一種裝配式預應力碳纖維板張拉錨固體系及其錨固方法與流程

所屬領域

本發明屬于結構加固技術領域，適用于鋼結構及鋼-混凝土組合結構的加固設計和施工，涉及一種裝配式預應力碳纖維板張拉錨固體系及其錨固方法。

背景技術：

碳纖維材料是一種性能優異的輕質結構材料，最早應用于航天領域，目前在建筑土木結構的應用相當廣泛。作為加固材料，其技術指標已由直接外貼于結構表面的非預應力加固，發展為加固量大、材料利用率高的預應力加固。據文獻調研，現有預應力碳纖維加固技術的局限性在于僅針對混凝土結構進行加固，而對鋼結構或鋼-混凝土組合結構的系統研究極少，不僅沒有可應用于工程實踐的張拉錨固體系，也缺乏與之配套的施工工藝和理論基礎。

申請號為cn201620832372.5的實用新型專利涉及“一種預應力碳纖維張拉裝置”，該技術有以下特點：1.結構精巧，所需零件均采用標準化生產，質量可控、成本低廉；2.不依賴碳纖維專用結構膠黏結，可不中斷交通實現預應力碳纖維加固施工；3.其安裝方法僅適用于混凝土結構加固，對于鋼結構及鋼-混凝土組合結構加固則難以實現。標題為《用于加固鋼結構的碳纖維板張拉裝置的研制與試驗研究》的論文涉及一種用于加固鋼結構的碳纖維板張拉裝置，該技術具有以下特點：1.張拉裝置采用焊接的方式安裝在鋼結構表面，可實現在鋼結構不開槽和不鉆孔的前提下對碳纖維板進行張拉；2.錨具永久遺留在鋼結構上，不可拆除和重復利用，經濟效益低、實用價值不高。而針對上述問題，研究者亦未進行后續開發。

可靠的錨具是預應力加固技術的前提，錨具開發的不成熟阻礙了預應力碳纖維板加固技術在鋼結構領域的發展。而目前應用較多的粘貼鋼板加固法相較于碳纖維板加固法具有強度低、重量大、易腐蝕等諸多缺點。鋼結構橋梁在現代交通工程中占有重要比例，交通量的日益增大和車輛荷載等級的不斷提高，惡劣環境的影響導致鋼梁腐蝕，設計缺陷、偶然物理損傷、后期維護不當等因素都使得鋼結構加固的需求愈來愈多，可見其開發前景巨大。

技術實現要素：

技術問題：本發明的目的在于提供一種新型的加固鋼結構的預應力碳纖維板張拉錨固體系，同時解決以下技術問題：1.采用摩擦型高強螺栓實現錨固裝置與鋼結構之間的可靠連接，同時避免應力集中和局部屈曲；2.在錨具端部設置轉向塊，使碳纖維板與鋼梁表面密切貼合，形成有黏結加固，有利于結構整體受力；3.通過張拉裝置內部的楔形夾板實現對碳纖維板的夾持，基于機械摩阻原理，錨固效率高、預張拉力大；4.張拉錨固體系由零部件組合而成，裝配簡單，且當加固結束后易于拆分，進而重復利用，使成本大幅降低。

為解決上述技術問題，本發明提供一種裝配式預應力碳纖維板張拉錨固體系，包括張拉組件、1個張拉端錨具、2個錨固板和1個固定端錨具，張拉端錨具和固定端錨具分別將碳纖維板的兩端固定于需要加固的鋼梁上，錨固板包覆于碳纖維板上并與鋼梁預緊，一塊錨固板靠近張拉端錨具設置，另一塊靠近固定端錨具設置，張拉組件與張拉端錨具連接，張拉組件通過對張拉端錨具施加張拉力預張拉碳纖維板，碳纖維板預張拉完成后，錨固板通過鎖緊件將碳纖維板緊固于鋼梁上。

