CN113846868A - 一种基于多层纤维布预应力施加的加固装置及加固方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多层纤维布预应力施加的加固装置及加固方法，该加固装置包括张拉端锚具、固定端锚具、张拉螺杆、锚具托架、组合压条、千斤顶、顶块和纤维布；锚具托架和固定端锚具通过组合压条与被加固构件连接，顶块、锚具托架和张拉端锚具通过张拉螺杆连接，张拉端锚具在千斤顶的作用下，在锚具托架上沿水平方向移动。本发明对被加固构件进行加固时，将纤维布对弯后，缠绕在张拉端锚具的锚轴和固定端锚具的锚轴之间形成多层纤维布，通过对多层纤维布同时施加预应力进而对被加固构件进行加固；本发明中的组合压条缩小了多层纤维布与被加固构件表面的距离，增强了加固效果，提高了加固效率。

Description

一种基于多层纤维布预应力施加的加固装置及加固方法

技术领域

本发明涉及基于纤维布预应力施加的加固装置，尤其涉及一种基于多层纤维布预应力施加的加固装置，本发明还涉及一种基于多层纤维布预应力施加的加固装置的加固方法。

背景技术

目前，针对钢筋混凝土梁和板、钢梁等构件所采用的加固方法中，外贴纤维增强复合材料FRP加固法相比于增大截面、附加钢板等方法，有轻质高强、耐腐蚀和抗疲劳性能好、施工方便的优点。

当采用外贴纤维增强复合材料FRP加固法来加固构件，如对混凝土构件进行加固时，通常采用FRP板或纤维布进行加固。根据是否对外贴纤维增强复合材料FRP施加预应力，外贴纤维增强复合材料FRP加固法又分为非预应力FRP加固方法和预应力FRP加固方法，相比于非预应力FRP加固方法，预应力FRP加固方法能够显著延缓混凝土结构的开裂及裂缝发展，提高加固效果和FRP材料利用率。

而其中的预应力施加方法对于预应力FRP加固非常关键，目前的预应力施加方法包括反拱法、外部反力架法和直接张拉法。采用反拱法施加的预应力值较低且无法精确控制，在实际工程中通常难以实施。外部反力架法虽然对FRP施加较高的预应力，但因需架设额外的反力架，同样不便于实际工程应用。

预应力FRP加固方法中的直接张拉法利用锚固装置直接将FRP固定到被加固构件表面，在被加固构件上完成预应力的施加，该方法最适合于工程应用。但是，当采用预应力纤维布加固时，由于纤维布厚度很小，直接张拉单层纤维布的加固效果甚微，通常需要多层纤维布加固。而如何在施工过程中同时对多层纤维布进行预应力施加，进而提高施工效率，成为亟需解决的技术问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种张拉方便、锚固可靠的基于多层纤维布预应力施加的加固装置及加固方法，通过将纤维布缠绕在多根锚轴上，进而实现通过多层纤维布同时施加预应力来对被加固构件进行加固的目的，同时通过组合压条来提高加固效果。

