CN110725426A - 基于水泥基复合材料的防震加固结构及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水泥基复合材料的防震加固结构及使用方法。该防震加固结构包括：墩柱、设置在所述墩柱中部的固定座、围绕所述墩柱设置的管桩以及分别设置在所述墩柱两端的第一扩大件和第二扩大件，所述第一扩大件的一端通过限位件与所述墩柱固定连接，所述第一扩大件的另一端用于与框架梁固定连接；所述第二扩大件的一端通过螺栓件与所述墩柱固定连接，所述第二扩大件的另一端用于与框架梁固定连接，所述管桩与所述墩柱之间填充高性能纤维增强水泥基件，所述第一扩大件和所述第二扩大件上均设有凹凸结构。该防震加固结构的造价成本低和施工效率高。

Description

基于水泥基复合材料的防震加固结构及使用方法

技术领域

本发明涉及复合材料施工方法。更具体地说，本发明涉及基于水泥基复合材料的防震加固结构及使用方法。

背景技术

工程水泥基复合材料(Engineered cementitious composite，简称ECC)是近年来新兴的一种高性能水泥复合材料，它基于断裂力学、微观物理力学和统计学优化设计，使用短纤维增强，且纤维掺量不超过复合材料总体积的2.5％，硬化后的复合材料具有显著的应变硬化特征，在拉伸荷载作用下可产生多条细密裂缝，极限拉应变可稳定地达到3％以上的新型工程用水泥基复合材料。试验研究已经证实它的应变能力一般为3％～6％，最高可达8％，耗能能力是常规纤维混凝土的3倍。因此ECC在提高结构的延性、耗能能力、抗侵蚀性、抗冲击性和耐磨性方面具有显著的效果，在抗震结构、大变形结构、抗冲击结构和修复结构中有着广阔的发展前景。

由于ECC可显著提高结构的耗能能力，因此可以应用于钢与混凝土组合结构、抗震节点和抗震阻尼器等部位。而其优异的抗剪性能也可有效减少钢筋混凝土构件对抗剪箍筋的要求。传统方法中是是将ECC完全替代混凝土用于新建建筑的防震加固，由于ECC的超高韧性，结构构件和结构本身都具有良好的延性和消能耗能能力，但这种做法会大幅度提高建筑结构的造价成本和制造效率，不利于在普通建筑结构中推广和应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种造价成本低和施工效率高的基于水泥基复合材料的防震加固结构及使用方法。

该水泥基复合材料的防震加固结构包括：墩柱、设置在所述墩柱中部的固定座、围绕所述墩柱设置的管桩以及分别设置在所述墩柱两端的第一扩大件和第二扩大件，所述第一扩大件的一端通过限位件与所述墩柱固定连接，所述第一扩大件的另一端用于与框架梁固定连接；所述第二扩大件的一端通过螺栓件与所述墩柱固定连接，所述第二扩大件的另一端用于与框架梁固定连接，所述管桩与所述墩柱之间填充高性能纤维增强水泥基件，所述第一扩大件和所述第二扩大件上均设有凹凸结构。

在其中一个实施例中，所述限位器包括螺杆、固定在所述螺杆一端的套箍、固定在螺杆另一端的顶片、套在螺杆上的刚性弹簧、挡片以及限位螺帽，所述螺杆一端穿过套箍与墩柱表面固定连接，所述挡片抵压在管桩的内壁上，所述刚性弹簧用于压紧挡片，所述限位螺帽沿螺杆设置，以调整所述档片的水平位置。

在其中一个实施例中，所述第一扩大件的宽度由邻近所述墩柱的一端自远离所述墩柱的另一端逐渐变小；和/或，所述第二扩大件的宽度由邻近所述墩柱的一端自远离所述墩柱的另一端逐渐变小。

在其中一个实施例中，所述第一扩大件邻近所述墩柱的一端的宽度与所述墩柱的宽度相适配，和/或，所述第二扩大件邻近所述墩柱的一端的宽度与所述墩柱的宽度相适配。

在其中一个实施例中，所述第一扩大件与框架梁锚固连接，和/或，所述第二扩大件与框架梁锚固连接。

在其中一个实施例中，所述第一扩大件上设有多个凹凸结构，多个凹凸结构均匀间隔分布；和/或，所述第二扩大件上设有多个凹凸结构，多个凹凸结构均匀间隔分布。

在其中一个实施例中，所述固定座为纤维增强复合材料座。

在其中一个实施例中，所述管桩为纤维增强复合材料管。

该发明中第一扩大件和所述第二扩大件上均设有凹凸结构，该凹凸结构用于防震加固结构和梁底或梁顶处的连接，地震发生时，该凹凸结构可以有效传递剪切力,防震加固结构自身可承担部分轴力，增强了建筑物的防震能力。而且通过所述管桩与所述墩柱之间填充高性能纤维增强水泥基件，可以有效吸收能量，实现抗震加固，减小楼层位移和位移角,使结构在大震作用后也可以正常使用。而且通过墩柱、固定座、第一扩大件和第二扩大件的配合使用，可以实现防震加固结构的预制化制备，使得ECC用于建筑件的生产标准化、批量化，并且成本较低，易于推广使用。

