CN105569370B - 碳纤维布加固桩柱式构件全自动施工机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及施工机械领域，具体涉及一种碳纤维布加固桩柱式构件全自动施工机，包括施工部模块以及施工部爬升模块，其中施工部模块可实现自动在桩柱式构件表面进行刷胶、粘贴碳纤维布及浸渍碳纤维布等操作，包括环向行走小车及其上搭载的供/涂胶系统及供/贴碳纤维布系统；施工部爬升模块用于施工部模块的步进顶升动作，完成施工全过程的自动化过程包括液压挺杆系统及供压油泵，本发明可以全程实现无人控制，结构简单，自动化程度高，施工质量稳定。克服了传统碳纤维布加固施工中机械化程度低，人力成本巨大及施工质量难以保证的缺点。

Description

碳纤维布加固桩柱式构件全自动施工机

技术领域

本发明涉及一种可对土建工程中桩基及立柱式构件进行全自动碳纤维加固的施工机械，具体涉及一种可自动在桩柱式构件表面进行刷胶、粘贴碳纤维布及自动沿桩柱式构件轴线爬升的施工设备。

背景技术

在役的建筑物由于外界环境的侵蚀以及荷载作用，常常在未到设计使用年限时即出现早期裂缝，变形超限等一系列强度失效的问题，此时需对结构物进行加固补强以满足承载力及正常使用的要求，目前土建工程领域对这些出现问题的结构进行加固补强时主要采用加大截面法、外包钢板法、植筋法等传统方法。显然，这些方法所使用的增强材料仍然是钢材或混凝土，维修、加固后结构依然会受到腐蚀问题的困扰，所以有必要寻找和研究一种既能够耐腐蚀、又便于施工的防腐材料及修补手段。碳纤维增强复合材料(CarbonFiber-Reinforced Polymer，简称CFRP)是60年代以来随航天工业等尖端技术对复合材料的苛刻要求而发展起来的新材料，70、80年代期间，主要用于航空航天、汽车等高技术领域，近年来由于其具有轻质高强良好的耐腐蚀性的特点，克服了其他加固方法所遇到的材料腐蚀问题，具有传统的加固方法无法比拟的技术优势，目前CFRP已经在土木工程中广泛应用，成为工程界研究的一个热点。

混凝土表面粘贴CFRP材料，可使其受力性能和变形得到明显的改善，提高承载力，在改善构件力学性能的同时，能够有效阻隔空气、氯离子和其它腐蚀性介质的侵入，约束限制裂缝的萌生与发展，覆盖桩基表面作为腐蚀介质通道的裂纹，延缓钢筋锈蚀提高桩基抗腐蚀能力。

CFRP粘贴加固工序主要由待加固构件表面找平、粘贴碳纤维布及浸润碳纤维布三个步骤组成。构件表面找平即是在混凝土表面粘贴碳纤维布之前，先用环氧树脂与固化剂的混合浆体在构件表面涂匀使构件表面形成平整表面，随后迅速将碳纤维布粘贴于构件表面，在粘贴完成后，再在碳纤维布表面均匀涂上一层环氧树脂与固化剂的混合物，此时，加固工作即告完成。

在目前的碳纤维加固补强施工中，上述施工步骤中的找平、粘贴碳纤维布及随后的浸润操作都是依靠人工完成，在人工费用持续上涨的今天，这将造成工程成本的大幅度增加，并且由于工人操作熟练水平的不同，施工质量难以保证，因此建成一种可以自动完成碳纤维布加固补强施工的机械设备是非常必要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对目前对桩柱式构件进行粘贴碳纤维片材进行结构加固补强施工中自动化程度低，耗费人力大的缺点，提供一种能对桩柱式构件自动粘贴碳纤维片材进行补强加固施工的碳纤维布加固桩柱式构件全自动施工机。

为了实现上述发明目的，本发明所采取的技术方案为：碳纤维布加固桩柱式构件全自动施工机，包括施工部模块和施工部爬升模块，施工部爬升模块用于施工部模块的升降，其特征在于，所述的施工部模块包括沿桩柱式构件表面的圆周外侧移动的环向行走车及搭载于环向行走车的涂胶系统及贴布系统；所述的涂胶系统采用涂胶滚筒对桩柱式构件表面进行涂胶；所述的贴布系统包括供布机构、压布机构以及裁断机构。

