预应力碳纤维布加固钢筋混凝土方柱施工方法与流程

本发明属于结构加固技术领域，具体涉及一种预应力碳纤维布加固钢筋混凝土方柱施工方法。该方法通过使用自锁式锚具对碳纤维布施加预应力，使得钢筋混凝土方柱（即RC方柱）的核心部分处于三向受压状态，从而提高其承载能力，起到加固补强效果。本方法适用于一般桥梁、房屋建筑，尤其适用大型公共建筑（如学校、商场）以受轴心压力为主的钢筋混凝土方柱的加固补强与改造工程。

背景技术：

近年来，需加固补强的桥梁以及房屋建筑日渐增多，对于钢筋混凝土柱，传统的加固方式有加大截面法、粘钢加固法以及粘碳纤维布加固等方法，其中粘碳纤维布加固法又以其施工方便、不增加建筑物自重等优势近年来得到广泛应用，但使用后问题随之而来。首先，经大量文献试验研究表明，该加固方法能提高构件的受压承载力有限（一般在10%左右），且未能充分发挥碳纤维高强度的特点，利用效率较低；其次，粘结碳纤维布所用的胶体耐久性能较低，接硬后，长期暴露在空气中易老化，造成碳纤维布整体的剥离、脱落，从而丧失加固效果。为了解决这些问题，可对碳纤维布施加环向预应力，从而对核心混凝土提供主动约束，有效提高碳纤维布的使用效率；同时，经研究发现该加固方法可提高构件的承载力比普通粘贴的方法高（能提高30%左右），且该加固方法依靠自锁式锚具进行预应力，无需使用胶体进行粘结。但该加固方法在实施过程中也会遇到一些问题，1、钢筋混凝土方柱在加固前需要人工将被加固柱的四个角部进行打磨倒角。此过程费时费力，且在打磨过程中产生噪声及大量粉尘，对环境造成污染。2、打磨倒角对被加固RC方柱造成损伤、钢筋保护层厚度不足及钢筋外漏，造成结构耐久性降低。3、预应力碳纤维自锁式锚具暴露在被加固构件外表面，不美观，且易引起人们注意该结构加固过，从而在心理上对结构的安全产生怀疑。4、混凝土表面打磨后不是非常光滑，其与碳纤维布的摩擦阻力会影响预应力的传递，从而影响其加固效果。5、碳纤维布为单向丝状编织物，当通过自锁式锚具施加预应力时，由于受力不均匀，使得碳纤维布表面个别丝束断裂，发生表面“起毛”现象，从而降低了碳纤维布的整体受力性能，影响被加固构件承载力的提高。其次本发明针对于以上问题，通过：1、事先预制好模数化的活性粉末混凝土（RPC）垫块，通过环氧干挂结构胶粘贴在被加固构件表面从而形成弧角。2、自锁式锚具嵌在RPC垫块中，避免锚具外露。3、预先在RPC垫块外表面均匀涂刷环氧胶层形成光滑表面，其能有效降低与CFRP布之间的摩擦力，减少CFRP布的预应力摩擦损失。4、对施加了预应力的碳纤维布表面均匀涂刷一层环氧胶，加强碳纤维布的整体受力，使其破坏时能充分发挥碳纤维布的强度，改善加固效果。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种预应力碳纤维布加固钢筋混凝土方柱施工方法。该方法针对在使用自锁式锚具对钢筋混凝土方柱进行环向预应力碳纤维布包裹时，用人工打磨方柱的四个角部以形成弧角，这一过程费时费力且噪声粉尘很大，污染环境；且打磨对被加固RC方柱造成损伤、钢筋保护层厚度不足及钢筋外漏。自锁式锚具暴露在外，不美观且易引起人们对结构的安全产生怀疑；预应力碳纤维布摩擦损失较大；以及碳纤维布在张拉受力后截面应力不均匀，布边以及个别丝束易脱丝起毛等现象而进行的施工处理方法。通过在RC方柱表面粘贴预制活性粉末混凝土（RPC）垫块以形成弧角；将自锁式锚具嵌在RPC垫块中，避免锚具外露；在预制RPC垫块外表面均匀涂刷环氧胶层形成光滑表面，减少CFRP布的预应力摩擦损失；在碳纤维布表面均匀涂刷一层环氧胶，加强碳纤维布的整体受力，使其破坏时能充分发挥碳纤维布的强度，从而改善加固效果。

