纖維薄板-鋼板組合加固rc結(jié)構(gòu)及其方法與應(yīng)用
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了纖維薄板?鋼板組合加固RC結(jié)構(gòu)及其方法與應(yīng)用。所述纖維薄板?鋼板的組合板為三層結(jié)構(gòu):接觸混凝土的里層為低彈性模量的高強(qiáng)玻璃纖維薄板或芳綸纖維薄板或玄武巖纖維薄板,中間為鋼板,外層為中、高彈性模量的碳纖維薄板。組合板的制備及加固RC結(jié)構(gòu)的方法為:纖維薄板與鋼板、纖維薄板與混凝土之間都采用環(huán)氧樹(shù)脂超強(qiáng)膠粘貼,并借助植入RC結(jié)構(gòu)的螺栓進(jìn)行錨固。采用本發(fā)明所述組合加固方法對(duì)RC結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固,可大幅提高原結(jié)構(gòu)的承載力、剛度和延性,并具有變形協(xié)調(diào)性好、耐腐蝕、抗裂、抗疲勞、抗沖擊及耐久性能。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
纖維薄板-鋼板組合加固RC結(jié)構(gòu)及其方法與應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于土木建筑及交通運(yùn)輸工程領(lǐng)域,具體涉及纖維薄板-鋼板組合加固RC 結(jié)構(gòu)及其方法與應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 粘貼鋼板加固法和粘貼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer,簡(jiǎn)稱(chēng) FRP)加固法是目前土木建筑及交通運(yùn)輸工程中混凝土結(jié)構(gòu)最常用的兩種被動(dòng)加固方法,能 有效提高原有結(jié)構(gòu)的承載力,具有工期短、對(duì)結(jié)構(gòu)外觀影響小等優(yōu)點(diǎn),但均還存在一些問(wèn) 題。
[0003] 粘貼鋼板加固法優(yōu)點(diǎn)是能夠有效提高結(jié)構(gòu)的剛度和承載力,但不足之處為:1)鋼 板的彈性模量(Es = 206GPa)和混凝土彈性模量(Ec = 22~38GPa)相差較大,導(dǎo)致鋼板與混凝 土的界面的應(yīng)力梯度很大,變形不協(xié)調(diào),容易出現(xiàn)應(yīng)力集中;2)鋼板本身容易銹蝕,不但維 修和養(yǎng)護(hù)困難,還會(huì)影響結(jié)構(gòu)的耐久性;3)鋼板與混凝土的連接主要依賴(lài)于螺栓等連接件, 連接件的力學(xué)性能及耐久性不但會(huì)左右其加固效果,而且還會(huì)對(duì)被加固的混凝土結(jié)構(gòu)造成 新的損傷和應(yīng)力集中;4)鋼板比較重,增加原結(jié)構(gòu)的自重;5)鋼板較厚(6~10_)也重,會(huì)給 施工帶來(lái)一定的困難。
[0004] 粘貼FRP加固法的最大優(yōu)勢(shì)是輕質(zhì)高強(qiáng),碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)的耐腐蝕性 好,但由于材料本身的單向性、脆性等缺點(diǎn)導(dǎo)致該方法存在如下問(wèn)題:1)加固后對(duì)結(jié)構(gòu)件的 剛度提高效果不明顯;2)如果不采取適當(dāng)?shù)拇胧?,F(xiàn)RP材料的錨固效果較差,加固結(jié)構(gòu)常常 會(huì)發(fā)生FRP與混凝土界面的剝離破壞,無(wú)法充分發(fā)揮FRP材料的高強(qiáng)度優(yōu)勢(shì);3)FRP不管發(fā)生 FRP拉斷或FRP-混凝土界面剝離破壞,均是脆性破壞,不利于工程結(jié)構(gòu)的安全預(yù)警。
[0005] 為解決粘貼FRP加固法中的有效錨固問(wèn)題,近年來(lái)有學(xué)者提出了FRP-螺栓錨固技 術(shù)。該方法是按一定的間距采用矩形小鋼片和錨栓對(duì)FRP進(jìn)行錨固。該方法可以有效防止 FRP-混凝土界面過(guò)早剝離破壞,但其本質(zhì)仍然是單一的粘貼FRP加固法,鋼板不參與受力, 沒(méi)有解決FRP加固法所存在的剛度無(wú)明顯提高及無(wú)法充分發(fā)揮FRP材料的高強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)等問(wèn) 題。另外,該方法還存在錨固點(diǎn)局部有壓彎、損傷纖維的可能性。
