CN101122177A - 预应力纤维薄板在混凝土建筑物中的应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土木工程，具体是预应力纤维薄板在混凝土建筑物的中的应用方法，包括加固补强、抗震、防震。其间接预应力法包括：①混凝土表面处理；②对不平整处进行找平处理，对于带裂缝构件作高压环氧树脂灌缝或封缝处理；③对混凝土构件进行张拉或压缩；④涂刷粘结胶；⑤粘贴预应力纤维薄板；⑥待预应力纤维薄板与混凝土固结后，通过体外索对混凝土构件进行放张；⑦表面防护处理。其直接预应力方法除包括上述步骤①②④⑤⑦外，在④之后⑤之前还对预应力纤维薄板进行张拉；在⑤之后⑦之前还将预应力纤维薄板进行锚固。本发明具有结构简单、力学性能好、尺寸自如、适应性好、施工工期短、节省材料、成本降低等效果。

Description

预应力纤维薄板在混凝土建筑物中的应用方法

技术领域

本发明涉及土木工程，具体涉及预应力纤维薄板在混凝土建筑物的应用方法。

背景技术

为了增强或恢复在役桥梁、隧道和房屋等混凝土建筑物的使用功能，以及提高新建桥梁、隧道和房屋等建筑物的承载力、抗震、防震功能，现有预应力加固技术主要采用体外预应力钢绞线(体外预应力钢筋)、预应力碳纤维板、预应力碳纤维布。

采用体外预应力钢绞线进行加固的施工过程包括：

--在混凝土结构外测，如腹板、肋板等部位钻孔，安装张拉夹具及转向装置；

--并将钢绞线穿入夹具中；

--安装锚具；

--采用千斤顶等设备对钢绞线分批、分级进行张拉；

--对预应力钢绞线予以锚固；

--表面防护处理。

采用预应力钢绞线加固存在以下问题：(1)体外钢绞线需作防火和防腐处理，养护工作量大；(2)在长期动荷载作用下，夹片松弛导致锚具失锚；(3)夹具和转向装置的设计不当会造成较大挤压力和大量预应力损失；(4)张锚体系两端要有保护措施，施工较复杂；(5)需要专用的锚、夹具。

采用预应力碳纤维板进行加固的施工过程包括：

--混凝土表面处理；

--裁剪碳纤维板；

--在被加固构件两端安装专用夹具、锚具及张拉机具；

--在碳纤维板粘贴面及结构混凝土表面涂抹专用胶粘胶；将碳纤维板一端固定，另一端夹持于张拉机具上；

--利用千斤顶等张拉机具对碳纤维板进行张拉，并将碳纤维板粘贴和锚固(通常需要高压灌胶)；切除多余的碳纤维板；

--表面防护处理。

采用预应力碳纤维板进行加固存在的主要问题有：(1)夹持、张拉和锚固困难；(2)无法用于抗剪加固；(3)材料成本高；(4)对粘贴表面平整度要求较高；(5)用胶量较大，而且粘结胶主要靠进口，价格昂贵；(6)碳纤维板需提前预制好，规格型号少，对其尺寸有限制；(7)需要专用的锚、夹具。

采用预应力碳纤维布进行加固的施工过程包括：

--前处理：混凝土表面处理、裁剪碳纤维布；

--安装：安装专用夹具、锚具及张拉机具；

--锚固：将碳纤维布的一端锚固于被加固混凝土构件表面；

--张拉：通过张拉机具实现对碳纤维布的张拉；

--粘贴及锚固：在张拉后的碳纤维布与构件粘贴面之间进行压力灌胶和粘贴，并对碳纤维布予以锚固；

--表面防护处理。

采用预应力碳纤维布进行加固存在以下问题：(1)材料成本高；(2)碳纤维布的厚度只有两种规格：0.111mm和0.167mm，加固时一般需要使用多层碳纤维布，增加了施工和确保其力学性能的难度；(3)用胶量大，而且浸渍料和粘结胶主要靠进口；(4)施工困难；(5)需要专用的锚、夹具。

