CN114892548A - 一种下压式体外预应力cfrp材料加固体系及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种下压式体外预应力CFRP材料加固体系及施工方法，包括待加固结构件以及CFRP加固件，CFRP加固件两端分别通过端部固定机构与待加固结构件相连，在待加固结构件上设置有至少一个支撑机构，支撑机构包括支撑座，支撑座与CFRP加固件之间设置有第一转向机构，第一转向机构与支撑座通过支撑螺杆连接，且在支撑螺杆上还设置有限位螺母，在第一转向机构上还可拆卸式的设置有预应力调节机构，预应力调节机构用于调节所述第一转向机构在支撑螺杆上的高度。其效果为：本发明中仅利用一段CFRP加固件实现体外预应力加固，因此只需要在一段CFRP加固件的端部设置固定机构，大量减少了施工所需的锚具数量，在降低施工成本的同时提高了施工效率。

Description

一种下压式体外预应力CFRP材料加固体系及其施工方法

技术领域

本发明涉及土木工程中施加体外预应力的技术领域，尤其涉及一种下压式体外预应力CFRP材料加固体系及其施工方法。

背景技术

现代建筑、交通、桥梁等工程结构中的混凝土结构件或钢结构件由于环境侵蚀，材料老化，结构功能发生改变而使受荷变化，或因自然灾害的发生而致承载力不足或产生开裂等情况，存在巨大的安全隐患。

目前用于工程构件的加固方法，从作用原理上分为被动加固法和主动加固法两大类。被动加固法是指在构件受拉(或受剪)薄弱区直接增设抗拉(或抗剪)补强材料，例如：粘贴钢板、粘贴高强纤维复合材料(碳纤维、芳纶纤维)等。补强材料只承担活载及后加恒载引起的内力，与原受力构件相比，其应变(应力)相对滞后。特别是采用直接粘贴高强纤维复合材料的方案，补强材料的高抗拉性能很难发挥作用。因此，被动加固法无法减少原结构变形，也不能封闭裂缝。主动加固法是指对布置在构件受拉(或受剪)薄弱区的补强材料施加预应力。补强材料主动受力，从根本上解决了后加补强材料应变(应力)滞后问题，可以充分发挥补强材料的高抗拉性能，提高材料的利用效率，被加固构件的抗弯承载力和正常工作性能均得到显著提升。

中国发明专利ZL201711297399.4公开了一种CFRP板多点支撑预应力加固的结构组件及其预应力施加方法，结构组件包括：结构件，结构件为适于承受载荷的金属结构件；CFRP板，CFRP板设在所述结构件上，CFRP板上具有至少两个连接在所述结构件上的连接点；支撑装置，支撑装置设在所述结构件上且位于两个所述连接点之间，支撑装置包括调整螺杆和支撑件，调整螺杆可转动地设在所述结构件上，支撑件与所述调整螺杆螺纹配合，所述调整螺杆转动时所述支撑件与所述结构件之间的距离可调，支撑件支撑在所述CFRP板上，支撑件在与所述结构件之间的距离增大时可顶起所述CFRP板朝向远离所述结构件的方向变形。

但是，上述结构组件在施加预应力的过程中具有如下缺陷：

(1)螺杆属于细长构件，顶升过程中螺杆受压容易受压失稳，施工具有危险性；

(2)当形成多点支撑时，需要多根螺杆同时顶升，人工操作难以保证同步顶升均匀，易使碳纤维板受力不均；

(3)螺杆顶升力十分有限，不能实现大吨位，工程应用场景受限；

(4)端部采用平板夹持方式，锚固效率低，预应力损失较大；

(5)支支撑座采用螺栓施拧的方式，预应力损失大，施工困难；

(6)端部缺乏转向措施，易使CFRP板发生弯折或扭转而导致CFRP板受损甚至断裂。

有鉴于此，中国发明专利ZL201911310457.1公开了一种CFRP片材组合张弦梁加固安装体系包括梁体、n+1个CFRP片、n个固定支架和2n+2个锚具，n为大于等于1的正整数，梁体水平设置，固定支架向设置在梁体的下表面，固定支架的下端铰接有两个锚具，梁体的下表面两端还设有两个铰接座，固定支架位于两个铰接座之间，两个铰接座分别铰接有一个锚具，铰接座和与其相邻的固定支架之间设有CFRP片，相邻的两个固定支架之间也设有CFRP片，CFRP片的两端夹持在对应的锚具上。该专利通过支架分散竖向载荷，从而缓解结构件局部受力，并利用铰接座使得CFRP片材拉伸过程中应力相对分散，避免了CFRP片材发生剪切破坏，有利于保证CFRP片材均匀受力。

