一种预应力FRP片材抗剪加固混凝土梁实验装置的制作方法

技术领域

本发明属于土木工程、建筑工程、公路工程和市政工程领域，涉及一种预应力FRP片材抗剪加固混凝土梁实验装置。

背景技术：

预应力混凝土T型截面梁（T梁）和预应力混凝土箱型截面梁（箱梁）是建筑结构、桥梁结构中常用的混凝土梁。近年来，由于超载、自然环境作用及材料性能的裂化，公路桥梁中T梁和箱梁的腹板常常出现斜裂缝，需要对其补强加固。

T梁和箱梁的传统加固方法主要有增大断面法、粘贴钢板法、体外预应力法、转换体系法等。但是上述加固方法存在以下不足之处： 1) 无法快速修复受损混凝土梁，如体外预应力法的张拉锚固装置复杂，增大截面法需要植钢筋、支模板、浇筑混凝土等。2) 钢板易于腐蚀，严重地影响界面粘结性能。3) 对混凝土梁的自重增加较大。近年由于纤维增强聚合物（Fiber Reinforced Polymer, 简称“FRP”）复合材料具有轻质高强、耐腐蚀、施工便捷等特性，利用外贴FRP片材加固混凝土梁在世界大多数国家得到广泛应用，基于FRP材料开发混凝土结构的各种新型加固技术的研究亦成为结构工程研究领域的热点之一。外贴FRP片材加固技术，即使用胶粘剂（多为环氧树脂）将FRP片材粘贴在混凝土梁的底部或侧面，用于混凝土梁的抗弯、抗剪加固；或者将纤维布包裹于混凝土柱表面，用于提高柱的承载力和延性。

尽管存在前述的优点，外贴普通FRP片材加固混凝土结构技术在工程应用中仍面临一些无法回避的重要问题：1）FRP片材的强度利用率低；2）不能限制混凝土梁斜裂缝的开展；3）混凝土梁的刚度不能有效地提升，严重地影响混凝土梁的正常使用性能。为此，一些学者提出对普通FRP片材施加预应力，形成预应力FRP片材加固技术，可以充分发挥FRP片材轻质高强的特性，延缓构件开裂、限制裂缝开展，有效改善混凝土梁正常使用性能。

在公开号为CN102425311B的专利文件中，公开了一种基于表层嵌贴预应力FRP板条的加固方法。该方法是在待加固混凝土结构上开一道槽，安装FRP板条的张拉机具和FRP板条夹具，张拉FRP板条后将其放入槽中，填充粘结剂，待粘结剂固化后，拆除张拉装置，从而获得预应力。该项发明专利中尽管给出了施加预应力的方法，但是没有说明如何锚固和张拉FRP板条。

在公开号为CN102304958A的专利文件中，公开了一种表层嵌贴加固混凝土结构用纤维板条的预应力夹具，包括夹具外框、夹具压条、顶推螺栓。通过顶推螺栓使夹具压条紧紧压住纤维板条，起到锚固作用。该公开专利中涉及的锚固方法预先要在梁底开槽，对混凝土梁的损伤较大，仅涉及到混凝土梁的抗弯加固。

在公开号为CN105178515A的专利文件中，公开了一种内置锚具式预应力FRP筋张拉锚固装置，包括钢套管、粘结材料、螺杆、螺母、环形钢垫片和圆形锚环。该装置是将FRP筋的两端分别插入位于张拉端和锚固端处的钢套管内，用粘结材料固定，在张拉端钢套管的封闭端焊接一段螺杆，使螺杆穿过张拉端的圆形锚环壁，在圆形锚环内安装与螺杆配套的环形钢垫片和螺母，将固定端钢套管的封闭端穿过锚固端的圆形锚环的环壁，并与圆形锚环焊接在一起。该装置适用于FRP筋的张拉锚固，用于混凝土梁的抗弯加固，没有涉及到混凝土梁的抗剪加固。

在公开号为CN101736912B的专利文件中，公开了一种预应力纤维布外粘贴的锚固方法。该锚固方法为：用树脂将预应力FRP片材与混凝土粘结成一整体，待树脂加热固化后放张预应力，在端部对预应力FRP片材锚固端采取一定措施，释放或者部分释放预应力FRP片材锚固端部的预应力，达到消除或者减少端部应力集中的目的。该项专利中仅涉及预应力FRP片材端部锚固，没有涉及预应力FRP片材的张拉、锚固整套装置。