目前，应用于我国土木工程领域预应力加固用的碳纤维布和碳纤维板主要来自日本等国家。采用碳纤维布或碳纤维板的预应力加固技术有以下局限性：

1)在桥梁和房屋等混凝土结构的加固补强工程中，它们不但本身的价格较贵，而且还必需使用价格昂贵的配套浸渍树脂及粘结胶；

2)对于构件有较高强度要求的加固补强工程，必须粘贴2～3层甚至更多层碳纤维布，导致结构的界面增多，加固效率降低，工程量增大，成本增加；

3)采用单层结构的碳纤维板进行加固补强时，由于纤维板厚度一般在1～2mm，坚硬挺直，不能弯曲，张拉、夹持及锚固困难，施工难度大，而且使用范围也受到较大的限制；

4)对于预应力纤维布或纤维板的力学性能等，还没有统一的检验方法和标准；

5)还没有制定相应的设计、施工标准或规程；

6)国产碳纤维布，由于原材料性能等的限制，其力学性能等还有待于提高。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的缺陷，提供预应力纤维薄板在混凝土建筑物中的应用方法，即预应力纤维薄板在桥梁、隧道和房屋等混凝土建筑物的加固补强、抗震、防震中的应用方法，克服了上述预应力钢绞线加固存、预应力碳纤维板进行加固和预应力碳纤维布加固所存在的效率低、成本高、工程量大、施工难、需专用的锚与夹具的等问题，达到满足设计要求、结构简单、力学性能好、尺寸自如、适应性好、施工工期短、节省材料、成本降低等效果。

预应力纤维薄板用于在役桥梁、隧道和房屋等混凝土结构的体外预应力加固补强，以及提高新建桥梁、隧道和房屋等混凝土结构的承载力、抗震和防震性能的设计方法包括：

——按照预应力构件的强度要求、受力特征以及预应力纤维薄板的力学性能确定选用预应力纤维薄板的类型(碳纤维薄板、芳纶纤维薄板)；

——按照预应力构件的设计标准确定预应力纤维薄板的最优设计尺寸以及预应力施加方法和粘贴方法。对于桥梁的预应力构件，预应力纤维薄板的设计则按照考虑了疲劳影响的优化设计方法进行；

——对于有裂缝构件，其计算强度应乘以0.90的折减系数。

本发明的预应力纤维薄板加固的施工方法有两种：①间接预应力法；②直接预应力法。

间接预应力法主要包括：

(1)混凝土表面处理；

(2)对不平整处进行找平处理，对带裂缝构件作高压环氧树脂灌缝或封缝处理；

(3)对混凝土构件进行张拉或压缩；

(4)涂刷粘结胶，所述粘结胶是丁腈胶——双组分环氧粘结胶，而且其抗剪强度≥10MPa；

(5)粘贴预应力纤维薄板；

(6)待预应力纤维薄板与混凝土固结后，对混凝土构件进行放张；

(7)表面防护处理。

直接预应力方法主要包括：

(1)混凝土表面处理；

(2)对不平整处进行找平处理，对带裂缝构件作高压环氧树脂灌缝或封缝处理；

(3)涂刷粘结胶，所述粘结胶是丁腈胶——双组分环氧粘结胶，而且其抗剪强度≥10MPa；

(4)对预应力纤维薄板进行张拉；

(5)粘贴预应力纤维薄板；

(6)将预应力纤维薄板进行锚固；

(7)表面防护处理。

本发明采用的预应力纤维薄板由碳纤维丝、芳纶纤维丝中的一种进行编织，并经配制的环氧树脂浸渍而成。浸渍料由混合体系环氧树脂与胺类固化剂按以下比例配制而成：液态环氧树脂∶固态环氧树脂∶聚酰氨＝0.75～1.5∶0.75～1.5∶0.75～1.5。预应力纤维薄板中纤维丝的计算厚度为0.20mm～0.50mm，浸渍环氧树脂后的实际厚度为0.40mm～0.85mm。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：(1)本发明的预应力纤维薄板使用时只需单层，不必粘贴多层，减少了结构的界面、张拉和锚固次数，力学性能好；(2)预应力纤维薄板编制工艺简单，可根据工程需要选用不同的纤维原材料进行编制，能最大程度地节省原材料，降低成本；(3)预应力纤维薄板的长度、厚度等尺寸自如，适应性强；(4)浸渍料和粘结胶是国产材料，大大降低成本；(5)采用预应力纤维薄板加固混凝土构件时，不需现场浸渍，而且预应力纤维薄板柔软性好，容易施工，工序少，工期短；(6)设计方法体现了预应力纤维薄板的尺寸优化、构件的疲劳强度以及裂缝的影响等；(7)施工方法包括了直接预应力法和间接预应力法。