然而，上述体系中CFRP片材采用分段锚固方式，在施工中仍然存在以下问题：

(1)CFRP片分为多段，每段均需2个锚具，锚具数量多，操作复杂，费用高昂；

(2)CFRP片采用分段设置，每段都需要进行预应力张拉，施工步骤多且繁杂，且预应力难以保持一致；

(3)采用分段式，每段都会有预应力损失，节点没有调节；

(4)相邻分段的CFRP片预应力张拉如若不同步，则会使固定支架产生不平衡力，可能导致不良后果。若要采用同步张拉，则所有分段都需同步张拉，施工困难，难于应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种下压式体外预应力CFRP材料加固体系，仅采用一段连续的CFRP加固件实现加固，因此只需在一段CFRP加固件的端部设置固定机构，施加预应力时也只需张拉一段CFRP加固件，不仅大量减少了施工所需的锚具数量，而且降低了张拉的难度，有利于提高施工效率；本发明的另一个目的在于通过一种基于前述下压式体外预应力CFRP材料加固体系的施工方法。

实现上述目的，本发明首先提供一种下压式体外预应力CFRP材料加固体系，包括待加固结构件以及CFRP加固件，其关键在于，所述CFRP加固件两端分别通过端部固定机构与所述待加固结构件相连，在所述待加固结构件上设置有至少一个支撑机构，所述支撑机构包括支撑座，所述支撑座与所述CFRP加固件之间设置有第一转向机构，所述第一转向机构与所述支撑座通过支撑螺杆连接，且在所述支撑螺杆上还设置有限位螺母，在所述第一转向机构上还可拆卸式的设置有预应力调节机构，所述预应力调节机构用于调节所述第一转向机构在所述支撑螺杆上的高度。

更进一步地，靠近所述端部固定机构还设置第二转向机构，所述第二转向机构包括转向块，所述转向块通过螺栓可拆卸式安装于所述待加固结构件上，且在所述转向块与所述待加固结构件之间还预留有供CFRP加固件穿过的间隙。

更进一步地，所述预应力调节机构包括千斤顶，所述千斤顶抵接于所述待加固结构件与所述第一转向机构之间。

更进一步地，所述支撑座至少设置有两个，所述预应力调节机构位于所述支撑座之间。

更进一步地，所述第一转向机构包括顶板、腹板和转向头，所述预应力调节机构可拆卸式的设置在所述顶板上，所述腹板设置在所述顶板的底部，所述转向头设置在所述腹板的底部。

更进一步地，所述端部固定机构包括用于锚接CFRP加固件的锚具，所述锚具通过螺栓可拆卸式安装在所述待加固结构件上，所述CFRP加固件为CFRP板、CFRP索或CFRP网格中的一种或多种组合，所述锚具为平板锚、楔形锚或波形锚中的任一种。

更进一步地，所述CFRP加固件由多层CFRP板叠合而成，在所述锚具上对应设置有多层CFRP板的锚固接口。

基于前文描述的结构，本发明还提供了一种施工方法，其关键在于，包括以下步骤：

S1：将CFRP加固件两端分别通过端部固定机构安装在待加固结构件上；

S2：将第二转向机构安装在靠近端部固定机构的待加固结构件上，并确保CFRP加固件从转向块与待加固结构件之间的间隙穿过；

S3：按预定间距在两个端部固定机构之间设置支撑机构，在支撑机构与CFRP加固件之间放置第一转向机构，第一转向机构与支撑机构通过支撑螺杆连接；

S4：将预应力调节机构安装在第一转向机构的顶板上，并通过预应力调节机构调节第一转向机构的高度；

S5：通过限位螺母锁紧第一转向机构；

S6：拆除预应力调节机构。

更进一步地，步骤S3中连接第一转向机构和支撑机构后，在CFRP加固件与第一转向机构之间涂抹粘结胶。

更进一步地，所述待加固结构件为金属结构件、混凝土结构件、木质结构件、组合结构件中的任一种。

与现有技术相比，本发明的显著效果为：

1、本发明中仅利用一段CFRP加固件实现体外预应力加固，因此只需要在一段CFRP加固件的端部设置固定机构，不仅大量减少了施工所需的锚具数量，而且有利于简化张拉CFRP加固件的过程，在降低施工成本的同时提高了施工效率；

