一种用于先张法制备混凝土梁的预应力施加装置及其使用方法

摘要

本发明涉及建筑技术领域，公开了一种用于先张法制备混凝土梁的预应力施加装置，包括持力架、拉力螺杆、张拉装置以及测力装置；所述持力架由第一约束模板、约束螺杆、第二约束模板以及锚接套筒构成，第一约束模板上设置有第一通孔，约束螺杆安装于第一约束模板上，第一约束模板上还设置有第一卡槽，用于装配锚接套筒，锚接套筒与FRP筋固定连接；所述第二约束模板上设置有第二通孔和第二卡槽，约束螺杆的一端伸出于第一约束模板后与第二约束模板连接，用于装配拉力螺杆；张拉装置和测力装置贯穿安装于拉力螺杆上。本发明提供的预应力施加装置既便于装配及施工操作，又能维持预应力稳定，具有重要的应用价值，适合推广。

说明书

技术领域

本发明涉及建筑技术领域，更具体地，涉及一种用于先张法制备混凝土梁的预应力施加装置及其使用方法。

背景技术

目前，钢筋混凝土结构是世界上使用最多的建筑结构，随着使用年限的增长，钢筋混凝土结构面临着结构老化、钢筋锈蚀等问题，尤其在远海工程建设过程中，腐蚀问题是钢筋混凝土结构面临的一大难题，大多数结构未达到设计寿命，便需要耗费大量资金进行维护和维修，造成巨大的经济损失。

要从根本上解决上述问题，材料替换是最有效的技术途径。比如利用新型材料-纤维增强聚合物复合材料筋(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)替代钢筋，就是一种可行的方案。FRP筋具有重量轻、抗拉强度高(最高可达钢筋的抗拉强度数十倍)以及具有良好的耐腐蚀性等优点，把FRP筋与混凝土结构结合可以解决钢筋锈蚀的问题。但由于FRP筋的弹性模量要比钢筋的弹性模量低，这会导致结构在服役使用期间会产生较大的挠度，还没充分发挥FRP筋高强度的特性，结构便无法正常使用。而如果采用预应力FRP筋与混凝土结构结合，便可充分发挥FRP筋高强度的性能，同时也能限制结构裂缝的萌生和缓解结构挠度太大的问题。

然而，目前对于预应力结构的研究，大多是采用后张法施加预应力，有些后张法需要在混凝土结构上留有锚具维持预应力，但若要开展耐久性研究，则会对锚具进行腐蚀，进而对预应力的损失有重要影响；也有些后张法采用往孔道灌浆维持预应力，但这种操作较为繁琐，而采用先张法施加混凝土梁的研究以及装置较少。

因此，提出一种解决上述问题的用于先张法制备混凝土梁的预应力施加装置实为必要。

发明内容

本发明所提供的用于先张法制备混凝土梁的预应力施加装置主要解决目前对于预应力结构大多是采用后张法施加预应力，不适合开展耐久性研究，且维持预应力操作较为繁琐，而采用先张法施加混凝土梁的研究以及装置较少的问题。本发明提供一种用于先张法制备混凝土梁的预应力施加装置，既便于装配及施工操作，又能维持预应力稳定，对研究预应力混凝土结构耐久性具有重要的应用价值，适合推广。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种用于先张法制备混凝土梁的预应力施加装置，包括持力架、拉力螺杆、张拉装置以及测力装置；

所述持力架由第一约束模板、约束螺杆、第二约束模板以及多个锚接套筒构成，所述第一约束模板至少设置有两块且竖向相互平行，第一约束模板上对称设置有多个第一通孔，所述约束螺杆贯穿所述第一通孔进而安装于所述第一约束模板上，所述第一约束模板的顶部中央设置有第一卡槽，所述第一卡槽用于装配所述锚接套筒；

所述第一约束模板上各自安装的锚接套筒分别与用于制备混凝土梁的FRP筋的两端固定连接；

所述第二约束模板上设置有与所述第一通孔对应的第二通孔，所述约束螺杆的一端伸出于所述第一约束模板后贯穿所述第二通孔，进而与所述第二约束模板连接，所述第二约束模板的顶部中央设置有第二卡槽，所述第二卡槽用于装配所述拉力螺杆；

