CN117536143A - 一种抑制脆性破坏的frp加固装置及方法 - Google Patents

一种抑制脆性破坏的frp加固装置及方法 Download PDF

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马鹏程
魏琦安
孙晟之
徐向锋
孙孝衡
许皓
张栋
朱尧于
吕荣
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Shandong High Speed Construction Management Group Co ltd
Shandong Jiaotong University
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Shandong Expressway Mingdong Highway Co ltd
Shandong High Speed Construction Management Group Co ltd
Shandong Jiaotong University
CCCC Highway Long Bridge Construction National Engineering Research Center Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种抑制脆性破坏的FRP加固装置及方法，涉及梁加固修复领域，针对目前FRP板容易从混凝土上剥离导致加固失效的问题，通过扣件对FRP板施加主动压力增加FRP板与混凝土之间的摩擦，提高FRP利用率，还在FRP板端部安装释放机构，释放机构的夹具和弹性件共同对FRP板端部进行弹性约束，弹性释放FRP板端部的位移，减缓FRP板的脆性剥离破坏，有效提高FRP板和混凝土梁的延性。

Description

一种抑制脆性破坏的FRP加固装置及方法
技术领域
本发明涉及梁加固修复领域，具体涉及一种抑制脆性破坏的FRP加固装置及方法。
背景技术
现存的混凝土桥梁面临着复杂环境和多种荷载形式的影响，这些因素导致其服役性能日益不足，进而影响了桥梁的工作性能和服役寿命。为了解决这个问题，纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)作为一种轻质、高强且耐腐蚀的材料，被广泛应用于桥梁加固改造的领域。FRP可以通过外部粘贴的方式对桥梁进行加固，显著增强桥梁的服役性能。
然而，尽管外贴FRP增强了混凝土梁的承载性能，但FRP与混凝土的粘结面在服役过程中易发生过早剥离，导致混凝土梁发生脆性破坏。研究表明，外贴FRP在加固混凝土梁时利用率仅为20％左右。这意味着，尽管FRP被广泛用于加固桥梁，但其潜力并未得到充分发挥。
针对上述问题，现有技术中提出了几种抑制FRP过早剥离的方法和装置。这些方法包括使用特殊的粘结剂、加强FRP与混凝土之间的机械固定等。这些方法在一定程度上确实提高了FRP的利用率，但当FRP发生剥离时，混凝土梁仍会表现出脆性破坏，承载性能发生骤降，难以满足对混凝土梁服役过程中的加固需求。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种抑制脆性破坏的FRP加固装置及方法，通过扣件对FRP板施加主动压力增加FRP板与混凝土之间的摩擦，提高FRP利用率，还在FRP板端部安装释放机构，释放机构的夹具和弹性件共同对FRP板端部进行弹性约束，弹性释放FRP板端部的位移，减缓FRP板的脆性剥离破坏，有效提高FRP板和混凝土梁的延性。
本发明的第一目的是提供一种抑制脆性破坏的FRP加固装置，采用以下方案：
包括：
FRP板，贴附于混凝土梁底面；
扣件，压接于FRP板且两端延伸至FRP板外，扣件固定于混凝土梁底面；
释放机构，包括底座和夹具，底座上设有容纳夹具的限位滑槽，夹具连接FRP板端部，夹具沿限位滑槽的移动方向与FRP板受弯时端部的位移方向共线，夹具连接有轴线沿夹具移动方向布置的弹性件；FRP板两端分别安装有释放机构，夹具跟随FRP板的变形弹性释放FRP板的端部位移。