[0006] 為了解決粘貼FRP加固法無(wú)法顯著提高加固結(jié)構(gòu)的剛度和錨固困難的問(wèn)題,有學(xué) 者提出了混凝土結(jié)構(gòu)的鋼板-FRP復(fù)合加固方法(CN101994398B)。該方法是將碳纖維布放在 內(nèi)層,鋼板壓在碳纖維布上,利用小鋼片壓住鋼板進(jìn)行加固。該方法能有效提高結(jié)構(gòu)的剛 度,并靠固定鋼板壓片的錨栓提供給加固鋼板的壓力來(lái)錨固鋼板和碳纖維布,但鋼板和碳 纖維布與被加固構(gòu)件之間仍然是靠界面來(lái)傳遞荷載。由于采用的碳纖維布的彈性模量E。2 230GPa,與混凝土彈性模量相差很大,導(dǎo)致碳纖維布與混凝土之間的界面的應(yīng)力梯度很大, 變形不協(xié)調(diào),會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 為了解決以上現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足之處,本發(fā)明的首要目的在于提供一種纖維 薄板-鋼板的組合板。
[0008] 本發(fā)明的另一目的在于提供上述纖維薄板-鋼板組合加固RC結(jié)構(gòu)的方法。
[0009] -種纖維薄板-鋼板組合板,所述組合板具有三層結(jié)構(gòu),每層板的彈性模量不同。 與混凝土接觸的一層是低彈性模量的第一纖維薄板,中間層是鋼板,外層是中、高彈性模量 的第二纖維薄板,如圖1所示。
[0010]所述的纖維薄板是本
【申請(qǐng)人】的新型FRP材料(ZL200410026742.8),其中,第一纖維 薄板是比鋼板的彈性模量低的高強(qiáng)玻璃纖維薄板或者芳綸纖維薄板或者玄武巖纖維薄板; 第二纖維薄板為比鋼板的彈性模量高的碳纖維薄板。
[0011] 本發(fā)明目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0012] 一種纖維薄板-鋼板組合加固RC結(jié)構(gòu),采用纖維薄板和鋼板制備成組合板并對(duì)RC 結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。
[0013] 進(jìn)一步地,所述組合板為三層結(jié)構(gòu),依次為第一纖維薄板、鋼板和第二纖維薄板。
[0014] 進(jìn)一步地,第一纖維薄板為高強(qiáng)玻璃纖維薄板、芳綸纖維薄板或玄武巖纖維薄板; 所述鋼板為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼板;所述第二纖維薄板為碳纖維薄板。
[0015] 進(jìn)一步地,第一纖維薄板的彈性模量為比鋼板的低,第二纖維薄板的彈性模量為 比鋼板的高。
[0016] 進(jìn)一步地,所述第一纖維薄板和第二纖維薄板的長(zhǎng)度與鋼板相同;第一纖維薄板 和第二纖維薄板的寬度為50mm~300mm,且與鋼板的寬度相同;所述第一纖維薄板的計(jì)算厚 度為0· 1mm~0· 3mm,所述鋼板的厚度為3mm~5mm,所述第二纖維薄板的計(jì)算厚度為0· 1mm~ 0.3mm〇
[0017] 進(jìn)一步地,第一纖維薄板和第二纖維薄板與鋼板之間采用環(huán)氧樹(shù)脂超強(qiáng)膠粘貼, 并借助螺栓進(jìn)行錨固。所述的組合板中各層板之間采用環(huán)氧樹(shù)脂超強(qiáng)膠粘結(jié)成一整體,如 附圖1所示。所述的組合板中預(yù)留有錨固孔(見(jiàn)圖1),并通過(guò)螺栓和植筋膠與被加固的RC結(jié) 構(gòu)緊密連接,如圖2~圖7所示。所述的環(huán)氧樹(shù)脂超強(qiáng)膠和植筋膠的抗剪強(qiáng)度2 15MPa。所述 的錨固螺栓孔位于組合板寬度方向的中間,其間距為400~800mm,孔直徑比螺栓直徑大 2mm。所述的螺栓為M8~M12,植入深度為螺栓直徑的5~10倍,其結(jié)構(gòu)如圖6所示。
[0018] 一種纖維薄板-鋼板組合加固RC結(jié)構(gòu)的方法,包括以下步驟:
[0019] 1)打磨:根據(jù)加固規(guī)范相關(guān)要求將要加固的混凝土表面打磨平整;
[0020] 2)鉆孔:參考公式(1)確定每條組合板上要植入的螺栓個(gè)數(shù)n,按照孔間距約為400 ~800mm原則,確定螺栓孔的位置,在加固構(gòu)件表面鉆孔,鉆孔深度為5~10d(d為螺栓直 徑);
[0021]
(1)
[0022] 式中,η是一條組合板上需要植入的螺栓個(gè)數(shù)或孔數(shù);
