加固固定立柱的设备和方法

                    发明背景

本发明涉及固定立柱的加固，尤其涉及桥梁立柱和类似柱的防地震的加固。

最近，在加里弗尼亚的地震以及由此引起的破坏证明了需要降低道路对地震 干扰的敏感度。这种破坏可能以多种形式发生，但最危险的和最有潜在破坏性的 一种形式是桥梁强度的降低和/或倒塌。

大多数桥梁可看作有一个由长且细的立柱支承着的桥面板。加里弗尼亚的地 震表明：在1971前建造的支承柱没有足够的横向环状钢筋，因此在它们的端部 载荷作用下可能出现横向的变形、连接部断裂或翘曲等现象。这些支承柱通常围 绕一中央的钢结构浇灌混凝土筑成。混凝土的延展性不够。如果地震活动的强度 足够大，则会使混凝土破裂而落下，使柱子的残留部分处在增加的负载下。然后 钢筋结构受压而破坏，或在立柱的连接点和其它部分出现剪切或脱节的破坏。

多种研究已证实了垂直支承柱的外围加固能提高它们抗地震破坏的能力。外 加固理想地在立柱的周围提供了一外护套，使得混凝土被约束住，即使在猛烈的 负荷下也不会出现横向破坏。这种加固既可以在立柱开始建造的时候完成，也可 以在对现有结构进行改造时进行。

对于垂直支承柱的外侧横向加固已研究了多种手段，但这些都有缺陷。由于 各种原因，垂直固定结构的立柱的加固有一个困难的问题。这些立柱一般都是大 体积，所以手工或通常可行的简单的小规模技术是不行的。在进行改造时，加固 设备无法在立柱的顶端上滑动。立柱不能转动，因此，不能使用应用于制造大管 结构的航空工业的加固技术。

因此，需要一种加固长的基本上是垂直的、诸如建立在高速公路跨越结构和 某些建筑中的立柱的改进方法。这种方法在实践中是方便可行的，还能形成一覆 盖结构，使得在地震活动中不会出现过早受到破坏的节点。本发明满足了这种需 求，并且还具有相应的优点。

                      发明概要

本发明提供了一种设备，这种设备用来加固建立在高速公路结构、一些大楼 结构和桥墩支承中的支承立柱。这种方法能提供一外约束覆盖层，其结构性能可 以通过选择材料和制造工艺在一大的范围内有控制地变化。外覆盖层是由长的、 基本上是连续的、埋在一固化基体中的纤维所形成，纤维以一可选择的角度定向 于立柱。

为了达到最大的强度和包容度，纤维的连续性是需要的。控制加固件相对于 立柱角度的能力允许在工艺上控制包容度。尤其是，对于许多为适应地震而进行 改造的情况，使加固件几乎环状定向的一很小的螺旋角是需要的，因为它能使立 柱的包容度达到最大，而使其垂直加强达到最小。没有垂直的或其它方向的长接 缝，它们往往它是脆弱破坏的根源。加固件的缠绕厚度可以改变，而且缠绕可以 是倾斜的以消除应力集中。最终的加固结构的强度和延展性是高的。

即使是长的、大直径的立柱，本发明的设备也能以严格控制的、可重复的和 精确的方式在其上设置这种加固件。用一单轴的预浸处理的材料(a uniaxial prepreg material)而不是用树脂浸渍湿增强材料(wet layup)来完成加固。加固件具 有一致的性能，质量控制简单，由于树脂浸渍增强材料(layup)的设备的自动化、 自动操纵的性能和预浸处理的材料的制造是在受控制的工厂条件下进行的，所以 质量一般是均匀的且是高的。与树脂浸渍湿增强材料技术有关的对健康的危害、 混乱肮脏和工艺可变性是不存在的。复合材料在高温下固化以达到高强度。由于 施工场地污染很小，所以施工过程符合环保要求。

根据本发明，用一加固材料加固固定立柱的外表面的设备包括：加固材料供 应装置，把加固材料从供应装置引导到固定的立柱上的导向装置，和用于使导向 装置以一螺旋式样相对于固定立柱运动的缠绕装置。缠绕装置包括一多部件结 构，该结构组装在立柱周围，然后拆开而从立柱上取下。