2、在预应力施加过程中，第一转向机构能够限制CFRP加固件在一定的曲率半径内弯折，从而避免CFRP加固件因过度弯折导致的破损甚至折断；

3、通过以千斤顶为主要装备的预应力调节机构横向施加预应力，一方面可以实现大吨位施工，另一方面施工速度快，省时省力，施工效率高；

4、通过预应力调节机构横向施加预应力，一方面预应力调节机构在张拉CFRP加固件至目标预应力后，通过限位螺母将第一转向机构锁紧于支撑螺杆上即可避免预应力损失；另一方面限位螺母在锁紧第一转向机构后可轻松拆除预应力调节机构，大幅降低了施工成本；

5、预应力施加完成后，通过端部固定机构作用在待加固结构件两端的斜向下拉力给其提供了抵抗荷载的负弯矩和抑制裂缝的轴向压力，同时由支撑座竖向传递的顶升力，起到了弹性支撑的作用，针对性地解决了待加固结构件跨中下挠的技术问题；

6、对CFRP加固材料施加预应力的过程中第二转向机构能够限制CFRP加固件的弯曲度，以有效应对因CFRP加固件相对锚具过分弯折引起的纵向应力集中，消除CFRP加固件端部的切口效应，从而避免造成CFRP加固件端部破坏，更适用于大吨位结构施工；同时，在针对大吨位施工时，CFRP加固件可采用多层CFRP板复合而成，配套对应锚具能够大幅提升加固效果；

7、锚具能够根据待加固结构件实际情况、CFRP材料的加固形式以及预应力施加大小等因素自由替换，从而提高了端部固定机构的通用性，应用范围更加广泛；

8、利用至少两个尺寸较大的支撑座与待加固结构件固接，能够增大待加固结构件的受力面积，分散竖向载荷，从而避免待加固结构件和/或支撑机构因局部受力不当而导致的变形或损坏；

9.端部固定系统更加简易，不仅有利于降低施工成本，而且能够保证结构的稳定性，有利于提升CFRP加固件的固定效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是实施例一中加固体系在张拉状态的结构示意图；

图2是图1中A部的局部放大图；

图3是实施例一中加固体系在施工完成后的结构示意图；

图4是图3中B部的局部放大图；

图5是实施例一中施工方法的流程图；

图中标号：1-待加固结构件、2-CFRP加固件、3-端部固定机构、4-支撑机构、41-支撑座、5-第一转向机构、6-支撑螺杆、7-限位螺母、8-预应力调节机构、9-第二转向机构、91-转向块、81-千斤顶、51-顶板、52-腹板、53-转向头、31-锚具。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

图1至图4示出了本发明的第一种实施例：一种下压式体外预应力CFRP材料加固体系，包括待加固结构件1以及CFRP加固件2，所述CFRP加固件2两端分别通过端部固定机构3与所述待加固结构件1相连，在所述待加固结构件1上设置有至少一个支撑机构4，所述支撑机构4包括支撑座41，所述支撑座41与所述CFRP加固件2之间设置有第一转向机构5，所述第一转向机构5与所述支撑座41通过支撑螺杆6连接，且在所述支撑螺杆6上还设置有限位螺母7，在所述第一转向机构5上还可拆卸式的设置有预应力调节机构8，所述预应力调节机构8用于调节所述第一转向机构5在所述支撑螺杆6上的高度。

如图1、图3和图4所示，为了缓解张拉过程中CFRP加固件2端部折角处的应力集中，靠近所述端部固定机构3还设置第二转向机构9，所述第二转向机构9包括转向块91，所述转向块91通过螺栓可拆卸式安装于所述待加固结构件1上，且在所述转向块91与所述待加固结构件1之间还预留有供CFRP加固件2穿过的间隙。