[0023] f/^Ι是單個(gè)螺栓的抗剪強(qiáng)度(MPa),可根據(jù)螺栓型號(hào)查規(guī)范;
[0024] σ!是組合板處所承受的拉應(yīng)力(MPa),為安全起見(jiàn),取鋼板的設(shè)計(jì)強(qiáng)度280MPa;
[0025] Az是組合板的橫截面面積(mm2);
[0026] 3)埋入螺栓:利用空壓機(jī),向孔內(nèi)吹灰,清孔,注入植筋膠,插入螺栓,確保螺栓中 間平滑、表面與底面平齊;
[0027] 4)組合板制作:按照埋入螺栓的位置對(duì)應(yīng)在鋼板上鉆孔,插上定型用螺桿,并在其 表面貼上一層塑料膠帶;編制第一纖維薄板和第二纖維薄板,纖維薄板的寬度與鋼板相同; 待纖維薄板半干后將其用環(huán)氧樹(shù)脂超強(qiáng)膠粘貼于鋼板上;粘貼時(shí),應(yīng)使纖維薄板繞開(kāi)螺桿, 并防止纖維薄板黏住螺桿;
[0028] 5)粘貼組合板:組合板上的粘結(jié)膠固化成型后,拔出定型用的螺桿,再對(duì)齊螺栓孔 位置,涂刷環(huán)氧樹(shù)脂超強(qiáng)膠、粘貼組合板,然后套上墊片和螺母,并擰緊。
[0029] 上述方法中,螺栓為M8~M12,植入深度為螺栓直徑的5~10倍。
[0030] 一種纖維薄板-鋼板組合加固RC結(jié)構(gòu)在橋梁、隧道、港口、碼頭和房屋RC結(jié)構(gòu)中的 應(yīng)用。
[0031] 相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù),本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)及有益效果:
[0032] 1)本發(fā)明的組合板中,與混凝土接觸的是彈性模量較低的纖維薄板,然后是彈性 模量較高的鋼板,外層是彈性模量最高的碳纖維薄板,從而達(dá)到優(yōu)異的變形協(xié)調(diào)性能;
[0033] 2)纖維薄板與鋼板通過(guò)粘結(jié)膠形成組合板,通過(guò)螺栓錨固鋼板而達(dá)到一起錨固纖 維薄板的作用,可以避免纖維薄板粘貼加固會(huì)發(fā)生界面脆性剝離破壞,能充分發(fā)揮纖維薄 板的高強(qiáng)度優(yōu)勢(shì);
[0034] 3)本發(fā)明的組合板有效的利用了纖維薄板具有尺寸自如、一次成型、柔軟、施工性 好等優(yōu)勢(shì),既可在工廠預(yù)先制作,也可以在現(xiàn)場(chǎng)制作。
[0035] 4)采用本發(fā)明的組合板對(duì)RC結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固施工時(shí),只需要粘貼一次,可減少工序, 提尚加固效率;
[0036] 5)本發(fā)明的錨固螺栓孔位于組合板寬度方向的中間位置,既有利于組合板的錨 固,又有利于組合板與RC結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體已達(dá)到共同受力的目的。
[0037] 6)本發(fā)明的纖維薄板-鋼板組合加固方法,比現(xiàn)有的同類(lèi)加固方法具有更加合理 的結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的抗彎拉、抗剪、抗變形、抗裂、抗疲勞、抗沖擊、耐腐蝕及耐久性能??梢越鉀Q 粘貼FRP加固法中無(wú)法顯著提高結(jié)構(gòu)剛度以及錨固效率較低等不足;也可以解決鋼板粘貼 加固后鋼板-混凝土界面的變形不協(xié)調(diào)、鋼板的防腐以及重量較重、施工性較差等問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0038]圖1為本發(fā)明組合板示意圖;
[0039]圖2為本發(fā)明纖維薄板-鋼板組合加固RC結(jié)構(gòu)立面示意圖;
[0040]圖3為本發(fā)明纖維薄板-鋼板組合加固RC結(jié)構(gòu)橫截面示意圖;
[0041 ]圖4為本發(fā)明纖維薄板-鋼板組合板加固RC結(jié)構(gòu)平面示意圖;
[0042]圖5為本發(fā)明組合板加固法局部大樣圖;
[0043]圖6為本發(fā)明螺栓(單位:mm);
[0044] 圖7為本發(fā)明定位光滑螺桿(單位:mm);
[0045] 圖8為本發(fā)明的組合板加固效果實(shí)驗(yàn)值對(duì)比圖。
[0046] 圖中各部件的標(biāo)記如下:
[0047] RC結(jié)構(gòu)1、組合板2、螺栓3、螺帽4、墊片5、第一纖維薄板6、鋼板7、第二纖維薄板8、 定位光滑螺桿9、板厚度t、螺紋表面a、光滑表面b。
【具體實(shí)施方式】