技术方案：本发明基于多层纤维布预应力施加的加固装置包括顶块、张拉螺杆、千斤顶、锚具托架、张拉端锚具、组合压条、固定端锚具和纤维布；

所述锚具托架和固定端锚具通过组合压条与被加固构件固定；

千斤顶位于顶块和锚具托架之间，顶块、锚具托架和张拉端锚具通过张拉螺杆连接；

张拉端锚具上设有第一锚轴，固定端锚具上设有第二锚轴、第三锚轴和第四锚轴，纤维布缠绕在第一锚轴、第二锚轴、第三锚轴和第四锚轴之间；

张拉端锚具在千斤顶的应力驱动下，在锚具托架上移动，进而带动纤维布产生拉应变，对被加固构件进行加固。

锚具托架包括挡块和架腿，架腿端部设有与被加固构件连接的凸起。

张拉端锚具包括第一锚板、第一锚轴和翼缘；第一锚轴包括第一上轴和第一下轴，第一上轴固定在第一锚板上。

第一锚板下方开设有第一通槽，第一下轴在第一通槽内移动。

第一锚轴的侧面为圆弧面，以对纤维布起到保护作用。

组合压条包括弧形凸起、底板和紧固件，底板的表面开设有圆形通孔，紧固件通过圆形通孔将组合压条与锚具托架或固定端锚具连接。

固定端锚具包括第二锚板、第二锚轴、第三锚轴、第四锚轴，第二锚板下部开设有第二通槽和第三通槽。

第二锚轴包括第二上轴和第二下轴，第二下轴在第二通槽内移动，第二上轴和第二下轴通过高强螺栓连接。

第四锚轴包括第四上轴和第四下轴，第四下轴在第三通槽内移动，第四上轴和第四下轴通过高强螺栓连接。

本发明基于多层纤维布预应力施加的加固装置的加固方法，采用基于多层纤维布预应力施加的加固装置来实施，该加固方法包括以下步骤：

(1)对纤维布进行裁剪下料，确定设计预应力值；

(2)将裁剪好的纤维布等长对弯，将纤维布对弯的中点放置在第三锚轴的起点处，纤维布的一侧从第三锚轴出发，沿路径a先绕过位于内部的第一上轴，再以路径b绕过第二上轴，随后以路径c绕过外部的第一上轴，最后按路径d缠绕在第四上轴上；纤维布的另一侧先绕过内部的第一下轴，然后绕过第二下轴，随后绕过外部的第一下轴，最后缠绕在第四下轴上；

(3)将纤维布在第四锚轴上多缠绕几圈，将第一上轴和第一下轴固定，将第二上轴和第二下轴固定，将第四上轴和第四下轴固定；将张拉端锚具放置在锚具托架上；

(4)将锚具托架和固定端锚具通过紧固件连接在被加固构件上，调整张拉端锚具与固定端锚具的位置，使得纤维布对中水平；

(5)将千斤顶放置在顶块和锚具托架之间，启动千斤顶施加预应力；

(6)当张拉应力值达到设计预应力值后，旋紧挡块端部的螺母以及第二螺母，使得弧形凸起压紧纤维布；卸除千斤顶和顶块。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)相比于一次张拉单层纤维布而实施多次张拉的方法，本发明利用纤维布缠绕在多根锚轴上，对多层纤维布进行同时张拉，即对多层纤维布同时施加预应力，进而对钢筋混凝土梁进行加固，减小钢筋混凝土梁裂缝的宽度，延缓已有裂缝的蔓延，提高钢筋混凝土梁的刚度和承载力，降低挠度。

(2)本发明的预应力施加方便、锚固可靠，施工效率高，缩短了施工周期，在加固工程中可实现应用。

(3)本发明的纤维布在锚轴上缠绕的过程中，每缠绕1圈就会在张拉端锚具和固定端锚具之间增加4层纤维布，以此形成多层纤维布的锚固系统，进而实现对多层纤维布同时施加预应力的目的。

(4)本发明基于多层纤维布预应力施加的加固装置中设置了组合压条，在纤维布预应力张拉完成后，通过上紧组合压条，降低纤维布与被加固构件表面之间的间距。

附图说明

图1是本发明基于多层纤维布预应力施加的加固装置结构示意图；

图2是本发明实施例1中基于多层纤维布预应力施加的加固装置来加固矩形钢筋混凝土梁的局部示例图；

图3是本发明基于多层纤维布预应力施加的加固装置的张拉端装置示意图；

图4是本发明基于多层纤维布预应力施加的加固装置的顶块结构示意图；

图5是本发明基于多层纤维布预应力施加的加固装置的锚具托架示意图；

图6是本发明基于多层纤维布预应力施加的加固装置的张拉端锚具示意图；

图7是本发明基于多层纤维布预应力施加的加固装置的组合压条结构示意图；

图8是本发明基于多层纤维布预应力施加的加固装置的固定端锚具示意图；

图9是本发明基于多层纤维布预应力施加的加固装置的纤维布缠绕方式示意图；

图10是本发明基于多层纤维布预应力施加的加固装置的张拉端各组件相对位置示意图；

图11是本发明实施例2中基于多层纤维布预应力施加的加固装置来加固工字形钢梁的局部示例图。

具体实施方式

实施例1：

如图1～图10所示，本发明基于多层纤维布预应力施加的加固装置通过张拉纤维布8来对被加固构件9进行加固。本实施例中，该被加固构件9是钢筋混凝土梁，该钢筋混凝土梁的紧固件采用锚栓，锚栓预先植入到钢筋混凝土梁9中。如图2所示，该钢筋混凝土梁9在长期荷载作用下，截面开裂，承载力和刚度降低，应用本发明加固装置张拉纤维布8对钢筋混凝土梁底部进行加固，能明显减小已有裂缝的宽度，延缓已有裂缝的蔓延，提高混凝土梁的刚度和承载力，降低挠度。

