高强度复合材料预应力张拉和锚固的施工方法 一、技术领域
本发明属于高强度复合材料增强或加固土木工程结构的施工方法，特别涉及高强度复合材料预应力张拉和锚固技术领域。
二、背景技术
随着科技的发展和社会的进步，人们对土木建筑工程提出了新的要求，如要求结构轻盈、刚度好、跨越能力大、承载能力强等。高强度复合材料〔如碳纤维增强塑料、高分子聚合物纤维增塑料、玻璃纤维增强塑料等〕具有自重轻、强度高、抗疲劳、耐腐蚀等特性，是增强或加固土木工程结构〔如钢结构、木结构、混凝土结构等〕的理想材料，但因复合材料的抗剪性能较差而不能用现有的方法进行预应力张拉、连接及锚固，故不能充分发挥高强度复合材料的优良性能。虽然也有将复合材料制成绞线，再在复合材料绞线两端一定长度范围内涂覆软质合金，以改善其张拉和锚固时的抗剪性能，但是该技术非常复杂，成本高，张拉和锚固的可靠性差，不便在工程结构中普遍推广应用。就是专利申请号为99120617.7《碳纤维布预应力加固施工方法及其专用设备》的发明中所述的用专用设备对碳纤维布的两端直接张拉的方法对结构进行预应力加固，但该发明的施工方法对碳纤维布的张拉力小，只适应于碳纤维布层数很少的情况，并且该方法在张拉碳纤维布时，碳纤维布容易产生由于不均匀受力而断裂的事故，所以其工作可靠性低；其次，该发明采用两端张拉的方法要求被加固的表面为平面，而曲面或折面是不适用的；此外，该发明的张拉设备复杂、拉力小、可靠性差，对张拉施工的操作空间亦有较高的要求，例如，在施工狭窄地转角处，需留有其张拉设备的工作空间，那么该部分空间就无法粘贴碳纤维布，实用性是有限的。
三、发明内容
本发明的目的是提供一种高强度复合材料预应力张拉和锚固的施工方法，施工工艺简单，预应力张拉和锚固的可靠性高，成本也较低廉。采用本发明的施工方法增强或加固土木工程结构，能充分利用高强度复合材料的优良性能，提高工程结构的承载能力，并延长其使用寿命。
本发明的目的是这样实现的：一种高强度复合材料预应力张拉和锚固施工方法，主要是利用波型齿夹具锚的波形齿特征，对高强度复合材料〔如碳纤维增强塑料、高分子聚合物纤维增强塑料、玻璃纤维增强塑料等〕的片材，采用两端固定、中间横向张拉和锚固的施工方法来增强或加固土木工程结构〔如钢结构、木结构、混凝土结构等〕，其施工步骤如下：1.固接下波形齿板或预留波形齿槽
先将波形齿夹具锚的下波形齿板固定连接〔如焊接、锚入、嵌固等方式〕于被增强或加固的工程结构的表面〔限于平面、凸面、分段平面、分段凸面及其组合面〕内，或在被增强或加固的土木工程结构的表面内预留波形齿槽。下波形齿板的波形面或预留的波形齿槽的波形面应与被增强或加固的工程结构表面相切，并平滑地连接成一个整体，并在每个固接的下波形齿板或预留的波形齿槽的四个角处或两端部，各设置一根或多根螺栓。固接的下波形齿板或预留的波形齿槽分布在被增强或加固工程结构表面的两端及中间，其间间隔一定距离。固接的下波形齿板或预留的波形齿槽的个数、形状及其间隔距离，根据被增强或加固工程结构的表面形状、尺寸大小及所要求的预应力张拉程度等具体情况而定；2.进行表面处理
对固接的下波形齿板的波形面或预留的波形齿槽的波形面以及需粘贴复合材料的工程结构表面进行清洁、平整等表面处理；3.对复合材料进行张紧并两端固定
在已经过表面处理后的两端部固接的下波形齿板的波形面或预留的波形齿槽的波形面上，涂刷粘结剂，并将高强度复合材料片材张紧后将其两端粘贴在已涂刷粘结剂的两端部固接的下波形齿板或预留的波形齿槽上，再用波形齿面经表面处理过并涂刷粘结剂的波形齿夹具锚的上波形齿板，通过螺栓与固接的下波形齿板或预留的波形齿槽固定连接，从而将已粘贴的高强度复合材料片材锚固而形成两个锚固点。对于被增强或加固工程结构表面是闭合型的，可将复合材料片材两端头重叠锚固在一起形成一个锚固点。然后自然养生。4.对两端固定的复合材料进行中间横向张拉与锚固
再在中间间隔一定距离固接的下波形齿板的波形面或预留的波形齿槽的波形面和两端已锚固的复合材料片材的上、下表面及需粘贴复合材料的工程结构表面涂刷粘结剂，然后再用波形齿面经表面处理过并涂刷粘结剂的波形齿夹具锚的上波形齿板，通过螺栓与固接的下波形齿板或预留的波形齿槽固定连接，通过螺栓的紧固使上波形齿板、复合材料片材及下波形齿板或预留的波形齿槽之间紧密无缝隙地结合在一起，从而强迫复合材料片材在两个锚固点之间的长度增加，即依靠螺栓的紧固力实现对两端固定的复合材料片材进行中间横向预张拉及锚固。当被增强或加固的工程结构不要求复合材料中有预拉力时，在两端的两个锚固点之间不固接中间下波形齿板或不预留中间波形齿槽；5.补充灌刷粘结剂并碾压，自然养生