張拉組件包括外鎖緊螺母、穿心式千斤頂和內鎖緊螺母；張拉端錨具和固定端錨具結構相似，張拉端錨具包括反力架、螺紋桿、錨具蓋板、錨具底板和楔形夾板；錨具蓋板和錨具底板通過緊固件構成錨具外殼，楔形夾板嵌入錨具蓋板和錨具底板之間的楔形腔內，楔形夾板包括上、下兩塊夾板，兩塊夾板的內表面粗糙，外表面光滑，碳纖維板的端部夾持于兩塊夾板之間，錨具蓋板上設有螺紋通孔；反力架包括水平固定底板和兩道橫向反力板，兩道橫向反力板均開設有螺紋孔；反力架和錨具外殼均固定于鋼梁上，張拉端的螺紋桿依次穿過外鎖緊螺母、穿心式千斤頂、反力架的一道橫向反力板、內鎖緊螺母和反力架的另一道橫向反力板與錨具蓋板上的螺紋通孔連接，固定端的螺紋桿依次穿過內鎖緊螺母和反力架的一道橫向反力板與錨具蓋板上的螺紋通孔連接。

鋼梁上固定有用于限制錨具外殼橫向和豎向位移的錨具導軌座。

錨具外殼朝向錨固板一側設有矩形空腔，矩形空腔內通過銷子穿設有轉向塊，轉向塊的底面為光滑弧面。

銷子為端頭呈半球形的圓柱銷，銷子端頭分別嵌入錨具蓋板兩側的方形槽內，端頭的直徑與方形槽的邊寬相匹配，方形槽下方設有矩形的轉向塊壓板，轉向塊壓板通過螺栓固定在錨具蓋板上。

錨固板為平鋼板，兩側各帶有一列小直徑螺栓，錨固板的下端面設有與碳纖維板寬度相等的縱向淺槽，縱向淺槽朝向錨具殼體的一端設有弧形過渡面，底板朝向錨固板的一端設有過渡斜面。

反力架上還設有兩道縱向加勁板，兩道橫向反力板和兩道縱向加勁板圍成整體，且兩道縱向加勁板從水平固定底板的板頭延伸至板尾。

穿心式千斤頂與反力架的橫向反力板之間墊有球面墊圈i，內鎖緊螺母與反力架的橫向反力板之間墊有球面墊圈ii。

一種裝配式預應力碳纖維板張拉錨固體系的錨固方法，包括以下步驟：(1)根據加固量要求將碳纖維板裁剪至設計長度，將其與鋼梁的接觸區域打磨并涂膠，其兩端用砂布打磨粗糙；

(2)在鋼梁上放置好張拉端錨具和固定端錨具，碳纖維板的一端夾持于張拉端錨具內，另一端夾持于固定端錨具內，一塊錨固板靠近張拉端錨具設置，另一塊靠近固定端錨具設置，張拉組件固定于鋼梁上并與張拉端錨具連接；

(3)張拉組件對張拉端錨具施加張拉力預張拉碳纖維板，達到目標預應力后停止張拉，保持控制應力不變，并將預張拉力從張拉組件釋放并傳遞到張拉端錨具上；然后拆除張拉組件；

(4)鎖緊兩塊錨固板上的螺栓，使錨固板與碳纖維板密切貼合并壓緊于被加固鋼梁的表面，養護4-5天后，將碳纖維板沿錨固板外側的位置截斷，拆除張拉端錨具和固定端錨具。

一種裝配式預應力碳纖維板張拉錨固體系的錨固方法，包括以下步驟：

(1)根據加固量要求將碳纖維板裁剪至設計長度，其兩端用砂布打磨粗糙，將碳纖維板與鋼梁的接觸區域用砂紙打磨，清潔表面灰塵，并均勻涂覆一層專用環氧膠；

(2)在鋼梁翼緣板表面畫線，確定張拉組件、張拉端錨具、2個錨固板和固定端錨具的安裝位置，精確描出鉆孔的位置并進行鉆孔作業；

(3)用錨具蓋板將楔形夾板鎖止于錨具底板上，將碳纖維板的兩端分別夾于楔形夾板中，再將反力架的底部涂覆專用環氧膠，并固定在鋼梁上的相應位置處，同時將碳纖維板置于鋼梁上；2兩塊錨固板包覆于碳纖維板上，錨固板的底面涂覆專用環氧膠，并與鋼梁預緊，一塊錨固板靠近張拉端錨具，另一塊錨固板靠近固定端錨具；

