应力碳纤维张拉锚固系统，另一个不足之处表现在施工安装方面。虽然圆弧偏心转动机械夹持工具锚，可以满足施加应力时的夹持牵引功能，但是，安装于工作平板锚上的千斤顶及顶推反力架，由于锚固螺栓钻孔植入精度难于满足要求，其受力中心线与碳纤维筋材宽度方向中心发生水平倾斜错位，或顶推时与工具锚夹持圆弧切线垂直度产生偏差，导致碳纤维筋材未达到张拉控制应力前因受力不均产生撕裂。

目前，国内对混凝土结构进行预应力碳纤维加固的张拉锚固系统，也有采用美国“辛普森”公司加固原理相类似的施加预应力的产品，永久性锚固的工作锚有平板式、圆弧波形和楔形双面组合夹持锚具，施加预应力的方式多为采用楔形工具锚具牵引式，无法满足狭窄空间使用的要求。

其中，圆弧波形和楔形永久性工作锚，均采用上下两件金属组合结构，利用圆弧波形产生的摩擦阻力或楔形齿状咬合力及水平倾斜产生的摩擦阻力，实现对碳纤维筋材施加预应力后的永久性锚固，优点是锚固可靠性相对较高，耐久性好；缺点是施加预应力后在碳纤维筋材平直受力状态下，压锚时强制局部变形容易发生劈裂，另外，这种工作锚碳纤维筋材与混凝土结构之间的间隙较大，环氧结构胶单位面积用量多，锚具制造成本高，因此，综合性价比较差。

而使用较多的平板式工作锚永久性锚固的工作原理及锚固方式，与美国“辛普森”公司大同小异，优点是碳纤维筋材通过螺栓压锚后，与混凝土结构之间的间隙较小，环氧结构胶单位面积用量少，综合性价比好；缺点仍然是可靠性和耐久性无法完全满足要求，特别是对于来自于粘接面方向的剪切作用，容易发生环氧结构胶与混凝土结构或者锚具之间的粘接破坏，导致粘接强度大幅度下降。

发明内容

为了解决现有技术中预应力张拉结构稳定性较弱的缺陷，本发明提出一种预应力锚具、锚固组件及锚固施工方法。

本发明采用的技术方案是，预应力锚具，包括本体，所述本体上设有填充凹槽，所述填充凹槽至少一对侧面设有开口供张拉件穿过，且所述填充凹槽至少包括沿开设方向布置的槽深不同的两个区域。

