CN117822934A - 一种带锚固的体外粘贴frp加固混凝土结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种带锚固的体外粘贴FRP加固混凝土结构的方法，涉及建筑施工方法技术领域。本发明提供的一种带锚固的体外粘贴FRP加固混凝土结构的方法，分为抗弯加固和抗剪加固两种方式，同时提出了相应的加固设计方法，及其施工与安装方法，包括如下步骤：调配环氧树脂胶、制备FRP筋、开孔、打磨、注胶、装填、环氧树脂胶固化。运用FRP强度f f和修正模量E f的分析模型用于预测FRP加固梁的抗弯性能，同时对应剪力加固提出相对应的抗剪加固公式。通过本方案可用于修复现有的RC构件，提高RC构件抗弯和抗剪性能。
Description
技术领域
本发明涉及建筑施工方法技术领域，具体而言，涉及一种带锚固的体外粘贴FRP加固混凝土结构的方法。
背景技术
纤维增强聚合物（FRP）加固和修复是土木工程领域广泛使用的技术，用于提高钢筋混凝土（RC）结构的性能并延长其使用寿命。FRP可通过外部粘合(EB)纤维增强条或片材应用于RC结构，以增加其弯曲、剪切和扭转能力。尽管大量研究证明了这种方法在强度重量比高、耐腐蚀性好、安装方便快捷等方面的优点，但EBFRP的有效性受到FRP混凝土过早剥离的阻碍，损失高达60%的FRP强度。即EB法采用外贴工艺，因此破坏形式一般为FRP剥离破坏，故很难充分发挥FRP的抗拉强度，EB技术只能发挥其抗拉强度的40％-50％左右。
人们已经开发出几种锚固方法来逐渐转移FRP和混凝土之间界面的拉力，提供载荷转移替代方案，以最大限度地减少剥离的负面影响。有前景的锚固技术包括金属接头、FRP补片、FRP锚杆以及FRP补片和锚杆系统。例如，为了提高FRP的有效性，金属接头使用螺栓和板来固定其端部并延迟剥离失效。然而，这些金属系统通常需要采取进一步的措施来承受腐蚀影响并防止由于应力集中而导致FRP混凝土出现不利的剥离。同样，FRP也可以通过FRP补片和锚固件固定，但是除非补片受到良好的预应力，否则相应的锚固系统可能无法充分发挥FRP的抗拉强度。虽然传统的FRP锚杆可以显著提高强度，但锚杆容易失效，例如锚杆断裂和锚杆-FRP剥离，阻碍了抗拉强度的完全发挥。目前还出现了一种结合锚固件和补片的系统来优化FRP增强材料的利用率，然而，补片与锚杆的组合通常需要更多的玻璃钢和环氧材料，以及更复杂的安装工作，这阻碍了这种锚固技术的更广泛接受。此外，大多数锚固系统依靠环氧树脂粘合剂将拉力从钢筋传递到锚固件，该粘结剂极易受到环境影响，例如暴露于紫外线和反复冻融循环，这最终导致锚固系统的有效性降低。
FRP增强材料也可以使用NSM（近表面安装）技术安装在RC构件的近表面，从而提供额外的抗弯能力。与EB技术相比，NSM方法通常需要大量的环氧树脂来实现改进的粘合性能和更好地保护免受环境影响，同时在粘合基材上进行最少的安装前准备。现有技术利用具有90°弯曲锚固的FRP加固，以更充分地利用NSMFRP，同时最大限度地减少环氧树脂的消耗。此外，该技术不需要任何地表挖掘工作，这意味着安装过程更加简单，与传统的EB方法相比，该技术以最少的表面处理优化了FRP加固材料的利用。由于锚固是通过FRP加固的混凝土结构的弯曲部分进行的，因此也减少了对锚固件和加固件脱离的担忧。然而，采用该方式时，一方面，NSM方式需要在RC构件表面进行开槽，将FRP增强材料放入后还需要灌入大量的胶水或者环氧树脂胶，以将FRP增强材料与RC构件紧密贴合，从而提高抗拉强度，对于RC构件开槽不可避免地将影响整个RC构件的表面强度，同时大量的胶水使用也提高了建筑成本；另一方面，FRP的失效方式为FRP增强材料从RC表面剥离，因此难以充分发挥FRP的抗拉强度。即，现有的工艺对RC构件进行修复时，无法充分发挥FRP材料的特性，导致抗剪切和抗弯曲能力仍然有所不足。