所述拉力螺杆与所述锚接套筒的一端可拆卸连接，所述张拉装置和测力装置贯穿安装于所述拉力螺杆上，所述拉力螺杆的末端安装有限位螺母。

其中，所述第一约束模板和第二约束模板以及第一通孔、第二通孔的尺寸可根据实际需求设计或调整，为保证强度和刚度，第一约束模板和第二约束模板优选采用钢板制造，其厚度优选为35～50mm。

所述约束螺杆由高强钢制成，约束螺杆外壁设置有外螺纹，约束螺杆的长度、直径以及螺距均可根据实际需求设计或调整。

进一步的，所述约束螺杆上配套安装有分别与每块第一约束模板的两侧抵接的紧固螺母，用于将所述约束螺杆与每块第一约束模板相对固定；

所述约束螺杆上还配套安装有与所述第二约束模板的两侧抵接的约束螺母，用于将所述约束螺杆与第二约束模板相对固定，所述紧固螺母与第一约束模板的连接处以及所述约束螺母与第二约束模板的连接处均配套安装有垫片。

进一步的，所述锚接套筒的外壁设置有螺纹，锚接套筒上配套安装有与所述第一约束模板的外侧抵接的锁紧螺母，所述锁紧螺母与第一约束模板的连接处配套安装有垫片。

进一步的，所述拉力螺杆与所述锚接套筒的连接处设置有连接套筒，所述连接套筒分别与所述拉力螺杆和所述锚接套筒之间采用螺纹连接。设置连接套筒的作用是将锚接套筒与拉力螺杆连接起来，安装牢固且便于拆卸，连接套筒的内径、外径和长度可以根据实际需求进行设置。

进一步的，所述第一卡槽和第二卡槽均为开口向上的U形槽结构，便于安装或拆卸所述锚接套筒或拉力螺杆，装配协调性好。

进一步的，所述张拉装置与所述第二约束模板以及张拉装置与所述测力装置之间分别设置有垫块，所述垫块的中心设置有圆孔，便于将其贯穿安装于所述拉力螺杆上。所述垫块优选采用钢板制成，形状为正方形，在所述张拉装置和测力装置的两侧放置垫块作用是使其相互接触紧密，从而使得测力装置读数更为准确。

进一步的，所述第一约束模板上的第一卡槽和所述第二约束模板上的第二卡槽各自至少设置有一个，且第一卡槽和第二卡槽的大小以及水平位置相互对应。所述第一卡槽和第二卡槽的数量根据欲制备的混凝土梁内需设置的FRP筋的数量而定，相邻的第一卡槽或第二卡槽的间距也根据混凝土梁内需设置的FRP筋的间距而定。

进一步的，所述第一约束模板上的第一通孔对称设置有四个，与其相对应的约束螺杆共配置有四根，可以确保持力架装配后结构稳固；所述第二约束模板上的第二通孔对称设置有两个。

更进一步的，所述张拉装置优选采用千斤顶，所述测力装置优选采用力传感器；所述张拉装置和测力装置均为中空结构，便于所述拉力螺杆沿其轴向贯穿装配。

本发明的另一个目的在于提供上述的用于先张法制备混凝土梁的预应力施加装置的使用方法，其包括以下步骤：

S1.持力架装配：首先取所需数量的第一约束模板竖直放置在地面上，并使第一卡槽的开口朝上，然后取所需数量的约束螺杆，在其两端各安装一颗紧固螺母，将约束螺杆的两端分别穿过对应的第一约束模板上的第一通孔，使第一约束模板的内侧顶在预先安装的紧固螺母上，调整每块第一约束模板使其相互平行，以防施力过程出现偏心，然后再在所述约束螺杆的两端各拧进一颗紧固螺母并抵接所述第一约束模板的外侧，这样每块第一约束模板的内外侧分别通过两颗紧固螺母夹紧，从而将每块第一约束模板与所述约束螺杆相对固定；

接着，在所述约束螺杆伸出于所述第一约束模板的一端拧进一颗约束螺母，再将所述第二约束模板通过第二通孔穿入约束螺杆，与预安装的约束螺母抵接，继续在第二约束模板外侧再拧进一颗约束螺母，通过两颗约束螺母夹紧将第二约束模板固定于所述约束螺杆上，持力架装配完成；

