CN110130712B - 一种高承载抗震塌拱结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高承载抗震塌拱结构，本发明为采用超高韧性水泥基复合材料（UHTCC）和聚脲弹性体进行双重加固的高承载抗震塌拱结构，结构的芯体为内侧面设有粘结槽的钢筋混凝土拱，第一重为UHTCC加固层，通过界面粘结配合机械锚固的方式，在拱内侧将UHTCC与芯体结构约束在一起，形成拱芯结构。第二重为聚脲加固层，采用喷覆的方式，在拱芯结构的表面喷涂聚脲弹性体，通过聚脲材料优异的附着力使得第二重加固层与拱芯结构形成整体。聚脲涂层可以使UHTCC与混凝土更牢固地约束在一起，增强加固效果，同时UHTCC能延缓聚脲涂层的剥离，提高抗震塌效能，使加固结构达到承载力高、抗震塌性好、抗冲击力强的战术性能。
Description
技术领域
本发明涉及地下防护工程领域，尤其涉及一种高承载抗震塌拱结构。
背景技术
在防护工程领域中，混凝土拱结构是应用非常广泛的一种结构形式，往往被应用于重要军事战略防护工程中。随着军事科技的飞速发展，高科技制导武器的钻地爆炸毁伤效应有了很大提高，这对防护工程的抗力有了新的更高的要求。
传统防护工程中的拱形结构，为提高承载力一般多采用增大截面、加强配筋或粘钢加固等方法，这些加固措施不仅施工难度大，成本高昂，而且对抗力的提高十分有限。同时，这类防护工事在受到爆炸破坏时，大多会出现内部混凝土的震塌，对工事内的人员和设备安全造成破坏。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高承载抗震塌拱结构，其具体技术方案如下：
一种高承载抗震塌拱结构，包括毛坯拱、UHTCC加固层和聚脲加固层；所述毛坯拱内侧面向内凹陷形成若干粘结槽，所述UHTCC加固层通过界面粘结配合机械锚固的方式固定在毛坯拱的内侧面，并与毛坯拱形成拱芯，所述聚脲加固层喷涂在拱芯外表面。
对上述技术方案的进一步设计为：所述毛坯拱包括预埋锚固件、依附钢筋主体和混凝土主体；所述混凝土主体将预埋锚固件和依附钢筋主体包裹在内部，所述预埋锚固件一端与依附钢筋主体固定连接，另一端伸出混凝土主体的内侧面，若干预埋锚固件在混凝土主体内呈轴对称状分布。
所述预埋锚固件为由内螺纹圆管和圆形钢片固定连接组成的T型紧固件；所述内螺纹圆管外侧设有向靠近圆形钢片方向延伸的棘齿，所述圆形钢片与依附钢筋主体固定连接，内螺纹圆管一端伸出混凝土主体的内侧面。
所述依附钢筋主体包括沿毛坯拱周向设置的环向上层钢筋与环向下层钢筋、沿毛坯拱轴向设置的纵向上层钢筋与纵向下层钢筋和毛坯拱径向设置的径向钢筋；所述纵向上层钢筋位于环向上层钢筋的下侧并与环向上层钢筋焊接、纵向下层钢筋位于环向下层钢筋的上侧并与环向下层钢筋焊接；所述径向钢筋两端分别与环向上层钢筋和环向下层钢筋焊接。
所述圆形钢片上对称地分布着四个绑扎孔，圆形钢片通过钢丝穿过绑扎孔绑扎在环向下层钢筋与环向下层钢筋的交叉点处。
所述UHTCC加固层包括材料层和锚固垫条；所述锚固垫条上设有锚固孔，锚固孔内设有螺栓，所述螺栓依次穿过锚固孔和材料层后与内螺纹圆管螺纹连接。
毛坯拱内侧面的若干粘结槽呈轴对称式分布，毛坯拱内侧面做凿毛处理；所述材料层外侧面形状与毛坯拱内侧面形状相匹配，材料层通过界面粘结剂与毛坯拱内侧面粘接，并包裹住内螺纹圆管伸出毛坯拱内侧面部分。
所述材料层平均厚度为毛坯拱平均厚度的10%～15%。
所述聚脲加固层包括底漆层和涂料层；所述底漆层喷涂在拱芯外表面，并根据底材的不同分别采用与混凝土匹配的底漆和与UHTCC匹配的底漆；所述涂料层（32）喷涂在底漆层外表面。