用一加固材料加固固定立柱外表面的相应方法包括步骤：围绕固定立柱组装 一缠绕设备；在立柱的外表面上缠绕多层加固材料，每一层有螺旋式样的加固材 料；拆开缠绕设备并把它从固定立柱取走。

较佳的加固材料是一种诸如石墨/环氧树脂但不受此限制的复合材料。设备 理想地适用于以一螺旋式样在立柱上缠绕未固化的石墨-环氧树脂预浸处理的材 料或石墨纤维。在这种情况下，供应加固材料的供应装置包括多个预浸处理的复 合材料或纤维材料带束的线轴。当缠绕开始时，从线轴拉出材料，并被精确引导 到缠绕处。应仔细，以在立柱表面上以并排的方式排列整齐的带束。

当加固材料是一种可固化的复合材料时，设备还包括加热缠绕在立柱上的加 固材料的加热装置。在完成了缠绕工作并立柱上拆下缠绕设备之后，再使用这种 加热装置。围绕立柱放置加热器，使加热器工作以固化可固化的复合材料的基体 部分。加热层、灯、燃烧器型辐射加热器或其它适用的加热装置都可使用。

本发明对从外部加固大的、固定的立柱的工艺作出了重大贡献。立柱缠绕设 备以散件形式运输到立柱现场，用少数几个人一般是三个人把它放在立柱的周围 并装配起来。通过一可控制的导向件以一确定的式样，自动化程度极高地、迅速 地开始缠绕立柱，形成了一经济的加工。加固件能适应任何特定的情形。例如， 在必要时可控制加固件的螺旋缠绕角和节距，在某些情况下，在立柱的顶部和底 部需要不同厚度的加固件，在同一个立柱之中有不同类型的加固件，或在同一个 立柱中有不同缠绕式样的加固件。由于加固件结构习惯上是在各立柱的现场制造 的，工程师可以为每个立柱制定加固件结构，而不需要承担与预定加固件零件和 结构的较长预定时间(从订货到交货的周期)有关的相当大的费用。传感器可埋 入加固件中，以监视加固件和其下面的立柱。

下面结合附图对较佳实施例进行详细的描述，使本发明的其它特征和优点更 清楚，通过例子来举例说明本发明的原理。

附图简要说明

图1是一桥梁的大的、固定的垂直支承柱的主视图；

图2是在一立柱周围缠绕加固件的本发明设备的一实施例的第一方向的视 图；

图3是图2所示设备的第二方向的视图；

图4是图2所示设备的俯视图；

图5a是用于所述设备的加固件引导机构的俯视图；

图5b是一典型滚轮引导机构的侧视图；

图6是一用于本发明方法的控制件的示意图；

图7是一立柱缠绕有复合材料部分的主视图；

图8是一立柱的主视图，示出缠绕在立柱上的、用以固化复合材料加固件的 加热包覆层和绝缘层；

图9是一具有辐射加热器以固化复合材料加固件的被缠绕的立柱的俯视 图；

图10是本发明方法的方块流程图；

图11是用于本发明第二实施例的一基础的俯视图，图中所示的实施例处在 打开位置以装配到立柱上；

图12是图11所示的基础的俯视图，所示的是装配到立柱之后的情况；

图13是图12所示的基础的俯视图，所示的是缠绕立柱时工作的情况；

图14是一种垂直驱动系统的主视图；

图15是第二种垂直驱动系统的主视图；

图16是第三种垂直驱动系统的主视图；以及

图17是一俯视示意图，它示出一缠绕有干加固纤维并在缠绕时加上聚合物 材料的立柱。

               较佳实施例的详细描述

图1示出一建立在埋入地面22的底座上的固定立柱20。立柱20的上端支 承着一桥面板24。本发明被用来增强立柱20，使之具有多层螺旋缠绕的加固材 料。立柱20是由混凝土浇注在一中心钢结构(看不见)上而形成的。立柱20可 具有不同的尺寸，具体视应用而定。在一般情况下，立柱20的直径约为1-1/2至 8英尺，高为8至80英尺。