此外，通过采用限位器定位更加准确，挡片上端套在螺杆上，下端与管桩内壁相连，螺杆通过圆形套箍固定在结构物表面，不会发生滑落现象。施工过程中可根据加固方案的要求，通过调节限位螺帽的位置，随时调整限位器的长度大小，确保模板位置准确，不发生偏移。施工结束后，可将限位装置卸掉，循环利用，节约材料。

此外，本发明还公开一种水泥基复合材料的防震加固结构的使用方法。

该基于水泥基复合材料的防震加固结构的使用方法，将上述水泥基复合材料的防震加固结构安装在建筑物底层的框架柱之间和建筑物中层的框架柱之间，且安装在建筑物底层的所述防震加固结构与安装建筑物底层的所述防震加固结构错位设置。

在一个实施例中，安装在建筑物底层的所述防震加固结构或安装在建筑物底层的所述防震加固结构均有多个，且多个所述防震加固结构非等间隔分布。

建筑物的底层和中层通常会成为大空间结构而的薄弱层,因此防震加固结构装置设置在底层的框架柱之间和中层的框架柱之间，并且通过安装在建筑物底层的所述防震加固结构与安装建筑物底层的所述防震加固结构错位设置，可以互相减小楼层位移和位移角,进一步提升建筑物的抗震能力。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的基于水泥基复合材料的防震加固结构示意图；

图2是图1所示的基于水泥基复合材料的防震加固结构的安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，基于水泥基复合材料的防震加固结构1包括：墩柱10、设置在所述墩柱10中部的固定座20、围绕所述墩柱10设置的管桩以及分别设置在所述墩柱10两端的第一扩大件30和第二扩大件40，所述第一扩大件30的一端通过限位件与所述墩柱10固定连接，所述第一扩大件30的另一端用于与框架梁2固定连接；所述第二扩大件40的一端通过螺栓件与所述墩柱10固定连接，所述第二扩大件40的另一端用于与框架梁2固定连接，所述管桩与所述墩柱10之间填充高性能纤维增强水泥基件，所述第一扩大件30和所述第二扩大件40上均设有凹凸结构。可选地，该凹凸机构包括平凸式结构和凹槽式结构。平凸式结构用于预制构件和梁底或梁顶处的连接,凹槽式结构用于预制构件间的连接。

墩柱结构主要有混凝土桥墩、混凝土桩、工字钢桩和木桩等，其截面形式主要有圆形、矩形、椭圆形、H型等。

在一个实施例中，所述固定座20为纤维增强复合材料座。

在一个实施例中，所述管桩为纤维增强复合材料管。

纤维增强复合材料是由纤维材料与基体材料按照一定的比例复合而成，具有较高的耐腐性和抗疲劳性能，可以在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中长期使用。与传统加固方法相比，本发明可以有效避免预应力筋、普通钢筋和钢板易锈蚀、环氧树脂易剥落老化、影响结构使用空间以及操作较为繁琐等缺陷。施工底座和施工模板均采用纤维增强复合材料，避免使用钢材，在增强结构物加固效果的同时，可以有效提高加固后结构物的耐久性能和耐腐蚀性能。纤维增强复合材料的弹性模量较小，约为普通钢筋的25％-75％，而提供的抗拉强度约为普通钢筋的10倍以上，提供的环向约束强度更高，加固效果更显著。纤维增强复合材料是一种高性能绿色环保材料，具有轻质高强、耐腐蚀、耐久性能好、施工便捷等性能特点，生产纤维增强复合材料不需要耗费大量的物质资源和能量资料，对环境不会造成危害。

制备高性能纤维增强水泥基件的主要原材料包括水泥、粉煤灰、橡胶粉、石英砂、聚乙烯醇纤维、高效减水剂和水。在本文中石英砂的粒度大小为80目-150目；橡胶粉粒度大小为40目-80目；高效减水剂为羧酸系减水剂。

