一种十字型钢-纤维复合材料的预应力局部加强块结构 |
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| 申请号 | CN202311440200.4 | 申请日 | 2023-11-01 | 公开(公告)号 | CN117431862A | 公开(公告)日 | 2024-01-23 |
| 申请人 | 同济大学; | 发明人 | 李正; 屈宏雅; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种十字型 钢 ‑ 纤维 复合材料 的预应 力 局部加强 块 结构，用于对 混凝土 主体局部区域进行约束加固，所述预 应力 局部加强块结构包括：若干预应力筋；位于若干预应力筋之间的十字型钢构件；浇筑在所述预应力筋和十字型钢构件内侧和外侧的微膨胀混凝土；以及缠绕在所述微膨胀混凝土外部的纤维复合材料。与 现有技术 相比，本发明综合应用十字型钢构件和纤维复合材料，显著提升受压区混凝土的抗压强度和整体性能，简化了施工过程，适合预制和拼装，可明显加快施工进度，为预应力结构的 稳定性 和安全性提供有效解决方案。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种十字型钢‑纤维复合材料的预应力局部加强块结构，其特征在于，用于对混凝土主体(5)局部区域进行约束加固，所述预应力局部加强块结构包括： |
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| 说明书全文 | 一种十字型钢‑纤维复合材料的预应力局部加强块结构技术领域背景技术[0002] 预应力技术在桥梁工程领域扮演着至关重要的角色，其应用广泛且日益成熟。随着时间的推移，这项技术已在大跨度预应力梁、边坡加固等工程中得到了广泛应用，以确保工程质量和安全性。与非预应力结构相比，现代预应力结构具备高抗裂性、抗渗性、高刚度、高强度、优越的受力性能、出色的耐久性、轻质美观、经济、材料节约和能源节约的特点。 [0003] 预应力技术的实际应用已有半个多世纪的历史，由于预应力混凝土具备高结构安全性、大刚度、材料节约、自重轻、抗裂性能优越等优势，因此其科研和应用发展迅速，应用范围也不断扩大，数量逐渐增加。然而，传统预应力锚块采用环绕钢筋的约束方式，其约束能力有限，导致锚下应力区混凝土经常出现开裂或崩裂等破坏现象。 [0004] 近期研究表明，在螺旋箍筋混凝土结构中，当应变达到素混凝土的极限应变时，构件容易发生劈裂破坏，而箍筋往往无法达到屈服强度，从而未能充分发挥其约束作用，导致约束效果不佳。在传统的加固措施中，局部荷载下间接钢筋的应力通常保持在较小的范围内。多项试验研究表明，在适度的间接配筋率范围内，局部抗压强度会随着配筋率的增加而提高。然而，当配筋率过高时，间接钢筋的应力可能未能达到屈服强度，从而无法充分发挥其作用，导致结构的承载能力降低。在局部压力荷载作用下，锚下应力分布相当复杂。通常采用“同心、对称、有效面积”原则对锚下应力分布进行简化，以考虑偏心局部压力和多个锚头同时作用的情况。然而当多个锚头同时作用时，锚下应力分布变得更加复杂，而相关实验数据却相对有限。目前常用的方法是按照不重叠原则计算底面积，然后根据单锚的计算方法来估算局部抗压强度。然而，目前国内外规范尚未提供明确的计算方法。螺旋钢筋虽然对局部模型的承载能力影响显著，但在结构破坏时却决定了局部模型的承载能力，同时也对锚头端部位移产生显著影响。螺旋钢筋能够有效提高结构破坏时锚头端部位移，从而显著提升混凝土的抗压强度。然而，在受力过程中，螺旋钢筋处于弹性变形阶段。当达到极限荷载时，螺旋钢筋已发生屈服，失去了对混凝土的约束作用，导致混凝土不再处于三向受压状态，进而被迅速压碎，使锚头失去承载能力。 [0005] 专利公开号CN217711380U公开了一种十字型钢骨‑纤维编织网增强纤维混凝土八边形柱，所述C型钢旋转组成封闭十字型钢骨，所述封闭十字型钢骨外表面设置有纤维编织网且纤维编织网约束钢骨外边缘，所述封闭十字型钢骨内侧和外侧浇筑有纤维混凝土，所述纤维混凝土为超高韧性水泥基复合材料。