在公开号为CN10173252A的专利文件中，公开了一种混凝土梁预应力FRP布材的加固装置。该装置是在FRP布材端部设置三面带有钢板的壳体，壳体的两侧开有滑槽。滑槽内穿入带拉杆的加力螺杆，将FRP布材缠绕到加力螺杆上，通过滑槽内拉杆的移动对FRP布材施加预应力。虽然该装置可以对FRP布材施加预应力，但是没有涉及到混凝土梁的抗剪加固 。

在公开号为CN105839936A的专利文件中，公开了一种预应力FRP网格的张拉锚固装置，包括下衬板、上压板及紧固连接件。该装置的工作原理是将FRP网格嵌入到刻有横向、纵向凹槽的下衬板中，将带有对应位置突肋的上压板压紧，并用紧固连接件连接，使FRP网格锚固在梁体上。但该装置的没有涉及混凝土梁的抗剪加固。

综上所述，现有公开文献中，大多涉及FRP筋的张拉、锚固装置， FRP筋与FRP片材在几何构型、材料、物理、力学性能等方面完全不同，因而不能直接将FRP筋的张拉、锚固装置应用于FRP片材。此外，也未见涉及预应力FRP片材抗剪加固混凝土梁的实验装置。

技术实现要素：

技术问题：本发明提供一种制作简单、安装快速、便利，可以重复使用的预应力FRP片材抗剪加固混凝土梁实验装置。

技术方案：本发明的预应力FRP片材抗剪加固混凝土梁实验装置，包括混凝土梁、正对所述混凝土梁腹板一侧的张拉台座、设置在混凝土梁翼缘板和腹板交接处的转向装置、设置在混凝土梁腹板底端的FRP片材前端部锚固装置、设置在混凝土梁腹板中部的FRP片材中部钢压条、设置在混凝土梁翼缘板外端下侧的FRP片材后端锚固装置、设置安装在混凝土梁腹板侧面的限位装置和稳定装置、横向固定在所述张拉台座上的千斤顶、位于所述千斤顶两侧的张拉端前钢板和张拉端后钢板、穿过所述张拉端前钢板和张拉端后钢板的螺杆、设置在螺杆邻近混凝土梁一端的 FRP片材张拉端夹具。

本发明的优选方案中，所述转向装置包括嵌入到混凝土梁保护层中的内转向块、分别通过螺栓固定在所述内转向块两端的外转向块，所述螺栓穿过内转向块和外转向块后用螺帽拧紧。

本发明的优选方案中，所述FRP片材前端锚固装置、FRP片材中部钢压条和FRP片材后端锚固装置结构相同，均包括嵌入到混凝土梁保护层中的内垫板，外压板和膨胀螺栓，所述膨胀螺栓穿过内垫板和外压板后用螺帽拧紧。

本发明的优选方案中，所述限位装置包括前钢板、斜支撑、底钢板构成的三角架、设置在所述前钢板外侧的橡胶垫板，用于调整混凝土梁的位置，所述限位装置在底钢板处使用地脚螺栓锚固在地面。

本发明的优选方案中，所述FRP片材张拉端夹具包括上T型夹片和通过螺栓与上T型夹片连接的下T型夹片，所述上T型夹片和下T型夹片夹紧FRP片材。

本发明的优选方案中，所述螺杆穿过上T型夹片和下T型夹片上的圆孔，使用外限位螺帽拧紧、限位。

本发明的优选方案中，所述稳定装置包括上插耳式锚固装置、下插耳式锚固装置、连接所述上插耳式锚固装置和下插耳式锚固装置的斜杆、套在所述斜杆上的连接套筒和设置在所述下插耳式锚固装置上的锚固螺栓，所述斜杆两端通过插销分别与上插耳式锚固装置和下插耳式锚固装置安装连接。

本发明的优选方案中，所述上插耳式锚固装置和下插耳式锚固装置结构相同，均包括锚固底钢板和设置在所述锚固底钢板上的带圆孔的插耳。

本发明提供的实验装置可以对FRP片材施加预应力后粘贴到混凝土梁侧面，起到抗剪加固的作用；本发明提供的实验装置适用面广泛，不仅可以用于混凝土梁、钢梁，而且可以适用于不同截面形式的梁抗剪加固。本发明实验装置施工便利、操作简单易行，可以有效地对FRP片材施加预应力，发挥FRP片材高强的特性，改善被加固梁的使用性能。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.实现预应力FRP片材抗剪加固混凝土梁

现有专利文件和相关文献公开的预应力FRP张拉、锚固装置中多涉预应力FRP筋的张拉、锚固装置，现有FRP片材或者FRP网格的张拉、锚固装置工作原理与本发明中的实验装置完全不同，也未见涉及预应力FRP片材抗剪加固混凝土梁实验装置的公开文献。