进一步地，所述底座呈凹字形，凹槽位置作为限位滑槽，FRP板越过限位凹槽一侧边沿连接夹具。
进一步地，所述夹具上设有延伸至夹具内的夹持部，夹持部沿FRP板的延伸方向布置，FRP板端部探入夹持部并固定。
进一步地，所述底座设有贯穿限位滑槽和夹具的导向杆，导向杆轴线与夹具移动方向平行。
进一步地，所述弹性件穿设在导向杆外，弹性件一端抵接于限位滑槽一侧壁，另一端抵接于夹具。
进一步地，所述底座上设有两根导向杆，导向杆间隔布置，每根导向杆外均分别穿设有弹性件。
进一步地，所述释放机构的底座固定于混凝土梁底面端部，限位滑槽的开口朝向混凝土梁底面的方向。
进一步地，所述扣件与FRP板呈正交状态，扣件沿FRP板长度方向上间隔布置有多个，FRP板粘贴于混凝土梁。
本发明的第二目的是提供一种如第一目的所述的抑制脆性破坏的FRP加固装置的加固方法，包括：
对FRP板安装位置的混凝土梁底面凿毛，定位扣件和释放机构的固定位置；
将FRP板安装于混凝土梁底面，安装扣件并固定；
于FRP板两端安装夹具，并将夹具分别安装于底座的限位滑槽，将底座固定于混凝土梁；
扣件、释放机构与FRP板协同受力，共同抵抗FRP板从混凝土梁的剥离。
进一步地，FRP板粘贴于混凝土梁底面，多个扣件间隔分布并分别连接于混凝土梁。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
(1)针对目前FRP板容易从混凝土上剥离导致加固失效的问题，通过扣件对FRP板施加主动压力增加FRP板与混凝土之间的摩擦，提高FRP利用率，还在FRP板端部安装释放机构，释放机构的夹具和弹性件共同对FRP板端部进行弹性约束，弹性释放FRP板端部的位移，减缓FRP板的脆性剥离破坏，有效提高FRP板和混凝土梁的延性。
(2)区别于现有的橡胶支座安装于外部结构，本申请中的释放机构安装于带加固的混凝土梁本体上，能够进行整体布置，减少对外部结构的依赖，抑制FRP的瞬间剥离，进一步提高了加固梁的延性，避免出现脆性破坏，不仅适用于大型桥梁中的板梁加固，还适用于中小型梁体加固。
(3)在提高加固梁承载力的同时，避免FRP加固梁发生脆性破坏，即避免承载力骤降，保持FRP板和混凝土梁之间在变形过程中的协同受力，提高加固梁的延性。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1和2中抑制脆性破坏的FRP加固装置的示意图。
图2为本发明实施例1和2中抑制脆性破坏的FRP加固装置的仰视图。
图3为本发明实施例1和2中抑制脆性破坏的FRP加固装置和现有加固方式的对比图。
其中，1.锚固螺栓，2.扣件，3.FRP板，4.弹性件，5.夹具，6.导向杆，7.混凝土梁，8.底座。
具体实施方式
实施例1
本发明的一个典型实施例中，如图1-图3所示，给出一种抑制脆性破坏的FRP加固装置。
如图3所示，3种不同加固方式下混凝土梁7的荷载-变形曲线来比较说明本发明的特点。
外贴FRP板3加固混凝土梁7在荷载增大的过程中FRP板3发生剥离，且一旦发生剥离就会迅速发展至端部，梁体达到极限荷载(O-A段)，FRP的使用效率低。
为抑制FRP板3的过早剥离，研究人员提出混合粘贴FRP板3加固(HB-FRP)技术，HB-FRP加固混凝土梁7是在外贴FRP板3的基础上布置钢扣板，通过主动施加预压力增大FRP板3与混凝土之间的摩擦，进而抑制FRP板3的过早剥离，提高FRP板3的利用率，荷载继续增加，直至FRP板3剥离至端部，梁体达到极限荷载，随后荷载发生骤降(A-B段)。
基于此，本实施例提供一种抑制脆性破坏的FRP加固装置及方法，在HB-FRP加固技术的基础上，在混凝土梁7端部布置释放机构，使用释放机构的夹具5将端部未粘贴的FRP板3夹紧，并通过弹性件4抵接夹具5来弹性抵抗夹具5的移动，当FRP板3剥离发展至端部时，FRP板3拉力通过夹具5传递到布置的弹性件4，通过弹性件4的变形弹性释放FRP板3端部的位移，从而抑制FRP板3的瞬间剥离，避免FRP板3的脆性剥离破坏，荷载不再发生骤降，继而转变为随着变形的增加而缓慢降低，即转变为延性破坏(B点之后)。