具体步骤为：

步骤1、预制模数化的RPC垫块，RPC垫块包括角部弧度块、普通矩形块和锚具侧矩形块，其中角部弧度块的弧度半径为30mm，对应的圆心角为90度，与弧角相切的垫块长50mm；普通矩形块及锚具侧矩形块沿柱截面方向长度统一取100mm；锚具侧矩形块在锚具旁一侧的角部倒半径为10mm的弧角；RPC垫块的厚度为30mm，与锚具的厚度一致；RPC垫块的高度为包裹预应力碳纤维布的宽度再加10mm。

步骤2、在预制好的RPC垫块表面均匀涂刷一层环氧胶层，环氧胶层厚度为0.5~1mm，环氧胶层固化后形成光滑表面，预应力碳纤维布与该环氧胶层固化后形成的光滑表面的摩擦系数为0.01~0.2。

步骤3、确定被加固RC方柱表面的加固位置，并用墨线在其表面弹出需进行预应力碳纤维布包裹的位置范围。

步骤4、将RPC垫块粘贴在被加固RC方柱表面的加固位置，通过环氧干挂结构胶将角部弧度块粘贴到RC方柱表面加固位置的四个角部；在加固位置3个平面上粘贴满普通矩形块，第四个平面上用于放置自锁式锚具，该平面中央100mm宽度不粘贴普通矩形块，在其两侧粘贴锚具侧矩形块，锚具侧矩形块有弧度的角部在锚具位置侧，第四个平面其他位置粘贴满普通矩形块。

步骤5、待所有RPC垫块都粘贴到位后，立刻将两个L形角钢套箍条套在RPC垫块四周并拧紧L形角钢套箍条上的螺丝，使PRC垫块被箍紧，从而在环氧干挂结构胶未固化前起到固定RPC垫块的作用，待3分钟后环氧干挂结构胶固化，拧松L形角钢套箍条上的螺丝，卸下角钢套箍条，并用填缝剂对RPC垫块之间的缝隙进行填缝。

步骤6、将碳纤维布与配套自锁式锚具按照以下步骤连接：

步骤6.1、确定碳纤维布的下料长度：碳纤维布的下料长度=包裹位置处柱的周长＋（碳纤维布在锚具锚头裹紧3圈的长度+碳纤维布在锚头内夹紧的长度）×2－两锚头中心线间距。

步骤6.2、碳纤维布表面处理：在碳纤维布两个端部单侧粘贴一条胶带，在碳纤维布条上下边缘间隔或连续粘贴胶带。

步骤6.3、将表面处理过的碳纤维布放入锚具夹片中，锚具螺栓和螺栓垫片放入锚具安装孔中，将其拧紧使两锚具夹片上紧。

步骤6.4、将表面处理过的碳纤维布沿着锚具夹片环向缠绕1~5圈，并保证缠绕过程中碳纤维布与锚具夹片之间裹紧。

步骤7、将与自锁式锚具连接好的碳纤维布包裹在RPC垫块表面，锚具放置在RPC垫块与被加固柱表面形成的100mm的凹槽中，施加预应力，具体步骤如下：

步骤7.1、将与自锁式锚具连接好的碳纤维布包裹在被加固方柱外包的表面涂胶处理过的RPC垫块上，将螺杆和螺杆垫片穿入锚具中的螺杆安装孔，将螺母套在螺杆上。

步骤7.2、为了防止自锁式锚具下坠影响碳纤维布预应力施加的准确度，在自锁式锚具下缘用支撑水平地撑起锚具。

步骤7.3、对碳纤维布施加初始拉力。

步骤7.4、对碳纤维布施加预应力。

步骤8、对施加了预应力的碳纤维布表面均匀涂刷一层环氧胶。

步骤9、拆除自锁式锚具下缘的支撑，切割多余的锚螺杆。

步骤10、RPC封锚：用RPC填充锚具与RPC垫块之间的空隙。

所述RPC垫块以模数化尺寸预制，将其外包到被加固RC方柱上时，根据被加固RC方柱尺寸对其进行切割，保证除预留的锚具放置位置100mm外，被加固RC方柱的被加固位置全部包裹RPC垫块。

本发明的技术与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1、通过在RC方柱上外包活性粉末混凝土（RPC）垫块形成弧角，可避免预应力FRP加固RC方柱前人工打磨4个角部以形成弧角这一费时费力的过程，避免打磨弧角过程中产生的噪声和大量粉尘污染环境，避免打磨对被加固RC方柱造成损伤、钢筋保护层厚度不足及钢筋外漏。可实现预应力FRP快速加固RC方柱。特别适合震后地区快速加固RC方柱。