(4)張拉端的螺紋桿依次穿過外鎖緊螺母、穿心式千斤頂、反力架的一道橫向反力板、內鎖緊螺母和反力架的另一道橫向反力板與錨具蓋板上的螺紋通孔連接，此時將外鎖緊螺母鎖死，但內鎖緊螺母保持松開狀態；固定端的螺紋桿依次穿過內鎖緊螺母和反力架的一道橫向反力板與錨具蓋板上的螺紋通孔連接，該端的內鎖緊螺母始終處于鎖死狀態；

(5)為穿心式千斤頂供油，實施碳纖維板的預張拉，觀察讀數使碳纖維板達到目標預應力后停止供油，保持控制應力不變，同時旋緊內鎖緊螺母，將預張拉力從穿心式千斤頂釋放并傳遞到反力架上，此后對穿心式千斤頂卸載并從鋼梁上拆除；

(6)旋緊錨固板上的螺栓，使錨固板與碳纖維板密切貼合并壓緊于被加固的鋼梁的表面，正常養護4-5天后，將碳纖維板沿錨固板外側的位置截斷，拆除張拉端錨具和固定端錨具，留下錨固板和碳纖維板，至此完成全部加固工作。

與現有技術相比，本發明的有益效果在于：

1.實現了碳纖維板錨具在鋼結構上的安裝、張拉和錨固，將纖維復合材料加固技術從傳統的混凝土結構領域拓展到了鋼結構和鋼-混凝土組合結構領域中。

2.整套張拉錨固體系作用原理清晰，傳力明確，能夠提供強大的預加力和可靠錨固，保證碳纖維板的錨固效率。錨具與碳纖維板之間的連接以機械夾持為主，質量性能穩定，安全、可靠、耐久。

3.本發明提出的張拉錨固體系為裝配式結構，構造簡單、安裝方便。加固完成后，張拉組件、張拉端錨具、固定端錨具均可從鋼結構上拆除，重復利用率高，便于工業化生產，工程應用價值高。

4.錨具尺寸小、張拉空間小，對于施工空間的要求較低。加固完成后，永久留在鋼結構上的僅有碳纖維板及2個錨固板，對于橋梁結構的下部凈空影響小，對于建筑結構的室內空間占據小。

5.張拉錨固體系與鋼結構之間采用摩擦型高強螺栓連接，螺栓孔徑和數量經優化，可避免因開孔造成截面削弱引起強度和穩定性問題，同時碳纖維板和鋼結構之間涂覆專用環氧膠，形成有黏結加固，有利于結構整體受力。

6.錨具內部設置的轉向塊，使碳纖維板從傾斜受拉平滑地過渡到水平受力狀態，使兩端錨固板范圍內的碳纖維板只承受水平拉力，同時縮小了碳纖維板與鋼結構的間隙，使二者表面密切貼合，節省專用環氧膠的使用量。