所述涂料层的厚度为材料层平均厚度的20%～30%。
本发明的有益效果在于：
UHTCC具有较普通混凝土更好的抗拉强度和较高的韧性，将其布置在拱形结构的内表面，可以使混凝土在爆炸冲击荷载下的震塌和剥落得到有效抑制，提高结构的抗震塌能力。UHTCC通过界面粘结配合机械锚固施加预应力的方式与毛坯拱结合在一起，且由于预埋锚固件中棘齿的存在，可以使毛坯拱与UHTCC 加固层固定紧密，不易剥离，使拱芯具有很强的整体性。同时，预应力的存在使得在拉伸波的作用下，结构有更好的承载能力。UHTCC在拱内侧以承受拉力为主，其在拉力荷载下表现的细微裂缝分散特征可以使聚脲加固层与拱芯更好地协同变形，改善加固层与拱芯早期出现剥离的问题。同时，UHTCC的波阻抗参数介于普通混凝土材料和聚脲材料之间，将其布置在二者之间，可以实现阶梯削波的效果。
聚脲材料具有较高的抗爆力学性能、耐冲击性和耐腐蚀性强，将其布置在拱形结构的外表面，可以进一步提高结构的抗冲击能力，抑制混凝土震塌和碎片飞溅等现象。同时，可以更好地将UHTCC约束在结构表面，提高结构的整体性。聚脲采用喷涂方式具有连续、致密的特点，能够对结构内部起到很好的封闭和保护效果，从而提高结构的耐久性。
附图说明
图1是本发明高承载抗震塌拱结构整体示意；
图2是图1所示高承载抗震塌拱结构纵向剖视图；
图3是图1中毛坯拱的结构示意图；
图4a是图3中预埋锚固件的主视图；
图4b是图3中预埋锚固件的俯视图；
图5是图3中依附钢筋主体的布筋示意图；
图6是图1中锚固垫条的示意图。
附图标记：1-毛坯拱；11-预埋锚固件；12-依附钢筋主体；13-混凝土主体；14-粘结槽；15-内螺纹圆管；16-圆形钢片；17-棘齿；18-绑扎孔；2-UHTCC加固层；21-材料层；22-锚固垫条；23-锚固孔；3-聚脲加固层；31-底漆层；32-涂料层。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步的说明：
如图1、图2所示，本实施例的一种高承载抗震塌拱结构，包括毛坯拱1、UHTCC加固层2和聚脲加固层3；毛坯拱1内侧面向内凹陷形成若干粘结槽14，UHTCC加固层2通过界面粘结配合机械锚固的方式固定在毛坯拱1内侧面，并与毛坯拱1一起形成“拱芯”结构，所述聚脲加固层3通过喷涂的方式将“拱芯”结构包裹起来，形成加固结构整体；一个加固结构为一个工程单元，多个工程单元纵向拼装可形成防护工事。
其中，聚脲加固层3包括底漆层31和涂料层32；所述底漆层31根据底材的不同分别采用与混凝土匹配的底漆和与UHTCC匹配的底漆；涂料层32采用喷涂的方式使聚脲弹性体将“拱芯”结构整体包裹起来，形成加固结构整体；涂料层32的厚度取值为材料层21平均厚度的20%～30%。
UHTCC加固层2包括材料层21和锚固垫条22；材料层21为与毛坯拱1内表面尺寸相对应的喷射UHTCC，UHTCC平均厚度为毛坯拱1平均厚度的10%～15%；材料层21外侧面形状与毛坯拱1内侧面形状相吻合，并通过界面粘结剂与毛坯拱1粘接，毛坯拱1内侧面的若干粘结槽14呈轴对称状分布，并呈锯齿状，锯齿状分布的若干粘结槽14可增加毛坯拱1与材料层21连接后的剪切力，增强结构的整体强度，不易互相剥离；毛坯拱1内侧面做凿毛处理，用于增强毛坯拱1与材料层21的粘接强度。
结合图3所示，毛坯拱1包括预埋锚固件11、依附钢筋主体12和混凝土主体13；预埋锚固件11在毛坯拱1内呈轴对称状分布；本实施中预埋锚固件11共有十个，两两为一组，五组预埋锚固件11纵向对称分布，五组预埋锚固件11分别设置在两侧拱腰、两侧拱脚和拱顶的端部位置。
