技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种自张式形状
记忆合金筋预
应力混凝土结构，属于建筑结构技术领域。
背景技术
[0002] 现代建筑正朝大跨度、轻型、高性能等多样性的方向发展，要求结构的形式以及其使用的材料也必须具有多样性，而采用
预应力混凝土结构无疑是实现这一方向的有效途径。预应力混凝土结构发展到今天，不仅广泛应用于
桥梁、房屋建筑、路面、
轨枕、桩、
压力容器和贮罐等传统领域中，而且也被广泛应用于土木建筑工程、特种结构工程、加固工程、
能源工程和海洋工程等许多新领域中。
[0003] 作为预应力混凝土结构的重要参数，其所控制的预应力、施工工艺以及设备要求关键指标一直是工程技术领域中的三个难点，若施加的预应力大小、方式不符合要求，则难以获取足够高的抗裂度和
刚度；若施工工艺较复杂，则其所需人员队伍技术要较熟练，成本较高；若施工设备较繁重，则开工
费用较高，工作时也容易受到环境的制约。传统的预应力混凝土构件主要有先张法预应力混凝土结构和后张法预应力混凝土结构，这两种结构存在一些
缺陷，具体是：先张法预应力混凝土结构所需台座及张拉设备所需投资费用较大，同时台座一般只能固定在一处，不够灵活，并且仅能生产中、小型预应力直线构件；后张法虽然可以制作曲线型的预应力混凝土结构，但是此类预应力混凝土结构经常不能同时施加预应力，造成工序较多，工艺复杂，设备功能增加，操作繁琐，尤其是对所需锚具的耗
钢量大，锚具加工要求的
精度较高，造成成本昂贵，且必须预留孔道、孔道灌浆等缺点。总之，上述两种传统制作的预应力混凝土构件均存在着设备要求高、施工工艺较复杂、预应力损失多、控制预应力要求高、钢材塑性及耐
腐蚀性较低等不足，尤其对于曲线或折线形状的预应力结构施工这些不足尤为突出。因此，对于先张法或后张法以传统材料制作的预应力混凝土结构所采用的施工效果都难以同时达到适宜的预应力控制、施工工艺和设备简单、适应范围广等优点。
[0004] 目前，为了减少或避免传统材料制作的预应力混凝土构件在应用中的局限性，解决的方法之一就是寻找新材料，即为了缩小预应力混凝土构件在应用中的局限性，必须采用其它的材料或结构形式进行改进。
发明内容
[0005] 针对上述
现有技术存在的问题，本实用新型提供一种自张式形状记忆合金筋预应力混凝土结构，能够提高预应力结构的抗裂度、刚度、耐久性和适用范围，达到对混凝土施加预应力的目的，施工工艺和设备简单、操作方便、效果安全可靠；所需施工技术人员专业
水平较低，制造成本低。
[0006] 为了实现上述目的，本实用新型采用的一种自张式形状记忆合金筋预应力混凝土结构，包括混凝土和用于浇注成型的模板，还包括若干根形状记忆合金筋，所述若干根形状记忆合金筋沿着混凝土长度方向嵌入布置，其两端分别穿过并伸出模板，并与混凝土在模板内浇注成为一体。
[0007] 优选地，所述形状记忆合金筋为直线形状，所述模板为直线型结构。
[0008] 优选地，所述形状记忆合金筋的两端通过夹具固定在模板的两侧，用以防止其在混凝土浇筑过程中的
变形。
[0009] 优选地，所述若干根形状记忆合金筋中相邻两根形状记忆合金筋的间距以及形状记忆合金筋与混凝土边缘之间的间距在3d-5d范围内，其中d为形状记忆合金筋的直径。
[0010] 优选地，所述形状记忆合金筋具有
单程形状记忆效应，其尺寸按照混凝土结构要求通
过热-