[0048] 下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述,但本發(fā)明的實(shí)施方式不限 于此。
[0049] 實(shí)施例1
[0050] 本實(shí)例是采用發(fā)明中的纖維薄板與鋼板組合加固鋼筋混凝土 (RC)板,加固前先按 照有關(guān)混凝土加固規(guī)范,對(duì)本發(fā)明的組合板進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì),確定纖維薄板計(jì)算厚度 0 · 23mm,寬度50mm;鋼板為Q235,厚度3 · 7mm,寬度50mm,兩種材料的長(zhǎng)度一樣,根據(jù)試件的尺 寸,均為1.6m。然后按照以下步驟進(jìn)行加固:
[0051] 1)根據(jù)設(shè)計(jì)位置,將要粘貼的混凝土表面打磨平整,并鉆孔,將孔內(nèi)灰吹干凈;
[0052] 2)利用植筋膠植入圖6中所示M8高強(qiáng)螺栓3,深度為10d,即80mm;
[0053] 3)根據(jù)螺栓的實(shí)際植入位置將鋼板7鉆好孔,用鋼絲刷將鋼板兩面的銹除掉,并用 丙酮擦干凈;
[0054]其中,螺栓個(gè)數(shù)可根據(jù)公式(1)計(jì)算:
[0055]
(1)
[0056] 本例中,采用M8高強(qiáng)螺栓,根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范,其設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度為250MPa,直 徑d為8mm,σι取鋼板設(shè)計(jì)強(qiáng)度280MPa,組合板厚度為4mm,寬度為50mm,因此橫截面面積Az為 200mm 2。代入上式中,計(jì)算得到每條板上要植入的螺栓數(shù)量為η = 4.4個(gè),取整數(shù)5個(gè)。每條組 合板長(zhǎng)度為1.6m,實(shí)際鉆孔按400mm間距。
[0057] 4)編制第一纖維薄板(芳綸纖維薄板,彈性模量lOOGPa,計(jì)算厚度0.11mm)和第二 纖維薄板(碳纖維薄板,彈性模量為230GPa,計(jì)算厚度0.11mm);芳綸纖維薄板和碳纖維薄板 的制備方法如ZL200410026742.8中的方法制備。
[0058] 5)制作圖1所示纖維薄板-鋼板組合板2。等纖維薄板晾至半干的成型狀態(tài)時(shí),在鋼 板的螺孔中插上圖7所示的定位光滑螺桿9。再采用環(huán)氧樹(shù)脂超強(qiáng)膠,將兩種纖維薄板粘貼 到鋼板的兩個(gè)表面。粘貼時(shí)在螺桿處局部應(yīng)撥開(kāi)纖維薄板中的纖維束;
[0059] 6)粘貼纖維薄板-鋼板的組合板以加固RC板。待組合板完全固結(jié)后,將混凝土的表 面用高壓空氣吹干凈,用丙酮擦洗其粘貼表面,再涂抹超強(qiáng)膠,撥出鋼板上的定位螺桿9,然 后以螺栓位置對(duì)中,粘貼組合板,確保粘貼界面沒(méi)有空鼓,如圖2~圖4所示;
[0060] 7)在螺栓3上套上墊片5,并擰緊螺帽4,如圖5所示。
[0061] 待上述纖維薄板-鋼板的組合板與混凝土固結(jié)后,對(duì)加固后的3塊RC板實(shí)施了承載 力實(shí)驗(yàn)。
[0062]另外,為了對(duì)比本發(fā)明的加固效果,對(duì)相同的2塊未加固RC板、3塊0.23mm厚碳纖維 薄板加固RC板、以及3塊3.7mm厚鋼板加固的RC板都進(jìn)行了承載力實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果都示 于圖8。由圖8可知,采用纖維薄板與鋼板的組合板加固新技術(shù),可以大大提高原有RC結(jié)構(gòu)(F 組)的承載力以及構(gòu)件剛度,而且比單一粘貼鋼板加固法(A組)、粘貼碳纖維薄板(CFL)加固 法(B組)具有更好的延性。
[0063] 實(shí)施例2
[0064]本實(shí)施例的方法與實(shí)施例相同,只是第一纖維薄板采用低彈性模量的玄武巖纖維 薄板(彈性模量為90Gpa,計(jì)算厚度0.11111111),第二纖維薄板采用高彈性模量(2306?&, 0.11mm)的碳纖維薄板。