优选的，所述填充凹槽包括沿张拉件穿设方向布置的槽深不同的三个或三个以上的区域，且多个所述区域的槽深依次变深/变浅。

优选的，所述填充凹槽至少包括水平段和圆弧段，所述圆弧段的两端槽深不同且较深的一端与水平段连接。

优选的，所述填充凹槽还包括用于连接所述水平段和圆弧段的过渡段。

优选的，所述填充凹槽沿开设方向的宽度逐渐变大/变小。

本发明还提出了预应力锚固组件，其包括如前所述的预应力锚具，还包括将所述预应力锚具固定的固定结构、以及提供张拉作用的张拉机构。

优选的，所述张拉机构包括顶推反力架和夹具，所述顶推反力架上设置有驱动所述夹具水平运动的驱动结构。

优选的，所述驱动结构为螺纹连接于所述顶推反力架上的顶推螺杆。

优选的，所述驱动结构为用于顶推/拉伸所述夹具水平运动的气缸结构/油缸结构。

本发明还提出了锚固施工方法，包括步骤为：

张拉件至少贴合于建筑结构面的一侧涂布固化粘接剂，同时预应力锚具的填充凹槽内填充固化粘接剂；

安装张拉机构并与张拉件的两端连接，再安装预应力锚具，同时启动张拉机构进行张拉；

张拉到位后，通过固定结构将预应力锚具固定至锚固位置，此时填充凹槽内固化粘接剂被挤压并将张拉件抵紧至贴合建筑结构面；

固化粘接剂完成固化定型后，拆除张拉机构，完成锚固施工。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、张拉件采用碳纤维筋材时，对碳纤维筋材先进行预应力张拉，再通过工作锚将碳纤维筋材抵紧至贴合结构面，此时由于工作锚内的填充凹槽设置为多维楔形的结构，当固化粘接剂固化成型后，固化粘接剂与工作锚之间会形成多方向上的楔形自锁结构，从而碳纤维筋材与结构面之间不仅仅依靠有粘接作用力，而且对于侧向剪力也具有较强的承受能力，极大的提高了整体结构的稳定性和耐久性；

2、由于碳纤维筋材的两侧均有固化粘接剂，因此固化定性后整个碳纤维筋材会被包裹在固化剂中，从而极大的提高了碳纤维筋材与结构面以及工作锚之间的粘接面积和粘接的稳定性；

3、采用了多种不同的张拉机构，可以适应不同的施工环境和需求，适应范围较广。

附图说明

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：

图1是实施例1的正视图；

图2是图1的剖视图；

图3是图2的A处放大图；

图4是预应力锚固完成后成品局部剖视图；

图5是本实施例中锚具的本体正视图；

图6是锚具的本体剖视图；

图7是锚具的本体侧视图；

图8是实施例1中顶推反力架的正视图；

图9是本实施例的夹具和壳体安装后的结构示意图；

图10是实施例2的剖面示意图；

图11是图10的B处放大示意图；

图12是实施例2中顶推反力架的正视图；

图13是图12的剖视图；

图14是实施例3的正视图；

图15是实施例3的剖视图；

图16是图15的C处放大图。

1、本体；101、固定孔；102、填充凹槽；103、水平段；104、过渡段；105、圆弧段；2、碳纤维筋材；21、砂纸；3、锚固螺杆；4、环氧结构胶；5、混凝土结构；6、夹具；61、圆弧部；62、壳体；63、张拉推孔；7、导轨压板；8、顶推螺杆；9、顶推反力架；901、U型槽；902、顶推孔；903、安装孔；10、紧固螺母；11、液压油入口；12、活塞；13、顶杆；14、复位弹簧；15、液压腔室；16、牵引反力架；17、牵引螺杆；18、液压千斤顶；19、定位螺母；20、混凝土结构面。

具体实施方式

一种预应力锚具，主要用于桥梁和建筑混凝土结构5加固工程中，该预应力锚具，包括本体1，所述本体1上设有填充凹槽102，所述填充凹槽102至少一对侧面设有开口供张拉件穿过，且所述填充凹槽102至少包括沿开设方向布置的槽深不同的两个区域。

具体的，如图5-7所述，填充凹槽102包括沿张拉件穿设方向布置的槽深不同的三个或三个以上的区域，且多个所述区域的槽深依次变深/变浅，填充凹槽102至少包括水平段103和圆弧段105，所述圆弧段105的两端槽深不同且较深的一端与水平段103连接。填充凹槽102还包括用于连接所述水平段103和圆弧段105的过渡段104。

另一方面，填充凹槽102沿开设方向的宽度逐渐变大/变小。所以，在长度方向（槽深）和宽度方向上，填充凹槽102的尺寸都逐渐变化，从而形成一个空间层面多维的楔形空腔，当张拉件穿过该填充凹槽102中并通过固化剂粘接固定后，会在楔形空腔的作用下形成自锁的楔形结构，当受到横向的剪切作用力时楔形结构能够抵消大部分的剪切力，从而提高了张拉件与混凝土结构5以及工作锚之间的粘接力，提高结构整体的稳定性和耐久性。

实际应用时，需要将上述预应力锚具组装成预应力锚固组件，形成完整的锚固安装结构体系，才能实际进行锚固支撑。因此，本实施例中公开一种预应力锚固组件，如图1-4所示，其包括前述的预应力锚具、将所述预应力锚具固定的固定结构、以及提供张拉作用的张拉机构。