附圖說明

圖1是本發明實施例中的張拉錨固體系整體結構剖面圖；

圖2是圖1的俯視圖；

圖3是加固完成后的錨固板與碳纖維板示意圖；

圖4是張拉端/固定端錨具的蓋板結構圖；

圖4-1是蓋板剖面圖；

圖4-2是蓋板立面圖；

圖4-3是蓋板俯視圖；

圖5是張拉端/固定端錨具的底板結構圖；

圖5-1是底板剖面圖；

圖5-2是底板立面圖；

圖5-3是底板俯視圖；

圖6是反力架的結構圖；

圖6-1是反力架剖面圖；

圖6-2是反力架立面圖；

圖6-3是反力架俯視圖；

圖7是錨固板的結構圖；

圖7-1是錨固板剖面圖；

圖7-2是錨固板立面圖；

圖7-3是錨固板俯視圖；

圖中，1-鋼梁，2-外鎖緊螺母，3-穿心式千斤頂，4-球面墊圈i，5-內鎖緊螺母，6-球面墊圈ii，7-反力架，8-螺紋桿，9-錨具蓋板，10-錨具底板，11-楔形夾板，12-轉向塊，13-銷子，14-轉向塊壓板，15-錨固板，16-碳纖維板，17-固定端錨具，18-錨具導軌座。

具體實施方式

現在結合附圖對本發明作進一步詳細的說明。

如圖1-圖7所示，一種裝配式預應力碳纖維板張拉錨固體系，包括張拉組件、1個張拉端錨具、2個錨固板和1個固定端錨具，張拉端錨具和固定端錨具分別將碳纖維板的兩端固定于需要加固的鋼梁上，錨固板包覆于碳纖維板上并與鋼梁預緊，一塊錨固板靠近張拉端錨具設置，另一塊靠近固定端錨具設置，張拉組件與張拉端錨具連接，張拉組件通過對張拉端錨具施加張拉力預張拉碳纖維板，碳纖維板預張拉完成后，錨固板通過鎖緊件將碳纖維板緊固于鋼梁上。

張拉組件包括外鎖緊螺母、穿心式千斤頂和內鎖緊螺母；張拉端錨具和固定端錨具結構相似，張拉端錨具包括反力架、螺紋桿、錨具蓋板、錨具底板和楔形夾板；錨具蓋板和錨具底板通過緊固件構成錨具外殼，楔形夾板嵌入錨具蓋板和錨具底板之間的楔形腔內，楔形夾板包括上、下兩塊夾板，兩塊夾板的內表面粗糙，外表面光滑，碳纖維板的端部夾持于兩塊夾板之間，錨具蓋板上設有螺紋通孔；反力架包括水平固定底板和兩道橫向反力板，兩道橫向反力板均開設有螺紋孔；反力架固定于鋼梁上，張拉端的螺紋桿依次穿過外鎖緊螺母、穿心式千斤頂、反力架的一道橫向反力板、內鎖緊螺母和反力架的另一道橫向反力板與錨具蓋板上的螺紋通孔連接，固定端的螺紋桿依次穿過內鎖緊螺母和反力架的一道橫向反力板與錨具蓋板上的螺紋通孔連接。

鋼梁上固定有用于限制錨具外殼橫向和豎向位移的錨具導軌座。

錨具外殼朝向錨固板一側設有矩形空腔，矩形空腔內通過銷子穿設有轉向塊，轉向塊的底面為光滑弧面。

銷子為端頭呈半球形的圓柱銷，銷子端頭分別嵌入錨具蓋板兩側的方形槽內，端頭的直徑與方形槽的邊寬相匹配，方形槽下方設有矩形的轉向塊壓板，轉向塊壓板通過螺栓固定在錨具蓋板上。

錨固板為平鋼板，兩側各帶有一列小直徑螺栓，錨固板的下端面設有與碳纖維板寬度相等的縱向淺槽，縱向淺槽朝向錨具殼體的一端設有弧形過渡面，底板朝向錨固板的一端設有過渡斜面。

反力架上還設有兩道縱向加勁板，兩道橫向反力板和兩道縱向加勁板圍成整體，且兩道縱向加勁板從水平固定底板的板頭延伸至板尾。

穿心式千斤頂與反力架的橫向反力板之間墊有球面墊圈i，內鎖緊螺母與反力架的橫向反力板之間墊有球面墊圈ii。

一種裝配式預應力碳纖維板張拉錨固體系的錨固方法，包括以下步驟：(1)根據加固量要求將碳纖維板裁剪至設計長度，將其與鋼梁的接觸區域打磨并涂膠，其兩端用砂布打磨粗糙；

