CN111379433A - 一种frp外包开裂混凝土结构 - Google Patents

Abstract

一种FRP外包开裂混凝土结构，包括FRP布、FRP板材组合板A、FRP板材组合板B、FRP板材组合板C，所述FRP板材组合板B由树脂层外贴于混凝土柱开裂部位，所述FRP板材组合板A、所述FRP板材组合板B和所述FRP板材组合板C通过所述FRP布绑设在混凝土柱的断裂处，所述FRP板材组合板A和所述FRP板材组合板C分别与FRP板材组合板B的两斜面贴合并同时与所述混凝土柱表面贴合,通过外包式结构，约束混凝土内部体积的膨胀与约束内部部件的位移量来提高混凝土的整体强度，并在一定程度上解决环氧树脂因韧性低与抗开裂性差导致的混凝土裂缝处后期再次开裂的不利影响。

Description

一种FRP外包开裂混凝土结构

技术领域

本发明属于建筑混泥土加固技术领域，具体涉及一种FRP外包开裂混凝土结构。

背景技术

现有技术中，纤维增强复合材料(FRP)加固混凝土结构技术是将 FRP固定于混凝土结构表面，形成复合材料体，通过纤维增强复合材料与混凝土结构的协同作用，达到对原结构补强加固和改善结构受力性能的目的。当混凝土受压增加时，FRP布受粘结面影响产生受力的滞后性，且根据平截面假定，受压区混凝土达到极限应变时，纤维布仅发挥20％左右的强度。水性环氧树脂修补混凝土虽然可以在短期内恢复甚至提高混凝土柱的原有强度，但是固化后的环氧树脂易开裂、易剥离，这会在一定程度上降低修补后混凝土柱的耐久性。特别的，对于一般的FRP布预应力加固混凝土柱对由于对预应力大小要求较高而无法大面积运用。

发明内容

(一)解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种FRP外包开裂混凝土结构，以解决上述背景技术中提出的实际问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种FRP外包开裂混凝土结构，包括FRP布、FRP板材组合板A、FRP板材组合板B、 FRP板材组合板C，所述FRP板材组合板B由树脂层外贴于混凝土柱开裂部位，所述FRP板材组合板A、所述FRP板材组合板B和所述FRP板材组合板C通过所述FRP布绑设在混凝土柱的断裂处，所述FRP板材组合板A和所述FRP板材组合板C分别与FRP板材组合板B的两斜面贴合并同时与所述混凝土柱表面贴合。

优选的，所述FRP板材组合板A的横截面是平行四边形。

优选的，所述FRP板材组合板B的横截面为等腰梯形。

优选的，所述FRP板材组合板C的横截面为平行四边形。

优选的，所述FRP布在所述FRP板材组合板A、所述FRP板材组合板B和所述FRP板材组合板C上的覆盖疏密度不同。

(三)有益效果

本发明提供一种FRP外包开裂混凝土的新型设计结构，采用多种 FRP材料，通过FRP板材与FRP布的协同作用提升偏移量，并通过 FRP布形变在向心预应力基础上进一步提升向心力。该结构设计采用三向应力方式对同一裂缝进行加固，可以有效解决FRP布受粘结面过渡缓冲影响所产生应变滞后问题，并同时有效发挥FRP板材的抗压强度，解决现有技术中存在的几个问题。特殊的，该结构对FRP布预应力加固混凝土柱时所需预应力大小的要求有一定降低，并有效降低对工具的要求。通过外包式结构，约束混凝土内部体积的膨胀与约束内部部件的位移量来提高混凝土的整体强度，并在一定程度上解决环氧树脂因韧性低与抗开裂性差导致的混凝土裂缝处后期再次开裂的不利影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：本发明结构示意图。