下面，结合实施例对抑制脆性破坏的FRP加固装置及方法进行详细说明。
参见图1，抑制脆性破坏的FRP加固装置包括FRP板3、扣件2和释放机构，三者均与待加固的混凝土梁7之间建立连接，FRP板3粘贴于混凝土梁7，扣件2和释放机构通过锚固螺栓1安装于混凝土梁7，同时，扣件2压接与FRP板3，释放机构连接于FRP板3的端部。
FRP板3贴附于混凝土梁7底面，与混凝土梁7共同受力，对混凝土梁7进行加固，提高混凝土梁7的受力性能。
本实施例中，FRP板3粘贴于混凝土梁7底面，混凝土梁7粘贴FRP板3的位置进行凿毛，通过碳板胶等粘结剂进行粘贴，养护至强度达标。
如图2所示，扣件2压接于FRP板3且两端延伸至FRP板3外，扣件2固定于混凝土梁7底面。
本实施例中，扣件2采用钢扣板，扣件2与FRP板3呈正交状态，扣件2沿FRP板3长度方向上间隔布置有多个，从多点位置对FRP板3进行施压，提高其协同受力。
另外，扣件2通过锚固螺栓1固定于混凝土梁7，在安装时，锚固螺栓1对应的安装孔预先开设，待FRP板3粘贴、扣件2布置后，安装锚固螺栓1并施加扭矩拧紧。
在其他可选的实施方式中，锚固螺栓1还可以采用倒锥螺栓、膨胀螺栓等紧固件，确保扣件2紧密固定在混凝土梁7上，同时能够对FRP板3稳定均匀施加压紧作用。
结合图1和图2，释放机构，包括底座8和夹具5，底座8上设有容纳夹具5的限位滑槽，夹具5连接FRP板3端部，夹具5沿限位滑槽的移动方向与FRP板3受弯时端部的位移方向共线，夹具5连接有轴线沿夹具5移动方向布置的弹性件4。
底座8呈凹字形，凹槽位置作为限位滑槽，FRP板3越过限位凹槽一侧边沿连接夹具5；夹具5上设有延伸至夹具5内的夹持部，夹持部沿FRP板3的延伸方向布置，FRP板3端部探入夹持部并固定。
可以理解的是，FRP板3受弯时其端部的位移并不一定是直线方向，还可能是变方向的，因此，夹具5能够跟随FRP板3端部移动，并能够通过弹性件4对夹具5施加弹性阻力，减缓FRP板3端部的位移过程。
为了避免夹具5在限位滑槽内移动时脱出，底座8设有贯穿限位滑槽和夹具5的导向杆6，导向杆6轴线与夹具5移动方向平行。
弹性件4穿设在导向杆6外，弹性件4一端抵接于限位滑槽一侧壁，另一端抵接于夹具5，对弹性件4的形变方向进行约束。弹性件4可以采用高韧性弹簧。
底座8上设有两根导向杆6，导向杆6间隔布置，每根导向杆6外均分别穿设有弹性件4，使夹具5的两侧能够均匀受力。
FRP板3两端分别安装有释放机构，夹具5跟随FRP板3的变形弹性释放FRP板3的端部位移。
释放机构的底座8固定于混凝土梁7底面端部，限位滑槽的开口朝向混凝土梁7底面的方向。
区别于现有技术中通过锚栓将工字钢固定在梁体底面提高其承载能力的方式，由于工字钢自重较大，同样影响了加固梁的承载力的提升，且该方法仅适用于大型桥梁结构。而本实施例中采用的FRP板3具有轻质高强的特点，消除了自重对承载力的影响，不仅提高加固梁的承载能力，还通过装置抑制FRP的瞬间剥离，进一步提高了加固梁的延性，避免出现脆性破坏，不仅适用于大型桥梁中的板梁加固，还适用于中小型梁体加固。
另外，区别于现有技术中对FRP进行张拉预应力的方案，本实施例中未对FRP板3进行张拉。张拉FRP多用于大型板梁的预应力加固，目的是抵消梁体的竖向变形量，从而提高梁体的承载力。本实施例中，主要目的是在提高加固梁承载力的同时，避免FRP板3形成的加固梁发生脆性破坏(即承载力骤降)，提高加固梁的延性，且适用于中小结构的梁体加固，适用范围广。
实施例2
本发明的另一典型实施方式中，如图1-图3所示，给出一种抑制脆性破坏的FRP加固装置的加固方法。
利用如实施例1中抑制脆性破坏的FRP加固装置，包括以下步骤：
对FRP板3安装位置的混凝土梁7底面凿毛，定位扣件2和释放机构的固定位置；
将FRP板3安装于混凝土梁7底面，安装扣件2并固定；
于FRP板3两端安装夹具5，并将夹具5分别安装于底座8的限位滑槽，将底座8固定于混凝土梁7；
扣件2、释放机构与FRP板3协同受力，共同抵抗FRP板3从混凝土梁7的剥离。
并且，FRP板3粘贴于混凝土梁7底面，多个扣件2间隔分布并分别连接于混凝土梁7。