1)水泥

目前在我国基础设施建设实际工程应用中，根据所用混凝土材料强度的需要，常用的水泥等级强度有42.5级和52.5级。

2)粉煤灰

粉煤灰是火电厂发电过程中煤燃烧产生的副产品，通常被认为是一种工业废料。在世界范围内，一年大约会产生6亿吨粉煤灰，其中80％的粉煤灰被以垃圾填埋的方式处理，在土地资源紧张的今天，此种处理方式会占用大量的±地，造成土地资源的浪费。然而粉煤灰自身具有的火山灰效应使得其被应用在水泥混凝土材料中，部分替代水泥。对传统的水泥混凝土材料，粉煤灰对水泥的替代量只是占胶凝材料的10％-25％。粉煤灰影响着PVA纤维与基质之间的界面性能，其控制着基质的断裂初性，从而影响水泥基复合材料的延展性能。粉煤灰颗粒多为光滑的球状玻璃微珠，其“滚珠润滑”作用可以有效的改善浆体的工作性能，大大降低了水胶比，提高了浆体的密实度，加上其自身的火山灰效应，对水泥基复合材料的后期强度有着积极的作用。

3)石英砂

基于微观力学与断裂力学设计理论，水泥基复合材料中不能像普通混凝土一样渗入粒径较大的集料，一般选用粒径比较细的石英砂，本文采用的石英砂的粒度大小范围在70目-140目之间。

4)橡胶粉

随着着汽车产业的发展，越来越多的废旧轮胎及相关橡胶产品堆积给环境带来了很大的负担。本文所采用的橡胶粉由废旧橡胶轮胎研磨而成，所述橡胶粉的粒度范围为40目-80目。

橡胶粉的掺入导致水泥基复合材料的密度降低，造成这种变化主要有两个原因可以解释：第一个个原因，橡胶本身的密度比石英砂低，大概是石英砂密度的45％；第二个原因，橡胶颗粒表面疏水，在加水揽拌的过程中，橡胶颗粒的表面会附着一些空气气泡，从而增大了水泥基复合材料的含气量。水泥基复合材料掺入橡胶粉后，其密度为1600kg/m³至1710kg/m³之间，有利于减轻铺装层的自重。橡胶粉的渗入引起抗压强度的降低一方面是由于在搅拌过程中橡胶粉的渗入引进了空气导致ECC的孔隙率増大；另一方面是由于橡胶颗粒的模量很低变形能力强，与周围基质变形不一致，而且与水化产物直接有一定的间隙。橡胶粉换入到水泥基复合材料中降低了碳排放量，与传统未加橡胶粉的水泥基复合材料材料相比，当橡胶粉等体积替代石英砂的量为石英砂的15％与25％时，水泥基复合材料本身的碳排放量分别降低了18％与25％。这是由于把橡胶粉渗入到水泥基复合材料中等体积替代部分石英砂一方面将会消耗废旧橡胶，避免了在处理废旧橡胶过程中对环境产生的污染同时也提供了一种废旧橡胶处理的方式；另一方面将会减少水泥基复合材料中石英砂的用量，进而减少了对石英矿的开采。

5)聚乙烯醇纤维

纤维的惨入是水泥基复合材料实现多缝开裂、高延性与伪应变硬化现象的一个决定性因素。根据微观力学与断裂力学理论，水泥基复合材料对纤维的种类、物理性能等有着很高的要求。本文采用纤维是日本可乐丽公司生产的聚乙烯醇纤维，其主要特点是高强度高模量，在水泥内碱性条件下耐久性好，同时具有亲水性。由于亲水特性，聚乙烯醇纤维与水泥基质之间的粘结强度比较大，使得水泥基复合材料在开裂过程中，纤维容易拔断而不是拔出。通过对聚乙烯醇纤维表面进行了等离子处理并在纤维表面涂油以降低聚乙烯醇纤维与水泥基质之间的粘结力，更加有利于纤维的拔出行为，从而更有利于水泥基复合材料的多缝开裂行为。

6)高效减水剂

水泥基复合材料有着比较低的水胶比，本文采用的水胶比为0.25。为了保持水泥基复合浆体具有良好的工作性，同时也是使得纤维均匀分散在浆体中的需要，本文采用聚羧酸系高效减水剂高效改善浆体的流动性。

具体地，材料配比为水泥：粉煤灰：橡胶粉：石英砂：聚乙烯醇纤维：高效减水剂：水＝1：2：1：0.36：0.02：0.03：0.25。

1)在大型搅拌站中，首先加入水泥、粉煤灰、橡胶粉、石英砂和粉状高效减水剂，并将其在低速档搅拌5分钟，然后加入聚乙烯醇纤维并在高速搅拌3分钟，使得各组分混合均匀，制成高延性的纤维增强水泥基复合材料ECC干料混合料；

