CN105863288B - 纤维薄板‑钢板组合加固rc结构及其方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了纤维薄板‑钢板组合加固RC结构及其方法与应用。所述纤维薄板‑钢板的组合板为三层结构：接触混凝土的里层为低弹性模量的高强玻璃纤维薄板或芳纶纤维薄板或玄武岩纤维薄板，中间为钢板，外层为中、高弹性模量的碳纤维薄板。组合板的制备及加固RC结构的方法为：纤维薄板与钢板、纤维薄板与混凝土之间都采用环氧树脂超强胶粘贴，并借助植入RC结构的螺栓进行锚固。采用本发明所述组合加固方法对RC结构进行加固，可大幅提高原结构的承载力、刚度和延性，并具有变形协调性好、耐腐蚀、抗裂、抗疲劳、抗冲击及耐久性能。

Description

纤维薄板-钢板组合加固RC结构及其方法与应用
技术领域
本发明属于土木建筑及交通运输工程领域，具体涉及纤维薄板-钢板组合加固RC结构及其方法与应用。
背景技术
粘贴钢板加固法和粘贴纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)加固法是目前土木建筑及交通运输工程中混凝土结构最常用的两种被动加固方法，能有效提高原有结构的承载力，具有工期短、对结构外观影响小等优点，但均还存在一些问题。
粘贴钢板加固法优点是能够有效提高结构的刚度和承载力，但不足之处为：1)钢板的弹性模量(Es＝206GPa)和混凝土弹性模量(Ec＝22～38GPa)相差较大，导致钢板与混凝土的界面的应力梯度很大，变形不协调，容易出现应力集中；2)钢板本身容易锈蚀，不但维修和养护困难，还会影响结构的耐久性；3)钢板与混凝土的连接主要依赖于螺栓等连接件，连接件的力学性能及耐久性不但会左右其加固效果，而且还会对被加固的混凝土结构造成新的损伤和应力集中；4)钢板比较重，增加原结构的自重；5)钢板较厚(6～10mm)也重，会给施工带来一定的困难。
粘贴FRP加固法的最大优势是轻质高强，碳纤维增强复合材料(CFRP)的耐腐蚀性好，但由于材料本身的单向性、脆性等缺点导致该方法存在如下问题：1)加固后对结构件的刚度提高效果不明显；2)如果不采取适当的措施，FRP材料的锚固效果较差，加固结构常常会发生FRP与混凝土界面的剥离破坏，无法充分发挥FRP材料的高强度优势；3)FRP不管发生FRP拉断或FRP-混凝土界面剥离破坏，均是脆性破坏，不利于工程结构的安全预警。
为解决粘贴FRP加固法中的有效锚固问题，近年来有学者提出了FRP-螺栓锚固技术。该方法是按一定的间距采用矩形小钢片和锚栓对FRP进行锚固。该方法可以有效防止FRP-混凝土界面过早剥离破坏，但其本质仍然是单一的粘贴FRP加固法，钢板不参与受力，没有解决FRP加固法所存在的刚度无明显提高及无法充分发挥FRP材料的高强度优势等问题。另外，该方法还存在锚固点局部有压弯、损伤纤维的可能性。
为了解决粘贴FRP加固法无法显著提高加固结构的刚度和锚固困难的问题，有学者提出了混凝土结构的钢板-FRP复合加固方法(CN101994398B)。该方法是将碳纤维布放在内层，钢板压在碳纤维布上，利用小钢片压住钢板进行加固。该方法能有效提高结构的刚度，并靠固定钢板压片的锚栓提供给加固钢板的压力来锚固钢板和碳纤维布，但钢板和碳纤维布与被加固构件之间仍然是靠界面来传递荷载。由于采用的碳纤维布的弹性模量Ec≥230GPa，与混凝土弹性模量相差很大，导致碳纤维布与混凝土之间的界面的应力梯度很大，变形不协调，会出现应力集中现象。
发明内容
为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种纤维薄板-钢板的组合板。
本发明的另一目的在于提供上述纤维薄板-钢板组合加固RC结构的方法。
一种纤维薄板-钢板组合板，所述组合板具有三层结构，每层板的弹性模量不同。与混凝土接触的一层是低弹性模量的第一纤维薄板，中间层是钢板，外层是中、高弹性模量的第二纤维薄板，如图1所示。