请参阅图2，具体实施时，所述预应力调节机构8包括千斤顶81，所述千斤顶81抵接于所述待加固结构件1与所述第一转向机构5之间。为了分散载荷的同时避免结构失稳，所述支撑座41至少设置有两个，所述预应力调节机构8位于所述支撑座41之间。作为优选，为了限制转向机构的滑移方向和增强结构稳定性，在每个支撑座41与转向机构之间分别设置有两根以上的支撑螺杆6。本实施方式中，在每个支撑座41与转向机构之间分别设置四根支撑螺杆6。

从图2可以看出，所述第一转向机构5包括顶板51、腹板52和转向头53，所述预应力调节机构8可拆卸式的设置在所述顶板51上，所述腹板52设置在所述顶板51的底部，所述转向头53设置在所述腹板52的底部。

如图4所示，所述端部固定机构3包括用于锚接CFRP加固件2的锚具31，所述锚具31通过螺栓可拆卸式安装在所述待加固结构件1上。

在本实施方式中，所述锚具31为平板锚、楔形锚或波形锚中的任一种。锚固形式可以采用粘结式锚固、夹片式锚固或摩擦式锚固中的一种或多种形式。作为优选，为了满足大吨位结构的施工要求，所述CFRP加固件2由多层CFRP板叠合而成，在所述锚具31上对应设置有多层CFRP板的锚固接口。可以理解的是，在实际应用时，为满足不同的施工要求，所述CFRP加固件2为CFRP板、CFRP索或CFRP网格中的一种或多种组合，例如CFRP板与CFRP网格复合、多根CFRP索缠绕、多层CFRP板等。

请参阅图5，基于上文描述的结构，本实施例还提供了一种施工方法，包括以下步骤：

S1：将CFRP加固件2两端分别通过端部固定机构3安装在待加固结构件1上；

S2：将第二转向机构9安装在靠近端部固定机构3的待加固结构件1上，并确保CFRP加固件2从转向块91与待加固结构件1之间的间隙穿过；

S3：按预定间距在两个端部固定机构3之间设置支撑机构4，在支撑机构4与CFRP加固件2之间放置第一转向机构5，第一转向机构5与支撑机构4通过支撑螺杆6连接；

S4：将预应力调节机构8安装在第一转向机构5的顶板51上，并通过预应力调节机构8调节第一转向机构5的高度；

S5：通过限位螺母7锁紧第一转向机构5；

S6：拆除预应力调节机构8。

具体实施时，为了提高体系的稳定性，步骤S3中连接第一转向机构5和支撑机构4后，在CFRP加固件2与第一转向机构5之间涂抹粘结胶。

可以理解的是，所述待加固结构件1为适于承受载荷的金属结构件、混凝土结构件、木质结构件或组合结构件中的任一种。

综上所述，本发明中仅利用一段CFRP加固件2实现体外预应力加固，因此只需要在一段CFRP加固件2的端部设置固定机构，不仅大量减少了施工所需的锚具31数量，而且有利于简化张拉CFRP加固件2的过程，在降低施工成本的同时提高了施工效率；在预应力施加过程中，第一转向机构5能够限制CFRP加固件2在一定的曲率半径内弯折，从而避免CFRP加固件2因过度弯折导致的破损甚至折断；通过以千斤顶81为主要装备的预应力调节机构8横向施加预应力，一方面可以实现大吨位施工，另一方面施工速度快，省时省力，施工效率高；通过预应力调节机构8横向施加预应力，一方面预应力调节机构8在张拉CFRP加固件2至目标预应力后，通过限位螺母7将第一转向机构5锁紧于支撑螺杆6上即可避免预应力损失；另一方面限位螺母7在锁紧第一转向机构5后可轻松拆除预应力调节机构8，大幅降低了施工成本；预应力施加完成后，通过端部固定机构3作用在待加固结构件1两端的斜向下拉力给其提供了抵抗荷载的负弯矩和抑制裂缝的轴向压力，同时由支撑座41竖向传递的顶升力，起到了弹性支撑的作用，针对性地解决了待加固结构件1跨中下挠的技术问题；对CFRP加固材料施加预应力的过程中第二转向机构9能够限制CFRP加固件2的弯曲度，以有效应对因CFRP加固件2相对锚具31过分弯折引起的纵向应力集中，消除CFRP加固件2端部的切口效应，从而避免造成CFRP加固件2端部破坏，更适用于大吨位结构施工；同时，在针对大吨位施工时，CFRP加固件2可采用多层CFRP板复合而成，配套对应锚具31能够大幅提升加固效果；锚具31能够根据待加固结构件1实际情况、CFRP材料的加固形式以及预应力施加大小等因素自由替换，从而提高了端部固定机构3的通用性，应用范围更加广泛；利用至少两个尺寸较大的支撑座41与待加固结构件1固接，能够增大待加固结构件1的受力面积，分散竖向载荷，从而避免待加固结构件1和/或支撑机构4因局部受力不当而导致的变形或损坏；端部固定系统更加简易，不仅有利于降低施工成本，而且能够保证结构的稳定性，有利于提升CFRP加固件2的固定效果。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种下压式体外预应力CFRP材料加固体系，包括待加固结构件以及CFRP加固件，其特征在于，所述CFRP加固件两端分别通过端部固定机构与所述待加固结构件相连，在所述待加固结构件上设置有至少一个支撑机构，所述支撑机构包括支撑座，所述支撑座与所述CFRP加固件之间设置有第一转向机构，所述第一转向机构与所述支撑座通过支撑螺杆连接，且在所述支撑螺杆上还设置有限位螺母，在所述第一转向机构上还可拆卸式的设置有预应力调节机构，所述预应力调节机构用于调节所述第一转向机构在所述支撑螺杆上的高度。