进一步地，所述的供布机构包括顺序设置的碳纤维布卷材架、转向滚筒、导向槽、碾压滚筒，碳纤维布进入导向槽后被碾压滚筒表面的斜向碾压筒直针穿过，随着环向行走车的移动碾压滚筒的碾压筒直针将碳纤维布不断拉出直至覆盖桩柱式构件表面；所述的压布机构包括伸缩式供布头、连接伸缩式供布头的往复式电机，伸缩式供布头与碾压滚筒连接，往复式电机使伸缩式供布头前进并使碾压滚筒压在桩柱式构件表面，随着环向行走车移动伸缩式供布头通过碾压滚筒将碳纤维布压在桩柱式构件表面，往复式电机使伸缩式供布头后退并使碾压滚筒离开碳纤维布和桩柱式构件表面；所述的裁断机构为碳纤维布截断铡刀。

进一步地，所述的涂胶系统还包括顺序设置的环氧树脂胶结剂存储罐、离心泵、供胶伸缩软管、供胶头，供胶头与涂胶滚筒连接，涂胶滚筒的外侧抵靠反力弹簧，反力弹簧套在供胶头外侧，反力弹簧使涂胶滚筒抵紧不同直径的桩柱式构件表面。

所述的施工部模块还包括由两片对称的槽型钢板通过铰链及锁紧搭扣组成的施工部承载框架，施工部承载框架内设有导向承重轨道、驱动轮轨道，环向行走车的驱动轮位于驱动轮轨道内，环向行走车的导向承重轮位于导向承重轨道内；所述的导向承重轨道位于施工部承载框的顶部和底部，所述的驱动轮轨道位于施工部承载框的中间位置，驱动轮通过皮带轮与电机连接。

位于施工部承载框的顶部和底部的两个导向承重轮通过竖直轮轴连接，环向行走车的平台面垂直于竖直轮轴。环向行走车的平台面为图1中的环形行走车的展示面。

通过涂胶滚筒以及绕桩柱式构件表面行驶一周的环向行走车对桩柱式构件进行表面涂胶找平；碳纤维卷材架用于储存碳纤维卷材，碳纤维布从碳纤维卷材架经转向滚筒转向后经导向槽平整后挂在碾压滚筒上，碾压滚筒靠近待加固构件表面，通过往复式电机使伸缩式供布头前进并使碾压滚筒压在桩柱式构件表面并使环向行走车行驶一周以使碳纤维布粘贴于涂胶后的桩柱式构件表面，由碳纤维布截断铡刀将碳纤维布铡断；使环向行走车再行驶一周并通过涂胶滚筒对碳纤维布进行表面涂胶。

所述的施工部爬升模块包括液压挺杆系统、液压油泵，液压油泵为液压挺杆系统加压，液压挺杆系统与施工部模块连接。

碳纤维布加固桩柱式构件全自动施工机，包括施工部模块以及施工部爬升模块，其中施工部模块用于对加固构件进行表面涂胶找平、粘贴碳纤维片材及供胶浸渍碳纤维片材的操作，包括施工部承载框架、供/出胶系统、供/出碳纤维片材系统以及小车环向行走系统；施工部爬升模块用于实施施工部模块沿桩柱式构件轴线的自动升降，将施工部从已加固完毕的区域自动顶升至未加固区域，包括液压挺杆系统、油泵控制系统。

上述碳纤维布加固桩柱式构件全自动施工机中施工部承载框架总体是由相对称的两块槽钢通过铰链及搭扣装配而成。加固施工作业前，打开施工部承载框架搭扣，将施工部承载框架绕铰链打开，并将施工部承载框架推近待加固的桩柱式构件，等待加固桩柱式构件完全置于施工部承载框架中心后，闭合施工部承载框架，并锁止搭扣，完成施工部承载框架的闭合，此时，施工部承载框架即可为后续参与工作的系统提供稳固的行走平台。

