CN110318558A - 一种预应力frp加固柱形结构的预应力施加装置及其施工方法 - Google Patents

一种预应力frp加固柱形结构的预应力施加装置及其施工方法 Download PDF

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Abstract

一种预应力FRP加固柱形结构的预应力施加装置，包括预应力装置、牵引装置和轨道装置，预应力装置和牵引装置通过连接杆连接，预应力装置包括FRP缠绕轴，连接杆通过拉力杆Ⅰ与FRP缠绕轴连接，FRP缠绕轴上缠绕有FRP，牵引装置包括传动杆和牵引动力源，连接杆通过拉力杆Ⅱ与传动杆连接，传动杆由牵引动力源驱动转动，传动杆端部连接有传动杆端齿轮，所述轨道装置包括齿条和连接钢片，轨道装置为半圆形，且直径与待加固柱形结构的外径相匹配，两个半圆形轨道装置通过连接钢片之间的螺栓连接形成一个圆形轨道，传动杆端齿轮配合在齿条上。对FRP所施加预应力均匀，消除了现有方法中FRP与被加固结构（或上一层FRP）之间的摩擦带来的影响。

Description

一种预应力FRP加固柱形结构的预应力施加装置及其施工 方法
技术领域
本发明涉及一种预应力FRP加固柱形结构的预应力施加装置及其施工方法。
背景技术
随着土木工程结构服役年限的增加，其性能和承载力会不断退化，如何对结构进行修复加固使之承载力得到提升，保障结构安全，延长使用寿命，是我国土木工程领亟待解决的问题。近年来，FRP凭借其质量轻、强度高等优点，在土木工程加固领域备受青睐。然而，传统FRP加固方法大多是在原有结构上进行粘贴，此法虽然能提高结构性能，但FRP受力滞后于原有结构，仅当原有结构二次受力时，FRP才能发挥作用，未能充分发挥FRP超强抗拉性能。因此，不少学者提出使用预应力FRP对既有结构进行加固。圆柱形结构是土木工程中经常遇到的结构形式，例如桥墩、管道等，这类结构采用FRP加固时，由于FRP材料强度较大，厚度很小，预应力施加有一定难度，存在预应力损失、FRP因与结构摩擦导致预应力不均匀、多层缠绕加固时步骤繁琐等问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种预应力FRP加固柱形结构的预应力施加装置及其施工方法，为FRP加固圆柱形结构施加预应力，而且所施加预应力均匀、多层缠绕加固方便，且整套装置方便拆卸，可多次重复利用。
本发明的技术方案具体为：
一种预应力FRP加固柱形结构的预应力施加装置，包括预应力装置、牵引装置和轨道装置，预应力装置和牵引装置通过连接杆连接，预应力装置包括FRP缠绕轴，连接杆通过拉力杆Ⅰ与FRP缠绕轴连接，FRP缠绕轴上缠绕有FRP，牵引装置包括传动杆和牵引动力源，连接杆通过拉力杆Ⅱ与传动杆连接，传动杆由牵引动力源驱动转动，传动杆端部连接有传动杆端齿轮，所述轨道装置包括齿条和连接钢片，轨道装置为半圆形，且直径与待加固柱形结构的外径相匹配，两个半圆形轨道装置通过连接钢片之间的螺栓连接形成一个圆形轨道，传动杆端齿轮配合在齿条上。
所述拉力杆Ⅱ为弧形，且弧度与轨道装置的弧度相同。
所述由轨道装置构成的圆形轨道在待加固柱形结构上设置有两个，且两个圆形轨道相对设置，预应力装置和牵引力装置位于两圆形轨道之间，传动杆两端的传动杆端齿轮分别配合在两侧圆形轨道的齿条上。
所述FRP缠绕轴两端连接有缠绕轴端轴承，缠绕轴端轴承通过拉力杆Ⅰ连接有套筒，套筒套设在连接杆上，拉力杆Ⅰ两端分别与缠绕轴端轴承和套筒以垂直于轴心线的方式连接。