图2、3和4分别是用来在立柱20上螺旋地缠绕加固材料的包封层的一缠 绕设备30的三个视图。设备30包括一基础32，它是由两个能组合成圆环形基 础32的半圆件34组成的。两半圆件通常是以分开的状态运输的，然后在施工现 场围绕立柱20组装起来。每个半圆件34在其圆周的相对端有一凸缘36，用螺 栓穿过凸缘36把两半圆件34连接起来。基础32支承在腿37上，腿37的长度可 通过千斤顶来调整，以便调节基础的水平。

一旋转架38支承在基础32上。设有一第一驱动装置以在围绕基础32的圆 周方向驱动旋转架38。可使用任何实用的驱动装置。在一实施例中，第一驱动 装置包括一围绕基础32的下表面延伸的第一导轨40。旋转架38朝外的径向表 面包括一齿轮42，在图2中用部分剖视图表示。齿轮42与第一导轨40啮合。一 第一电动机44可控制地转动齿轮42，使旋转架38在圆周方向46形成或顺时针 或逆时针的旋转运动，可通过第一电动机44的速度来选择旋转架38的旋转速 度。

一垂直杆48垂直地安装于旋转架38上。垂直杆48最好安装成位于圆形基 础32内径的内侧。垂直杆48既可按需要延伸到靠近地面，又能延伸到所必须的 高度，以便让加固件缠绕立柱20的全部或选定的一部分上。通过旋转架38前述 方式的相应运动，垂直杆48可绕基础32的整个圆周运动。

一垂直架50支承在垂直杆48上。通过一第二驱动装置使垂直架50沿垂直 杆48或上或下移动。可用任何一种实用的驱动装置。在图中所示的实施例中， 第二驱动装置包括一沿垂直杆48朝内面对立柱20的一侧延伸的第二导轨52。 垂直架50与第二导轨52啮合。一链条或皮带54在两个支承轮56之间延伸，支 承轮中的一个在垂直杆48的顶部，另一个在垂直杆48的底部。一第二电动机58 可控制地转动支承轮56中的一个，图中所示的是上支承轮，以在垂直方向可控 制地驱动垂直架50或上或下地移动，通过第二电动机58的速度来选择垂直架50 移动的速度。在一方便形式的运行中，第一电动机44和第二电动机58以一固定 的速比运行，从而当加固材料缠绕在立柱上时可保持一个选定的缠绕节距。

在设备30中设置加固材料61的支承件60。最好是，支承件60包括至少一 个由垂直杆48支承在一固定的垂直位置上的加固材料的旋转卷筒62。在一由发 明人制造的样机30中，垂直杆48支承着六个加固材料的卷筒，垂直杆48的每 一侧有三个卷筒。

加固材料61最好是预浸可固化的复合材料的带束。这种带束可从不同的制 造商处购得。简单地讲，带束是用可固化的聚合基体材料浸渍过的加固纤维束。 最佳材料是浸渍有可热固化的环氧树脂基体材料的碳纤维带束。也可使用例如诸 如玻璃或芳族聚酰胺纤维的其它纤维类。也可使用例如诸如酚醛塑料、乙烯基脂 和聚酯等的其它热固化基体材料。本方法的一个优点是选择加固材料时具有很大 的灵活性。

一导向结构64支承在垂直架50上。导向结构64的功能是把加固材料从支 承件60以基本上是切向的方向引导到立柱20上，如图4所示。导向结构64的垂 直运动取决于垂直架50的运动，圆周运动取决于旋转架38的运动。

图5a和5b示出一较佳形式的导向结构64。如图5a所示，该导向结构64 包括多个滚轮式导向件66和一个导向管68，它们给加固材料带束定向，把移动 的带束从支承件60引导到立柱20。各滚轮式导向件66包括数量足够的滚轮以 在所要求的方向引导加固材料带束61。滚轮式导向件66的一般形式如图5b所 述。滚轮式导向件66至少包括一个被定向的滚轮66’，以使加固材料61能通过 它。在图5b所示的滚轮式导向件66的一般形状中有四滚轮66’，以便为任何方 位和位置的加固材料61提供引导。

导向管68的一端部69靠近立柱20的表面，最好在立柱20的约2英寸之内。 滚轮式导向件66的组合及其它们的排列和导向管68端部69靠近立柱20的程度 相互配合起来，使多条加固材料带束61以紧密的形式被缠绕在立柱20的表面。 即，在图示的实施例中，六条经过些许平整的带束并排地被同时放置在立柱20 的表面上。些许平整过的较佳的碳纤维/环氧树脂带束，其每条的宽度约为0.11 英寸，使六条带束同时放置形成的宽带的总宽度约为0.68英寸。