张拉机构包括顶推反力架9和夹具6，所述顶推反力架9上设置有驱动所述夹具6水平运动的驱动结构。驱动结构为螺纹连接于所述顶推反力架9上的顶推螺杆8。或者，驱动结构为用于顶推/拉伸所述夹具6水平运动的气缸结构/油缸结构。

同时，本实施例还公开了一种锚固施工方法，其包括步骤为：

张拉件至少贴合于建筑结构面的一侧涂布固化粘接剂，同时预应力锚具的填充凹槽102内填充固化粘接剂；

安装预应力锚具并与张拉件的两端连接，再张拉机构安装，同时启动张拉机构进行张拉；

张拉到位后，通过固定结构将预应力锚具固定至锚固位置，此时填充凹槽102内固化粘接剂被挤压并将张拉件抵紧至贴合建筑结构面；

固化粘接剂完成固化定型后，拆除张拉机构，完成锚固施工。

其中，填充凹槽102至少包括沿开设方向布置的槽深不同的两个区域，和/或，所述填充凹槽102沿开设方向的宽度逐渐变大/变小。

实施例1，一种预应力锚固组件，如图1-4所示，包括预应力锚具、固定结构和张拉机构。

如图5-7所示，预应力锚具包括本体1，本体1沿长度方向开有一道填充凹槽102，填充凹槽102共分为水平段103、过渡段104和圆弧段105三部分，其中水平段103槽深最深，圆弧段105槽深为逐渐变浅，过渡段104一端与水平段103平滑连接另一端与圆弧段105平滑连接，最后整个填充凹槽102在槽深方向形成楔形空间的结构。同时，填充凹槽102在长度方向上两端的宽度也不相同，本实施例中水平段103开口的宽度要大于圆弧段105的开口宽度，从而使得整个填充凹槽102的上下两个侧壁呈收口状倾斜，即填充凹槽102在长度方向上也形成楔形结构，因此整个填充凹槽102形成了一个空间立体的多位楔形结构。

如图1-4所示，由于锚具本体1上还开有两排共计六个固定孔101，而混凝土结构5面上则预先通过植筋固定有两排多根锚固螺杆3，两排锚固螺杆3之间的间距等于两排固定孔101的间距，本实施例中张拉件为碳纤维筋材2，该碳纤维筋材2的宽度小于填充凹槽102的宽度。

安装时，先将碳纤维筋材2贴合于混凝土结构5面的一侧涂布固化粘接剂，即环氧结构胶4，同时也在填充凹槽102中填满环氧结构胶4，再将锚具本体1通过固定孔101安装于锚固螺杆3上，此时碳纤维筋材2穿设于填充凹槽102内，且距离混凝土结构面3-5mm。

再安装顶推反力架9和张拉机构。如图1-3和8所示，顶推反力架9整体呈开口向上的匚形，其上沿长度方向开有一道U型槽901，且还开有两排共计六个安装孔903，安装该顶推反力架9时，通过安装孔903对准锚固螺杆3，再通过U型槽901骑跨在锚具本体1的两端上。需要说明的是，锚具本体1上设有六个分别螺纹连接在六根锚固螺杆3上的紧固螺母10，可以通过紧固螺母10将锚具本体1推至抵紧混凝土结构5面实现紧固效果，而同样的，顶推反力架9上也设有六个套接在锚固螺杆3上的紧固螺母10，可以通过该六个紧固螺母10将顶推反力架9向内拧紧直至抵紧于锚具本体1上的六个紧固螺母10上。

如图1-3和8所示，顶推反力架9靠近张拉机构的一端还开有一个或一对顶推孔902，该顶推孔902内螺纹安装有一根顶推螺杆8，用专用力矩扳手旋拧该顶推螺杆8即可使其前进直至顶推张拉机构水平运动至规定距离。