图2：本发明混凝土柱受压后变形后位置示意图。

图3：本发明混泥土柱的裂缝与FRP组合板的位置侧面结构示意图。

图4：本发明FRP组合板的理论结合状态与各部分受力情况分析图。

图5：本发明FRP板材组合板B滑移后FRP板材组合板A、FRP 板材组合板C受力分析简图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-混凝土柱、2-FRP布、3-FRP板材组合板A、4-FRP板材组合板 B、5-FRP板材组合板C。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种FRP外包开裂混凝土结构，包括FRP布2、FRP板材组合板A3、FRP板材组合板B4、 FRP板材组合板C5，所述FRP板材组合板A3设置于所述FRP板材组合板B4的上方，所述FRP板材组合板C5，所述FRP板材组合板B由树脂层外贴于混凝土柱开裂部位，所述FRP板材组合板A3、所述FRP 板材组合板B4和所述FRP板材组合板C5通过所述FRP布2绑设在混凝土柱1的断裂处，所述FRP板材组合板A3和所述FRP板材组合板C5分别与FRP板材组合板B4的两斜面贴合并同时与所述混凝土柱 1表面贴合；所述FRP板材组合板A3的横截面是平行四边形；所述 FRP板材组合板B4的横截面为等腰梯形；所述FRP板材组合板C5的横截面为平行四边形；所述FRP布2在所述FRP板材组合板A3、所述FRP板材组合板B4和所述FRP板材组合板C5上的覆盖疏密度不同。

本发明在具体使用时，首先通过外贴加固法，对混凝土柱裂缝与周围进行打磨处理后使用水性环氧树脂作为结构胶填补混凝土裂缝，再添加环氧树脂涂层将FRP板材组合板粘贴于混凝土方柱的受损侧面，对混凝土方柱开裂部分进行粘贴加固，最后使用环氧树脂将FRP 布2约束FRP板材对裂缝进行二次结构加固并对混凝土方柱进行直接加固，在通过预应力加固法，采用疏密间隔的环向包柱法，使用FRP 布2约束混凝土外部的FRP板材。通过对FRP布环向包柱方式的改善，在FRP布2提升混凝土柱强度效果尽可能不变的情况下提供一定的可滑移量，其方法是组合结构两侧的FRP布较密而组合结构中部的FRP 布较疏，并大致为平行束缚带。即外侧混凝土部分的FRP布最为紧密，其次是FRP板A3与FRP板C5处的FRP布，FRP板B4处的FRP布几乎无重叠部分但也无空隙部分，通过FRP板与FRP布之间的协同作用，在环氧树脂的作用下FRP板直接加固混凝土开裂部分，在环氧树脂与FRP布的作用下对裂缝进行二次结构加固，在加固FRP板的同时对FRP板外侧凝土进行直接加固，由于FRP组合板直接约束对混凝土的加固起到主要作用，在极限抗压强度内尽可能减小FRP倾斜角度，能有效增强其约束效果。FRP板竖直方向短边与FRP板A3、FRP板 C5竖直方向边的长度相同。当设计FRP板的抗压强度为1000MPa，经过计算可得到FRP板理论倾角α与FRP布预应力F之间的最佳关系，得到方程：

显然

σ₁＞σ₂

因此

[σ]＞σ₁＞σ₂

式中：F——FRP布对FRP板的压力，N

α——FRP板的倾斜角度，°

b——FRPⅡ板短边长度，m

L——FRP组合板的厚度，m

d——FRP组合板的宽度，混凝土方柱宽度，m

在对应设计情况下，该理论方程下本设计组合结构的理论工作性能与耐久性将有较优解。放大FRP板材位移与FRP布的协同作用并通过FRP布的形变来增大向心力,三向束缚并加固同一裂缝以提高FRP 板材强度的力学原理：

如图1，在混凝土试块不受压情况下，FRP板受到FRP布沿环向心压应力F均匀分布，FRP板自身对混凝土表面加固情况也较分散，通过预应力加固法，采用疏密间隔的环向包柱法，使用FRP布约束混凝土外部的FRP板材，通过对FRP布环向包柱方式的改善，在FRP 布提升混凝土柱强度效果尽可能不变的情况下提供一定的可滑移量，其方法是组合结构两侧的FRP布2较密而组合结构中部的FRP布2较疏，并大致为平行束缚带。即外侧混凝土部分的FRP布最为紧密，其次是FRP板A3与FRP板C5处的FRP布，FRP板B4处的FRP布几乎无重叠部分但也无空隙部分。