在设备30中，基础32的两半圆件34、垂直杆48和电动机44是以单独的 构件提供的，它们能方便地围绕立柱20组合在一起。这种积木化设计的目的是 为了使任何一件构件的最大重量达到最小，使得少数几个人使用一轻型起重机就 能完成运输和装配的工作。适用于缠绕直径达4英尺、高达25英尺的立柱的一 样机设备30中，单件构件的重量没有一件超过350磅的。因此，三个人用一轻 型起重机就能完成运输和装配的工作。

图6示出了设备30的控制系统，该控制系统不复杂。设备30提供如图2和 7所示的螺旋缠绕的加固件。重要的基本控制参数是螺旋前进的向上或向下的方 向、如图7所示的螺旋每一圈相对于水平面的上升角A和各圈之间的节距P，。 节距P是各圈之间的中心到中心的距离。如前所述，一控制方法是维持电动机44 和58的固定速比，使缠绕节距与缠绕速度无关而保持不变。

选择了垂直架50的移动方向(向上或向下)就确定了螺旋前进的方向(例 如A相对于水平面是正的还是负的)。图2示出了通过垂直架50向上的移动而 螺旋缠绕的第一层加固件的情形。垂直架到达其行程的顶部，再反过来向下移 动。第二层螺旋缠绕的加固件在第一层的外面，前进的方向是朝下的(负角A)。 旋转架38的旋转方向还可在顺时针与逆时针之间的改变，但一般情况下不这样 做。旋转架38的转动方向在一立柱的整个缠绕过程中一般保持不变。

角A的大小直接由垂直架50的垂直移动的相对速度和旋转架38的转动速度 控制。垂直架50的垂直移动速度相对于旋转架38的速度较快，则角A比较大。 节距P取决于垂直架50的垂直移动的绝对速度和立柱20的直径。

因此，螺旋方向、角A和节距P都可通过改变垂直架50和旋转架38的运动 速度来控制。这些运动速度直接由电动机58的运动方向和电动机44和58的速 度控制。因此控制件70不会比电动机58的反转控制装置和电动机44、58的变 阻器更为复杂。然而，如果控制件70包括一控制电动机58的方向和电动机44、 58的速度的微处理机，则在缠绕复杂的式样时，就可实现比较精确的控制。例如， 图7示出了一立柱的例子，在该立柱20的底部采用一大的角A，然后逐渐变化， 到立柱的顶部变为一小的角A。如果节距P保持不变，这种变化是通过改变电动 机44的速度来实现的。一微处理机在它的存储器中可储存速度的各种组合，或 根据几何关系计算它们，以达到所要的结果。

在这个方法中，上升角A的大小大约不大于1°，最好是不大于0.5°，上 升角A相对于水平面可正可负(图7中的角A为图示清晰而被放大)。即，加固 材料最好被定向成接近一具有小上升率的环状加固件。较大的角A导致立柱变 硬，对于大多数情形是无益的。节距P等于加固材料宽带的宽度，较佳为约0.90 英寸，使得相邻圈以并排的排列方式铺设。

本方法的另一个特征如图2所示。一传感器72埋在螺旋缠绕的加固材料的 层与层之间，或埋在立柱的混凝土与第一层之间。把传感器72的引线74穿设在 加固材料的相邻圈之间时要小心。可以这种方式埋入诸如光纤维和磁致伸缩传感 器之类的传感器。此外，诸如应变仪或声发射换能器之类的传感器可放置在加固 材料顶层的外表面上。

