新型机具在预应力碳纤维布加固中的应用研究

王东海，安月兰 ，邢文强

（1.济宁市水利工程施工公司，山东 济宁 272000；2.济宁市黄淮水利勘测设计院，山东 济宁 272019）

1 概 述

相对于非预应力碳纤维布（CFRP）加固混凝土构件，采用预应力CFRP加固可以进一步提高构件的使用性能，减少变形，延缓裂缝的发生，有效减小裂缝开展宽度，提高构件抵抗疲劳荷载的能力，减少构件内钢筋的应变，更加有效地利用混凝土和碳纤维增强复合材料（CFRP），进一步提高受弯极限承载能力，降低早期破坏风险。

在锚固方面，已有的一些预应力张拉与锚固设备中，通常是用一些机械装置千斤顶等将碳纤维片材张拉，然后用U形钢箍进行锚固，等碳纤维片材与混凝土梁充分固结后再将两端片材剪断，将机械装置卸去，这种加固方式存着操作较麻烦、需要设施较多的缺点；目前在加固工程中广泛使用的U形锚固和钢压条锚固，加固后的碳纤维布容易发生剥离破坏，其材料的高强性能很难充分发挥，使加固的效果大大降低。因此设计开发一种合理新型的张拉与锚固于一体的机具十分必要。

在分析现有文献及目前国内外已经开发出的几种用于混凝土梁抗弯加固碳纤维预应力体系的基础上，笔者面向实际工程应用，针对碳纤维布施加预应力施工和应用特点自行研制开发了具有较大实用价值的新型体外旋转 “拉锚一体化”后张法张拉设备和施工技术。

2 机具构造与技术特点

该装置采用Q235钢板，两侧及顶部钢板厚18mm,在一侧顶部钢板下端有一移动钢板，厚度也是18mm。这两块钢板在各自两侧开一纵向槽，保证钢板前后移动，根据混凝土梁的宽度进行前后自由调节，带动两侧的坚向钢板移动，使之达到适合的位置，满足梁底宽度需要。最后顶部两块钢板用Φ16的螺栓固定结实。侧面的钢板，每块钢板两侧各留4个Φ8小孔，用于螺栓固定。加固时，把混凝土两侧钢板上的16个Φ8螺栓通过扳手拧进，将其嵌入混凝土梁中，达到固定锚具的目的。在锚具的上侧，两侧钢板中间预留Φ28圆孔，圆孔正上端预留小孔，直通钢板顶端。该锚具转轴为Φ25的高强钢辊，通过一侧的扭力扳手让钢辊在两侧Φ28圆孔中自由转动，这样就对缠绕在上边的碳纤维布施加了预应力，等定量施加完预应力后，从两侧圆孔顶端预留的小孔中插入钢销，将高强钢辊固定住。即同时将拉紧后的碳纤维布直接锚固于张拉装置，张拉装置不拆除，同时具有对碳纤维布的张拉与锚固功能。下面是该装置的结构示意图：

图1 新型机具整体纵向侧面图

图2 新型机具俯视图

图3 侧面剖视图

其主要施工工艺为：在混凝土梁上通过扳手将锚具上的螺栓固定在混凝土梁上即可。将该装置固定结实后，然后利用该锚具的转轴可以自由旋转，将碳纤维布缠在上边，通过扭力扳手在一侧旋转锚具转轴，达到给碳纤维布施加预应力的要求；同时将拉紧后的碳纤维布直接锚固于张拉装置，张拉装置不拆除，同时具有对碳纤维布的张拉与锚固功能。

3 机具用于碳纤维布施加预应力的试验

试验设计5根无腹筋混凝土梁，混凝土设计强度为 C35，各梁配筋情况相同，均配置2Φ18纵筋，钢筋级别为 HRP335，剪跨比 λ＝2.27，经验算不会先发生正截面破坏现象，各梁配筋及加固情况如图4～8（单位mm）所示：