机械加工工序比初始形状记忆合金筋伸长3％～10％。
[0011] 与现有技术相比，本实用新型通过在传统
钢筋预应力混凝土的
基础上吸取新型形状记忆合金材料的优点，把原预应力混凝土的预应力钢筋改为形状记忆合金筋，这样预应力筋就不必依靠台座或专业锚具来施加预应力，而是简单地可以通过对形状记忆合金筋进行加热升温即可达到对混凝土施加预应力的目的。同时，预应力的控制就转化为对记忆合金筋记忆效应的处理，而合金筋记忆效应的处理仅需根据工程的需要对记忆合金筋进行一定的热-机械加工工序即可，这样对现场浇筑或预制预应力混凝土施工来说，其施工工艺和设备简单、操作方便、效果安全可靠。此外，所需施工技术人员专业水平较低，于是记忆合金筋预应力混凝土结构不仅提高了预应力结构的抗裂度、刚度、耐久性和适用范围，而且还表现在其施工工艺简单可靠、投资和造价费用低等优点。
附图说明
[0012] 图1为本发明的形状记忆合金筋预应力混凝土结构示意图；
[0013] 图2为图1横截面的示意图；
[0014] 图3为本发明模板的结构示意图；
[0015] 图4为图3横截面的示意图；
[0016] 图5为图1中施加预应力前的形状记忆合金筋混凝土结构；
[0017] 图6为图5横截面的示意图；
[0018] 图7为图5和图1中有、无记忆效应的形状记忆合金筋示意图；
[0019] 图8为图1中的形状记忆合金筋所施加的预应力试验数据；
[0020] 图9为图1整个结构施工过程的
流程图。
[0021] 图中：1、初始记忆合金筋，2、混凝土，3、形状记忆合金筋，4、模板。
具体实施方式
[0022] 下面结合附图和具体
实施例对本实用新型作进一步说明。
[0023] 如图1至图7所示，一种自张式形状记忆合金筋预应力混凝土结构，包括混凝土2和用于浇注成型的模板4，还包括若干根形状记忆合金筋，所述若干根形状记忆合金筋沿着混凝土2长度方向嵌入布置，其两端分别穿过并伸出模板4，并与混凝土2在模板4内浇注成为一体。
[0024] 如图1和图2所示的一种形状记忆合金筋预应力混凝土结构示意图，其横截面是矩形截面，在混凝土2的受拉一侧沿着其长度方向分布适当数量的形状记忆合金筋3，且形状记忆合金筋3向外伸出一定长度，为提高预应力的效果可将各个形状记忆合金筋3间的间距、形状记忆合金筋3与混凝土2边缘之间间距在3d-5d范围内，其中d为记忆合金筋的直径。其中，形状记忆合金筋3向外伸出一定长度的原因有两个：一是方便把记忆合金筋固定在模板4两侧，如图3和图4所示，用以防止混凝土2浇筑过程中导致记忆合金筋产生不利的变形；二是为了当混凝土2的强度达到75％以上后，可对记忆合金筋加热升温，使混凝土2产生预应力。
[0025] 优选地，为了防止形状记忆合金筋在混凝土浇筑过程中发生变形，可将所述形状记忆合金筋的两端通过夹具固定在模板4的两侧。
[0026] 上述选用的形状记忆合金筋具有
单程形状记忆效应，其尺寸按照混凝土结构要求通过热-机械加工工序比初始形状记忆合金筋伸长3％～10％。
[0027] 本领域设计技术人员应当理解本发明的主体思路，虽然本发明是对一个简单的矩形截面的直线型混凝土结构进行描述的，但是本发明适用范围并非仅仅局限于此。举例来说，本领域技术人员完全可以将图1和图2设计为现场预应力结构或预制的预应力结构，又可将其扩展到任意曲线或折线的变截面预应力结构中等等，以图1和图2进行具体的描述仅仅是为了清楚说明本发明的思路，本领域设计技术人员应当理解其精髓，只要利用形状记忆合金进行预应力结构设计的思想均为本发明的保护范围。