缠绕过程完成之后，拆开设备30并从立柱20上取下。如果加固材料含有诸 如可固化的环氧树脂基体的可固化的成分，则把在立柱上的加固材料加热，以进 行固化。可采用任何实用的能达到所需的温度的加热装置。但是，由于被加热的 范围较大，最好采用一尽可能经济的加热器。图8示出一包覆在立柱20上带绝 热层的加热包层76。图9示出另一个方法。这里，外面缠绕加固材料61的立柱 20被一气体加热器78包围。加热器78包括一传导壁80、一外绝缘壁82和具有 气体喷嘴84的空隙。一绝缘层86外覆在外壁82上。气体喷嘴84加热内壁80， 从而加热加固件61。在图8和9的任何一个方法中，分别用热电偶88和90测 量加固纤维表面的温度和立柱表面的温度。如果需要还可增加热电偶。热电偶反 馈温度信息，这样能调整加热器的加热温度和时间以获得一适当的加固材料的固 化周期。

图10以方块示意图的形式示出加固立柱20外表面的较佳方法。如果必须的 话先处理立柱的外表面，图中标号100。在一种方法中，外表面覆盖一层其作用 很象底漆的聚合物膜，用标号100表示。聚合物膜是较好的，因为它密封住加固 件，当混凝土加热时，它能防由立柱混凝土散发出的水蒸气，还可防灰尘和污物。 在装配设备30之前先把聚合物膜涂在立柱20的表面上，并该按产品的说明令其 干燥。在最佳的情况下，把足够量的双成分可固化的液体尿脘聚合物涂在外表面 上，在干燥时形成约0.10英寸厚度的聚合物膜。干燥需要约一小时的时间。但同 时，在进行任何表面处理之前，应对立柱的可能影响缠绕施工的任何有疵点或有 问题的表面进行清洁、修补或修复。

围绕立柱20装配设备30，用标号102表示。以前述方法缠绕加固材料螺旋 缠绕层，用标号104表示。如果需要，把传感器缠绕进去。当层数达到所需数量 时，拆开设备30并把它取下，用标号106表示。在未固化的加固件材料的外面 装上加热装置，并根据制造商的固化说明加热所述层，以固化可固化的成分，用 标号108表示。在一典型的情况中，通过约1小时的时间加热到约180-400°F 的温度，再保温约3小时，然后保持加热装置在原位使加固材料冷却，由此完成 固化。热电偶用来估计加固材料的加热情况。加热和固化完成之后，需要对加固 材料的顶层涂覆一保护涂层，以密封和保护加固材料。较佳的保护涂层是双成分 尿脘聚合物，可用Ultracoat 2000的保护聚合物，使用时先涂上一层，然后在环 境温度中使它干燥，由此形成保护涂层。

已造出一台样机30，并用来缠绕许多立柱。每根高8-12英尺、由钢筋混凝 土制成的七根0.4比例的立柱缠绕有碳预浸处理的带束。每根高25-30英尺、直 径4英尺的五根实际尺寸的立柱缠绕有碳预浸处理的带束。在现场，碳混合物外 壳被固化在立柱上。测试在模拟的地震载荷下一些经过改造的立柱的损坏情况。 伴随着可预期的结构性能，测试表面：合适设计和安装的碳外壳能够达到与传统 钢外壳一样的或程度较高的防震效果，同时，由于安装过程完全自动化，所以在 施工速度和质量控制方面有了显著的提高。

由于立柱20原本是很大的，所以要尽可能的提高缠绕的速度。图11-14示 出一能提高缠绕速度的设备200。设备200具有许多与设备30相同的特征和部 件，在应用方面采用设备30的描述。下面讨论的重点在设备200的不同方面。

设备200包括一基础202。该基础最好由两个半圆部分形成，它们铰接在一 起因而能容易地定位在立柱20周围(见图11)，使它们围绕立柱20闭合而组 装在一起(图12)，然后在完成缠绕之后把它们拆开。基础202支承一能在其 上沿圆周转动的旋转架204，如图13所示。一加固材料的支承件206支承在旋 转架204上。支承件206最好包括多个从旋转架204垂直向上延伸的筒子架 (creel)208和多个支承在筒子架上的加固材料的线轴(bobbin)210，每一个筒子架 上有一个线轴。所设置的筒子架和线轴最好是至少有12个，如果需要还可更多， 使得每一线轴上的加固件以并排的排列方式铺设。对于一宽度选定的加固件材料 来讲，线轴越多，加固件就能更快地缠绕在立柱上。根据一个采用仿真工艺分析 法和结构数据所进行的分析，用设备200完成大立柱的缠绕所需的时间约是设备 30所需时间的1/25。