所述拉力杆Ⅰ上设有千斤顶，两台千斤顶为同步千斤顶，千斤顶端部连接有弧形磨阻片，缠绕轴端轴承内侧的FRP缠绕轴上套设有磨阻环，弧形磨阻片的内径与磨阻环外径相匹配。
所述牵引动力源为绞车***，绞车***固定连接在底座杆上，绞车***的输出端连接有绞车齿轮，传动杆上设置有传动齿轮，绞车齿轮与传动齿轮相配合。
所述传动杆两端连接有传动杆轴承，拉力杆Ⅱ连接在传动杆轴承与连接杆之间，拉力杆Ⅱ一端与连接杆垂直连接，另一端以垂直于传动杆轴承轴心线的方式与传动杆轴承固定连接，两侧的拉力杆Ⅱ之间垂直连接有底座杆，传动杆上自传动杆轴承向外依次连接有传动杆端齿轮和传动杆端钢轮。
所述轨道装置还包括钢轮轨道，钢轮轨道位于齿条内侧且在径向方向上远离轨道装置圆心，传动杆端钢轮配合在钢轮轨道上，连接杆两端连接有连接杆端钢轮，连接杆端钢轮也配合在钢轮轨道上。
进行预应力FRP加固柱形结构的预应力施工方法，具体包括以下步骤，
（1）对需被加固的待加固柱形结构的表面进行平滑处理；
（2）在待加固柱形结构上需粘贴FRP的位置涂抹FRP配套底胶；
（3）待底胶晾干后，将轨道装置、预应力装置和牵引装置安装到待加固柱形结构上；
（4）在FRP缠绕轴上紧密缠绕FRP，FRP缠绕方向为能使FRP展开时能更紧贴待加固柱形结构的方向；
（5）使用配套浸渍胶水将FRP的端部粘贴在待加固柱形结构上；
（6）调节千斤顶对磨阻环施加的力，使其达到设计值；
（7）绞车***驱动牵引装置牵引着预应力装置沿轨道装置缓慢前进，FRP边张拉边缠绕在待加固柱形结构上；
（8）随FRP在FRP缠绕轴上的厚度改变，及时调整千斤顶施加的力；
（9）对已经紧贴在待加固柱形结构上的FRP涂抹配套浸渍胶水，使配套浸渍胶水浸透已经被张拉、且缠绕在待加固柱形结构上的FRP上；
（10）重复步骤（7）至步骤（9）直至FRP缠绕圈数达到设计要求；
（11）待FRP上的胶水强度达到要求后，剪断FRP，拆除装置。
步骤（2）中配套底胶为DZH-102，步骤（5）、（9）中配套浸渍胶水为DZH-101。
所述FRP包括AFRP、BFRP、CFRP或GFRP。
相对于现有技术，本发明的技术效果为，对FRP所施加预应力均匀，消除了现有方法中FRP与被加固结构（或上一层FRP）之间的摩擦带来的影响。可对FRP进行多圈连续缠绕，对FRP施加的预应力能够通过千斤顶的表盘呈现，实现了FRP预应力可视化。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明牵引装置与轨道装置的连接结构图。
图3是本发明预应力装置和牵引装置的结构示意图。
图4是本发明轨道装置的结构示意图。
图5是本发明轨道装置的剖面结构示意图。
具体实施方式
一种预应力FRP加固柱形结构的预应力施加装置，包括预应力装置、牵引装置和轨道装置，预应力装置包括FRP缠绕轴1、FRP 2、磨阻环3、拉力杆Ⅰ4、缠绕轴端轴承5、套筒6、千斤顶7、弧形磨阻片8；牵引装置包括连接杆9、连接杆端钢轮10、拉力杆Ⅱ11、传动杆端钢轮12、传动杆端齿轮13、传动杆轴承14、传动杆15、绞车***16、绞车齿轮17、传动齿轮18、底座杆19；轨道装置20包括齿条21、钢轮轨道22、连接钢片23；待加固柱形结构25。