2.根据权利要求1所述的下压式体外预应力CFRP材料加固体系，其特征在于，靠近所述端部固定机构还设置第二转向机构，所述第二转向机构包括转向块，所述转向块通过螺栓可拆卸式安装于所述待加固结构件上，且在所述转向块与所述待加固结构件之间还预留有供CFRP加固件穿过的间隙。

3.根据权利要求2所述的下压式体外预应力CFRP材料加固体系，其特征在于，所述预应力调节机构包括千斤顶，所述千斤顶抵接于所述待加固结构件与所述第一转向机构之间。

4.根据权利要求1-3任一所述的下压式体外预应力CFRP材料加固体系，其特征在于，所述支撑座至少设置有两个，所述预应力调节机构位于所述支撑座之间。

5.根据权利要求1所述的下压式体外预应力CFRP材料加固体系，其特征在于，所述第一转向机构包括顶板、腹板和转向头，所述预应力调节机构可拆卸式的设置在所述顶板上，所述腹板设置在所述顶板的底部，所述转向头设置在所述腹板的底部。

6.根据权利要求5所述的下压式体外预应力CFRP材料加固体系，其特征在于，所述端部固定机构包括用于锚接CFRP加固件的锚具，所述锚具通过螺栓可拆卸式安装在所述待加固结构件上，所述CFRP加固件为CFRP板、CFRP索或CFRP网格中的一种或多种组合，所述锚具为平板锚、楔形锚或波形锚中的任一种。

7.根据权利要求5所述的下压式体外预应力CFRP材料加固体系，其特征在于，所述CFRP加固件由多层CFRP板叠合而成，在所述锚具上对应设置有多层CFRP板的锚固接口。

8.如权利要求2-7任一所述的下压式体外预应力CFRP材料加固体系的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将CFRP加固件两端分别通过端部固定机构安装在待加固结构件上；

S2：将第二转向机构安装在靠近端部固定机构的待加固结构件上，并确保CFRP加固件从转向块与待加固结构件之间的间隙穿过；

S3：按预定间距在两个端部固定机构之间设置支撑机构，在支撑机构与CFRP加固件之间放置第一转向机构，第一转向机构与支撑机构通过支撑螺杆连接；

S4：将预应力调节机构安装在第一转向机构的顶板上，并通过预应力调节机构调节第一转向机构的高度；

S5：通过限位螺母锁紧第一转向机构；

S6：拆除预应力调节机构。

9.根据权利要求8所述的施工方法，其特征在于，步骤S3中连接第一转向机构和支撑机构后，在CFRP加固件与第一转向机构之间涂抹粘结胶。

10.根据权利要求9所述的施工方法，其特征在于，所述待加固结构件为金属结构件、混凝土结构件、木质结构件、组合结构件中的任一种。

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