2)将预拌ECC干料混合料装入现场的小型搅拌机中，最后加入适量水搅拌均匀；搅拌运输车搅拌桶以转速18r/min进行搅拌；或将加水后基本搅拌均匀的ECC水泥材料从搅拌运输车中倒入施工现场的搅拌机里，最后进行二次强化搅拌直至纤维分散均匀；

3)待纤维水泥浆体在跳桌流动度实验条件下扩展半径达到200mm以上的时候即可停止搅拌，进行施工。

将搅拌好的高性能纤维增强水泥基件通过输送导管倒入管桩中，随着浇筑高度的不断提高，每隔50cm～100cm均匀布置一道环形套箍，直到高性能纤维增强水泥基件从纤维管桩上端均匀溢出为止。灌浆料采用工程用高性能纤维增强水泥基件(ECC)，不需要分段、分级施工，可一次性浇筑成型，明显缩短施工工期。而且制备的防震加固结构形式多种多样，可根据加固工程需要进行预制加工，与不锈钢钢材相比，可大幅度降低施工成本。

在一个实施例中，所述限位器包括螺杆、固定在所述螺杆一端的套箍、固定在螺杆另一端的顶片、套在螺杆上的刚性弹簧、挡片以及限位螺帽，所述螺杆一端穿过套箍与墩柱10表面固定连接，所述挡片抵压在管桩的内壁上，所述刚性弹簧用于压紧挡片，所述限位螺帽沿螺杆设置，以调整所述档片的水平位置。

在一个实施例中，所述第一扩大件30的宽度由邻近所述墩柱10的一端自远离所述墩柱10的另一端逐渐变小；和/或，所述第二扩大件40的宽度由邻近所述墩柱10的一端自远离所述墩柱10的另一端逐渐变小。

在一个实施例中，所述第一扩大件30邻近所述墩柱10的一端的宽度与所述墩柱10的宽度像适配，和/或，所述第二扩大件40邻近所述墩柱10的一端的宽度与所述墩柱10的宽度像适配。

在一个实施例中，所述第一扩大件30与框架梁2锚固连接，和/或，所述第二扩大件40与框架梁2锚固连接。

在一个实施例中，所述第一扩大件30上设有多个凹凸结构，多个凹凸结构均匀间隔分布；和/或，所述第二扩大件40上设有多个凹凸结构，多个凹凸结构均匀间隔分布。

该发明中第一扩大件30和所述第二扩大件40上均设有凹凸结构，该凹凸结构用于防震加固结构1和梁底或梁顶处的连接，地震发生时，该凹凸结构可以有效传递剪切力,防震加固结构1自身可承担部分轴力，增强了建筑物的防震能力。而且通过所述管桩与所述墩柱10之间填充高性能纤维增强水泥基件，可以有效吸收能量，实现抗震加固，减小楼层位移和位移角,使结构在大震作用后也可以正常使用。而且通过墩柱10、固定座20、第一扩大件30和第二扩大件40的配合使用，可以实现防震加固结构1的预制化制备，使得ECC用于建筑件的生产标准化、批量化，并且成本较低，易于推广使用。

此外，通过采用限位器定位更加准确，挡片上端套在螺杆上，下端与管桩内壁相连，螺杆通过圆形套箍固定在结构物表面，不会发生滑落现象。施工过程中可根据加固方案的要求，通过调节限位螺帽的位置，随时调整限位器的长度大小，确保模板位置准确，不发生偏移。施工结束后，可将限位装置卸掉，循环利用，节约材料。

该发明不需要特殊设备，占用空间较小，不影响建筑物的正常使用和车辆的正常行驶，不需要修建围堰结构，减小工程量，节约施工成本。加固后的结构物表面光滑平整，无坑洼现象，造型美观。本发明应用范围广泛，可用于各种钢筋混凝土桥墩、混凝土桩柱结构、钢管桩和H型钢等，截面形式可以是圆形、矩形、椭圆形和H型等。

此外，本发明还公开一种水泥基复合材料的防震加固结构1的使用方法。

该基于水泥基复合材料的防震加固结构1的使用方法，将上述水泥基复合材料的防震加固结构1安装在建筑物底层的框架柱之间和建筑物中层的框架柱之间，且安装在建筑物底层的所述防震加固结构1与安装建筑物底层的所述防震加固结构1错位设置。