上述碳纤维布加固桩柱式构件全自动施工机中供/出胶系统主要由环氧树脂胶结剂存储罐、离心泵、供胶伸缩软管、供胶头、涂胶滚筒组成。环氧树脂胶结剂存储罐用于储存加固补强施工中粘贴碳纤维布时所必须的环氧树脂胶结剂，离心泵用于维持供/出胶系统的管道内压，保证环氧树脂胶结剂在系统内管道中的顺利流动。反力弹簧用于在加固不同外径桩柱式构件时，能够将涂胶滚筒挤紧于待加固构件表面从而帮助涂胶滚筒在构件表面均匀涂胶。

上述碳纤维布加固桩柱式构件全自动施工机中供/出碳纤维片材系统包括碳纤维卷材架，转向滚筒，伸缩式供布头、碾压滚筒和碳纤维布截断铡刀。碳纤维卷材架用于储存加固施工中所需的碳纤维卷材，碳纤维布从卷材架经转向滚筒转向后由碾压滚筒送至待加固构件表面，该区段碳纤维片材粘贴完成后，由电动铡刀将碳纤维片材铡断。

上述碳纤维布加固桩柱式构件全自动施工机中小车环向行走系统是由焊接于施工部承载框架内壁的驱动轮轨道、导向承重轨道以及小车驱动轮组成。其中导向承重轨道在施工部承载框架顶部及底部分别布置一条，为小车提供导向及支承。驱动轮轨道布置于施工部承载框架的中间位置，小车驱动轮布置在行走小车上由电机带动。

驱动轮轨道、导向承重轨道在施工部承载框架的铰接点及锁止处是截断的，施工部承载框架闭合锁紧后，驱动轮轨道、导向承重轨道于截断点处是闭合的，形成连续轨道。

碳纤维布加固桩柱式构件全自动施工机的涂胶滚动及供布滚筒挤紧待加固桩柱式构件后，小车驱动轮启动，行走小车上搭载的供/出胶系统、供/出碳纤维片材系统同时开始工作。该区域加固作业完成后，小车及其上搭载的供/出胶系统、供/出碳纤维片材系统停止工作。

上述碳纤维布加固桩柱式构件全自动施工机中的液压挺杆系统与油泵控制系统将在当前区域加固完成后开始工作，将施工部模块顶升至与上一加固区域相邻的未加固区域。依次执行上述过程，直至当前待加固构件全部完成加固操作。待当前待加固构件完成加固操作后，施工部顶升模块将施工部模块降下，此时，打开施工部框架锁紧搭扣，打开施工部支承框架，移至下一待加固构件，重复上述各操作步骤。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明能实现桩柱式构件碳纤维布加固补强施工的自动化，有效降低该类施工作业中的劳动力需求，节约大量劳动力成本。本发明可以提高桩柱式构件碳纤维布加固补强施工质量的稳定性，该设备的大规模运用可以显著提高该类工程项目的质量可靠性。

附图说明：

图 1 为发明的施工部模块俯视图；

图 2 为发明的工作状态图；

图3为施工部的局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行说明。

应用实例：

某铁路引桥数十个桥墩于2011年例行维护时被发现混凝土保护层大量开裂，并伴有表面有锈斑渗出，同年9月，相关部门经评估后认为该引桥桥墩需立即采取加固补强措施以保证结构通行安全。各加固补强方案经经济技术比选后，决定采用对桥墩外包单层碳纤维布这一加固补强方案。

本实例中，为降低人力成本并提高施工质量保证率，施工单位决定采用碳纤维布加固桩柱式构件全自动施工机进行施工作业，如图1-3。

本实例中，碳纤维布加固桩柱式构件全自动施工机运至现场后，将碳纤维布卷材6置于环向行走车19上的碳纤维卷材架23上，将设计配比的环氧树脂胶结剂加入环向行走车19上的环氧树脂胶结剂存储罐5内。

施工耗材（碳纤维布和环氧树脂胶结剂）添加完毕后，打开施工部承载框架2的锁紧搭扣4，绕铰链3将施工部承载框架2打开，并移动整个设备，使待加固的引桥墩柱位于施工部承载框架2的中央位置，对中完成后，绕铰链3闭合施工部承载框架2，并锁上锁紧搭扣4。