所述的纤维薄板是本申请人的新型FRP材料(ZL200410026742.8)，其中,第一纤维薄板是比钢板的弹性模量低的高强玻璃纤维薄板或者芳纶纤维薄板或者玄武岩纤维薄板；第二纤维薄板为比钢板的弹性模量高的碳纤维薄板。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种纤维薄板-钢板组合加固RC结构，采用纤维薄板和钢板制备成组合板并对RC结构进行加固。
进一步地，所述组合板为三层结构，依次为第一纤维薄板、钢板和第二纤维薄板。
进一步地，第一纤维薄板为高强玻璃纤维薄板、芳纶纤维薄板或玄武岩纤维薄板；所述钢板为普通碳素结构钢板；所述第二纤维薄板为碳纤维薄板。
进一步地，第一纤维薄板的弹性模量为比钢板的低，第二纤维薄板的弹性模量为比钢板的高。
进一步地，所述第一纤维薄板和第二纤维薄板的长度与钢板相同；第一纤维薄板和第二纤维薄板的宽度为50mm～300mm，且与钢板的宽度相同；所述第一纤维薄板的计算厚度为0.1mm～0.3mm，所述钢板的厚度为3mm～5mm，所述第二纤维薄板的计算厚度为0.1mm～0.3mm。
进一步地，第一纤维薄板和第二纤维薄板与钢板之间采用环氧树脂超强胶粘贴，并借助螺栓进行锚固。所述的组合板中各层板之间采用环氧树脂超强胶粘结成一整体，如附图1所示。所述的组合板中预留有锚固孔(见图1)，并通过螺栓和植筋胶与被加固的RC结构紧密连接，如图2～图7所示。所述的环氧树脂超强胶和植筋胶的抗剪强度≥15MPa。所述的锚固螺栓孔位于组合板宽度方向的中间，其间距为400～800mm，孔直径比螺栓直径大2mm。所述的螺栓为M8～M12,植入深度为螺栓直径的5～10倍，其结构如图6所示。
一种纤维薄板-钢板组合加固RC结构的方法，包括以下步骤：
1)打磨：根据加固规范相关要求将要加固的混凝土表面打磨平整；
2)钻孔：参考公式(1)确定每条组合板上要植入的螺栓个数n，按照孔间距约为400～800mm原则，确定螺栓孔的位置，在加固构件表面钻孔，钻孔深度为5～10d(d为螺栓直径)；
式中，n是一条组合板上需要植入的螺栓个数或孔数；
是单个螺栓的抗剪强度(MPa)，可根据螺栓型号查规范；
σl是组合板处所承受的拉应力(MPa)，为安全起见，取钢板的设计强度280MPa；
Az是组合板的横截面面积(mm2)；
3)埋入螺栓：利用空压机，向孔内吹灰，清孔，注入植筋胶，插入螺栓，确保螺栓中间平滑、表面与底面平齐；
4)组合板制作：按照埋入螺栓的位置对应在钢板上钻孔，插上定型用螺杆，并在其表面贴上一层塑料胶带；编制第一纤维薄板和第二纤维薄板，纤维薄板的宽度与钢板相同；待纤维薄板半干后将其用环氧树脂超强胶粘贴于钢板上；粘贴时，应使纤维薄板绕开螺杆，并防止纤维薄板黏住螺杆；
5)粘贴组合板：组合板上的粘结胶固化成型后，拔出定型用的螺杆，再对齐螺栓孔位置，涂刷环氧树脂超强胶、粘贴组合板，然后套上垫片和螺母，并拧紧。
上述方法中，螺栓为M8～M12,植入深度为螺栓直径的5～10倍。
一种纤维薄板-钢板组合加固RC结构在桥梁、隧道、港口、码头和房屋RC结构中的应用。
相对于现有技术，本发明具有如下优点及有益效果：
1)本发明的组合板中，与混凝土接触的是弹性模量较低的纤维薄板，然后是弹性模量较高的钢板，外层是弹性模量最高的碳纤维薄板，从而达到优异的变形协调性能；
2)纤维薄板与钢板通过粘结胶形成组合板，通过螺栓锚固钢板而达到一起锚固纤维薄板的作用，可以避免纤维薄板粘贴加固会发生界面脆性剥离破坏，能充分发挥纤维薄板的高强度优势；
3)本发明的组合板有效的利用了纤维薄板具有尺寸自如、一次成型、柔软、施工性好等优势，既可在工厂预先制作，也可以在现场制作。
4)采用本发明的组合板对RC结构进行加固施工时，只需要粘贴一次，可减少工序，提高加固效率；