(2)在鋼梁上放置好張拉端錨具和固定端錨具，碳纖維板的一端夾持于張拉端錨具內，另一端夾持于固定端錨具內，一塊錨固板靠近張拉端錨具設置，另一塊靠近固定端錨具設置，張拉組件固定于鋼梁上并與張拉端錨具連接；

(3)張拉組件對張拉端錨具施加張拉力預張拉碳纖維板，達到目標預應力后停止張拉，保持控制應力不變，并將預張拉力從張拉組件釋放并傳遞到張拉端錨具上；然后拆除張拉組件；

(4)鎖緊兩塊錨固板，使錨固板與碳纖維板密切貼合并壓緊于被加固鋼梁的表面，養護4-5天后，將碳纖維板沿錨固板外側的位置截斷，拆除張拉端錨具和固定端錨具。

一種裝配式預應力碳纖維板張拉錨固體系的錨固方法，包括以下步驟：

(1)根據加固量要求將碳纖維板裁剪至設計長度，其兩端用砂布打磨粗糙，將碳纖維板與鋼梁的接觸區域用砂紙打磨，清潔表面灰塵，并均勻涂覆一層專用環氧膠；

(2)在鋼梁翼緣板表面畫線，確定張拉組件、張拉端錨具、2個錨固板和固定端錨具的安裝位置，精確描出鉆孔的位置并進行鉆孔作業；

(3)用錨具蓋板將楔形夾板鎖止于錨具底板上，將碳纖維板的兩端分別夾于楔形夾板中，再將反力架的底部涂覆專用環氧膠，并固定在鋼梁上的相應位置處，同時將碳纖維板置于鋼梁上；2兩塊錨固板包覆于碳纖維板上，錨固板的底面涂覆專用環氧膠，并與鋼梁預緊，一塊錨固板靠近張拉端錨具，另一塊錨固板靠近固定端錨具；

(4)張拉端的螺紋桿依次穿過外鎖緊螺母、穿心式千斤頂、反力架的一道橫向反力板、內鎖緊螺母和反力架的另一道橫向反力板與錨具蓋板上的螺紋通孔連接，此時將外鎖緊螺母鎖死，但內鎖緊螺母保持松開狀態；固定端的螺紋桿依次穿過內鎖緊螺母和反力架的一道橫向反力板與錨具蓋板上的螺紋通孔連接，該端的內鎖緊螺母始終處于鎖死狀態；

(5)為穿心式千斤頂供油，實施碳纖維板的預張拉，觀察讀數使碳纖維板達到目標預應力后停止供油，保持控制應力不變，同時旋緊內鎖緊螺母，將預張拉力從穿心式千斤頂釋放并傳遞到反力架上，此后對穿心式千斤頂卸載并從鋼梁上拆除；

(6)旋緊錨固板上的螺栓，使錨固板與碳纖維板密切貼合并壓緊于被加固的鋼梁的表面，正常養護4-5天后，將碳纖維板沿錨固板外側的位置截斷，拆除張拉端錨具和固定端錨具，留下錨固板和碳纖維板，至此完成全部加固工作。

實施例

本實施例的一種裝配式預應力碳纖維板張拉錨固體系及其錨固方法如圖所示，對工字鋼梁進行抗彎加固，以提高原構件的受彎承載能力。錨具的安裝位置在鋼梁1的下翼緣板。張拉錨固體系包括外鎖緊螺母2，穿心式千斤頂3，球面墊圈i-4，內鎖緊螺母5，球面墊圈ii-6，反力架7，螺紋桿8，錨具蓋板9，錨具底板10，楔形夾板11，轉向塊12，銷子13，轉向塊壓板14，錨固板15，碳纖維板16，以及錨具導軌座18。固定端錨具17與張拉端錨具的整體構造和配件名稱基本一致。