具体实施方式

预应力纤维薄板的编制

采用日本东丽公司生产的碳纤维丝HTA-3k(T300-3k)和T700-12k、美国杜邦公司生产的芳纶纤维丝kevlar-49(k49)等为原材料，按照“液态环氧树脂∶固态环氧树脂∶聚酰氨＝1∶1∶1”的比例配制浸渍料，在编织机上编制了厚度为0.40mm～0.85mm(计算厚度为0.20mm～0.50mm)、宽度为50mm～150mm、长度≤100m的单层结构的预应力纤维薄板。

预应力纤维薄板试件及其拉伸性能的试验方法与本发明人的前一个发明(公开于2005年01月12日的中国专利ZL200410026742.8)相同，按照该试验方法实施的拉伸强度试验结果表明，上述预应力加固用的预应力纤维薄板具有优越的力学性能，符合有关规定的要求。

预应力纤维薄板加固混凝土构件的方法及效果

预应力纤维薄板应用于混凝土构件加固的方法主要有直接张拉预应力纤维薄板方法和间接张拉预应力纤维薄板方法。其中直接预应力方法中，预应力纤维薄板的挟持和锚固需要专用的夹具和锚具。

本发明的间接预应力纤维薄板应用于混凝土构件加固的方法包括：

——预应力纤维薄板类型的选用。其中，碳纤维薄板用于构件的抗弯拉加固；芳纶纤维薄板用于构件的抗剪、抗扭加固、杆件的抗压加固、以及预应力碳纤维薄板两端的锚固；

——按照加固后构件的强度提高幅值≤40％的要求、以及前一发明专利(公开于2005年01月12日的中国专利ZL200410026742.8)所示的优化设计方法进行加固设计。对于有裂缝构件，其计算强度乘以0.90的折减系数；

——按照设计要求编制预应力纤维薄板。其中，浸渍料由混合体系环氧树脂与胺类固化剂按以下比例配制而成：液态环氧树脂∶固态环氧树脂∶聚酰氨＝1∶1∶1；

——对被加固构件混凝土的表面进行处理；

——配制找平材料并对不平整处进行找平处理。对于带裂缝构件则要作环氧树脂灌缝或封缝处理；

——对混凝土构件施加预应力。采用体外预应力钢绞线对混凝土构件施加预压力，使混凝土构件产生变形；

——配制并涂刷胶粘剂。粘结胶是丁腈胶——神力铃牌SK-103超强胶，其抗剪强度＝14MPa；

——按照设计要求裁剪并粘贴预应力纤维薄板；

——放张。通过对体外预应力钢绞线进行放张，实现对预应力纤维薄板施加预应力；

——表面防护处理。

本发明的直接预应力纤维薄板及其应用于混凝土构件加固的方法包括：

——预应力纤维薄板类型的选用。其中，碳纤维薄板用于构件的抗弯拉加固；芳纶纤

维薄板用于构件的抗剪、抗扭加固、杆件的抗压加固、以及预应力碳纤维薄板两端的锚固；

——按照加固后构件的强度提高幅值≤40％的要求、以及前一发明专利(公开于2005年01月12日的中国专利ZL200410026742.8)所示的优化设计方法进行加固设计。对于有裂缝构件，其计算强度乘以0.90的折减系数；

——按照设计要求编制预应力纤维薄板。其中，浸渍料由混合体系环氧树脂与胺类固化剂按以下比例配制而成：液态环氧树脂∶固态环氧树脂∶聚酰氨＝1∶1∶1；

——对被加固构件混凝土的表面进行处理；

——配制找平材料并对不平整处进行找平处理。对于带裂缝构件则要作环氧树脂灌缝或封缝处理；

——配制并涂刷胶粘剂。粘结胶是丁腈胶——神力铃牌SK-103超强胶，其抗剪强度＝14MPa；

——对预应力纤维薄板施加预应力。采用专用锚具对预应力纤维薄板的一端予以固定后，使用千斤顶及专用夹具对其另一端进行张拉，施加预应力并锚固；

——表面防护处理。

通过在MTS-810实验系统上的实验，采用本发明的预应力方法对混凝土构件加固的效果如下：

——抗弯加固：在梁的底面粘贴TA25型(厚度为0.23mm)预应力碳纤维薄板后，RC梁的最大抗弯承载力提高了38％左右，与无预应力碳纤维薄板加固梁的最大抗弯承载力持平；