结合图4a与图4b所示，预埋锚固件11为由内螺纹圆管15和圆形钢片16固定连接组成的T型紧固件；所述内螺纹圆管15外侧设有向靠近圆形钢片方向延伸的棘齿17，可用来增加UHTCC加固层2与毛坯拱1的机械咬合力；内螺纹圆管15的壁厚与圆形钢片16的厚度相同，为内螺纹圆管15的螺孔内径的3/5～1/1；圆形钢片16的直径为内螺纹圆管15外径的3.8～4.0倍；所述圆形钢片16上对称地分布着四个绑扎孔18，绑扎孔18的直径为内螺纹圆管15螺孔内径的3/5～5/7，绑扎孔18边缘与圆形钢片16边缘的最短距离为绑扎孔18孔径的1.2～1.3倍。本实施例中，预埋锚固件11通过钢丝穿过绑扎孔18后绑扎在钢筋主体12上，混凝土主体13将预埋锚固件11和依附钢筋主体12包裹在内部，混凝土主体13在预埋锚固件11的位置形成孔洞，内螺纹圆管15一端伸出毛坯拱1，并伸入UHTCC加固层2厚度的80%处，剩余20%厚度的一部分为螺栓与内螺纹配合施加预应力所需的紧固长度。
结合图6所示，锚固垫条22上设有锚固孔23，锚固孔23内设有螺栓，螺栓依次穿过锚固孔23和材料层21后与内螺纹圆管15螺纹连接，并紧固形成预应力。本实施例中，锚固垫条21为两端有锚固孔23的矩形钢板，锚固垫条22的设置位置与预埋锚固件11相对应，纵向居中地放置在毛坯拱1两侧拱腰、两侧拱脚和拱顶内侧的材料层21上。螺栓的直径与锚固垫条的锚固孔23孔径和内螺纹孔孔径相匹配，锚固垫条22的宽度为锚固孔23孔径的4.4～4.6倍，锚固垫条22的厚度为锚固孔23孔径的2/5～1/2，锚固垫条22的长度比毛坯拱1的横向长度小8mm～12mm。锚固孔23的净边距为锚固孔23孔径的1.8～2.0倍。
结合图5所示，依附钢筋主体12包括沿毛坯拱周向设置的环向上层钢筋与环向下层钢筋、沿毛坯拱轴向设置的纵向上层钢筋与纵向下层钢筋和毛坯拱径向设置的径向钢筋；纵向上层钢筋位于环向上层钢筋的下侧并与环向上层钢筋焊接、纵向下层钢筋位于环向下层钢筋的上侧并与环向下层钢筋焊接；径向钢筋两端分别与环向上层钢筋和环向下层钢筋焊接，进而形成依附钢筋主体12的整体；依附钢筋主体12在预埋锚固件11的绑扎处为环向下层钢筋与环向下层钢筋的交叉点处。
本发明高承载抗震塌拱结构的施工制作过程为：
1）通过焊接的方式完成依附钢筋主体12的制作，将预埋锚固件11在依附钢筋主体12的内侧进行定位和临时固定，通过穿过绑扎孔18的钢丝将二者绑扎在一起；
2）支撑毛坯拱1的模板，沿毛坯拱1的纵向从两侧拱脚向拱顶进行浇筑，并在两个粘结槽14之间至少设一个浇筑口，浇筑完成后经自然养护至少14天；
3）在毛坯拱1的内表面进行凿毛处理，凿毛深度控制在2mm左右。用清水将内表面冲洗干净，并将内表面充分浸湿，以增强UHTCC与毛坯拱1的界面粘结力；
4）将螺栓穿过内径略大于螺纹直径、外径等于内螺纹圆管15外径、长度略伸出UHTCC加固层2表面的薄壁圆管，并拧入预埋锚固件11中，用来在UHTCC加固层2中形成预留锚固孔，在毛坯拱1的内侧喷射UHTCC，并且至少养护14天，拆下螺栓；
5）将锚固垫条22固定在UHTCC加固层2的内表面，将螺栓通过锚固垫条22与预埋锚固件11连接，并通过扭矩扳手对所有螺栓施加相同的预紧力，形成“拱芯”结构；
6）用清水冲洗“拱芯”的外表面，待自然风干后，在外表面涂刷与底层材料相匹配的底漆，放置数个小时，待底漆充分浸入底层材料后，依次在“拱芯”结构的各个表面喷涂厚度相同的聚脲，并保证涂料层32一次喷涂成型。