发明内容
本发明公开了一种带锚固的体外粘贴FRP加固混凝土结构的方法，旨在通过确保材料的完全使用来优化FRP的利用率，从而产生以FRP破裂而不是剥离为特征的更好的失效机制。与现有的锚固技术相比，所提出的方法需要更少的表面处理和FRP材料，从而有利于更简易的安装过程。通过FRP筋的延伸部分实现锚固，可以减轻锚固与钢筋之间剥离造成的过早破坏，从而提高抗拉性能。并通过实验确定影响所提出技术有效性的关键参数，例如截面面积、嵌入深度和钢筋布置。开发了分析模型来预测FRP加固梁的弯曲行为，载荷-挠度预测与实验结果吻合良好，从而验证了模型。基于实验和数值研究，推导了方程来指导该方法的设计，以最大限度地提高FRP材料的利用率。所提出的方法可以有效地用于RC构件的弯曲和剪切修复，增强FRP加固的拉伸贡献，减少材料消耗并简化安装程序。
本发明采用了如下方案：
本申请提供了一种带锚固的体外粘贴FRP加固混凝土结构的方法，包括如下步骤：
S1、调配环氧树脂胶：采用S环氧树脂胶，将AB胶混合均匀；
S2、制备FRP筋：用环氧树脂胶将裁剪好的纤维布浸润，充分浸润后将纤维布进行多次沿宽度方向的对折，每次对折后反复压实，压出气泡以保证纤维布之间紧密贴合；然后裁剪一段铁丝，将铁丝的一端缠绕在FRP筋嵌入区的折叠中线处，另外一端末段拧成圆环状；接着在FRP筋的嵌入区中线处向上折叠，最后在内重叠区和嵌入区分割线处向下折叠；
S3、开孔：在混凝土结构的受拉面或抗剪面进行开孔，每两个孔对应一根FRP筋；
S4、打磨：对孔进行倒角打磨，同时对两孔之间需要粘结FRP筋的混凝土表面进行打磨。
S5、注胶：用调配好的环氧树脂胶将孔注满并在FRP筋经过位置的打磨后的混凝土表面抹上环氧树脂胶；
S6、装填：将制作好的FRP筋的中点与孔的中点对齐，握住铁丝的圆环端将FRP筋缓慢压进孔中，同时，在FRP筋的另一端进行相同操作，压入另一孔内，使FRP筋拉紧以保证成一条直线，直至将FRP筋压至孔底部；
S7、等待环氧树脂胶固化。
进一步地，在步骤S1中，调配环氧树脂胶时，将A胶和B胶体积配比为100：42混合，使用搅拌器并采用400-600RPM的转速搅拌五分钟，使A胶和B胶混合均匀。
进一步地，在步骤S3中，使用喷气将梁的打磨表面及孔内的灰尘清理干净。
进一步地，在步骤S4中，对孔内进行90°的倒角打磨，倒角尺寸R=13mm，同时对两孔之间需要粘结FRP筋的混凝土表面进行打磨。
进一步地，在步骤S5中，对两孔之间需要粘结FRP筋的打磨部分涂抹环氧树脂胶。
本发明还提供了一种带锚固的体外粘贴FRP加固混凝土结构的方法，当所述FRP筋设置在混凝土构件受拉面时，通过方程来计算确定FRP筋的所能提供的抗拉承载力，所述方程包括：
，
其中，a d为埋深折减系数，埋深120mm时，a d=1，埋深80～100mm时，a d=0.8；a n为钢筋布置折减系数，单钢筋a n=1，多钢筋a n=0.9；A f为截面积，建议小于32mm2；，f f是FRP的拉伸强度。；
通过方程来计算确定FRP筋所能够提供的抗弯曲挠度Δb和修正模量E f，所述方程包括：
，
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fela