第一驱动系统212在基础202的圆周方向上驱动旋转架204。该第一驱动系 统212总的类似于设备30的驱动系统，它包括一变速电动机214和一至旋转架 204的诸如链条216或皮带(或齿轮)的联动装置。

如图13所示，加固件218由滚轮式导向件220从线轴引导至立柱20，图13 只示出其中的一组。筒子架208和线轴210布置成如图所示的设备200中的每一 个筒子架和线轴只需要两个滚轮式导向件220，而设备30中的每一个线轴需要 较多数量的滚轮式导向件。减少滚轮式导向件的数量就能减少对加固件的潜在破 坏，还能降低设备200保养费用。

一第二驱动装置222驱动基础202沿立柱20垂直移动。其上支承有线轴210 的基础202的整体运动在线轴210与立柱20之间形成一较短的不变的距离。图 14-16示出了第二驱动系统222的三种形式，也可使用任何其它可行的第二驱动 系统。

在图14中，围绕立柱20竖立一四柱脚手架224。增加升降机形式的组合式 部件，就能很容易地改变这些可从市场上买到的脚手架系统的总高度。一链条或 皮带式驱动件226在脚手架224的各柱子的顶部滑轮228与底部滑轮230之间延 伸，在柱子上增加组合式部件就能增加滑轮228与230之间的距离。基础202安 装在四条链条驱动件226上，通过一垂直驱动电动机(未示出)的作用而上升或 下降。

图15示出一支承在立柱20上的自主爬行机构232，从而不需要与地面连 接。对于地面不平整的、或打桩时立柱的底基在水下的地方，以及诸如大楼和停 车建筑中的有限区域，这种机构232尤其有用。机构232包括两组独立的气动、 电动或液压的活塞234。一组包括四个面朝内对着立柱20的活塞234a。另一组 包括四个面朝内对着立柱20的活塞234b和四个连接在活塞234a的支承结构与基 础202之间的活塞236。迫使活塞234中的一组活塞假定是活塞234a靠在立柱 20上，然后缩回活塞234b，垂直活塞236以协调方式一起缩回以上升基础202。 当活塞236达到了完全缩回，活塞234b被夹在立柱上，活塞234a缩回，而活塞 236延伸使活塞234a向上移动。迫使活塞234a靠在立柱20上，重复上述过程， 由此进行移动。

图16的第二驱动系统222的实施例中使用一车式升降机238。基础202被 一安装在车式升降机238的回转台242上的悬臂240支承着。悬臂240和回转台 242的协调运动允许基础202上下运动，同时保持其处于水平方位，如图16中用 几个叠加的图示所表示的。这种方法的优点是：在车辆能接近立柱20底部的地 方能很快竖起设备200。

由一类似于针对图6所讨论的计算机控制系统来协调和控制第一驱动系统 212和第二驱动系统222的运动。计算机能控制在此所讨论的任何类型的电动机 和驱动件，并提供如前所讨论的多种缠绕角和缠绕密度。

至此，一直把加固件218描述为一缠绕后被固化的预浸处理的复合材料。该 方法可用于设备30和设备200。另外，缠绕在立柱20上的加固件可以是没有埋 进可固化的聚合物材料中的“干”纤维。干纤维一般被布置成束或纤维带束。用 设备30或设备200把干纤维缠绕在立柱上。缠绕完成后，在干纤维包覆层的外 表面加上一可固化的聚合树脂或一无机涂层，然后在原处固化或干燥。在图17 所示的干纤维的另一种应用中，在加固件218接触立柱20的地方提供可固化的 聚合物材料。用靠近加固件接触立柱处的喷嘴244提供其粘度通常类似于膏浆的 可固化的聚合物材料。在图17中，喷嘴244a把液体聚合物送进加固件与立柱之 间的锐角缝中，喷嘴244b把液体聚合物送到刚缠好的加固件纤维的外表面。此 后，聚合物以前述的方式固化。

前面已对现有立柱的改造方面描述了本发明的较佳实施例。但它对立柱的最 初制造也同样适用。

虽然，为了举例说明的目的详细描述了本发明的特殊的实施例，但在不脱离 本发明的基本精神和范围的情况下，还可以对本发明进行各种各样的改变和扩 大。因此，除所附权利要求之外，本发明不受限制。