本发明设计的预应力FRP片材抗剪加固混凝土实验装置，按照设计要求加工组装好后，可以快速地安装，对FRP片材施加预应力并锚固在梁体侧面，实现混凝土梁的抗剪加固。

2.施工方便、可重复利用

在公开号为CN101736912B的专利文件中，公开了一种预应力纤维布外粘贴的锚固方法。该锚固方法为：用树脂将预应力FRP片材与混凝土粘结成一整体，待树脂加热固化后放张预应力，在端部对预应力FRP片材锚固端采取一定措施，释放或者部分释放预应力FRP片材锚固端部的预应力，达到消除或者减少端部应力集中的目的。该项专利中仅涉及预应力FRP片材端部锚固，没有涉及预应力FRP片材的张拉、锚固整套装置。

在公开号为CN10173252A的专利文件中，公开了一种混凝土梁预应力FRP布材的加固装置。该装置是在FRP布材端部设置三面带有钢板的壳体，壳体的两侧开有滑槽。滑槽内穿入带拉杆的加力螺杆，将FRP布材缠绕到加力螺杆上，通过滑槽内拉杆的移动对FRP布材施加预应力。虽然该装置可以对FRP布材施加预应力，但是其工作原理与本发明中的装置完全不同。

在公开号为CN105839936A的专利文件中，公开了一种预应力FRP网格的张拉锚固装置，包括下衬板、上压板及紧固连接件。该装置的工作原理是将FRP网格嵌入到刻有横向、纵向凹槽的下衬板中，将带有对应位置突肋的上压板压紧，并用紧固连接件连接，使FRP网格锚固在梁体上。显然，该装置的工作原理与本发明中的装置完全不同。

以上专利文件中公开的FRP片材或FRP网格张拉、锚固装置工作原理与本发明中的实验装置完全不同。本发明中的预应力FRP片材抗剪加固实验装置制作简单、安装快速、便利。施工结束后，可将整套装置卸掉，重复使用，节约材料。

3.适用范围广泛

本发明不需要特殊设备，占用空间较小，节约施工成本。本发明应用范围广泛，不仅可以用于混凝土梁和钢梁，而且可以适用于不同截面形式（矩形、T型、箱型）的混凝土梁或钢梁的抗剪加固。

附图说明

图1为本发明实验装置示意图，其中图1a为侧视示意图，图1b为俯视示意图，图1c为正视示意图；

图2为本发明实验装置中FRP片材转向装置示意图；

图3为本发明实验装置中FRP片材前端部锚固装置、FRP片材中部钢压条和FRP片材后端锚固装置装置示意图；

图4为本发明实验装置中混凝土梁限位装置示意图，其中图4a为侧视示意图，图4b为正视示意图；

图5为本发明实验装置中混凝土梁稳定装置示意图，其中图5a为侧视示意图，图5b为正视示意图；

图6为本发明实验装置中插耳式锚固装置示意图，其中6a为侧视示意图，图6b为正视示意图；

图7为本发明实验装置中FRP片材张拉端夹具示意图，其中7a为侧视示意图，图7b为俯视示意图，7c为正视示意图。

图中：1为混凝土梁；2为转向装置；3为FRP片材前端锚固装置；4为FRP片材后端锚固装置；5为FRP片材中部压条；6为限位装置；7为稳定装置；8为地脚螺栓；9为FRP片材；10为FRP片材张拉端夹具；11为螺杆；12为前钢板；13为后钢板；14为千斤顶；15为中限位螺帽；16为外锚固螺帽；17为千斤顶支撑；18为聚四氟乙烯板；19为张拉台座；20为内转向块；21为外转向块；22为螺栓；23为内垫板；24为外压板；25为膨胀螺栓；26为前钢板；27为斜支撑；28为底钢板；29为橡胶垫板；30为上T型夹片；31为下T型夹片；32为圆孔；33为外限位螺帽；34为上插耳式锚固装置；35为下插耳式锚固装置；36为斜杆；37为连接套筒；38为锚固螺栓；39为插销；40为锚固底钢板；41为插耳。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。

本发明的预应力FRP片材抗剪加固混凝土梁实验装置，包括设置在混凝土梁翼缘板和腹板交接处的转向装置2、FRP片材前端部锚固装置3、FRP片材中部钢压条5、FRP片材后端锚固装置4、FRP片材张拉端夹具10、张拉端前钢板12、张拉端后钢板13、千斤顶14、限位装置6、稳定装置7、千斤顶支撑17、张拉台座19、聚四氟乙烯板18、连接FRP片材张拉端夹具并穿过张拉端前钢板和张拉端后钢板的螺杆11。