2、活性粉末混凝土（RPC）垫块强度高、耐久性好。

3、预应力FRP布的自锁式锚具嵌在RPC垫块中并进行封锚可避免锚具外露，提高耐久性和结构美观。

4、可有效降低碳纤维布与混凝土表面的摩阻力，使其均匀传递预应力，从而减小预应力损失，提高了碳纤维布的有效预应力；

5、可有效避免了碳纤维布在张拉过程中表面个别丝束断裂而引起的碳纤维布整体受力不均匀，使得构件破坏时能充分发挥碳纤维布的强度，从而改善加固效果；

6、可有效防止碳纤维布布边的丝束在整个施工过程中出现脱丝现象，保证预应力碳纤维布的截面宽度，从而保证加固效果。

附图说明

图1为本发明实施例中封锚前的总体安装图。

图2为本发明实施例中封锚后的总体安装图。

图3为本发明实施例中方柱加固前弹线及需外包RPC垫块位置示意图。

图4为本发明实施例中RPC垫块示意图。

图5为本发明实施例中L形角钢套箍条示意图。

图6 为本发明实施例中L形角钢套箍条固定RPC垫块示意图。

图7为本发明实施例中加固前碳纤维布表面贴透明胶带处理展开示意图。

图8为本发明实施例中自锁式锚具构造详图。

图9为本发明实施例中方柱加固后封锚前正立面图。

图10为本发明实施例中方柱加固后封锚前剖面图。

图11为本发明实施例中方柱加固封锚后正立面图。

图12为本发明实施例中方柱加固后封锚后剖面图。

图中标记：1-墨线；2-碳纤维布包裹的位置范围；3-锚具侧矩形块；4-角部弧度块；5-普通矩形块；6-按计算尺寸裁剪好的碳纤维布；7-锚具夹片；8-锚具螺栓；9-螺栓垫片；10-锚具安装孔；11-螺杆；12-螺杆垫片；13-螺杆安装孔；14-螺母；15-螺杆端部；16-碳纤维布侧边的透明胶带；17-碳纤维布端的透明胶带；18-L形角钢套箍条；19-L形角钢套箍条上的螺丝；20-RPC封锚。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

实施例：

如图1~12所示，本实施例以300mm边长RC方柱为加固对象，采用预应力CFRP对RC方柱进行加固，施工方法包括以下步骤：

步骤1、预制模数化的活性粉末混凝土（RPC）垫块，RPC垫块包括角部弧度块4、普通矩形块5和锚具侧矩形块3。角部弧度块4弧度的半径为30mm，对应的圆心角为90度，与弧角相切的垫块长50mm；普通矩形块5及锚具侧矩形块3沿柱截面方向长度统一取100mm。锚具侧矩形块在锚具旁一侧的角部倒半径为10mm的弧角。所有垫块的厚度为30mm与锚具的厚度一致。垫块的高度为包裹预应力CFRP布6的宽度再加10mm。本实施例中预应力碳纤维布宽150mm，故RPC垫块的高度为160mm。

如上所述的步骤1包括以下步骤：

步骤1.1、RPC的配比，见表1。其中钢纤维为体积比，钢纤维直径0.20mm，长度8~10mm。采用新型高性能减水剂，白色粉末状，减水率为30%。水泥为42.5的普通硅酸盐水泥。

表1 RPC配比表

步骤1.2、RPC的制备。搅拌设备应为强制式搅拌机，搅拌机转速不宜低于45转/min。投料、搅拌顺序：1、精确称量所需材料；2、先加石英砂和钢纤维，钢纤维可用空隙较大的筛子筛滤，搅拌3min；3、加入水泥和硅灰，搅拌2min；4、加入粉末状的减水剂，搅拌2min；5、加水，搅拌4min。

步骤1.3、RPC垫块的制备。搅拌好的RPC材料应一次性装入垫块试模并高出试模上口，在振动台上振动成型。振动时应防止试模在振动台上跳动，并用抹刀沿试模内壁多加插捣，持续到RPC表面出浆为止。振捣过程中注意抹平压光，并防止气泡产生。振捣结束刮去多余的拌合物，用抹刀抹平试件表面，将模具放入养护室。

步骤1.4、RPC垫块的养护。成型完毕的构件先要放入温度20±2℃、相对湿度95%以上的标准养护室内养护24h~36h，之后拆模。对试件进行自然养护，自然养护时的环境平均气温宜高于10℃，构件表面应保持湿润不少于7天。