施工部承载框架闭合锁紧后，环向行走车19上的供胶伸缩软管18和供胶头30将在反力弹簧17的作用力下将涂胶滚筒12紧紧贴合在待加固墩柱1的表面。供胶头与涂胶滚筒连接，涂胶滚筒的一端抵靠反力弹簧，涂胶滚筒的另一端抵靠桩柱式构件表面，反力弹簧套在供胶头外侧，反力弹簧使涂胶滚筒抵紧不同直径的桩柱式构件表面。

本实例中，从碳纤维布卷材6中牵引出碳纤维布通过转向滚筒7并经导向槽24调直平整后挂在碾压滚筒8上的碾压筒直针25上（碳纤维布未接触待加固墩柱表面时，该细针可保证碳纤维布垂直于待加固墩柱表面，后续将碳纤维布压平粘贴在待加固墩柱表面后通过往复式电机使伸缩式供布头11回退进而使与伸缩式供布头11连接的碾压滚筒回退以使碳纤维布脱离碾压滚筒）。

开动低速电机14通过传动皮带15带动驱动轮16运动，驱动轮16与驱动轮轨道26之间的摩擦力将带动环向行走车19实现环向运动。

导向承重轮28在施工部底部和顶部布置的导向承重轨道27内行走，以维持环向行驶车19的正常绕行所需要的支承与导向作用。上述碳纤维布加固桩柱式构件全自动施工机中小车环向行走系统是由焊接于施工部承载框架内壁的由环形工字钢制成的驱动轮轨道26、由环向槽型钢制成的导向承重轨道27以及小车驱动轮16、导向承重轮28组成。其中导向承重轨道在施工部承载框架顶部及底部分别布置一条，为小车提供导向及支承。驱动轮轨道布置于施工部承载框架的中间位置，小车驱动轮布置在行走小车上由电机带动。位于施工部承载框的顶部和底部的两个导向承重轮通过竖直轮轴连接，环向行走车的平台面垂直于竖直轮轴29。

开动环向行走车19（自上往下看，小车行进为顺时针方向），离心泵13抽取环氧树脂胶结剂存储罐5中的环氧树脂胶结剂经供胶伸缩软管18、供胶头30由涂胶滚筒12均匀涂在待加固墩柱1表面，此时碾压滚筒不与待加固墩柱表面接触。 随着环向行走车绕行第一圈，两端铰接于伸缩式供布头的碾压滚筒8跟随环向行走车一起移动，此时碾压滚筒上的碾压筒直针25不停将碳纤维布从碳纤维布卷材6中拉出，满足加固补强施工中的供布要求。往复式电机带动伸缩式供布头移动进而使碾压滚筒向待加固墩柱移动并贴合，使碳纤维布卷材6紧紧压在待加固墩柱1表面（此时伴随着小车行驶第二圈）。

环向行走车19开动后，由单片机控制离心泵13开始工作，环氧树脂结构胶开始经供胶管道由涂胶滚筒均匀涂布于墩柱表面，待环向小车行走一周后，单片机将停止离心泵13工作。同时启动往复式电机10，使得伸缩式供布头11通过碾压滚筒8将碳纤维布卷材6紧紧压在待加固墩柱1表面，由于细针侧向刚度很小，而碳纤维布与墩柱表面已经喷涂的环氧树脂形成较大粘结力，此时细针即被拉出碳纤维布，完成脱开。并随着环向行走车19的移动将碳纤维布粘贴至墩柱整个表面。

环向行走车19再次走完一周后，单片机将启动碳纤维布截断铡刀9的往复式电机切断已经粘贴完毕的碳纤维布，随后截断铡刀复位，单片机控制往复式电机10将碾压滚筒拉回，脱离墩柱表面。

环向行走车19再次开动，同时离心泵13启动，随着环向行走车19再次均匀涂胶一周，完成碳纤维布浸渍工序。随后，离心泵13断开。

以上动作完成后，将由液压油泵22配合液压挺杆21将施工部框架整体顶升至下一区段，重复上述所有动作，直至该墩柱所有区段加固补强操作完成。液压挺杆通过液压挺杆连接块20与施工部模块连接。

