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)