錨具蓋板9和底板10采用球墨鑄鐵精鑄成型，二者通過10個m10螺栓連接成整體，構成錨具外殼。楔形夾板11的斜面斜率采用0.03，安裝時注意楔形夾板11的外表面光滑，內表面帶齒紋以增大界面摩擦力。楔形夾板11內表面涂金剛砂，外表面涂蠟油。根據加固量要求將碳纖維板16裁剪至設計長度，其兩端用砂布打磨粗糙，并穿過楔形夾板11的通槽。

將銷子13穿過轉向塊12，兩端嵌入蓋板9兩側的方形槽。銷子13為端頭呈半球形的圓柱銷，半球端頭的直徑與方形槽邊寬相匹配。碳纖維板16從楔形夾板11伸出后抵在轉向塊12下緣的圓弧段，之后穿過錨固板15的淺槽。利用小型反力架和液壓千斤頂，將碳纖維板16的兩端壓入錨具并進行預緊。

在鋼梁翼緣板表面畫線，精確描出鉆孔的位置并進行鉆孔作業，鉆孔結束后清除鐵渣。用切割機把細螺紋筋切成預定長度，以便后續安裝錨具。切下的螺紋筋端頭帶有毛刺，要用切割機打磨平滑。調配專用環氧膠，各組分按規定比例調配，并攪拌均勻。將碳纖維板16與鋼梁1的接觸區域用砂紙打磨，并清潔表面灰塵。

反力架7底部涂專用環氧膠并進行安裝，將4個m20的螺母擰入旋緊。碳纖維板16底面均勻涂覆一層專用環氧膠。將錨具和錨具導軌座18安裝到被加固鋼梁1上，將2個m16的螺母擰入旋緊。安裝錨具和導軌座18的同時，碳纖維板16也隨之安裝到鋼梁1上。

螺紋桿8為m27高強螺紋桿。先將螺紋桿8依次套入反力架7、內鎖緊螺母5和球面墊圈ii-6，然后旋轉螺紋桿8套入蓋板9，最后套入穿心式千斤頂3和外鎖緊螺母2。此時將外鎖緊螺母2鎖死，但內鎖緊螺母5保持松開狀態。整個張拉過程中，球面墊圈起到約束集中力方向、使之不發生偏斜的作用。

錨固板15底面涂專用環氧膠并進行安裝，將12個m12的螺母擰入但不旋緊。操作螺母環節，若因螺桿滑絲難以擰入，可以用小型切割機切掉螺紋筋頭部；若因螺桿沾上專用環氧膠而手工難以旋緊，則借助套筒扳手旋緊。若專用環氧膠沾到皮膚上宜用酒精清洗。

為穿心式千斤頂3供油，實施碳纖維板16的預張拉。觀察讀數使碳纖維板16達到目標預應力后停止供油，保持控制應力不變，同時旋緊內鎖緊螺母5，將預張拉力從千斤頂3釋放并傳遞到反力架7上。此后對千斤頂3卸載并從被加固鋼梁1上拆除。

工作時碳纖維板16帶動楔形夾板11一起移動，使楔形夾板11擠壓錨具內壁，根據反作用原理，碳纖維板16也被楔形夾板11緊緊夾住，產生極大的摩擦力使之無法回縮。錨具主要依靠機械摩擦進行錨固，安全可靠，克服了傳統方法的錨固力小和耐久性差的問題。

將錨固板15上的12個m12固定螺栓旋緊，使錨固板15與碳纖維板16密切貼合并壓緊于被加固鋼梁1的表面。正常養護4-5天后，將碳纖維板16沿錨固板15外側的位置截斷，把錨具導軌座18和反力架7上的螺母全部松開，拆下錨具、反力架7和錨具導軌座18，留下錨固板15和碳纖維板16，至此完成全部加固工作。