单根墩柱完成加固补强后，由液压油泵22配合液压挺杆21降下施工部框架，打开锁紧搭扣4绕铰链3打开施工部框架。移动至下一待加固墩柱，重复以上各动作，直至完成该工程的所有加固工作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.碳纤维布加固桩柱式构件全自动施工机，包括施工部模块和施工部爬升模块，施工部爬升模块用于施工部模块的升降，其特征在于，所述的施工部模块包括沿桩柱式构件表面的圆周外侧移动的环向行走车及搭载于环向行走车的涂胶系统及贴布系统；所述的涂胶系统采用涂胶滚筒对桩柱式构件表面进行涂胶；所述的贴布系统包括供布机构、压布机构以及裁断机构；所述的供布机构包括顺序设置的碳纤维布卷材架、转向滚筒、导向槽、碾压滚筒，碳纤维布进入导向槽后被碾压滚筒表面的斜向碾压筒直针穿过，随着环向行走车的移动碾压滚筒的碾压筒直针将碳纤维布不断拉出直至覆盖桩柱式构件表面；所述的压布机构包括伸缩式供布头、连接伸缩式供布头的往复式电机，伸缩式供布头与碾压滚筒连接，往复式电机使伸缩式供布头前进并使碾压滚筒压在桩柱式构件表面，随着环向行走车移动伸缩式供布头通过碾压滚筒将碳纤维布压在桩柱式构件表面，往复式电机使伸缩式供布头后退并使碾压滚筒离开碳纤维布和桩柱式构件表面；所述的裁断机构为碳纤维布截断铡刀；所述的涂胶系统还包括顺序设置的环氧树脂胶结剂存储罐、离心泵、供胶伸缩软管、供胶头，供胶头与涂胶滚筒连接，涂胶滚筒的外侧抵靠反力弹簧，反力弹簧套在供胶头外侧，反力弹簧使涂胶滚筒抵紧不同直径的桩柱式构件表面；离心泵抽取环氧树脂胶结剂存储罐中的环氧树脂胶结剂经供胶伸缩软管、供胶头由涂胶滚筒均匀涂在待加固墩柱表面，此时碾压滚筒不与待加固墩柱表面接触； 随着环向行走车绕行第一圈，两端铰接于伸缩式供布头的碾压滚筒跟随环向行走车一起移动，此时碾压滚筒上的碾压筒直针不停将碳纤维布从碳纤维布卷材中拉出。

2.根据权利要求1所述的碳纤维布加固桩柱式构件全自动施工机，其特征在于，所述的施工部模块还包括由两片对称的槽型钢板通过铰链及锁紧搭扣组成的施工部承载框架，施工部承载框架内设有导向承重轨道、驱动轮轨道，环向行走车的驱动轮位于驱动轮轨道内，环向行走车的导向承重轮位于导向承重轨道内；所述的导向承重轨道位于施工部承载框的顶部和底部，所述的驱动轮轨道位于施工部承载框的中间位置，驱动轮通过皮带轮与电机连接。

3.根据权利要求1所述的碳纤维布加固桩柱式构件全自动施工机，其特征在于：位于施工部承载框的顶部和底部的两个导向承重轮通过竖直轮轴连接，环向行走车的平台面垂直于竖直轮轴。

4.根据权利要求1所述的碳纤维布加固桩柱式构件全自动施工机，其特征在于，通过涂胶滚筒以及绕桩柱式构件表面行驶一周的环向行走车对桩柱式构件进行表面涂胶找平；碳纤维卷材架用于储存碳纤维卷材，碳纤维布从碳纤维卷材架经转向滚筒转向后经导向槽平整后挂在碾压滚筒上，碾压滚筒靠近待加固构件表面，通过往复式电机使伸缩式供布头前进并使碾压滚筒压在桩柱式构件表面并使环向行走车行驶一周以使碳纤维布粘贴于涂胶后的桩柱式构件表面，由碳纤维布截断铡刀将碳纤维布铡断；使环向行走车再行驶一周并通过涂胶滚筒对碳纤维布进行表面涂胶。

5.根据权利要求1所述的碳纤维布加固桩柱式构件全自动施工机，其特征在于，所述的施工部爬升模块包括液压挺杆系统、液压油泵，液压油泵为液压挺杆系统加压，液压挺杆系统与施工部模块连接。