其中，F c是混凝土上的压力，F s’是受压钢筋上的力，F s是受拉钢筋上的力，F f是FRP筋上的力，X是受压区混凝土的高度，ε c_x是受压区混凝土距离受压区边缘x的应变，b是受压区混凝土的等效宽度，a s’是受压钢筋合力点到截面受压区边缘的距离，E s是钢筋的弹性模量，A s’是受压钢筋的截面积，ε fapp是FRP筋在荷载P app作用下的应变，h是混凝土的高度，a s是受拉钢筋合力点到截面受拉区边缘的距离，A s是受拉钢筋的截面积，E f是FRP筋的弹性模量，A f是FRP筋的截面积，M c是受压区混凝土的压力到受拉钢筋合力点的力矩，M s’是受压钢筋到受拉钢筋合力点的力矩，M f是FRP筋到受拉钢筋合力点的力矩，P app是梁的跨中荷载，Δb是梁上第i截面处的弯曲挠度，L为梁跨度；L i为支架到梁上第i个截面的距离；Φ i是梁上第i个截面的曲率；E fela是名义弹性模量。
本发明还提供了另一种带锚固的体外粘贴FRP加固混凝土结构的方法，当所述FRP筋设置在混凝土构件抗剪面时，通过方程来计算确定FRP筋所能给提供的抗剪切能力，所述方程包括：
，
其中，为强度折减系数为0.75；d f为顶部锚杆至截面极拉力纤维的距离；s f是FRP筋的中心间距，范围为50mm至152mm；a d为埋深折减系数，埋深120mm时，a d=1，埋深80～100mm时，a d=0.8；A f为截面积，建议小于32mm2；f f是FRP的拉伸强度。
有益效果：
通过采用开孔的方式将FRP增强材料嵌入到构件的两侧，使FRP增强材料通过拉紧在构件上，与现有的方式相比，相较于EB技术，能完全地发挥出材料的抗拉强度，使FRP加固材料不易剥离破坏；相较于NSM技术能将FRP的抗拉强度充分发挥，同时减少环氧树脂胶的使用量，而且施工复杂程度有所降低。商品级FRP通常在制造过程中就被设计成所需的形状和尺寸，无法通过再折叠或弯曲来改变其形状。本发明方案可依据实际工况进行FRP形状和尺寸的设计及制作，并通过对FRP筋所能提供的抗剪力或者抗拉力来实现反向计算确定所需的截面积等参数，方便快速制作所需的FRP筋。通过本发明方案，可用于修复现有的RC构件，提高RC构件抗弯曲和抗剪切的能力。
附图说明
图1是本发明实施例一种带锚固的体外粘贴FRP加固混凝土结构的方法（抗剪加固）的加固位置的示意图；
图2是本发明实施例一种带锚固的体外粘贴FRP加固混凝土结构的方法（抗弯加固）的加固位置示意图；
图3是本发明实施例一种带锚固的体外粘贴FRP加固混凝土结构的方法制备FRP筋示意图；
图4是本发明实施例一种带锚固的体外粘贴FRP加固混凝土结构的方法（抗剪加固）的钻孔过程的示意图；
图5是本发明实施例一种带锚固的体外粘贴FRP加固混凝土结构的方法（抗剪加固）的打磨倒角过程的示意图；
图6是本发明实施例一种带锚固的体外粘贴FRP加固混凝土结构的方法（抗剪加固）的打磨表面的过程的示意图；
图7是本发明实施例一种带锚固的体外粘贴FRP加固混凝土结构的方法（抗剪加固）的插筋的示意图；
图8是本发明实施例一种带锚固的体外粘贴FRP加固混凝土结构的方法（抗弯加固）的钻孔过程的示意图；
图9是本发明实施例一种带锚固的体外粘贴FRP加固混凝土结构的方法（抗弯加固）的打磨倒角过程的示意图；
图10是本发明实施例一种带锚固的体外粘贴FRP加固混凝土结构的方法（抗弯加固）的打磨表面过程的示意图；
图11是本发明实施例一种带锚固的体外粘贴FRP加固混凝土结构的方法（抗弯加固）的插筋的示意图；
图12是本发明实施例一种带锚固的体外粘贴FRP加固混凝土结构的方法梁受力形式的示意图；
图标：构件1、孔2、倒角3、打磨表面部分4、FRP筋5。
具体实施方式
实施例1
