CN104816381A - 一种埋置型形状记忆合金筋预应力混凝土施工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种埋置型形状记忆合金筋预应力混凝土施工工艺，具体步骤是：先将若干根形状记忆合金筋沿着混凝土的长度方向嵌入布置在模板内，并使其两端分别穿过并伸出模板；再将混凝土浇注在模板内，与形状记忆合金筋成为一体；当混凝土的强度达到75％以上后，利用电热法对形状记忆合金筋进行分批或逐根加热，待形状记忆合金筋逐渐升高到指定的温度后，形状记忆合金筋发生单程形状记忆效应，使其长度具有缩小至初始记忆合金筋形状的趋势，进而使混凝土产生一定的约束反力，从而产生预应力。本发明提高了预应力结构的抗裂度、刚度、耐久性和适用范围，达到了对混凝土施加预应力的目的，施工工艺简单、操作方便、效果安全可靠。

Description

一种埋置型形状记忆合金筋预应力混凝土施工工艺

技术领域

本发明涉及一种埋置型形状记忆合金筋预应力混凝土施工工艺，属于建筑结构技术领域。

背景技术

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。

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。

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

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种埋置型形状记忆合金筋预应力混凝土施工工艺，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，施工工艺简单、操作方便、效果安全可靠。

为了实现上述目的，本发明采用的一种埋置型形状记忆合金筋预应力混凝土施工工艺，具体步骤是：先将若干根形状记忆合金筋沿着混凝土的长度方向嵌入布置在模板内，并使形状记忆合金筋的两端分别穿过并伸出模板；然后再将混凝土浇注在模板内，与形状记忆合金筋成为一体；当混凝土的强度达到75％以上后，利用电热法对形状记忆合金筋进行分批或逐根加热，待形状记忆合金筋逐渐升高到指定的温度后，形状记忆合金筋会自动地进行马氏体逆相变转变，而发生单程形状记忆效应，使其长度具有缩小至初始记忆合金筋形状的趋势，但由于形状记忆合金筋被混凝土约束阻止其产生形状记忆效应，则可使混凝土产生一定的约束反力，即由形状记忆合金筋发生单程形状记忆效应使合金筋混凝土结构产生预应力。

所述形状记忆合金筋为直线形状的，所述模板为直线型模板。

所述形状记忆合金筋是经处理后的合金筋，具体是：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，其长度比形状记忆合金筋短4％左右；然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，由于应力引起了马氏体相变，使得拉伸结束后，形状记忆合金筋留下了很大的残余变形，此时形状记忆合金筋长度已经大于初始记忆合金筋的，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，通过模板将形状记忆合金筋和混凝土两者浇筑为一体。

进一步，在浇注前，先将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。

在布置若干个形状记忆合金筋时，需保证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。

采用的形状记忆合金筋在一定的温度范围内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％。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、该发明不需要任何台座、张拉设备和专业锚具等，减低了建筑结构的投资成本；

2、施工工艺简单、安全可靠：通过对形状记忆合金筋进行简单的加热，就可以达到施加预应力的目的，预应力大小和方式通过具有记忆效应的形状记忆合金筋来控制，施加的预应力高达700MPa，并且施工过程中预应力损失少，特别是对现场浇筑的预应力混凝土结构更体现出了安全可靠、施工简单、操作方便的显著优点；

3、整体结构耐久性高：不仅形状记忆合金筋具有良好的耐腐蚀性、较好的塑性、较高的延伸率(高达50％)，而且混凝土的热膨胀系数和形状记忆合金筋的极为接近(为11.0×10-6/℃),两者的相溶性好，对于现场浇筑的形状记忆合金筋预应力混凝土结构，其耐久性高、抗震性强；

4、适用范围广：将形状记忆合金筋和混凝土两者合理的结合，显著地扩大了预应力混凝土结构的应用范围，不仅适用于任何曲线或形状的混凝土结构，而且又可应用于现场浇筑的预应力混凝土结构和预制预的应力混凝土结构。