在一个实施例中，安装在建筑物底层的所述防震加固结构1或安装在建筑物底层的所述防震加固结构1均有多个，且多个所述防震加固结构1非等间隔分布。

建筑物的底层和中层通常会成为大空间结构而的薄弱层，故防震加固结构1设置在底层的框架柱之间和中层的框架柱之间，并且通过安装在建筑物底层的所述防震加固结构1与安装建筑物底层的所述防震加固结构1错位设置，可以互相减小楼层位移和位移角,该防震加固结构可以在地震中保持较好的弹性状态，有效提升建筑物的抗震能力。

本发明以结构地震荷载的作用下底层位移角和顶层的最大位移来评价减震效果。通过测试分析不同情况下最大楼层位移和位移角的分配。通过测试可知，六层框架结构中在不设置本发明所述的防震加固装置，结构的最大位移为23.25mm，最大位移角为1.652‰；只在底层设置本发明所述的防震加固装置，结构的最大位移为16.25mm，最大位移角为1.431‰；而在建筑物的底层和中层错位设置本发明所述的防震加固装置，其可以使结构最大位移减少到11.17mm，底层位移角减少到0.8‰。

故，本发明的防震加固结构1可以有效吸收能量，利用控制防震加固结构的安装方式进行震加固改造，可以明显减小楼层位移和位移角,使结构在大震作用后也可以正常使用，有效提升了建筑物的防震能力。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种基于水泥基复合材料的防震加固结构，其特征在于，该防震加固结构包括：墩柱、设置在所述墩柱中部的固定座、围绕所述墩柱设置的管桩以及分别设置在所述墩柱两端的第一扩大件和第二扩大件，所述第一扩大件的一端通过限位件与所述墩柱固定连接，所述第一扩大件的另一端用于与框架梁固定连接；所述第二扩大件的一端通过螺栓件与所述墩柱固定连接，所述第二扩大件的另一端用于与框架梁固定连接，所述管桩与所述墩柱之间填充高性能纤维增强水泥基件，所述第一扩大件和所述第二扩大件上均设有凹凸结构。

2.根据权利要求1所述的基于水泥基复合材料的防震加固结构，其特征在于，所述限位器包括螺杆、固定在所述螺杆一端的套箍、固定在螺杆另一端的顶片、套在螺杆上的刚性弹簧、挡片以及限位螺帽，所述螺杆一端穿过套箍与墩柱表面固定连接，所述挡片抵压在管桩的内壁上，所述刚性弹簧用于压紧挡片，所述限位螺帽沿螺杆设置，以调整所述档片的水平位置。

3.根据权利要求1所述的基于水泥基复合材料的防震加固结构，其特征在于，所述第一扩大件的宽度由邻近所述墩柱的一端自远离所述墩柱的另一端逐渐变小；和/或，所述第二扩大件的宽度由邻近所述墩柱的一端自远离所述墩柱的另一端逐渐变小。

4.根据权利要求1所述的水泥基复合材料的防震加固结构，其特征在于，所述第一扩大件邻近所述墩柱的一端的宽度与所述墩柱的宽度相适配，和/或，所述第二扩大件邻近所述墩柱的一端的宽度与所述墩柱的宽度相适配。

5.根据权利要求1所述的基于水泥基复合材料的防震加固结构，其特征在于，所述第一扩大件与框架梁锚固连接，和/或，所述第二扩大件与框架梁锚固连接。

6.根据权利要求1所述的基于水泥基复合材料的防震加固结构，其特征在于，所述第一扩大件上设有多个凹凸结构，多个凹凸结构均匀间隔分布；和/或，所述第二扩大件上设有多个凹凸结构，多个凹凸结构均匀间隔分布。

7.根据权利要求1-6任一项所述的基于水泥基复合材料的防震加固结构，其特征在于，所述固定座为纤维增强复合材料座。

8.根据权利要求1-6任一项所述的基于水泥基复合材料的防震加固结构，其特征在于，所述管桩为纤维增强复合材料管。

9.一种基于水泥基复合材料的防震加固结构的使用方法，其特征在于，将所述权利要求1-8任一项所述水泥基复合材料的防震加固结构安装在建筑物底层的框架柱之间和建筑物中层的框架柱之间，且安装在建筑物底层的所述防震加固结构与安装建筑物底层的所述防震加固结构错位设置。

10.根据权利要求9所述的基于水泥基复合材料的防震加固结构的使用方法，其特征在于，安装在建筑物底层的所述防震加固结构或安装在建筑物底层的所述防震加固结构均有多个，且多个所述防震加固结构非等间隔分布。

Images