结合图1至12所示，本实施例提供了一种带锚固的体外粘贴FRP加固混凝土结构的方法，包括如下步骤：
S1、调配环氧树脂胶：采用S环氧树脂胶，将AB胶混合均匀；
S2、制备FRP筋：用环氧树脂胶将裁剪好的纤维布浸润，充分浸润后将纤维布进行多次沿宽度方向的对折，每次对折后反复压实，压出气泡以保证纤维布之间紧密贴合；然后裁剪一段铁丝，将铁丝的一端缠绕在FRP筋嵌入区的折叠中线处，另外一端末段拧成圆环状；接着在FRP筋的嵌入区中线处向上折叠，最后在内重叠区和嵌入区分割线处向下折叠；
S3、开孔：在混凝土结构的受拉面或抗剪面进行开孔，每两个孔对应一根FRP筋；
S4、打磨：对孔进行倒角打磨，同时对两孔之间需要粘结FRP筋的混凝土表面进行打磨。
S5、注胶：用调配好的环氧树脂胶将孔注满并在FRP筋经过位置的打磨后的混凝土表面抹上环氧树脂胶；
S6、装填：将制作好的FRP筋的中点与孔的中点对齐，握住铁丝的圆环端将FRP筋缓慢压进孔中，同时，在FRP筋的另一端进行相同操作，压入另一孔内，使FRP筋拉紧以保证成一条直线，直至将FRP筋压至孔底部；
S7、等待环氧树脂胶固化。
上述工艺方法可以应用于工业或者民用建筑的梁、板、柱，及桥梁、隧道和涵洞的加固。本实施例中，所述构件1为混凝土机构,FRP筋5可以用于对不同构件1进行加固，也可以在同一构件1上同时进行抗弯加固和抗剪加固，通过该工艺方法，适用性广泛。上述实施例中，当用于提高抗拉能力时，则将FRP筋5设置在受拉面，例如构件1的底面，当用于提高抗剪能力时，则将FRP筋5设置在抗剪面，例如构件1的侧面，当然，可以同时在受拉面和抗剪面同时设置所述FRP筋5，以同时提高抗剪和抗拉能力。
结合图1至12所示，具体地，在步骤S1中，调配环氧树脂胶时，将A胶和B胶体积配比为100：42混合，使用搅拌器并采用400-600RPM的转速搅拌五分钟，使A胶和B胶混合均匀。
在步骤S2中，纤维布长度根据构件1的实际情况以及材料的变化可以进行调整。即，可以应用多重FRP筋5加固来防止不利的拉脱失效，从而为构件1带来更大的抗拉或者抗剪能力。
在步骤S3中，开孔后使用喷气将梁表面及孔2内的灰尘清理干净。在步骤S4中，对孔2内进行90°的倒角3打磨，倒角3尺寸R=13mm，同时对两孔2之间需要粘结FRP筋5的部分进行打磨，以提高胶水对构件1的粘性。这里可以设置有多组孔2，每组孔2均用于嵌入一条FRP筋5。这里若干条FRP筋5平行设置。本实施例中FRP筋5的锚固能力由横截面积、混凝土基底的嵌入深度和FRP筋5布置决定。
在步骤S5中，同时对两孔2之间需要粘结FRP筋5的部分涂抹环氧树脂胶。在步骤S7中，等待环氧树脂胶的固化，胶固化时间为1-2周。
相较于EB与NSM技术，本方案由于采用将FRP增强材料对折成筋条的方式，提高了FRP增强材料的抗拉和抗剪强度，再将FRP筋5拉紧固定在两孔2之间，使得FRP筋5从所述构件1上破坏时，破坏形式为被拉断或者被剪断，而不是剥离式的破坏，因此能完全地发挥出材料的抗拉强度，使FRP加固材料不易破坏；同时本发明实施例方案无需在现有的RC构件1上开槽，仅需开适量孔，简化了施工步骤，由于无需开槽，也无需向槽内灌胶，因而减少了环氧树脂胶的使用量，而且施工复杂程度有所降低。
实施例2
本实施例提供了一种带锚固的体外粘贴FRP加固混凝土结构的方法，当所述FRP筋5设置在混凝土构件1底面时，通过方程来计算确定FRP筋5的所能提供的抗拉承载力，所述方程包括：
FRP筋5的抗拉承载力按下式计算：
(1)