图4 L2U形CFRP加固示意图

图5 L3斜贴CFRP加固示意图

图6 L4底部预应力CFRP加固示意图

图7 L5底部预应力CFRP复合加固示意图

本次试验L2和L5的加固采用体外预应力方式加固，加固长度为1850mm,锚固点设在支座外侧125mm处。L3和L4加固方式中所用CFRP其宽度及间距均相等。各梁具体加固对比情况如表1所示。

表1 各梁加固情况一览表

试验所用碳纤维布采用日本东丽公司生产的UT70—20，单位重量 200g，厚度为 0.111mm，实测抗拉强度4000MPa，延伸率1.9%，弹性模量2.3GPa。粘贴碳纤维用粘结胶采用北京锦虹世纪科技有限公司生产的JH-粘碳胶，经测定粘接抗拉强度不小于3.0MPa。

表2 抗剪承载力试验结果表

通过表格中原梁的试验数据，分别对表1数据进行横向和纵向的对比。对于提高开裂荷载最有效的加固方式为碳纤维布45°斜贴和使用预应力与U形粘贴复合加固的方式，这两种方法可以有效的，大副度的提高混凝土梁的开裂荷载，其次为碳纤维布的U形粘贴，端部锚固方式；而仅在混凝土梁底部施加预应力加固对混凝土梁斜截面的开裂荷载提高并不明显。对于混凝土梁斜截面极限抗剪承载力的提高，使用预应力与U形粘贴复合加固的方式最为明显，其次是仅在梁底部施加预应力加固的方式，然后分别是碳纤维布的斜贴和U形粘贴加固方式。分析数据可以看出，在梁底端仅用预应力碳纤维布加固，对提高无腹筋混凝土梁的抗剪开裂荷载并不明显，可以大幅度的提高梁的极限抗剪承载力；采用预应力碳纤维布与U形箍复合加固的方式能够大幅度提高无腹筋混凝土梁的抗剪开裂荷载和极限荷载；45°斜贴的加固方式在对提高混凝土梁的贡献中优于U形箍粘贴的方式。分析试验终止荷载，L4和L5使用预应力加固，最终的破坏方式，两者均未发生底部预应力碳纤维布的剪断、剥离现象，证明了本次试验所用新型机具能满足试验要求。说明旋转式张拉与锚固机具在加固试验中起到了良好的效果。

4 结 语

与目前国内外已经开发出的几种CFRP布预应力机具和技术相比，该后张法技术及机具主要特点有：采用螺栓固定在混凝凝土梁的两侧且各部件在张拉过程中已完成受力和变形，因此后张法施加预应力较先张法预应力效果更好；无需大型专用张拉设备和专用锚具，机具小巧且具有张拉与锚固双重功能，固定简便牢靠；机具构造简单，制作加工容易，质量较轻且造价低；该锚具体积小，施加预应力简单方便，省去了机械设施施加预应力的不便，同时降低了工程加固的成本；张拉效率高，张拉施工仅需扭转钢辊即可，简单方便，张拉力大小可灵活调节和控制；对碳纤维布锚固牢靠，加固效果好，相比U形箍锚固，这种锚固效果不会提前发生剥离破坏，能充分发挥碳纤维布材料高强的性能，纤维布的预应力损失小、松驰小；使用这种锚具进行预应力碳纤维布加固，可以减少碳纤维布的用量。通过试验证明，碳纤维布的强度利用率能提高到100%，远高于普通碳纤布的加固方法。

该锚具应用领域广泛，具有较高的实用和推广价值，且可以重复推广使用。其加固面可以为平面，也可以为曲面或复杂面。如压力管道、隧洞、渡槽、闸门、闸墩等结构截面为圆形或复杂曲线形，结构的修补面为曲面，经常处于水中，普通预应力碳纤维加固方法无法实施，而采用此项技术进行修补加固则简单易行。

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