本实施例中，结合图1-图3对抑制脆性破坏的FRP加固装置的加固方法进行详细说明。
加固方法包括：
步骤1：首先对FRP板3粘贴位置的混凝土梁7底面进行凿毛处理，定位锚固螺栓1植入的位置，使用电锤进行打孔。完成上述过程对凿毛界面和螺栓孔道进行清理，防止灰尘影响粘结强度。
步骤2：去除混凝土梁7端部需放置底座8位置的混凝土，并打磨平整，放置底座8、高韧性弹簧以及FRP板3的夹具5，并通过导向杆6将高韧性弹簧、底座8以及FRP板3的夹具5进行整体固定，进一步植入锚固螺栓1将底座8固定在混凝土梁7上。
步骤3：将化学粘结剂放入孔道，并进行锚固螺栓1的植入。对FRP板3即将粘贴的表面进行清理，清理完成后涂抹碳板胶进行FRP板3的粘贴，养护至强度达标。完成上述步骤后，通过锚固螺栓1位置安装扣件2，并拧上锚固螺栓1的螺母施加扭矩。
在碳板胶产生强度的过程中，需要在FRP板3上均匀布置重物，防止碳板回升而导致胶层出现气孔。施加扭矩时在扣件2两侧锚固螺栓1处均匀施加扭矩，避免FRP板3受力不均。
步骤4：完成上述步骤后，使用FRP板3的夹具5将FRP端部未粘贴部分夹紧，安装于底座8进行固定，完成加固。
本实施例中抑制FRP板3剥离与HB-FRP加固不同的是，当FRP板3剥离发展至混凝土梁7端部时，不会发生脆性破坏而导致荷载发生骤降，此时FRP板3受夹具5的约束作用，并通过夹具5将拉力传递至弹性件4位置，弹性件4受到FRP板3的拉力产生变形，FRP板3的剥离受到抑制，剥离速度降低，FRP板3将不会发生脆性破坏，梁体荷载由骤降转变为随梁体变形增大而缓慢下降。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种抑制脆性破坏的FRP加固装置，其特征在于，包括：
FRP板，贴附于混凝土梁底面；
扣件，压接于FRP板且两端延伸至FRP板外，扣件固定于混凝土梁底面；
释放机构，包括底座和夹具，底座上设有容纳夹具的限位滑槽，夹具连接FRP板端部，夹具沿限位滑槽的移动方向与FRP板受弯时端部的位移方向共线，夹具连接有轴线沿夹具移动方向布置的弹性件；FRP板两端分别安装有释放机构，夹具跟随FRP板的变形弹性释放FRP板的端部位移。
2.如权利要求1所述的抑制脆性破坏的FRP加固装置，其特征在于，所述底座呈凹字形，凹槽位置作为限位滑槽，FRP板越过限位凹槽一侧边沿连接夹具。
3.如权利要求2所述的抑制脆性破坏的FRP加固装置，其特征在于，所述夹具上设有延伸至夹具内的夹持部，夹持部沿FRP板的延伸方向布置，FRP板端部探入夹持部并固定。
4.如权利要求1所述的抑制脆性破坏的FRP加固装置，其特征在于，所述底座设有贯穿限位滑槽和夹具的导向杆，导向杆轴线与夹具移动方向平行。
5.如权利要求4所述的抑制脆性破坏的FRP加固装置，其特征在于，所述弹性件穿设在导向杆外，弹性件一端抵接于限位滑槽一侧壁，另一端抵接于夹具。
6.如权利要求5所述的抑制脆性破坏的FRP加固装置，其特征在于，所述底座上设有两根导向杆，导向杆间隔布置，每根导向杆外均分别穿设有弹性件。
7.如权利要求1所述的抑制脆性破坏的FRP加固装置，其特征在于，所述释放机构的底座固定于混凝土梁底面端部，限位滑槽的开口朝向混凝土梁底面的方向。
8.如权利要求1所述的抑制脆性破坏的FRP加固装置，其特征在于，所述扣件与FRP板呈正交状态，扣件沿FRP板长度方向上间隔布置有多个，FRP板粘贴于混凝土梁。
9.一种如权利要求1-8中任一项所述抑制脆性破坏的FRP加固装置的加固方法，其特征在于，包括：
对FRP板安装位置的混凝土梁底面凿毛，定位扣件和释放机构的固定位置；
将FRP板安装于混凝土梁底面，安装扣件并固定；
于FRP板两端安装夹具，并将夹具分别安装于底座的限位滑槽，将底座固定于混凝土梁；
扣件、释放机构与FRP板协同受力，共同抵抗FRP板从混凝土梁的剥离。
10.如权利要求9所述的抑制脆性破坏的FRP加固装置的加固方法，其特征在于，FRP板粘贴于混凝土梁底面，多个扣件间隔分布并分别连接于混凝土梁。
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