[0065]上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式,但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的 限制,其它的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化, 均應(yīng)為等效的置換方式,都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 纖維薄板-鋼板組合加固RC結(jié)構(gòu),其特征在于:采用纖維薄板和鋼板制備成組合板并 對(duì)RC結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述纖維薄板-鋼板組合加固RC結(jié)構(gòu),其特征在于:所述組合板為三 層結(jié)構(gòu),依次為第一纖維薄板、鋼板和第二纖維薄板。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述纖維薄板-鋼板組合加固RC結(jié)構(gòu),其特征在于:第一纖維薄板為 高強(qiáng)玻璃纖維薄板、芳綸纖維薄板或玄武巖纖維薄板;所述鋼板為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼板;所述 第二纖維薄板為碳纖維薄板。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述纖維薄板-鋼板組合加固RC結(jié)構(gòu),其特征在于:第一纖維薄板的 彈性模量為比鋼板的低,第二纖維薄板的彈性模量為比鋼板的高。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述纖維薄板-鋼板組合加固RC結(jié)構(gòu),其特征在于:所述第一纖維薄 板和第二纖維薄板的長(zhǎng)度與鋼板相同;第一纖維薄板和第二纖維薄板的寬度為50mm~ 300mm,且與鋼板的寬度相同;所述第一纖維薄板的計(jì)算厚度為0.1mm~0.3mm,所述鋼板的 厚度為3mm~5mm,所述第二纖維薄板的計(jì)算厚度為0.1mm~0.3mm。6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述纖維薄板-鋼板組合加固RC結(jié)構(gòu),其特征在于:第一纖維薄板和 第二纖維薄板與鋼板之間采用環(huán)氧樹(shù)脂超強(qiáng)膠粘貼,并借助螺栓進(jìn)行錨固。7. 制備權(quán)利要求1所述纖維薄板-鋼板組合加固RC結(jié)構(gòu)的方法,其特征在于,包括以下 步驟: 1) 打磨:根據(jù)加固規(guī)范相關(guān)要求將要加固的混凝土表面打磨平整; 2) 鉆孔:參考公式(1)確定每條組合板上要植入的螺栓個(gè)數(shù)n,按照孔間距約為400~ 800mm原則,確定螺栓孔的位置,在加固構(gòu)件表面鉆孔,鉆孔深度為5~10d(d為螺栓直徑);式中,η是一條組合板上需要植入的螺栓個(gè)數(shù)或孔數(shù); [Λ巧是單個(gè)螺栓的抗剪強(qiáng)度(MPa),可根據(jù)螺栓型號(hào)查規(guī)范; σι是組合板處所承受的拉應(yīng)力(MPa),為安全起見(jiàn),取鋼板的設(shè)計(jì)強(qiáng)度280MPa; Az是組合板的橫截面面積(mm2); 3) 埋入螺栓:利用空壓機(jī),向孔內(nèi)吹灰,清孔,注入植筋膠,插入螺栓,確保螺栓中間平 滑、表面與底面平齊; 4) 組合板制作:按照埋入螺栓的位置對(duì)應(yīng)在鋼板上鉆孔,插上定型用螺桿,并在其表面 貼上一層塑料膠帶;編制第一纖維薄板和第二纖維薄板,纖維薄板的寬度與鋼板相同;待纖 維薄板半干后將其用環(huán)氧樹(shù)脂超強(qiáng)膠粘貼于鋼板上;粘貼時(shí),應(yīng)使纖維薄板繞開(kāi)螺桿,并防 止纖維薄板黏住螺桿; 5) 粘貼組合板:組合板上的粘結(jié)膠固化成型后,拔出定型用的螺桿,再對(duì)齊螺栓孔位 置,涂刷環(huán)氧樹(shù)脂超強(qiáng)膠、粘貼組合板,然后套上墊片和螺母,并擰緊。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述纖維薄板-鋼板組合加固RC結(jié)構(gòu)的方法,其特征在于:螺栓為M8 ~Ml 2,植入深度為螺栓直徑的5~10倍。9. 權(quán)利要求1所述纖維薄板-鋼板組合加固RC結(jié)構(gòu)在橋梁、隧道、港口、碼頭和房屋RC結(jié) 構(gòu)中的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】E04G23/02GK105863288SQ201610217253
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年4月9日
【發(fā)明人】鄭小紅, 黃培彥, 郭馨艷
【申請(qǐng)人】華南理工大學(xué)