步骤2、在预制养护好的RPC垫块表面均匀涂刷一层环氧胶层，环氧胶的配制过程为：将环氧胶主剂A与固化剂B分别搅拌均匀，然后按A:B=2:1的质量配比倒入容器，充分搅拌均匀至没有色差。搅拌时不得有水及油污混入。环氧胶每次配胶量不宜太多，以单人操作30分钟用胶量为宜。环氧胶层固化后形成光滑表面，碳纤维布与该表面的摩擦系数为0.01~0.2，该环氧胶层厚度为0.5~1mm。

步骤3、确定被加固RC方柱表面的加固位置。用墨线1在其表面弹出需进行预应力碳纤维布包裹的位置范围2。

步骤4、将RPC垫块粘贴在被加固RC方柱表面的加固位置。通过环氧干挂结构胶将角部弧度块4粘贴到RC方柱加固位置的四个角部；在加固位置3个平面上每面粘贴两块普通矩形块5；第四个平面上用于放置自锁式锚具，该平面中央100mm宽度不粘贴普通矩形块。将100mm宽锚具侧矩形块3切割为50mm宽。将其粘贴在锚具放置面紧靠角部弧度块4，注意锚具侧矩形块3有弧度的角部在锚具位置侧。

步骤5、临时固定RPC垫块。待所有RPC垫块都粘贴到位后，立刻将两个L形角钢套箍条18套在RPC垫块四周并拧紧L形角钢套箍条上的螺丝19，使PRC垫块被箍紧，从而在环氧干挂结构胶未固化前起到固定RPC垫块的作用。待3分钟后环氧干挂结构胶固化后，拧松L形角钢套箍条上的螺丝19，卸下角钢套箍条18。RPC垫块之间的缝隙用填缝剂填缝。

步骤6、将碳纤维布与配套自锁式锚具按照以下步骤连接：

步骤6.1、确定碳纤维布的下料长度。碳纤维布的下料长度=包裹位置处柱的周长＋（碳纤维布在锚具锚头裹紧3圈的长度+碳纤维布在锚头内夹紧的长度）×2－两锚头中心线间距。

步骤6.2、碳纤维布表面处理。根据下料长度裁剪好碳纤维布6，在碳纤维布6两个端部单侧各自粘贴宽度为2cm的透明胶带17。在碳纤维布条6上下边缘1.5cm范围内每间隔15cm粘贴宽度为3cm的透明胶带16。

步骤6.3、将表面处理过的碳纤维布6放入锚具夹片7中，锚具螺栓8和螺栓垫片9放入锚具安装孔10中，将其拧紧使两锚具夹片7上紧。

步骤6.4、将表面处理过的碳纤维布6沿着锚具夹片7环向缠绕3圈，并保证缠绕过程中碳纤维布6与锚具夹片7之间裹紧。

步骤7、将与自锁式锚具连接好的碳纤维布包裹在RPC垫块表面，锚具放置在RPC垫块与被加固柱表面形成的100mm的凹槽中，施加预应力，具体步骤如下：

步骤7.1、将与自锁式锚具连接好的碳纤维布包裹在被加固方柱外包的表面涂胶处理过的RPC垫块上，将螺杆11和螺杆垫片12穿入锚具中的螺杆安装孔13，将螺母14套在螺杆11上。

步骤7.2、为防止自锁式锚具下坠影响碳纤维布6预应力施加的准确度，在自锁式锚具下缘用支撑水平地撑起锚具。

步骤7.3、对碳纤维布6施加初始拉力。同步交替拧紧上下两根螺杆11上的螺母14，直至碳纤维布6裹紧在被加固柱外包RPC垫块表面不能自由移动为止。撕除贴在碳纤维布6上下边缘的透明胶带16。

步骤7.4、对碳纤维布6施加预应力。用两个扳手固定住上下两个螺杆端部15，另外两个扳手同步交替拧紧上下两根螺杆11上的螺母14。在拧紧的同时用刻度尺测量自锁式锚具两端头的距离，保证其两端头水平距离相同，从而确保碳纤维布6同步受力。根据扳手拧紧螺母14的圈数与碳纤维布6预应力大小的线性关系确定碳纤维布上施加的预应力度。

步骤8、对施加了预应力的碳纤维布6表面均匀涂刷一层环氧胶。

步骤9、拆除自锁式锚具下缘的支撑。切割多余的锚螺杆11。

步骤10、RPC封锚20。用RPC填充锚具与RPC垫块之间的空隙。

所述RPC垫块以模数化尺寸预制，将其外包到被加固RC方柱上时，可根据被加固RC方柱尺寸对其进行切割，保证除预留的锚具放置位置100mm外，被加固RC方柱被加固位置全部包裹RPC垫块。

本文中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可对所描述的具体实施例做某些修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。