[0028] 使用时，所述的形状记忆合金筋进行记忆效应施加预应力，整个形状记忆合金筋预应力混凝土结构的施工过程流程图如图9所示：首先，对合金筋在母相状态下采用机械加工工序，将形状记忆合金坯料加工成等截面的杆状的初始记忆合金筋1，如图7所示，其长度比恢复变形后的形状记忆合金筋3短4％左右，随后对其进行形状记忆处理后，在比
相变温度低很多的温度环境下对处于
马氏体状态的初始记忆合金筋1进行机械拉伸，使其长度伸长7％～8％，最终将其加工成为形状记忆合金筋3，由于应力引起了马氏体相变，使得拉伸结束后，形状记忆合金筋3留下了很大的残余变形，此时形状记忆合金筋3长度已经大于初始记忆合金筋1的，此过程设置的相变转变温度范围为40℃-45℃之间；之后，在25℃室温状态下，通过模板4将形状记忆合金筋3和混凝土2两者浇筑为一体，如图3所示，对合金筋混凝土采用自然养护或湿热养护(需要特别注意，如采用湿热养护，加热温度不应超过合金筋的相变转变温度40℃)，当混凝土2的强度达到75％以上后，采用电热法对形状记忆合金筋3在室温下进行逐渐加热升温至45℃时，此时马氏体相变完全转变结束，即形状记忆合金筋3完全发生单程形状记忆效应，造成其尺寸具有缩小至初始记忆合金筋1的趋势，但由于形状记忆合金筋3被混凝土2约束阻止其产生形状记忆效应，则可使混凝土2产生一定的约束反力，即合金筋混凝土结构被施加了700MPa的预应力，如图1所示；同时从图8的曲线可以揭示出，当形状记忆合金筋3温度升高到40℃时，合金施加的预应力迅速地增加，大概到了45℃温度时预应力达到最大值700MPa，此过程大概需要20分钟，但随着温度下降到室温25℃过程中，预应力趋于稳定值，但预应力有所降低，其原因有主要下列因素造成：合金筋内缩、合金筋应力松弛、混凝土收缩和徐变等，然而相对传统的施工工艺，此类施工的预应力损失大大降低，归根结底是因为此类施工不会因锚具变形、合金筋摩擦、温度差、局部
挤压等因素而产生预应力损失。综上所述，采用新材料记忆合金进行结构重新设计，则可以很容易地使混凝土的性能、适用性等得到很大的改善和提高。
[0029] 由上述结构可见，本实用新型通过在传统钢筋预应力混凝土的基础上吸取新型形状记忆合金材料的优点，把原预应力混凝土的预应力钢筋改为形状记忆合金筋。而采用的形状记忆合金(镍
钛合金)材料可以弥补施工中的许多缺陷或不足，借助形状记忆合金(
镍钛合金)本身具有的优点，即较高的强度、较好的塑性、较大的回复力、较高的
耐腐蚀性、较适宜的
热膨胀系数(和混凝土的极为接近约11.0×10-6/℃)、较高的延伸率(高达50％)、优良的抗拉压消能特性，此外还具有比重小、疲劳寿命长和环境因素影响小等优点，进而提高了预应力混凝土构件在应用中的局限性，所以预应力筋就不必依靠台座或专业锚具来施加预应力，而是简单地可以通过对形状记忆合金筋进行加热升温即可达到对混凝土施加预应力的目的。同时，预应力的控制就转化为对记忆合金筋记忆效应的处理，而合金筋记忆效应的处理仅需根据工程的需要对记忆合金筋进行一定的热-机械加工工序即可，这样对现场浇筑或预制预应力混凝土施工来说，其施工工艺和设备简单、操作方便、效果安全可靠。此外，所需施工技术人员专业水平较低，于是记忆合金筋预应力混凝土结构不仅提高了预应力结构的抗裂度、刚度、耐久性和适用范围，而且还表现在其施工工艺简单可靠、投资和造价费用低等优点。