附图说明

图1为本发明混凝土结构施工过程的流程图；

图2为本发明的形状记忆合金筋预应力混凝土结构示意图；

图3为图2横截面的示意图；

图4为本发明模板的结构示意图；

图5为图4横截面的示意图；

图6为图2中施加预应力前的形状记忆合金筋混凝土结构；

图7为图6横截面的示意图；

图8为图6和图2中有、无记忆效应的形状记忆合金筋示意图；

图9为图2中的形状记忆合金筋所施加的预应力试验数据。

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

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1至图9所示，一种埋置型形状记忆合金筋预应力混凝土施工工艺，具体步骤是：先将若干根形状记忆合金筋3沿着混凝土2的长度方向嵌入布置在模板4内，并使形状记忆合金筋3的两端分别穿过并伸出模板4；然后再将混凝土2浇注在模板4内，与形状记忆合金筋3成为一体；当混凝土2的强度达到75％以上后，利用电热法对形状记忆合金筋3进行分批或逐根加热，待形状记忆合金筋3逐渐升高到指定的温度后，形状记忆合金筋3会自动地进行马氏体逆相变转变，而发生单程形状记忆效应，使其长度具有缩小至初始记忆合金筋1形状的趋势，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，即由形状记忆合金筋发生单程形状记忆效应使合金筋混凝土结构产生预应力。

所述形状记忆合金筋3是经处理后的合金筋，具体是：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，其长度比形状记忆合金筋3短4％左右；然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。

在浇注前，可先将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。

在布置若干个形状记忆合金筋时，需保证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。

采用的形状记忆合金筋在一定的温度范围内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％

如图2和图3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4和图5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。

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2和图3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2和图3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。

总的来说，整个形状记忆合金筋预应力混凝土结构的施工过程如图1所示，具体是：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8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4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2所示；同时从图9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。

由上述结构可见，本发明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，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。

Claims (6)

1.一种埋置型形状记忆合金筋预应力混凝土施工工艺，具体步骤是：先将若干根形状记忆合金筋沿着混凝土的长度方向嵌入布置在模板内，并使形状记忆合金筋的两端分别穿过并伸出模板；然后再将混凝土浇注在模板内，与形状记忆合金筋成为一体；当混凝土的强度达到75％以上后，利用电热法对形状记忆合金筋进行分批或逐根加热，待形状记忆合金筋逐渐升高到指定的温度后，形状记忆合金筋会自动地进行马氏体逆相变转变，而发生单程形状记忆效应，使其长度具有缩小至初始记忆合金筋形状的趋势，但由于形状记忆合金筋被混凝土约束阻止其产生形状记忆效应，则可使混凝土产生一定的约束反力，即由形状记忆合金筋发生单程形状记忆效应使合金筋混凝土结构产生预应力。

2.根据权利要求1所述的一种埋置型形状记忆合金筋预应力混凝土施工工艺，其特征在于，所述形状记忆合金筋为直线形状的，所述模板为直线型模板。

3.根据权利要求1所述的一种埋置型形状记忆合金筋预应力混凝土施工工艺，其特征在于，所述形状记忆合金筋是经处理后的合金筋，具体是：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，其长度比形状记忆合金筋短4％左右；然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，由于应力引起了马氏体相变，使得拉伸结束后，形状记忆合金筋留下了很大的残余变形，此时形状记忆合金筋长度已经大于初始记忆合金筋的，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，通过模板将形状记忆合金筋和混凝土两者浇筑为一体。

4.根据权利要求1所述的一种埋置型形状记忆合金筋预应力混凝土施工工艺，其特征在于，在浇注前，先将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。

5.根据权利要求1所述的一种埋置型形状记忆合金筋预应力混凝土施工工艺，其特征在于，在布置若干个形状记忆合金筋时，需保证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。

6.根据权利要求1所述的一种埋置型形状记忆合金筋预应力混凝土施工工艺，其特征在于，采用的形状记忆合金筋在一定的温度范围内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％。