如图2-3中所示，预应力装置和牵引装置通过连接杆9连接，预应力装置包括FRP缠绕轴1，连接杆9通过拉力杆Ⅰ4与FRP缠绕轴1连接，FRP缠绕轴1上缠绕有FRP2，牵引装置包括传动杆15和牵引动力源，连接杆9通过拉力杆Ⅱ11与传动杆15连接，传动杆15由牵引动力源驱动转动，传动杆15端部连接有传动杆端齿轮13，所述轨道装置包括齿条21和连接钢片23，轨道装置20为半圆形，且直径与待加固柱形结构25的外径相匹配，两个半圆形轨道装置20通过连接钢片23之间的螺栓连接形成一个圆形轨道，传动杆端齿轮13配合在齿条21上，牵引动力源驱动传动杆15转动，传动杆端齿轮13随传动杆一起转动，传动杆端齿轮会沿着齿条移动。
拉力杆Ⅱ11为弧形，且弧度与轨道装置20的弧度相同。
FRP缠绕轴1两端连接有缠绕轴端轴承5，缠绕轴端轴承5通过拉力杆Ⅰ4连接有套筒6，套筒6套设在连接杆9上，拉力杆Ⅰ4两端分别与缠绕轴端轴承5和套筒6以垂直于轴心线的方式连接，拉力杆Ⅰ4与缠绕轴端轴承5外环面垂直连接。拉力杆Ⅰ4上设有千斤顶7，两台千斤顶7为同步千斤顶，可通过千斤顶上的表盘读数控制千斤顶7施加力的大小。千斤顶7端部连接有弧形磨阻片8，缠绕轴端轴承5内侧的FRP缠绕轴1上套设有磨阻环3，弧形磨阻片8的内径与磨阻环3外径相匹配。磨阻环3与弧形磨阻片8的材质均为摩擦系数不随温度变化而变化且耐磨损的材料，通过对FRP缠绕轴1施加阻尼，使FRP2在展开过程中受到预拉应力。
牵引动力源为绞车***16，为电动、手动或液压绞车，绞车***16有自锁功能，即当绞车失去前进动力时，绞车转轴不会发生反向转动。绞车***16固定连接在底座杆19上，绞车***16的输出端连接有绞车齿轮17，传动杆15上设置有传动齿轮18，绞车齿轮17与传动齿轮18相配合。
传动杆15两端连接有传动杆轴承14，拉力杆Ⅱ11连接在传动杆轴承14与连接杆9之间，拉力杆Ⅱ11一端与连接杆9垂直连接，另一端以垂直于传动杆轴承轴心线的方式与传动杆轴承14固定连接，两侧的拉力杆Ⅱ11之间垂直连接有底座杆19，传动杆15上自传动杆轴承14向外依次连接有传动杆端齿轮13和传动杆端钢轮12。
如图4-5中所示，轨道装置还包括钢轮轨道22，钢轮轨道22位于齿条21内侧且在径向方向上远离轨道装置圆心，齿条背向轨道装置圆心，传动杆端齿轮的下侧与齿条配合在一起，传动杆端齿轮上侧与轨道装置之间具有空隙，钢轮轨道面向轨道装置圆心，传动杆端钢轮上侧与钢轮轨道接触，传动杆端钢轮下侧与轨道装置之间具有空隙。传动杆端钢轮12配合在钢轮轨道22上，连接杆9两端连接有连接杆端钢轮10，连接杆端钢轮10也配合在钢轮轨道22上。
如图1中所示，由轨道装置构成的圆形轨道在待加固柱形结构25上设置有两个，且两个圆形轨道相对设置，两个半圆形轨道连接成的圆形轨道中的齿条21和钢轮轨道22衔接良好，预应力装置和牵引力装置位于两圆形轨道之间，传动杆15两端的传动杆端齿轮13分别配合在两侧圆形轨道的齿条21上，连接杆9两端的连接杆端钢轮10分别配合两侧的钢轮轨道22上，传动杆15两端的传动杆端钢轮12分别配合两侧的钢轮轨道22上。
工作时，绞车***通过绞车齿轮与传动齿轮18的配合驱动转动杆转动，传动杆端齿轮13也随传动杆一起转动，通过传动杆端齿轮13与齿条的配合使牵引装置沿着轨道装置进行移动，传动杆端钢轮和连接杆端钢轮10配合在钢轮轨道中进一步保证牵引装置与轨道装置之间的配合。牵引装置带动着预应力装置沿着轨道装置移动，FRP缠绕轴1上的FRP的端部被粘贴在待加固柱形结构上，随着预应力装置绕着待加固柱形结构移动，被粘贴的一端扯动着FRP缠绕轴旋转，释放出FRP，FRP一边被张拉一边缠绕在待加固柱形结构上。