以上内容是结合实施案例对本发明所做的进一步详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高承载抗震塌拱结构，其特征在于：包括毛坯拱（1）、UHTCC加固层（2）和聚脲加固层（3）；所述毛坯拱（1）内侧面向内凹陷形成若干粘结槽（14），所述UHTCC加固层（2）通过界面粘结配合机械锚固的方式固定在毛坯拱（1）的内侧面，并与毛坯拱（1）形成拱芯，所述聚脲加固层（3）喷涂在拱芯外表面。
2.根据权利要求1所述的高承载抗震塌拱结构，其特征在于：所述毛坯拱（1）包括预埋锚固件（11）、依附钢筋主体（12）和混凝土主体（13）；所述混凝土主体（13）将预埋锚固件（11）和依附钢筋主体（12）包裹在内部，所述预埋锚固件（11）一端与依附钢筋主体（12）固定连接，另一端伸出混凝土主体（13）的内侧面，若干预埋锚固件（11）在混凝土主体（13）内呈轴对称状分布。
3.根据权利要求2所述的高承载抗震塌拱结构，其特征在于：所述预埋锚固件（11）为由内螺纹圆管（15）和圆形钢片（16）固定连接组成的T型紧固件；所述内螺纹圆管（15）外侧设有向靠近圆形钢片（16）方向延伸的棘齿（17），所述圆形钢片（16）与依附钢筋主体（12）固定连接，内螺纹圆管（15）一端伸出混凝土主体（13）的内侧面。
4.根据权利要求3所述的高承载抗震塌拱结构，其特征在于：所述依附钢筋主体（12）包括沿毛坯拱（1）周向设置的环向上层钢筋与环向下层钢筋、沿毛坯拱（1）轴向设置的纵向上层钢筋与纵向下层钢筋和毛坯拱（1）径向设置的径向钢筋；所述纵向上层钢筋位于环向上层钢筋的下侧并与环向上层钢筋焊接、纵向下层钢筋位于环向下层钢筋的上侧并与环向下层钢筋焊接；所述径向钢筋两端分别与环向上层钢筋和环向下层钢筋焊接。
5.根据权利要求4所述的高承载抗震塌拱结构，其特征在于：所述圆形钢片（16）上对称地分布着四个绑扎孔（18），圆形钢片（16）通过钢丝穿过绑扎孔（18）绑扎在环向下层钢筋与环向下层钢筋的交叉点处。
6.根据权利要求2所述的高承载抗震塌拱结构，其特征在于：所述UHTCC加固层（2）包括材料层（21）和锚固垫条（22）；所述锚固垫条（22）上设有锚固孔（23），锚固孔（23）内设有螺栓，所述螺栓依次穿过锚固孔（23）和材料层（21）后与内螺纹圆管（15）螺纹连接。
7.根据权利要求6所述的一种高承载抗震塌拱结构，其特征在于：毛坯拱（1）内侧面的若干粘结槽（14）呈轴对称式分布，毛坯拱（1）内侧面做凿毛处理；所述材料层（21）外侧面形状与毛坯拱（1）内侧面形状相匹配，材料层（21）通过界面粘结剂与毛坯拱（1）内侧面粘接，并包裹住内螺纹圆管（15）伸出毛坯拱（1）内侧面部分。
8.根据权利要求6所述的一种高承载抗震塌拱结构，其特征在于：所述材料层（21）平均厚度为毛坯拱（1）平均厚度的10%～15%。
9.根据权利要求1所述的一种高承载抗震塌拱结构，其特征在于：所述聚脲加固层（3）包括底漆层（31）和涂料层（32）；所述底漆层（31）喷涂在拱芯外表面，并根据底材的不同分别采用与混凝土匹配的底漆和与UHTCC匹配的底漆；所述涂料层（32）喷涂在底漆层（31）外表面。
10.根据权利要求9所述的一种高承载抗震塌拱结构，其特征在于：所述涂料层（32）的厚度为材料层（21）平均厚度的20%～30%。
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