采用C型钢旋转组成封闭十字型钢骨，并用纤维编织网缠绕成八边形，纤维编织网厚度一致，不会与外部的混凝土形成凹凸接触，未起到锚固作用，且该混凝土八边形柱结构不便于施工。 发明内容[0006] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种十字型钢‑纤维复合材料的预应力局部加强块结构。通过内置十字型钢和外部缠绕纤维复合材料的综合作用，能够提高混凝土的约束效果、抗裂性能和承载能力，为现代预应力结构的发展带来了更为可靠的解决方案。 [0007] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现： [0008] 在一方面，本发明提供一种十字型钢‑纤维复合材料的预应力局部加强块结构，用于对混凝土主体局部区域进行约束加固，所述预应力局部加强块结构包括： [0009] 若干预应力筋； [0010] 位于若干预应力筋之间的十字型钢构件； [0011] 浇筑在所述预应力筋和十字型钢构件内侧和外侧的微膨胀混凝土； [0012] 以及缠绕在所述微膨胀混凝土外部的纤维复合材料。 [0013] 进一步的，所述预应力筋之间对称排列为正方形，相邻预应力筋中心间距为所述预应力筋直径的3/2～7倍。 [0014] 更进一步的，相邻预应力筋中心间距为所述与预应力筋直径的3～6倍。 [0015] 进一步的，所述预应力筋外侧具有使所述预应力筋穿过的孔洞，端部具有使所述预应力筋的预压力在横截面范围扩散的垫板；所述预应力筋直径：孔洞直径：垫板直径为1：(8/5～2)：(16/5～4)。 [0016] 所述孔洞在所述预应力局部加强块结构预制过程中进行预设，供所述预应力筋穿过，所述预应力筋在施工现场进行张拉，所述预应力筋及垫板被锚固在受压区域的微膨胀混凝土中，将预先施加的压力传递给所述微膨胀混凝土，从而起到提供预压应力，防止所述微膨胀混凝土开裂，提高材料利用效率的作用。 [0018] 进一步的，所述十字型钢构件采用横纵交叉设置的方式设置在四根预应力筋的几何中心位置，并深入相邻的预应力筋之间。 [0019] 进一步的，所述十字型钢构件的截面长度为所述预应力筋截面直径的3～15倍，所述十字型钢构件的截面宽度为长度的1/50～1/10。 [0020] 更进一步的，所述十字型钢构件的截面长度为所述预应力筋截面直径的3～5倍，所述十字型钢构件的截面宽度为长度的1/15～1/10。 [0021] 在预应力加载过程中，由于泊松效应的影响，所述十字型钢构件在横向方向表现出明显的膨胀效应，进而挤压受压区域的所述微膨胀混凝土。这种挤压作用导致所述微膨胀混凝土受到强烈的横向约束，产生较大的横向压应力。同时，所述十字型钢构件的横截面在两个主轴方向上具有较大的抗剪承载能力，有效提升了加固区域该方向上的刚度。因此，对活载作用下的抗疲劳能力也有显著的提升。 [0022] 进一步的，所述微膨胀混凝土的截面为圆形，直径为所述预应力筋直径的3～75倍。 [0023] 更进一步的，所述微膨胀混凝土直径为所述预应力筋直径的10～20倍。 [0024] 所述微膨胀混凝土为核心区混凝土。所述微膨胀混凝土受到预压应力的作用，横向显示出向外膨胀的趋势。然而，由于内部的十字型钢构件的膨胀与外部纤维复合材料的约束，所述微膨胀混凝土在横向膨胀过程中受到强烈阻碍。这种综合作用导致所述微膨胀混凝土呈现出三相受压的应力状态，显著提升了其承载能力。所使用的微膨胀混凝土为本领域常规材料，可根据实际施工条件和要求进行选择，可参考的型号有C35P8、C35P6、C35微膨胀。 [0025] 进一步的，所述纤维复合材料缠绕在所述微膨胀混凝土外部，表面为凹凸结构，凹陷部分厚度为所述预应力筋直径的1/25～2/5，凸起部分厚度与凹陷部分的差值为所述凹陷部分厚度的1/4～1倍，所述凹陷部分与凸起部分的缠绕间距为所述预应力筋直径的1～5倍。 [0026] 更进一步的，所述凹陷部分厚度为所述预应力筋直径的2/25～1/5，凸起部分厚度与凹陷部分的差值为所述凹陷部分厚度的1/3～1/3倍，所述凹陷部分与凸起部分的缠绕间距为所述预应力筋直径的3～4倍。 [0027] 更进一步的，所述纤维复合材料以85～90°缠绕角进行缠绕，于凸起部分停留，以90°缠绕角进行缠绕。 [0029] 通过不同层数的缠绕，使得所述预应力局部加强块结构在与外部的混凝土主体形成凹凸接触，从而增大了接触面积并形成机械连接。所述纤维复合材料的优异抗拉性能对约束效果产生了积极影响，不仅有效约束了内部核心区的微膨胀混凝土的膨胀，提升了其承载能力，而且处理区可视为外部的混凝土主体中的粗钢筋，对构件整体稳定性产生帮助。而且其泊松效应很小，不会使得与之接触的外部的混凝土主体产生较大的拉应力。 [0030] 在另一方面，本发明还提供一种十字型钢‑纤维复合材料的混凝土结构，其采用上述的一种十字型钢‑纤维复合材料的预应力局部加强块结构进行约束加固，该混凝土结构还包括位于所述混凝土主体。 [0031] 进一步的，所述预应力局部加强块结构适用于预应力在1000～1800MPa之间的混凝土主体结构之间。 [0032] 与现有技术相比，本发明具有以下优点： [0033] (1)本发明提供的预应力局部加强块结构内部设置了十字型钢构件，其在受压加载时，因泊松效应的作用而表现出明显的横向膨胀，进而挤压受压区的微膨胀混凝土，为所述微膨胀混凝土提供更为明显的约束。与此同时，所述十字型钢构件的横截面在两个主轴方向上具有较大的抗剪承载能力，有效提高了加固区域在这两个方向上的刚度，进而显著提升了抗疲劳能力。 [0034] (2)本发明中十字型钢构件的内置为局部区域提供了强大的抗弯和抗剪刚度。当施加预应力时，钢材的泊松效应明显大于混凝土，导致所述十字型钢构件在横向膨胀的过程中能够有效地挤压受压区的微膨胀混凝土，将其约束于三向受压状态，从而显著提高核心区混凝土的抗压强度。此过程中，所述十字型钢构件作为内置约束元素，具备出色的承载性能，将预应力传递至所述混凝土，为预应力筋和混凝土的结构提供了重要的增强作用。 [0035] (3)本发明提供的预应力局部加强块结构除了内置所述十字型钢构件，还引入了纤维复合材料，以进一步提升所述预应力局部加强块结构的性能。纤维复合材料通过不同层次的缠绕，形成与所述微膨胀混凝土的凹凸接触，从而增大了接触面积并形成了机械连接。这种连接方式有效约束了内部预应力筋的膨胀，为受压区域的微膨胀混凝土提供了更强的约束，进而显著提高了约束效果、抗裂性能及构件承载能力，以更可靠的方式加固预应力结构。 [0036] (4)本发明通过选择所述纤维复合材料的类型和层数，所述纤维复合材料在缠绕时形成与所述微膨胀混凝土的凹凸接触，增大了接触面积，从而形成机械连接。同时，所述纤维复合材料的抗拉性能优异，能够有效约束内部十字型钢构件和预应力筋的膨胀，进一步提高了所述预应力局部加强块结构的整体性能。这种双重约束机制使得核心区混凝土能够承受更高的应力，进而提升了其抗压强度。 [0038] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。 [0039] 图1为实施例1所示的预应力局部加强块结构的俯视图； [0040] 图2为实施例1所示的预应力局部加强块结构的主视图； [0041] 图3为实施例1所示的预应力局部加强块结构的右视图； [0042] 图4为实施例1所示的预应力局部加强块结构的等轴测图； [0043] 图5为实施例1所示的预应力局部加强块结构与外部混凝土连接的右视图。 [0044] 图中标记说明： [0045] 1‑十字型钢构件，2‑微膨胀混凝土，3‑纤维复合材料，4‑预应力筋，5‑混凝土，6‑垫板，7‑孔洞。 具体实施方式[0046] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。基于已给出的实施例，本领域普通技术人员在未做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。 [0047] 实施例 [0048] 参见图1～5，一种十字型钢‑纤维复合材料的预应力局部加强块结构，用于对混凝土主体5局部区域进行约束加固，所述预应力局部加强块结构包括： [0049] 若干预应力筋4； [0050] 位于若干预应力筋4之间的十字型钢构件1； [0051] 浇筑在所述预应力筋4和十字型钢构件1内侧和外侧的微膨胀混凝土2； [0052] 以及缠绕在所述微膨胀混凝土2外部的纤维复合材料3。 [0053] 在本实施例中，所述预应力筋4之间对称排列为正方形，所述预应力筋4的截面直径为10mm，相邻预应力筋4中心间距为50mm。所述预应力筋4外侧具有使所述预应力筋4穿过的孔洞7，所述孔洞7的截面直径为20mm；端部具有使所述预应力筋4的预压力在横截面范围扩散的垫板6，所述垫板6的截面直径为40mm；所述预应力筋4直径：孔洞7直径：垫板6直径为1：2：4。所述孔洞7在所述预应力局部加强块结构预制过程中进行预设，供所述预应力筋4穿过，所述预应力筋4在施工现场进行张拉。 [0054] 在本实施例中，所述十字型钢构件1采用横纵交叉设置的方式设置在四根预应力筋4的几何中心位置，并深入相邻的预应力筋4之间。所述十字型钢构件1的截面长度为100mm，所述十字型钢构件1的截面宽度为7.5mm。所述十字型钢构件1采用焊接的方式进行制作，为工厂预制。 [0055] 在本实施例中，所述微膨胀混凝土2的截面为圆形，直径为300mm。所述微膨胀混凝土2采用C35P8。需要在初凝和固化的过程中保持足够的水分，以确保水泥水化反应的持续进行。在浇筑后的最初几天内，应定期喷水、覆盖湿布或使用养护剂，防止表面水分过快蒸发。在高温环境中，可以采取遮阳措施，避免直接阳光暴晒。在养护结束后要进行质量控制和测试，包括：抗压强度测试，抗折强度测试，密度测量，气孔率测量和外观检查，直至满足施工要求。 [0056] 在本实施例中，所述纤维复合材料3缠绕在所述微膨胀混凝土2外部，表面为凹凸结构，凹陷部分厚度为2mm，凸起部分厚度与凹陷部分的差值为1mm，所述凹陷部分与凸起部分的缠绕间距为50mm。所述纤维复合材料3以85°缠绕角进行缠绕，于凸起部分停留，以90°缠绕角进行缠绕。所述纤维复合材料3包括碳纤维、玻璃纤维，单层的纤维复合材料的厚度为0.3mm。通过不同层数的缠绕，使得所述预应力局部加强块结构在与外部的混凝土主体5形成凹凸接触，从而增大了接触面积并形成机械连接。 [0057] 在本实施例中，所述预应力局部加强块结构的制备方法为： [0058] A1：确定所述预应力筋4的位置，使其排列为正方形，根据位置预留孔洞7； [0059] A2：确定所述十字型钢构件1的位置，将其布置于四根预应力筋4的几何中心位置，并深入相邻的预应力筋4之间； [0060] A3：在所述预应力筋4和十字型钢构件1内侧和外侧浇筑微膨胀混凝土2； [0061] A4：浇筑完成后在凝固后的微膨胀混凝土2外部缠绕所述纤维复合材料3，所述预应力加强块结构预制部分完成； [0062] A5：在所述孔洞位置7张拉预应力筋4，所述预应力加强块结构即制作完成。 [0063] 在本实施例中，所述预应力局部加强块结构预制部分在工厂进行预制，完成后，搬运至施工现场，张拉预应力筋4，所用的预应力钢筋4型号为HPB300。为保证所述预应力局部加强块结构与所述混凝土主体5的连接，其连接过程可以参考施工缝的处理方式，具体为：凿除已浇筑混凝土表面的水泥砂浆和松弱层，确保新鲜混凝土面积露出不低于75％，并用水冲洗干净，以保证连接的牢固性。在旧混凝土面上刷一层水泥净浆，旧混凝土面上铺一层厚为30cm的混凝土。凝固后将所述预应力局部加强块结构吊装至凿除位置。在所述预应力局部加强块结构吊装过程中，充分发挥所述预应力局部加强块结构的抗弯和抗剪能力，根据工程实际情况合理设置吊点位置，以确保吊装的稳定性和安全性。 [0064] 在本实施例中，所述混凝土主体5的预应力为1800MPa，所述预应力筋4和混凝土5与所述预应力局部加强块结构共同构成了一种“粗钢筋”锚固方式，即一种十字型钢‑纤维复合材料的混凝土结构，有效提升了整体受力性能。这种方式相当于在总体受力系统中添加了刚度较大的钢筋，从而增强了构件的整体刚度。同时，这也有助于将“粗钢筋”内部的纵向预应力传递到构件各部分。且所述预应力局部加强块结构的施工过程相对简单，整个加固区域适合在工厂进行预制和拼装，从而大幅度缩短了施工周期，提高了施工效率。 |
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