所述转向装置2包括嵌入到混凝土梁1保护层中的内转向块20、外转向块21、固定内转向块20和外转向块21的螺栓22，所述螺栓22穿过内转向块20和外转向块21后用螺帽拧紧。

所述FRP片材前端部锚固装置3、FRP片材中部钢压条5和FRP片材后端锚固装置4结构相同，均包括嵌入到混凝土梁1保护层中的内垫板23，外压板24和膨胀螺栓25，所述膨胀螺栓25穿过内垫板23和外压板24后用螺帽拧紧。

所述限位装置6包括前钢板26、斜支撑27、底钢板28、橡胶垫板29，所述前钢板26、斜支撑27、底钢板28相互焊接在一起，所述橡胶垫板29放置在所述前钢板26前，用于调整混凝土梁1的位置，所述限位装置6在底钢板28处使用地脚螺栓8锚固在地面。

所述FRP片材张拉端夹具10，包括上T型夹片30、下T型夹片31，所述上T型夹片30、下T型夹片31通过螺栓连接并夹紧FRP片材9。

所述螺杆11穿过上T型夹片30和下T型夹片31的圆孔32，使用外限位螺帽33拧紧、限位。

所述稳定装置7包括上插耳式锚固装置34、下插耳式锚固装置35、斜杆36、连接套筒37及锚固螺栓38，所述斜杆37与上插耳式锚固装置34和下插耳式锚固装置35通过插销39连接，所述斜杆37可以围绕插销39转动，调整位置，通过连接套筒37连接。稳定装置7在锚固底钢板35处使用螺栓38锚固在地面。

所述上插耳式锚固装置34和下插耳式锚固装置35结构相同，均包括锚固底钢板40和带圆孔的插耳41，所述带圆孔的插耳41通过焊接与锚固底钢板40连接。

所述上插耳式锚固装置34使用螺栓38锚固于混凝土梁1侧面，下插耳式锚固装置35使用螺栓38与底钢板26连接。

所述螺杆11穿过前钢板12和后钢板13，使用中限位螺帽15限位，使用外锚固螺帽16与后钢板13固定。

所述千斤顶14顶推后钢板13在聚四氟乙烯板18上向右移动，带动螺杆11、FRP片材张拉端夹具10及FRP片材9共同向右移动，对FRP片材9施加预应力。

所述FRP片材9的材质为碳纤维片材（CFRP）、芳纶纤维片材（AFRP）、玄武岩纤维片材（AFRP）或玻璃纤维片材（BFRP），或者上述两种或两种以上材料的复合。

现以预应力FRP片材抗剪加固混凝土梁实验为例进行说明：

（1）按照设计要求预制混凝土梁1并安装到位。

（2）按照设计要求预制混凝土梁限位装置6及混凝土梁稳定装置7，在预定位置使用地脚螺栓8和螺栓38安装到位，在限位装置6前钢板26前放置橡胶垫板29，调整、限制及稳定混凝土梁1。

（3）按照设计要求预制混凝土梁翼缘板和腹板交接处的转向装置2、FRP片材前端部锚固装置3、FRP片材中部钢压条5、FRP片材后端锚固装置4，将内转向块20和内垫板23嵌入到混凝土梁保护层预设位置处。

（4）使用环氧树脂粘结剂将FRP片材9浸润，穿过转向装置2、FRP片材前端部锚固装置3、FRP片材中部钢压条5及FRP片材后端锚固装置4，将外转向块21、外压板24安装到位。

（5）按照设计要求预制FRP片材张拉端夹具10、张拉端前钢板12、张拉端后钢板13，将FRP片材张拉端夹具10、张拉端前钢板12、张拉端后钢板13使用螺杆11连接在一起，拧紧外锚固螺帽16。

（6）放置千斤顶支撑17、聚四氟乙烯板18及千斤顶14。

（7）将FRP片材穿进上T型夹片30、下T型夹片31之间，拧紧螺栓，夹紧FRP片材。

（8）使用千斤顶14顶推后钢板13在聚四氟乙烯板18上向右移动，带动螺杆11、FRP片材张拉端夹具10及FRP片材9共同向右移动，对FRP片材9施加预应力。

（9）拧紧转向装置2、FRP片材前端部锚固装置3、FRP片材中部钢压条5及FRP片材后端锚固装置4上的螺栓，固定FRP片材。

（10）保持张拉力不变，拧紧中限位螺帽15，卸除千斤顶14。

（11）待环氧树脂完全固化后，在FRP片材后端锚固装置4右端剪断FRP片材，实现预应力FRP抗剪加固。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。