S2.预装FRP筋：将FRP筋的两端分别与相应的锚接套筒采用环氧树脂胶粘结固定，然后在FRP筋的中部粘贴光纤光栅传感器，并在所述光纤光栅传感器上包裹一层防水胶与防撞胶，以起到保护作用；接下来，将锚接套筒分别安装于所述第一约束模板的第一卡槽中，并将靠近所述第二约束模板的锚接套筒通过所述连接套筒与拉力螺杆进行螺纹连接，在所述锚接套筒靠近第一约束模板外侧的位置安装锁紧螺母；

S3.安装配件：将所述张拉装置和测力装置依次贯穿安装于所述拉力螺杆上，并在拉力螺杆的末端加装限位螺母，将与所述拉力螺杆连接的锚接套筒上的锁紧螺母保持松动状态，准备施加预应力；

S4.施加预应力：通过所述张拉装置的顶升作用，对所述第二约束模板产生反力，继而所述拉力螺杆拉动锚接套筒，从而起到张拉FRP筋的作用，当测力装置显示读数达到试验值时，拧紧与所述拉力螺杆连接的锚接套筒上的锁紧螺母，使锚接套筒与第一约束模板相对锁紧；张拉完毕，可卸掉所述拉力螺杆、张拉装置以及测力装置等部件进而对另一根FRP筋张拉从而施加预应力；

S5.浇筑混凝土梁：若要进行浇筑制备混凝土梁，则需在步骤S2中安装拉力螺杆的工序之前，把箍筋全部穿进FRP筋上，再进行后续步骤，至完成步骤S4后，即可绑扎FRP筋的筋笼，支立模板，将整套装置搬运至浇筑场地，浇筑混凝土梁。

进一步的，在上述的混凝土梁浇筑作业完成后，对FRP筋进行预应力放张，步骤如下：

S11.首先将所述张拉装置复位，接着在相应的锚接套筒一端安装拉力螺杆，并在所述拉力螺杆上依次安装所述张拉装置、测力装置以及限位螺母，拧紧限位螺母后，开始通过所述张拉装置加力；

S12.随着所述张拉装置加力顶升，当与所述拉力螺杆连接的锚接套筒上的锁紧螺母相对于第一约束模板脱离后，停止加力，将该锁紧螺母继续拧松，接着缓慢将所述张拉装置回落复位，完成预应力放张，此时预应力由混凝土梁承受，采用同样方法对混凝土梁内的FRP筋全部放张完毕后，切掉过长的FRP筋，保留余量，至此，通过先张法施加预应力的混凝土梁制备完成。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

1.本发明的用于先张法制备混凝土梁的预应力施加装置结构设计合理，构造简单，易于加工制作，规格尺寸也可根据需求灵活设计，各部件易于组装或拆卸，装配协调性好，结构稳固，反复使用或长期受力不易变形，且整体装置便于搬运或移动；

2.本发明的用于先张法制备混凝土梁的预应力施加装置使用方便，持力架装配好后，通过其两端的第一约束模板上安装的锚接套筒分别与FRP筋的两端固定连接，将FRP筋安装并预紧，然后通过张拉装置顶升对拉力螺杆和锚接套筒施加拉力，进而对FRP筋施加预应力，同时利用测力装置可以实时持续检测受力情况，各部件相互紧密配合，能使FRP筋在放张前保持稳定的预应力水平，因此，该装置对研究预应力混凝土结构耐久性具有重要的应用价值，适合推广；

3.本发明的用于先张法制备混凝土梁的预应力施加装置在使用时，可以FRP筋中部粘贴有光纤光栅传感器，可对混凝土梁内的FRP筋预应力的时变规律进行监测，提高试验或施工的准确性与可靠度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式中的技术方案，下面将对实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的用于先张法制备混凝土梁的预应力施加装置的装配状态俯视图；