本发明的预应力FRP加固柱形结构的预应力施加装置的使用方法为：
（1）对需被加固的待加固柱形结构25的表面进行平滑处理，将待加固柱形结构25暴露出来，并留有足够的施工空间，打磨或涂抹砂浆进行平滑处理；
（2）在待加固柱形结构25上需粘贴FRP的位置涂抹FRP配套底胶，使待加固柱形结构表面光滑，减小摩擦；
（3）底胶晾干后，将轨道装置、预应力装置和牵引装置安装到待加固柱形结构上；
（4）在FRP缠绕轴1上紧密缠绕FRP2，FRP缠绕方向为能使FRP展开时能更紧贴待加固柱形结构25的方向，FRP包括AFRP、BFRP、CFRP或GFRP；
（5）使用配套浸渍胶水将FRP的端部粘贴在待加固柱形结构25上，随着牵引装置沿着轨道装置移动，就会从FRP缠绕轴1上将FRP扯出展开，缠绕在待加固柱形结构上；
（6）调节千斤顶对磨阻环施加的力，使其达到设计值；
（7）绞车***通过绞车齿轮带动传动齿轮缓慢转动，带动传动轴端齿轮沿着齿条移动，连接杆端钢轮10以及传动杆端钢轮12沿着钢轮轨道移动，牵引着预应力装置沿轨道装置缓慢前进，从而将FRP缠绕轴1的FRP缠绕在待加固柱形结构上；
（8）随FRP在FRP缠绕轴上的厚度改变，及时调整千斤顶施加的力；
（9）对已经紧贴在待加固柱形结构上的FRP涂抹配套浸渍胶水，FRP每缠绕一圈，就涂抹一次，使配套浸渍胶水浸透已经被张拉、缠绕在待加固柱形结构上的FRP上；
（10）重复步骤（7）至步骤（9）直至FRP缠绕圈数达到设计要求；
（11）静置，待FRP上的胶水强度达到要求后，剪断FRP，拆除装置。
步骤（2）中配套底胶为DZH-102，步骤（5）、步骤（9）中配套浸渍胶水为DZH-101。
该预应力施加装置能够为FRP施加预应力，而且所施加预应力均匀、多层缠绕加固方便。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种预应力FRP加固柱形结构的预应力施加装置，其特征在于：包括预应力装置、牵引装置和轨道装置，预应力装置和牵引装置通过连接杆（9）连接，预应力装置包括FRP缠绕轴（1），连接杆（9）通过拉力杆Ⅰ（4）与FRP缠绕轴（1）连接，FRP缠绕轴（1）上缠绕有FRP（2），牵引装置包括传动杆（15）和牵引动力源，连接杆（9）通过拉力杆Ⅱ（11）与传动杆（15）连接，传动杆（15）由牵引动力源驱动转动，传动杆（15）端部连接有传动杆端齿轮（13），所述轨道装置（20）包括齿条（21）和连接钢片（23），轨道装置（20）为半圆形，且直径与待加固柱形结构（25）的外径相匹配，两个半圆形轨道装置（20）通过连接钢片（23）之间的螺栓连接形成一个圆形轨道，传动杆端齿轮（13）配合在齿条（21）上。
2.如权利要求1所述的预应力FRP加固柱形结构的预应力施加装置，其特征在于：所述由轨道装置构成的圆形轨道在待加固柱形结构（25）上设置有两个，且两个圆形轨道相对设置，预应力装置和牵引力装置位于两圆形轨道之间，传动杆（15）两端的传动杆端齿轮（13）分别配合在两侧圆形轨道的齿条（21）上。
3.如权利要求1所述的预应力FRP加固柱形结构的预应力施加装置，其特征在于：所述FRP缠绕轴（1）两端连接有缠绕轴端轴承（5），缠绕轴端轴承（5）通过拉力杆Ⅰ（4）连接有套筒（6），套筒（6）套设在连接杆（9）上，拉力杆Ⅰ（4）两端分别与缠绕轴端轴承（5）和套筒（6）以垂直于轴心线的方式连接。