其中，a d为埋深折减系数，埋深120mm时，a d=1，埋深80～100mm时，a d=0.8；a n为钢筋布置折减系数，单钢筋a n=1，多钢筋a n=0.9；A f为截面积，建议小于32mm2；f f是FRP的拉伸强度，这里FRP的拉伸强度可以通过厂家提供的参数确定。这里通过该方程可以根据所需的抗拉承载力反向计算出所需的FRP筋5截面积的要求。
通过简支梁的平衡方程来计算确定FRP筋所能提供的抗弯曲挠度Δb和修正模量E f，所述方程包括：
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
其中，F c是混凝土上的压力，F s’是受压钢筋上的力，F s是受拉钢筋上的力，F f是FRP筋上的力，X是受压区混凝土的高度，ε c_x是受压区混凝土距离受压区边缘x的应变，b是受压区混凝土的等效宽度，a s’是受压钢筋合力点到截面受压区边缘的距离，E s是钢筋的弹性模量，A s’是受压钢筋的截面积，ε fapp是FRP筋在荷载P app作用下的应变，h是混凝土的高度，a s是受拉钢筋合力点到截面受拉区边缘的距离，A s是受拉钢筋的截面积，E f是FRP筋的弹性模量，A f是FRP筋的截面积，M c是受压区混凝土的压力到受拉钢筋合力点的力矩，M s’是受压钢筋到受拉钢筋合力点的力矩，M f是FRP筋到受拉钢筋合力点的力矩，P app是梁的跨中荷载，L i为支架到梁上第i个截面的距离。
通过上述方程来计算确定FRP筋所能提供的抗弯曲挠度Δb和修正模量E f，具体地，在第i截面处的弯曲挠度Δb可按下式确定：
(11)
(12)
其中，L为梁跨度；L i为支架到梁上的第i截面的距离；Φ i是梁上第i个截面的曲率；ε c_x是受压区混凝土距离受压区边缘x的应变；X是受压区混凝土的高度。
通过修正模量来描述FRP-混凝土界面的滑移，这里修正模量可由下式获得:
fela(13)
其中，E fela是名义弹性模量。
本实施例提出的方程(11)和修正后的模量方程(13)，可用于预测使用该技术进行构件1抗弯加固的挠度，并可以根据该方程反向计算出所需的中间参数。
实施例3
本发明实施例还提供了另一种带锚固的体外粘贴FRP加固混凝土结构的方法，当所述FRP筋5设置在混凝土构件1的侧面时，通过方程来计算确定FRP筋5所能给提供的抗剪切能力。本实施例中，可以应用以下方程来确定每个FRP筋5可以提供的剪切修复附加能力。
(14)
其中，为强度折减系数为0.75；d f为顶部锚杆至截面极拉力纤维的距离；s f是FRP筋5的中心间距，范围为50mm至152mm；a d为埋深折减系数，埋深120mm时，a d=1，埋深80～100mm时，a d=0.8；A f为截面积，建议小于32mm2；f f是FRP的拉伸强度。
通过上述方程公式以及计算方法可以获得使用该工艺进行FRP加固后，构件1的弯曲行为、剪切修复能力以及修正能力等。即使用本发明实施例所采用的工艺可用于为RC混凝土构件的弯曲和剪切修复提供额外的能力。
应当理解的是：以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。
上面对实施方式中所使用的附图介绍仅示出了本发明的某些实施例，不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
Claims (7)
1.一种带锚固的体外粘贴FRP加固混凝土结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、调配环氧树脂胶：采用S环氧树脂胶，将AB胶混合均匀；