图2为本发明的用于先张法制备混凝土梁的预应力施加装置的装配状态侧视图；

图3为图1的A处放大图；

图4为本发明中的第一约束模板的正视图；

图5为本发明中的第一约束模板的俯视图；

图6为本发明中的第二约束模板的正视图；

图7为本发明中的第二约束模板的俯视图。

附图标记：1-持力架，11-第一约束模板，111-第一通孔，112-第一卡槽，12-约束螺杆，121-紧固螺母，122-约束螺母，13-第二约束模板，131-第二通孔，132-第二卡槽，14-锚接套筒，141-锁紧螺母，2-拉力螺杆，21-限位螺母，3-张拉装置，4-测力装置，5-FRP筋，51-光纤光栅传感器，6-连接套筒，7-垫块。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本实施方式，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施方式中所涉及的“第一”、“第二”等的描述，仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

同时，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，或者是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1～7所示，一种用于先张法制备混凝土梁的预应力施加装置，包括持力架1、拉力螺杆2、张拉装置3以及测力装置4；

持力架1由第一约束模板11、约束螺杆12、第二约束模板13以及四个锚接套筒14构成，第一约束模板11设置有两块且竖向相互平行，第一约束模板11上对称设置有第一通孔111，约束螺杆12贯穿第一通孔111进而安装于第一约束模板11上，第一约束模板11的顶部中央设置有两个第一卡槽112，第一卡槽112用于装配锚接套筒14；

第一约束模板11上各自安装的锚接套筒14分别与用于制备混凝土梁的FRP筋5的两端固定连接；

第二约束模板13上设置有两个与第一通孔111对应的第二通孔131，约束螺杆12的一端伸出于第一约束模板11后贯穿第二通孔131，进而与第二约束模板13连接，第二约束模板13的顶部中央设置有两个第二卡槽132，第二卡槽132用于装配拉力螺杆2；

拉力螺杆2与锚接套筒14的一端可拆卸连接，张拉装置3和测力装置4贯穿安装于拉力螺杆2上，拉力螺杆2的末端安装有限位螺母21。

其中，第一约束模板11和第二约束模板13以及第一通孔111、第二通孔131的尺寸可根据实际需求设计或调整，为保证强度和刚度，第一约束模板11和第二约束模板13采用钢板制造，其厚度为35～50mm。

约束螺杆12由高强钢制成，约束螺杆12外壁设置有外螺纹，约束螺杆12的长度、直径以及螺距均可根据实际需求设计或调整。

约束螺杆12上配套安装有分别与每块第一约束模板11的两侧抵接的紧固螺母121，用于将约束螺杆12与每块第一约束模板11相对固定；

约束螺杆12上还配套安装有与第二约束模板13的两侧抵接的约束螺母122，用于将约束螺杆12与第二约束模板13相对固定，紧固螺母121与第一约束模板11的连接处以及约束螺母122与第二约束模板13的连接处均配套安装有垫片(图中未示出)。

锚接套筒14的外壁设置有外螺纹，锚接套筒14上配套安装有与第一约束模板11的外侧抵接的锁紧螺母141，锁紧螺母141与第一约束模板11的连接处配套安装有垫片(图中未示出)。

拉力螺杆2与锚接套筒14的连接处设置有连接套筒6，连接套筒6分别与拉力螺杆2和约束螺杆12之间采用螺纹连接。设置连接套筒6的作用是将锚接套筒14与拉力螺杆2连接起来，安装牢固且便于拆卸，连接套筒6的内径、外径和长度可以根据实际需求进行设置。

第一卡槽112和第二卡槽132均为开口向上的U形槽结构，便于安装或拆卸锚接套筒14或拉力螺杆2，装配协调性好。

张拉装置3与第二约束模板13以及张拉装置3与测力装置4之间分别设置有垫块7，垫块7的中心设置有圆孔(图中未示出)，便于将其贯穿安装于拉力螺杆2上。垫块7采用钢板制成，其形状为正方形，在张拉装置3和测力装置4的两侧放置垫块7作用是使其相互接触紧密，从而使得测力装置4读数更为准确。

第一约束模板11上的第一卡槽112和第二约束模板13上的第二卡槽132的大小以及水平位置相互对应。相邻的第一卡槽112或第二卡槽132的间距可以根据混凝土梁内需设置的FRP筋5的间距而定。