5)本发明的锚固螺栓孔位于组合板宽度方向的中间位置，既有利于组合板的锚固，又有利于组合板与RC结构形成一个整体已达到共同受力的目的。
6)本发明的纤维薄板-钢板组合加固方法，比现有的同类加固方法具有更加合理的结构、优异的抗弯拉、抗剪、抗变形、抗裂、抗疲劳、抗冲击、耐腐蚀及耐久性能。可以解决粘贴FRP加固法中无法显著提高结构刚度以及锚固效率较低等不足；也可以解决钢板粘贴加固后钢板-混凝土界面的变形不协调、钢板的防腐以及重量较重、施工性较差等问题。
附图说明
图1为本发明组合板示意图；
图2为本发明纤维薄板-钢板组合加固RC结构立面示意图；
图3为本发明纤维薄板-钢板组合加固RC结构横截面示意图；
图4为本发明纤维薄板-钢板组合板加固RC结构平面示意图；
图5为本发明组合板加固法局部大样图；
图6为本发明螺栓(单位：mm)；
图7为本发明定位光滑螺杆(单位：mm)；
图8为本发明的组合板加固效果实验值对比图。
图中各部件的标记如下：
RC结构1、组合板2、螺栓3、螺帽4、垫片5、第一纤维薄板6、钢板7、第二纤维薄板8、定位光滑螺杆9、板厚度t、螺纹表面a、光滑表面b。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实例是采用发明中的纤维薄板与钢板组合加固钢筋混凝土(RC)板，加固前先按照有关混凝土加固规范，对本发明的组合板进行计算和设计，确定纤维薄板计算厚度0.23mm，宽度50mm；钢板为Q235，厚度3.7mm,宽度50mm，两种材料的长度一样，根据试件的尺寸，均为1.6m。然后按照以下步骤进行加固：
1)根据设计位置，将要粘贴的混凝土表面打磨平整，并钻孔，将孔内灰吹干净；
2)利用植筋胶植入图6中所示M8高强螺栓3，深度为10d，即80mm；
3)根据螺栓的实际植入位置将钢板7钻好孔，用钢丝刷将钢板两面的锈除掉，并用丙酮擦干净；
其中，螺栓个数可根据公式(1)计算：
本例中，采用M8高强螺栓，根据钢结构设计规范，其设计抗剪强度为250MPa，直径d为8mm，σl取钢板设计强度280MPa，组合板厚度为4mm，宽度为50mm，因此横截面面积Az为200mm2。代入上式中，计算得到每条板上要植入的螺栓数量为n＝4.4个，取整数5个。每条组合板长度为1.6m，实际钻孔按400mm间距。
4)编制第一纤维薄板(芳纶纤维薄板，弹性模量100GPa，计算厚度0.11mm)和第二纤维薄板(碳纤维薄板，弹性模量为230GPa，计算厚度0.11mm)；芳纶纤维薄板和碳纤维薄板的制备方法如ZL200410026742.8中的方法制备。
5)制作图1所示纤维薄板-钢板组合板2。等纤维薄板晾至半干的成型状态时，在钢板的螺孔中插上图7所示的定位光滑螺杆9。再采用环氧树脂超强胶，将两种纤维薄板粘贴到钢板的两个表面。粘贴时在螺杆处局部应拨开纤维薄板中的纤维束；
6)粘贴纤维薄板-钢板的组合板以加固RC板。待组合板完全固结后，将混凝土的表面用高压空气吹干净，用丙酮擦洗其粘贴表面，再涂抹超强胶，拨出钢板上的定位螺杆9，然后以螺栓位置对中，粘贴组合板，确保粘贴界面没有空鼓，如图2～图4所示；
7)在螺栓3上套上垫片5，并拧紧螺帽4，如图5所示。
待上述纤维薄板-钢板的组合板与混凝土固结后，对加固后的3块RC板实施了承载力实验。
另外，为了对比本发明的加固效果，对相同的2块未加固RC板、3块0.23mm厚碳纤维薄板加固RC板、以及3块3.7mm厚钢板加固的RC板都进行了承载力实验。这些实验结果都示于图8。由图8可知，采用纤维薄板与钢板的组合板加固新技术，可以大大提高原有RC结构(F组)的承载力以及构件刚度，而且比单一粘贴钢板加固法(A组)、粘贴碳纤维薄板(CFL)加固法(B组)具有更好的延性。
实施例2