该基于多层纤维布预应力施加的加固装置包括顶块1、张拉螺杆2、千斤顶3、锚具托架4、张拉端锚具5、组合压条6、固定端锚具7和纤维布8。

其中，千斤顶3位于顶块1和锚具托架4之间；顶块1、锚具托架4和张拉端锚具5之间通过张拉螺杆2连接，张拉端锚具5放置在锚具托架4上。张拉端锚具5通过千斤顶3的作用，在锚具托架4上沿水平方向移动，进而带动纤维布8产生拉应力，实现预应力的施加。锚具托架4和固定端锚具7分别连接有组合压条6。固定端锚具7与张拉端锚具5位于同一水平线上。

本实施例中，千斤顶3采用单支小型液压千斤顶。

如图3和图5所示，顶块1上开设有供张拉螺杆2穿过的圆形通孔，锚具托架4端部的挡块4-1上开设有两个供张拉螺杆2穿过的圆形通孔，其顶部开设有固定用第一圆形通孔4-2，架腿4-3端部设有凸起4-4，凸起4-4上设有第一矩形钢板4-5，第一矩形钢板4-5上开设有固定用第二圆形通孔4-6。穿过第一圆形通孔4-2的锚栓并配合相应的螺母和穿过第二圆形通孔4-6的紧固件第一锚栓6-3并配合第一螺母6-4，将锚具托架4固定到被加固构件9底部。

如图6所示，张拉端锚具5包括第一锚板5-2、第一锚轴5-3和翼缘5-4。其中，张拉端锚具5的端部开设有两个第一螺纹孔5-1，供张拉螺杆2的端部旋入；第一锚板5-2下部设有2个第一矩形通槽5-6。图6中的两条第一锚轴5-3由第一上轴5-3a和第一下轴5-3b组成，第一上轴5-3a与第一锚板5-2固定在一起，第一下轴5-3b在第一矩形通槽5-6中上下移动。第一锚轴5-3的侧面为弧形面，本实施例中，该弧形面为椭圆弧形面。第一锚轴5-3端部开设有第二螺纹孔5-5，该第二螺纹孔5-5用以穿过高强螺栓连接第一上轴5-3a和第一下轴5-3b。翼缘5-4的高度小于锚具托架4上凸起4-4的高度，以保证张拉端锚具5放置在锚具托架4上以后，第一锚板5-2与被加固构件9表面之间仍有供纤维布8通过的空隙。

组合压条6包括弧形凸起6-1和底板6-2，本实施例中，该弧形凸起6-1为椭圆凸起6-1。底板6-2的表面开设有圆形通孔，第一锚栓6-3穿过此圆形通孔后将组合压条与锚具托架4连接。采用相同的方法，另外一个组合压条6与固定端锚具7连接。

每根第一锚栓6-3上连接有第一螺母6-4和第二螺母6-5。第一螺母6-4用以预先紧固锚具托架4，第二螺母6-5用以控制组合压条6的升降。椭圆凸起6-1完全上紧后，上表面的高度小于第一矩形钢板4-5上表面的高度，以保证在旋紧第二螺母6-5后，椭圆凸起6-1和被加固构件9表面之间仍有供纤维布8通过的空隙。

如图8所示，固定端锚具7的一端设有与第一矩形钢板4-5相同的第二矩形钢板7-9，第二矩形钢板7-9上开设有第三圆形通孔7-10。固定端锚具7另一端也开有两个固定用第四圆形通孔7-11。穿过第三圆形通孔7-10的第一锚栓6-3并配合第一螺母6-4和穿过第四圆形通孔7-11的锚栓并配合相应的螺母，将固定端锚具7固定到被加固构件9底部。

如图8所示，固定端锚具7的第二锚板7-1下部开设有第二通槽7-7和第三通槽7-8。第二锚轴7-2由第二上轴7-2a和第二下轴7-2b组成。第四锚轴7-4由第四上轴7-4a和第四下轴7-4b组成。其中第二上轴7-2a和第四上轴7-4a固定在第二锚板7-1上，第二下轴7-2b在第二通槽7-7内上下移动，第四下轴7-4b在第三通槽7-8内上下移动。第三锚轴7-3为半椭圆曲面锚轴。第二锚轴7-2在端部开设有第三螺纹孔7-5，第四锚轴7-4在端部开设有第四螺纹孔7-6，第三螺纹孔7-5通过高强螺栓将第二上轴7-2a和第二下轴7-2b连接，第四螺纹孔7-6通过高强螺栓将第四上轴7-4a和第四下轴7-4b连接。