第一约束模板11上的第一通孔111对称设置有四个，则与其相对应的约束螺杆12也共配置有四根，这样可以确保持力架1装配后结构稳固。

张拉装置3采用千斤顶，测力装置4采用力传感器；张拉装置3和测力装置4均为中空结构，便于拉力螺杆2沿其轴向贯穿装配。

实施例2：

本发明实施例1所提供的用于先张法制备混凝土梁的预应力施加装置的使用方法，包括以下步骤：

S1.持力架1装配：首先取两块第一约束模板11竖直放置在地面上，并使第一卡槽112的开口朝上，然后取四根约束螺杆12，在其两端各安装一颗紧固螺母121，将约束螺杆12的两端分别穿过对应的第一约束模板11上的第一通孔111，使第一约束模板11的内侧顶在预先安装的紧固螺母121上，调整每块第一约束模板11使其相互平行，以防施力过程出现偏心，然后再在约束螺杆12的两端各拧进一颗紧固螺母121并抵接第一约束模板11的外侧，这样每块第一约束模板11的内外侧分别通过两颗紧固螺母121夹紧，从而将每块第一约束模板11与约束螺杆12相对固定；

接着，在约束螺杆12伸出于第一约束模板11的一端拧进一颗约束螺母122，再将第二约束模板13通过第二通孔131穿入约束螺杆12，与预安装的约束螺母122抵接，继续在第二约束模板13外侧再拧进一颗约束螺母122，通过两颗约束螺母122夹紧将第二约束模板13固定于约束螺杆12上，持力架1装配完成；

S2.预装FRP筋：将FRP筋5的两端分别与相应的锚接套筒14采用环氧树脂胶粘结固定，然后在FRP筋5的中部粘贴光纤光栅传感器51，并在光纤光栅传感器51上包裹一层防水胶与防撞胶，以起到保护作用；接下来，将锚接套筒14分别安装于第一约束模板11的第一卡槽112中，并将靠近第二约束模板13的锚接套筒14通过连接套筒6与拉力螺杆2进行螺纹连接，在锚接套筒14靠近第一约束模板11外侧的位置安装锁紧螺母141；

S3.安装配件：将张拉装置3和测力装置4依次贯穿安装于拉力螺杆2上，并在拉力螺杆2的末端加装限位螺母21，将与拉力螺杆2连接的锚接套筒14上的锁紧螺母141保持松动状态，准备施加预应力；

S4.施加预应力：通过张拉装置3的顶升作用，对第二约束模板13产生反力，继而拉力螺杆2拉动锚接套筒14，从而起到张拉FRP筋5的作用，当测力装置4显示读数达到试验值时，拧紧与拉力螺杆2连接的锚接套筒14上的锁紧螺母141，使锚接套筒14与第一约束模板11相对锁紧；张拉完毕，可卸掉拉力螺杆2、张拉装置3以及测力装置4等部件进而对另一根FRP筋5张拉从而施加预应力；

S5.浇筑混凝土梁：若要进行浇筑制备混凝土梁，则需在步骤S2中安装拉力螺杆2的工序之前，把箍筋全部穿进FRP筋5上，再进行后续步骤，至完成步骤S4后，即可绑扎FRP筋5的筋笼，支立模板，将整套装置搬运至浇筑场地，浇筑混凝土梁。

进一步的，在上述的混凝土梁浇筑作业完成后，对其进行预应力放张，步骤如下：

S11.首先将张拉装置3复位，接着在相应的锚接套筒14一端安装拉力螺杆2，并在拉力螺杆2上依次安装张拉装置3、测力装置4以及限位螺母21，拧紧限位螺母21后，开始通过张拉装置3顶升；

S12.随着张拉装置3加力顶升，当与拉力螺杆2连接的锚接套筒14上的锁紧螺母141相对于第一约束模板11脱离后，停止加力，将该锁紧螺母141继续拧松，接着缓慢将张拉装置3回落复位，完成预应力放张，此时预应力由混凝土梁承受，采用同样方法对混凝土梁内的FRP筋5全部放张完毕后，切掉过长的FRP筋5，保留不少于30mm的余量，至此，通过先张法施加预应力的混凝土梁制备完成。

图中，描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；显然，本发明的上述实施方式仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。