当预应力碳纤维薄板施加的预应力为20％σ_f(σ_f为预应力碳纤维薄板的抗拉强度)时，与无预应力碳纤维薄板加固辆相比，三点弯曲试验梁的开裂弯矩提高了51％，屈服弯矩提高了23％，跨中最大挠度减少了15％；

——抗疲劳性能：在RC梁的底面粘贴TA25型预应力碳纤维薄板后，加固梁的疲劳(极限)强度比RC梁提高了57％，比与无预应力碳纤维薄板加固梁提高了11％；

——预应力碳纤维薄板两端的锚固：在TA25型预应力碳纤维薄板的两端各密贴三条FA20型芳纶纤维薄板“U”型箍，作为预应力碳纤维薄板两端的锚固之用。

在整个试验过程中，芳纶纤维薄板箍都没有大的损坏。

上述试验结果表明，采用本发明的预应力纤维薄板加固方法对混凝土构件进行加固是非常有效的。

预应力纤维薄板加固技术的工程应用

应用本发明的预应力纤维薄板加固方法的工程实例及加固效果如下：

--广东省道S357上某跨径组合为8×16米的T梁桥上部结构的加固。2005年9月，采用本发明的间接预应力纤维薄板加固法对该桥的第四跨进行了加固。具体加固方法如下：首先对粘贴面的混凝土表面进行打磨、找平和清洁处理，然后在T梁两端安装前张拉端和后固定端装置，用千斤顶对布置于T梁两侧的体外索(钢铰线)进行分级张拉，再将现场编制的TA25型碳纤维薄板粘贴在T梁两侧和底部的抗弯拉部位，并将FA20型芳纶纤维薄板粘贴在梁两端的端部进行抗剪加固(斜贴部分)、以及对预应力碳纤维薄板进行锚固(“U”型箍)，待混凝土和预应力纤维薄板充分固化后，放张体外索，并作表面防护处理。在加固过程中，张拉力由千斤顶的测力装置及布置于混凝土的应变片监测，并随时测量体外索的变形量。施工期为18天。加固后经广东省某质监站所进行的静载试验结果表明，采用本发明的预应力纤维薄板加固方法可使预应力纤维薄板提前进入工作阶段，其使用效率比没有预应力的纤维薄板提高了66％；而且该桥经预应力纤维薄板加固后，将其原设计荷载等级(汽-20，挂-100)提高到(超-20，挂-120)的水平。经过近两年的通车情况表明，本发明的间接预应力纤维薄板加固方法是非常有效和可行的。

--广东省道某桥长为132米的T梁桥上部结构的加固。2005年10月，采用本发明的直接预应力纤维薄板加固法对该桥的第三跨进行了加固。具体加固方法如下：首先对粘贴面的混凝土表面进行打磨、找平和清洁处理，然后在T梁两端安装前张拉端和后锚固端装置，借助千斤顶和专用夹具对TA25型碳纤维薄板进行张拉，并分批将纤维薄板粘贴在T梁两侧和底部的抗弯拉部位，然后将FA20型芳纶纤维薄板粘贴在梁两端的端部进行抗剪加固(斜贴部分)、以及对预应力碳纤维薄板进行锚固(“U”型箍)，待混凝土和纤维薄板充分固化后，作表面防护处理。该桥跨的施工期为21天。加固后经广东省某质监站所进行的静载试验结果表明，采用本发明的预应力纤维薄板及其加固方法可使纤维薄板提前进入工作阶段，其使用效率比没有预应力的纤维薄板提高了100％；而且该桥经采用本发明的预应力纤维薄板加固后，将其原设计荷载等级(汽-20，挂-100)提高到(超-20，挂-120)的水平。经过近两年的通车情况表明，本发明的直接预应力纤维薄板加固方法是非常有效和可行的。