本发明基于多层纤维布预应力施加的加固装置的加固方法包括以下步骤：

(1)对纤维布进行裁剪下料，安装锚栓：

使用前，根据计算的纤维布使用长度进行裁剪下料得到纤维布8，同时所用锚具托架4、张拉端锚具5、组合压条6、固定端锚具7、张拉螺杆2、千斤顶3和胶粘剂及其它材料准备到位，确定设计预应力值，并完成相应锚栓的植筋安装。

(2)按以下方法缠绕纤维布8：

如图9、图10所示，将裁剪好的纤维布8等长对弯，将纤维布8弯曲圆弧的中点放置在第三锚轴7-3的起点位置处。其中纤维布8的一侧从第三锚轴7-3上方出发，沿“a”所示路径从第三锚轴7-3外表面先绕过内部的第一上轴5-3a，再以“b”所示路径从7-2a外表面绕过第二上轴7-2a，随后按“c”所示路径从第二上轴7-2a内表面绕过外部的第一上轴5-3a，最后按“d”所示路径缠绕在第四上轴7-4a上。纤维布8的另一侧以相同方式依次从5-3b外表面绕过内部的第一下轴5-3b；然后从7-2b外表面绕过第二下轴7-2b；随后从5-3b内表面绕过外部的第一下轴5-3b；最后缠绕在第四下轴7-4b上。此时，在张拉端锚具5和固定端锚具7之间共有8层纤维布，进而能实现对8层纤维布同时施加预应力的目的。实际应用时，根据需要通过调整缠绕锚轴的数量来调整碳纤维布的层数。

(3)将锚具托架4、张拉端锚具5和固定端锚具7进行组装：

在纤维布8缠绕完成后，为保证纤维布8的端部锚固可靠，将纤维布8在第四锚轴7-4上多缠绕几圈，并浸润胶粘剂。待胶粘剂固化后，用高强螺栓通过第二螺纹孔5-5将第一上轴5-3a和第一下轴5-3b固定在一起；通过第三螺纹孔7-5将第二锚轴7-2的第二上轴7-2a和第二下轴7-2b固定在一起；通过第四螺纹孔7-6将第四锚轴7-4的第四上轴7-4a和第四下轴7-4b固定在一起；随后将张拉端锚具5放置在锚具托架4上，翼缘5-4紧贴凸起4-4。

(4)将锚具托架4和固定端锚具7进行固定：

将锚具托架4、固定端锚具7与对应位置的锚栓连接。在最底层纤维布下方，将组合压条6通过第一锚栓6-3和第二螺母6-5分别与锚具托架4和固定端锚具7连接。调整张拉端锚具5及固定端锚具7的位置，令纤维布8对中水平，然后紧固化学锚栓上除第二螺母6-5外的其他固定螺母。

(5)进行预应力施加：

将张拉螺杆2穿过锚具托架4端部的圆形通孔后旋入第一螺纹孔5-1，随后将顶块1也与张拉螺杆2连接。将千斤顶3放置在顶块1和锚具托架4之间，旋紧顶块1端部的螺母，启动千斤顶3施加预应力，预应力施加过程，即张拉过程中观察千斤顶3的张拉力值。

(6)通过预应力施加来对被加固构件9进行加固：

当张拉力值达到设计预应力值后，旋紧挡块4-1端部的螺母，待本发明加固装置稳定后，旋紧第二螺母6-5，使得弧形凸起6-1压紧纤维布8。最后，卸除千斤顶3和顶块1，即完成预应力施加，进而对被加固构件9进行加固。

实施例2：

如图11所示，本发明基于多层纤维布预应力施加的加固装置通过张拉纤维布8来对被加固构件9进行加固，加固方法与实施例1的区别之处是，本实施例中，该被加固构件9是工字形钢梁，紧固件采用高强螺栓，此高强螺栓和加固装置一同固定到钢梁上，不用预先植入。具体如图11所示，该工字形钢梁在长期荷载作用下，由于材料性能劣化、锈蚀等导致钢梁承载力不足和挠度增大，应用本发明加固装置张拉纤维布8对此工字形钢梁进行加固，能提高钢梁承载力和刚度，降低挠度。

Claims (10)

1.一种基于多层纤维布预应力施加的加固装置，其特征在于：所述基于多层纤维布预应力施加的加固装置包括顶块(1)、张拉螺杆(2)、千斤顶(3)、锚具托架(4)、张拉端锚具(5)、组合压条(6)、固定端锚具(7)和纤维布(8)；