再在复合材料片材的上下表面及其与被增强或加固工程结构的界面补充灌刷粘结剂或浸渍树脂，并用滚筒碾压复合材料片材，使其充分浸渍于粘结剂中。然后自然养生。
本发明施工工艺简单，操作简便，复合材料的预应力张拉和锚固十分可靠；又由于采用两端固定、中间横向张拉的施工方法，故预应力损失小。由于复合材料具有自重轻、强度高，故在增强或加固工程结构中，可以达到在几乎不增加结构自重的情况下，大幅度提高结构的承载能力；本方法对工程结构的表面形状适应性好，如平面、凸面、分段平面、分段凸面及其组合面皆可，应用灵活方便；采用本发明的施工方法，复合材料处于结构的表面，便于监控、维护和更换等，对结构的安全使用及延长结构的使用寿命具有重要意义。采用本发明的施工方法，可以制造出具有自重轻、尺寸小、刚度大且承载能力很强、跨越能力极大等特点的工程结构，这些结构可广泛用于桥梁、大跨度工业厂房、飞机机库、船坞、地铁、轻轨等，还可运用于部分机械制造行业，如制造大型吊运设备、轮船、汽车，等等。采用本发明的施工方法对现有的工程结构进行加固维护是目前所有的加固方法中最有效、最经济、最可靠的方法。例如，从19世纪以来世界各国都修建了大量的钢结构桥梁，由于时间久远等原因，很多桥梁急需维修、改造或重建，若采用本发明进行加固维修，可以在几乎不增加原结构重量的情况下，大幅度提高其承载力，改善结构的使用性能，延长结构的使用寿命，从而大大节约改建或重建桥梁的投资。
四、附图说明
图1为本发明固接下波形齿板的施工示意图；
图2为本发明预留波形齿槽的施工示意图；
图3为本发明试验梁施工示意图；
图4为本发明对比梁结构示意图。
图中：1下波形齿板、2复合材料、3上波形齿板、4工程结构、5预留波形齿槽、6碳纤维布、7工字钢、8上翼板、9槽钢、10下翼板、11螺栓。
五、具体实施方式
下面结合实施例，进一步说明本发明。
如图3所示，本实施例为用碳纤维布6增强型钢组合梁的施工方法。试验梁为在工字钢7的上翼板8上加焊一槽钢9构成的型钢组合结构。型钢组合结构的高度为140毫米，下翼板10的宽度为68毫米，槽钢9的宽度为63毫米，试验梁的长度为2米。其施工步骤如下：
1.在试验梁下翼板10的表面上焊接4个波形齿夹具锚的下波形齿板1，要求焊接后应使下波形齿板1的波形面与下翼板10的表面相切，并平滑地连接成一个整体。下波形齿板1比下翼板10略宽，在下波形齿板的四个角处留出四个螺栓位置。四个下波形齿板1中的两个焊于试验梁的两端，中间两个下波形齿板1间隔800毫米；
2.对焊接于下翼板10表面上的四个下波形齿板1的波形齿面及下翼板10的表面进行除锈、打磨、清洁等表面处理；
3.在焊接于试验梁两端的两个下波形齿板1的波形齿面上涂刷粘结剂，然后将3层每层厚0.111毫米、宽65毫米的碳纤维布条6用手工拉紧放置于试验梁两端的两个下波形齿板1上，并涂刷粘结剂及碾压，再用波形齿面经清洁等表面处理过并涂刷粘结剂的波形齿夹具锚的上波形齿板3通过螺栓与下波形齿板1连接，拧紧螺母，然后自然养生20小时。粘结剂产生强度后将碳纤维布6锚固在试验梁两端的两个波形齿夹具锚上形成两个锚固点；
4.在试验梁中间的两个下波形齿板1的波形面上和碳纤维布6的上下表面及下翼板10的表面上涂刷粘结剂，再用波形齿面经过表面处理的并涂刷粘结剂的波形齿夹具锚的上波形齿板3通过螺栓与下波形齿板连接，拧紧螺母，强迫碳纤维布6在两个已锚固点之间的长度增加，使碳纤维布6中产生预拉力及锚固；
5.再在碳纤维布6的上、下表面及下翼板板10的表面补充灌刷粘结剂和浸渍树脂，并用滚筒碾压碳纤维布6，使碳纤维布充分浸渍于粘结剂中。然后自然养生24小时。
然后，对采用本发明施工方法制得的碳纤维布预应力增强型钢组合结构的试验梁与相同尺寸、相同规格的型钢组合结构的对比粱，在同等条件下进行荷载对比试验。试验结果是：对比梁的极限载荷约为6.8吨，而试验来的极限载荷可达9.9吨。