如图1-3和9所示，张拉机构包括一对将碳纤维筋材2夹紧的楔形夹具6、与夹具6共同作用的壳体62、以及导轨压板7，为了增加夹具6和碳纤维筋材2二者之间的摩擦力，本实施例中的碳纤维筋材2外部夹有上下两层的细砂纸21，而壳体62则水平开有楔形的滑槽，供夹具6在其中滑动或抵紧。导轨压板7则通过开有的孔安装固定在锚固螺杆3上，并贴合固定在混凝土结构5面上，该导轨压板7上开有供壳体62整体水平滑动的导轨。同时，壳体62靠近锚具本体1的一端上开有一个张拉推孔63，该张拉推孔与顶推反力架9上的顶推螺杆8位置对应且匹配。

采用专用力矩扳手旋拧顶推螺杆8，将壳体62和夹具6向前移动并张拉夹持的碳纤维筋材2，直至力矩扳手上显示的数值达到要求即可，且为了移动过程中夹具6对碳纤维筋材2施加的作用力较为缓和，壳体62的端部设有圆弧部61，使碳纤维筋材2可以圆滑过渡进入其开设的滑槽内。

此时仅仅完成了对碳纤维筋材2的张拉作业，碳纤维筋材2处于水平平直的状态，但是与混凝土结构5面之间仍然具有3-5mm的间距，此时拧紧锚固螺杆3上安装于锚具本体1上的一层紧固螺母10，将锚具本体1抵紧于混凝土结构5面上，由于锚具本体1内部填充满环氧结构胶4，因此锚具本体1抵紧混凝土结构5面时会将内部的环氧结构胶4进一步挤压压实，最终碳纤维筋材2也被抵紧粘接在混凝土结构5面上，且整个的被包围在环氧结构胶4内，而环氧结构胶4则与填充凹槽102完全契合，形成多维的楔形结构。

当环氧结构胶4完全固化成型后，如图4所示，即可卸除顶推反力架9和张拉机构和导轨压板7，锚具本体1则永久保留，并采用切割机在张拉机构和锚具本体1之间将碳纤维筋材2切割分离，由于锚具本体1内的环氧结构胶4与填充凹槽102为相互契合的楔形结构，且该楔形结构包括水平长度方向和宽度方向两个维度，因此该预应力的碳纤维筋材2不仅可以依靠粘接力与混凝土结构5面粘接，也能够依靠锚具本体1和锚固螺栓对抗横向的剪切作用力，提高抗震等效果，延长结构的稳定性和耐久性。

需要说明的是，填充凹槽102在水平段103的槽深深度为1～50mm,圆弧段105的弧顶切点的深度为1～10mm,填充凹槽102靠近张拉机构的一端的宽度大于另外一端1～20mm呈锥度楔形。顶推反力架9上的U型槽901的槽深为1～20mm，顶推孔902的直径为10～100mm，且该顶推孔902的螺纹为粗牙、细牙或T型螺纹之一。

实施例2，如图10-13所示，与实施例1的区别在于顶推反力架9的区别，本实施例中顶推反力架9整体呈开口向上的匚形，其上沿长度方向开有一道U型槽901，且还开有两排共计六个安装孔903，安装该顶推反力架9时，通过安装孔903对准锚固螺杆3，再通过U型槽901骑跨在锚具本体1的两端上。顶推反力架9靠近张拉机构的一端还开有液压腔室15，液压腔室内滑动有活塞12，活塞12一侧设有一根穿出液压腔室15的顶杆13，必要的液压腔室15还开有一个连通外部的液压油入口11。

该顶杆13则水平布置且与壳体62上的张拉推孔63正对设置，当需要启动张拉时，采用外部的油泵与液压油入口11连接，将液压油泵入液压腔室15中推动活塞12和顶杆13水平滑移，推动整个壳体62和夹具6滑移直至液压腔室15设置的压力表数值显示达到张拉控制要求即可。即可以理解为本实施例中的顶推反力架9上通过设置液压千斤顶18和油泵的配合实现对张拉机构的顶推。