——2006年4月至2006年10月，发明者所在课题组采用直接预应力方法和TA25型碳纤维薄板，先后对107国道3座跨线桥和2座高架桥(桥长400米-600米)的所有箱梁接缝处、以及1座跨线桥的部分箱梁底板进行了加固。其中，预应力碳纤维薄板的两端采用FA20型芳纶纤维薄板进行锚固。上述加固工程的封桥时间最长为3天，最短的只有1天。工程完工后，经过1年至1年半左右时间的通车，并经当地某市质检部门的检查结果表明，这些加固工程是很有效和可行的。

——2007年3月至5月，发明者所在课题组采用间接预应力和直接预应力方法，应用TA25型碳纤维薄板和FA20型芳纶纤维薄板对广州市郊区的县道某梁桥(桥长188米，其中T型梁桥128米，板梁桥60米)的上下部结构进行了加固设计。其中，T梁采用间接预应力方法，应用TA25型碳纤维薄板作抗弯拉设计，FA20型芳纶纤维薄板作锚固之用；板梁底部采用直接预应力方法，应用TA25型碳纤维薄板作抗弯拉设计，锚固端也采用FA20型芳纶纤维薄板；桥墩则采用无预应力的FA20型芳纶纤维薄板作缠绕加固。目前，该桥正在施工中。

——2007年3月至6月，发明者所在课题组采用直接预应力方法，应用TA25型碳纤维薄板和FA20型芳纶纤维薄板对河源市某连续箱梁桥(桥长265米)的箱梁底板和腹板进行了加固设计。其中，应用TA25型碳纤维薄板作抗弯拉设计，FA20型芳纶纤维薄板作锚固之用。按照计划，该桥于2007年10月开始施工。

——2007年3月至8月，发明者所在课题组采用间接预应力方法，应用TA25型碳纤维薄板和FA20型芳纶纤维薄板对河源市某预应力T型梁桥(桥长306米)的T梁和帽梁进行了加固设计。其中，应用TA25型碳纤维薄板作抗弯拉设计，FA20型芳纶纤维薄板作锚固之用。按照计划，2007年10月起，该桥开始施工。

上述工程应用情况表明，本发明的预应力纤维薄板加固混凝土构件的方法比国内外同类技术具有更加优越的力学性能、良好的施工性和更低的成本，其方法先进、合理、有效和可行，而且施工工艺比目前国内外所采用的预应力纤维布和纤维板的工艺简单。

Claims (4)

1.预应力纤维薄板在混凝土建筑物中的应用方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)混凝土表面处理；

(2)对不平整处进行找平处理，对带裂缝构件作高压环氧树脂灌缝或封缝处理；

(3)对混凝土构件进行张拉或压缩；

(4)涂刷粘结胶，所述粘结胶是丁腈胶——双组分环氧粘结胶，而且其抗剪强度≥10MPa；

(5)粘贴预应力纤维薄板；

(6)待预应力纤维薄板与混凝土固结后，对混凝土构件进行放张；

(7)表面防护处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述预应力纤维薄板由碳纤维丝或芳纶纤维丝经过编织，并经浸渍料浸渍而制成；所述浸渍料的组成重量比为：液态环氧树脂∶固态环氧树脂∶聚酰氨＝0.75～1.5∶0.75～1.5∶0.75～1.5；预应力纤维薄板中纤维丝的计算厚度为0.20mm～0.50mm，浸渍环氧树脂后的实际厚度为0.40mm～0.85mm。

3.预应力纤维薄板在混凝土建筑物中的应用方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)混凝土表面处理；

(2)对不平整处进行找平处理，对带裂缝构件作高压环氧树脂灌缝或封缝处理；

(3)涂刷粘结胶，所述粘结胶是丁腈胶——双组分环氧粘结胶，而且其抗剪强度≥10MPa；

(4)对预应力纤维薄板进行张拉；

(5)粘贴预应力纤维薄板；

(6)将预应力纤维薄板进行锚固；

(7)表面防护处理。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述预应力纤维薄板由碳纤维丝或芳纶纤维丝经过编织，并经浸渍料浸渍而制成；所述浸渍料的组成重量比为：液态环氧树脂∶固态环氧树脂∶聚酰氨＝0.75～1.5∶0.75～1.5∶0.75～1.5；预应力纤维薄板中纤维丝的计算厚度为0.20mm～0.50mm，浸渍环氧树脂后的实际厚度为0.40mm～0.85mm。