4.如权利要求3所述的预应力FRP加固柱形结构的预应力施加装置，其特征在于：所述拉力杆Ⅰ（4）上设有千斤顶（7），两台千斤顶（7）为同步千斤顶，千斤顶（7）端部连接有弧形磨阻片（8），缠绕轴端轴承（5）内侧的FRP缠绕轴（1）上套设有磨阻环（3），弧形磨阻片（8）的内径与磨阻环（3）外径相匹配。
5.如权利要求1所述的预应力FRP加固柱形结构的预应力施加装置，其特征在于：所述牵引动力源为绞车***（16），绞车***（16）固定连接在底座杆（19）上，绞车***（16）的输出端连接有绞车齿轮（17），传动杆（15）上设置有传动齿轮（18），绞车齿轮（17）与传动齿轮（18）相配合。
6.如权利要求2或5所述的预应力FRP加固柱形结构的预应力施加装置，其特征在于：所述传动杆（15）两端连接有传动杆轴承（14），拉力杆Ⅱ（11）连接在传动杆轴承（14）与连接杆（9）之间，拉力杆Ⅱ（11）为弧形，且弧度与轨道装置的弧度相同，拉力杆Ⅱ（11）一端与连接杆（9）垂直连接，另一端以垂直于传动杆轴承轴心线的方式与传动杆轴承（14）固定连接，两侧的拉力杆Ⅱ（11）之间垂直连接有底座杆（19），传动杆（15）上自传动杆轴承（14）向外依次连接有传动杆端齿轮（13）和传动杆端钢轮（12）。
7.如权利要求6所述的预应力FRP加固柱形结构的预应力施加装置，其特征在于：所述轨道装置（20）还包括钢轮轨道（22），钢轮轨道（22）位于齿条（21）内侧且在径向方向上远离轨道装置（20）圆心，传动杆端钢轮（12）配合在钢轮轨道（22）上，连接杆（9）两端连接有连接杆端钢轮（10），连接杆端钢轮（10）也配合在钢轮轨道（22）上。
8.利用如权利要求1-7任一项所述装置进行的预应力FRP加固柱形结构的预应力施工方法，其特征在于：具体包括以下步骤，
（1）对需被加固的待加固柱形结构（25）的表面进行平滑处理；
（2）在待加固柱形结构（25）上需粘贴FRP的位置涂抹FRP配套底胶；
（3）待底胶晾干后，将轨道装置、预应力装置和牵引装置安装到待加固柱形结构上；
（4）在FRP缠绕轴（1）上紧密缠绕FRP（2），FRP缠绕方向为能使FRP展开时能更紧贴待加固柱形结构（25）的方向；
（5）使用配套浸渍胶水将FRP（2）的端部粘贴在待加固柱形结构（25）上；
（6）调节千斤顶（7）对磨阻环施加的力，使其达到设计值；
（7）绞车***驱动牵引装置牵引着预应力装置沿轨道装置缓慢前进，FRP（2）边张拉边缠绕在待加固柱形结构（25）上；
（8）随FRP（2）在FRP缠绕轴（1）上的厚度改变，及时调整千斤顶施加的力；
（9）对已经紧贴在待加固柱形结构（25）上的FRP涂抹配套浸渍胶水，使配套浸渍胶水浸透已经被张拉、且缠绕在待加固柱形结构上的FRP（2）上；
（10）重复步骤（7）至步骤（9）直至FRP（2）缠绕圈数达到设计要求；
（11）待FRP上的胶水强度达到要求后，剪断FRP，拆除装置。
9.如权利要求8所述的预应力FRP加固柱形结构的预应力施工方法，其特征在于：步骤（2）中配套底胶为DZH-102，步骤（5）、（9）中配套浸渍胶水为DZH-101。
10.如权利要求8所述的预应力FRP加固柱形结构的预应力施工方法，其特征在于：所述FRP包括AFRP、BFRP、CFRP或GFRP。
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