同时，液压腔室15内还设有一个复位弹簧14，当油泵卸压后，在复位弹簧14的作用下活塞12和顶杆13复位缩回。

实施例3，如图14-16所示，与实施例1的区别在于张拉机构和顶推反力架9的结构，具体的，本实施例中采用牵引反力架16取代顶推反力架9，且牵引反力架16安装固定于导轨压板7远离锚具本体1的一侧，同时牵引反力架16上水平穿设有一根牵引螺杆17，牵引螺杆17的一端与壳体62固定连接，另一端则固定连接有液压千斤顶18，该液压千斤顶18的输出顶杆13则顶在牵引反力架16上，当需要夹具6对碳纤维筋材2张拉时，启动液压千斤顶18，由于牵引反力架16固定安装于混凝土结构5面上，因此由于反力作用液压千斤顶18会整体水平向左平移，此时与液压千斤顶18固定连接的牵引螺杆17也会向左平移，同时带动壳体62和夹具6同步向左平移，直至液压千斤顶18的压力数值达到张拉要求即可停止。

为了维持张拉的稳定性，牵引螺杆17上螺纹连接有定位螺母19，当张拉到位后，可以通过旋进定位螺母19使其抵紧在牵引反力架16上，此时张拉结构得到稳定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.预应力锚固组件，其特征在于，包括预应力锚具、将所述预应力锚具固定的固定结构、以及提供张拉作用的张拉机构，所述预应力锚具包括本体，所述本体沿长度方向开有一道填充凹槽，所述填充凹槽的至少一对侧面设有开口供张拉件穿过，所述填充凹槽沿开设方向布置有水平段、过渡段和圆弧段三部分，所述水平段槽深最深，所述圆弧段槽深为逐渐变浅，所述过渡段一端与所述水平段平滑连接、另一端与所述圆弧段平滑连接，所述填充凹槽在长度方向上两端的宽度也不相同，所述水平段开口的宽度要大于所述圆弧段的开口宽度；

混凝土结构面预先通过植筋固定有多根锚固螺杆，将所述张拉件贴合于所述混凝土结构的一侧涂布固化粘接剂，所述填充凹槽中填满固化粘接剂，所述本体通过固定孔安装于锚固螺杆上，所述张拉件穿设于填充凹槽内，所述本体抵紧所述混凝土结构面时会将内部的所述固化粘接剂挤压压实，最终所述张拉件也被抵紧粘接在所述混凝土结构面上，且整个的被包围在所述固化粘接剂内。

2.根据权利要求1所述的预应力锚固组件，其特征在于，所述张拉机构包括顶推反力架和夹具，所述顶推反力架上设置有驱动所述夹具水平运动的驱动结构。

3.根据权利要求2所述的预应力锚固组件，其特征在于，所述驱动结构为螺纹连接于所述顶推反力架上的顶推螺杆。

4.根据权利要求2所述的预应力锚固组件，其特征在于，所述驱动结构为用于顶推/拉伸所述夹具水平运动的气缸结构/油缸结构。

5.锚固施工方法，其特征在于，所述锚固施工方法使用权利要求1至4任一项所述的预应力锚固组件，所述锚固施工方法包括步骤为：

张拉件至少贴合于建筑结构面的一侧涂布固化粘接剂，同时预应力锚具的填充凹槽内填充固化粘接剂；

安装张拉机构并与张拉件的两端连接，再安装预应力锚具，同时启动张拉机构进行张拉；

张拉到位后，通过固定结构将预应力锚具固定至锚固位置，此时填充凹槽内固化粘接剂被挤压并将张拉件抵紧至贴合建筑结构面；

固化粘接剂完成固化定型后，拆除张拉机构，完成锚固施工。

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