所述锚具托架(4)和固定端锚具(7)通过组合压条(6)与被加固构件(9)固定；

所述千斤顶(3)位于顶块(1)和锚具托架(4)之间，所述顶块(1)、锚具托架(4)和张拉端锚具(5)通过张拉螺杆(2)连接；

所述张拉端锚具(5)上设有第一锚轴(5-3)，所述固定端锚具(7)上设有第二锚轴(7-2)、第三锚轴(7-3)和第四锚轴(7-4)，所述纤维布(8)缠绕在第一锚轴(5-3)、第二锚轴(7-2)、第三锚轴(7-3)和第四锚轴(7-4)之间；

所述张拉端锚具(5)在千斤顶(3)的应力驱动下，在锚具托架(4)上移动，进而带动纤维布(8)产生拉应变，对被加固构件(9)进行加固。

2.根据权利要求1所述的基于多层纤维布预应力施加的加固装置，其特征在于：所述锚具托架(4)包括挡块(4-1)、架腿(4-3)，所述架腿(4-3)端部设有与被加固构件(9)连接的凸起(4-4)。

3.根据权利要求1所述的基于多层纤维布预应力施加的加固装置，其特征在于：所述张拉端锚具(5)包括第一锚板(5-2)、第一锚轴(5-3)和翼缘(5-4)；所述第一锚轴(5-3)包括第一上轴(5-3a)和第一下轴(5-3b)，第一上轴(5-3a)固定在第一锚板(5-2)上。

4.根据权利要求3所述的基于多层纤维布预应力施加的加固装置，其特征在于：所述第一锚板(5-2)下方开设有第一通槽(5-6)，所述第一下轴(5-3b)在所述第一通槽(5-6)内移动。

5.根据权利要求3或4所述的基于多层纤维布预应力施加的加固装置，其特征在于：所述第一锚轴(5-3)的侧面为圆弧面。

6.根据权利要求1所述的基于多层纤维布预应力施加的加固装置，其特征在于：所述组合压条(6)包括弧形凸起(6-1)、底板(6-2)和紧固件(6-3)。

7.根据权利要求1所述的基于多层纤维布预应力施加的加固装置，其特征在于：所述固定端锚具(7)包括第二锚板(7-1)、第二锚轴(7-2)、第三锚轴(7-3)、第四锚轴(7-4)，所述第二锚板(7-1)下部开设有第二通槽(7-7)和第三通槽(7-8)。

8.根据权利要求7所述的基于多层纤维布预应力施加的加固装置，其特征在于：所述第二锚轴(7-2)包括第二上轴(7-2a)和第二下轴(7-2b)，所述第二下轴(7-2b)在第二通槽(7-7)内移动。

9.根据权利要求7所述的基于多层纤维布预应力施加的加固装置，其特征在于：所述第四锚轴(7-4)包括第四上轴(7-4a)和第四下轴(7-4b)，所述第四下轴(7-4b)在第三通槽(7-8)内移动。

10.一种基于多层纤维布预应力施加的加固装置的加固方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的基于多层纤维布预应力施加的加固装置来实施，所述加固方法包括以下步骤：

(1)对纤维布进行裁剪下料，确定设计预应力值；

(2)将裁剪好的纤维布等长对弯，将纤维布对弯的中点放置在第三锚轴(7-3)的起点处，纤维布的一侧从第三锚轴(7-3)出发，沿路径a先绕过位于内部的第一上轴(5-3a)，再以路径b绕过第二上轴(7-2a)，随后以路径c绕过外部的第一上轴(5-3a)，最后按路径d缠绕在第四上轴(7-4a)上；纤维布的另一侧先绕过内部的第一下轴(5-3b)，然后绕过第二下轴(7-2b)，随后绕过外部的第一下轴(5-3b)，最后缠绕在第四下轴(7-4b)上；

(3)将纤维布在第四锚轴(7-4)上多缠绕几圈，将第一上轴(5-3a)和第一下轴(5-3b)固定，将第二上轴(7-2a)和第二下轴(7-2b)固定，将第四上轴(7-4a)和第四下轴(7-4b)固定；将张拉端锚具(5)放置在锚具托架(4)上；

(4)将锚具托架(4)和固定端锚具(7)通过紧固件固定在被加固构件(9)上，调整张拉端锚具(5)与固定端锚具(7)的位置，使得纤维布(8)对中水平；

(5)将千斤顶(3)放置在顶块(1)和锚具托架(4)之间，启动千斤顶施加预应力；

(6)当张拉应力值达到设计预应力值后，旋紧挡块(4-1)端部的螺母和第二螺母(6-5)，使得弧形凸起(6-1)压紧纤维布(8)；卸除千斤顶(3)和顶块(1)。

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