本实施例的方法与实施例相同，只是第一纤维薄板采用低弹性模量的玄武岩纤维薄板(弹性模量为90Gpa，计算厚度0.11mm)，第二纤维薄板采用高弹性模量(230Gpa,0.11mm)的碳纤维薄板。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.纤维薄板-钢板组合加固RC结构的方法，其特征在于，纤维薄板-钢板组合加固RC结构，采用纤维薄板和钢板制备成组合板并对RC结构进行加固；
所述组合板为三层结构，依次为第一纤维薄板、钢板和第二纤维薄板；所述纤维薄板-钢板组合加固RC结构的方法，包括以下步骤：
1)打磨：根据加固规范相关要求将要加固的混凝土表面打磨平整；
2)钻孔：参考公式(1)确定每条组合板上要植入的螺栓个数n，按照孔间距为400～800mm原则，确定螺栓孔的位置，在加固构件表面钻孔，钻孔深度为5～10d，d为螺栓直径；
<mrow> <mi>n</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>&amp;pi;d</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mn>4</mn> </mfrac> <msubsup> <mi>f</mi> <mi>v</mi> <mi>b</mi> </msubsup> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>l</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>A</mi> <mi>z</mi> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中，n是一条组合板上需要植入的螺栓个数或孔数；
是单个螺栓的抗剪强度，抗剪强度单位为MPa，可根据螺栓型号查规范；
σl是组合板处所承受的拉应力，拉应力的单位为MPa，为安全起见，取钢板的设计强度280MPa；
Az是组合板的横截面面积，横截面面积单位为mm2；
3)埋入螺栓：利用空压机，向孔内吹灰，清孔，注入植筋胶，插入螺栓，确保螺栓中间平滑、表面与底面平齐；
4)组合板制作：按照埋入螺栓的位置对应在钢板上钻孔，插上定型用螺杆，并在其表面贴上一层塑料胶带；编制第一纤维薄板和第二纤维薄板，纤维薄板的宽度与钢板相同；待纤维薄板半干后将其用环氧树脂超强胶粘贴于钢板上；粘贴时，应使纤维薄板绕开螺杆，并防止纤维薄板黏住螺杆；
5)粘贴组合板：组合板上的粘结胶固化成型后，拔出定型用的螺杆，再对齐螺栓孔位置，涂刷环氧树脂超强胶、粘贴组合板，然后套上垫片和螺母，并拧紧。
2.根据权利要求1所述纤维薄板-钢板组合加固RC结构的方法，其特征在于：螺栓为M8～M12,植入深度为螺栓直径的5～10倍。
3.根据权利要求1所述纤维薄板-钢板组合加固RC结构的方法，其特征在于：第一纤维薄板为高强玻璃纤维薄板、芳纶纤维薄板或玄武岩纤维薄板；所述钢板为普通碳素结构钢板；所述第二纤维薄板为碳纤维薄板。
4.根据权利要求1所述纤维薄板-钢板组合加固RC结构的方法，其特征在于：第一纤维薄板的弹性模量为比钢板的低，第二纤维薄板的弹性模量为比钢板的高。
5.根据权利要求1所述纤维薄板-钢板组合加固RC结构的方法，其特征在于：所述第一纤维薄板和第二纤维薄板的长度与钢板相同；第一纤维薄板和第二纤维薄板的宽度为50mm～300mm，且与钢板的宽度相同；所述第一纤维薄板的计算厚度为0.1mm～0.3mm，所述钢板的厚度为3mm～5mm，所述第二纤维薄板的计算厚度为0.1mm～0.3mm。
6.根据权利要求1所述纤维薄板-钢板组合加固RC结构的方法，其特征在于：第一纤维薄板和第二纤维薄板与钢板之间采用环氧树脂超强胶粘贴，并借助螺栓进行锚固。
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