S2、制备FRP筋：用环氧树脂胶将裁剪好的纤维布浸润，充分浸润后将纤维布进行多次沿宽度方向的对折，每次对折后反复压实，压出气泡以保证纤维布之间紧密贴合；然后裁剪一段铁丝，将铁丝的一端缠绕在FRP筋嵌入区的折叠中线处，另外一端末段拧成圆环状；接着在FRP筋的嵌入区中线处向上折叠，最后在内重叠区和嵌入区分割线处向下折叠；
S3、开孔：在混凝土结构的受拉面或抗剪面进行开孔，每两个孔对应一根FRP筋；
S4、打磨：对孔进行倒角打磨，同时对两孔之间需要粘结FRP筋的混凝土表面进行打磨。
S5、注胶：用调配好的环氧树脂胶将孔注满并在FRP筋经过位置的打磨后的混凝土表面抹上环氧树脂胶；
S6、装填：将制作好的FRP筋的中点与孔的中点对齐，握住铁丝的圆环端将FRP筋缓慢压进孔中，同时，在FRP筋的另一端进行相同操作，压入另一孔内，使FRP筋拉紧以保证成一条直线，直至将FRP筋压至孔底部；
S7、等待环氧树脂胶固化。
2.根据权利要求1所述的带锚固的体外粘贴FRP加固混凝土结构的方法，其特征在于，在步骤S1中，调配环氧树脂胶时，将A胶和B胶体积配比为100：42混合，使用搅拌器并采用400-600RPM的转速搅拌五分钟，使A胶和B胶混合均匀。
3.根据权利要求1所述的带锚固的体外粘贴FRP加固混凝土结构的方法，其特征在于，在步骤S3中，使用喷气将梁表面及孔内的灰尘清理干净。
4.根据权利要求1所述的带锚固的体外粘贴FRP加固混凝土结构的方法，其特征在于，在步骤S4中，对孔进行90°的倒角打磨，倒角尺寸为13mm；同时对两孔之间需要粘结FRP筋的混凝土表面进行打磨。
5.根据权利要求3所述的带锚固的体外粘贴FRP加固混凝土结构的方法，其特征在于，在步骤S5中，对两孔之间需要粘结FRP筋打磨后的表面涂抹环氧树脂胶。
6.一种带锚固的体外粘贴FRP加固混凝土结构的方法，其特征在于，当所述FRP筋设置在混凝土构件的受拉面时，通过方程来计算FRP筋所能提供的抗拉承载力以及FRP筋所能提供的抗弯曲挠度Δb和修正模量E f，；其中，抗拉承载力/>方程为：
其中，a d为埋深折减系数；a n为钢筋布置折减系数；A f为截面积；f f是FRP的拉伸强度；
抗弯曲挠度Δb和修正模量E f的方程为：
，
，
，
，
，
，
，
，
，
，
，
fela
其中，F c是混凝土上的压力，F s’是受压钢筋上的力，F s是受拉钢筋上的力，F f是FRP筋上的力，X是受压区混凝土的高度，ε c_x是受压区混凝土距离受压区边缘x的应变，b是受压区混凝土的等效宽度，a s’是受压钢筋合力点到截面受压区边缘的距离，E s是钢筋的弹性模量，A s’是受压钢筋的截面积，ε fapp是FRP筋在荷载P app作用下的应变，h是混凝土的高度，a s是受拉钢筋合力点到截面受拉区边缘的距离，A s是受拉钢筋的截面积，E f是FRP筋的弹性模量，A f是FRP筋的截面积，M c是受压区混凝土的压力到受拉钢筋合力点的力矩，M s’是受压钢筋到受拉钢筋合力点的力矩，M f是FRP筋到受拉钢筋合力点的力矩，P app是梁的跨中荷载，Δb是梁上第i截面处的弯曲挠度，L为梁跨度；L i为支架到梁上第i个截面的距离；Φ i是梁上第i个截面的曲率；E fela是名义弹性模量。
7.一种带锚固的体外粘贴FRP加固混凝土结构的方法，其特征在于，当所述FRP筋设置在混凝土构件抗剪面时，通过方程来计算确定FRP筋所能给提供的抗剪切能力，所述方程包括：
其中，为强度折减系数；d f为顶部锚杆至截面极拉力纤维的距离；s f是FRP筋的中心间距；a d为埋深折减系数；A f为截面积；f f是FRP的拉伸强度。
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