如图2，在受压情况下，混凝土试块裂缝的存在会导致FRP板A3 对应混凝土试块的部分混凝土与FRP板A3向下滑移，FRP板A3与 FRP板C5发生挤压对应力集中部位即FRP板B4部位有进一步的约束。同时FRP板A3的滑移量将引起FRP布的形变从而更大的拉应力，并成为环向压应力。

如图2，在进一步的受压作用下，裂缝处混凝土将发生微量的向外膨胀，并通过FRP板B4向FRP布传导。在此过程中，除了外贴法FRP 板对混凝土的裂缝有一个拉向的抑制外，FRP板B4的变形将混凝土的裂缝形变有效放大，并作用在FRP布上。当FRP布在预应力达到200Mpa(普通预应力包裹)的情况下，标准试验试块整体工作性能的理论强度较单纯的FRP布环向包裹有较大提升。在上述过程中，FRP 布2将进一步形变产生更大的拉应力对混凝土试块及FRP板组合结构产生有效的约束作用，这将更好的发挥FRP布抗拉强度大的优势。当施加预应力强度进一步提升时，该组合结构的工作性能将进一步增强。若只采用FRP布加固，对混凝土柱的加强效果更偏向为二向应力加强。当采用FRP组合板辅助后，对混凝土柱的加强效果变为三向应力加强。三向应力对混凝土柱轴向抗压强度的提升效果高于二向应力对混凝土柱轴向抗压强度的提升效果，由于混凝土试块的裂缝导致FRP板A3 对应混凝土试块的部分混凝土与板A3向下滑移，FRP板A3与FRP板 C5对FRP板B4进行挤压，裂缝处混凝土将发生微量的向外膨胀，导致FRP板B4向外拱起并向FRP布2传导，引起FRP布2的形变从而更大的拉应力，并成为环向压应力。在此过程中，除了外贴法FRP板对混凝土的裂缝有一个拉向的抑制外，FRP板B4的变形将混凝土的裂缝形变有效放大，并作用在FRP布2上。当FRP布2在预应力达到 200Mpa(普通预应力包裹)的情况下，标准试验试块整体工作性能的理论强度较单纯的FRP布环向包裹有较大提升。在上述过程中，FRP 布2将进一步形变产生更大的拉应力对混凝土试块及FRP板组合板产生有效的约束作用，这将更好的发挥FRP布抗拉强度大的优势。当施加预应力强度进一步提升时，该组合结构的工作性能将进一步增强。

如图3，通过受力分析，FRP板A3与FRP板C5将在载荷增加的情况下产生一个扭矩，虽然一定程度上减弱了对裂缝周围混凝土的约束能力，但这将进一步增加FRP布2的形变，从而使FRP板B4对应处的混凝土即混凝土的裂缝处产生更大的拉应力；

如图5所示，通过受力分析，FRP板A3与FRP板C5将在载荷增加的情况下产生一个扭矩，虽然一定程度上减弱了对裂缝周围混凝土的约束能力，但这将进一步增加FRP布的形变，从而使FRP板B4对应处的混凝土即混凝土的裂缝处产生更大的拉应力。

经过初步判断，当预应力FRP布在预应力F的作用下，不超过FRP 布抗拉强度的情况下，不超过FRP板的抗压强度。假设FRP板A3与 FRP板C5各部位受到FRP布的约束效果相同。

在以上的条件下：

F'＝0

2bsin³α-2Lcos³α-L＝0

解得

式中：

σ——FRP板的压应力，N

a——FRP板Ⅱ长边长度，m

F_N——板Ⅱ受到的竖直方向的压应力之和，N

A——板Ⅱ贴近开裂部分一侧的横截面积，m²

根据以上所得关系公式，可以根据混凝土柱上的裂缝尺寸选定合理长度的FRP组合板长度，并对FRP板材组合板的各个参数进行设计整合，保障该结构在混凝土柱加固的稳定性并在一定程度上避免无效加固提高经济效益。

本发明提供一种FRP外包开裂混凝土的新型设计结构，采用多种 FRP材料，通过FRP板材与FRP布的协同作用提升偏移量，并通过 FRP布形变在向心预应力基础上进一步提升向心力。该结构设计采用三向应力方式对同一裂缝进行加固，可以有效解决FRP布受粘结面过渡缓冲影响所产生应变滞后问题，并同时有效发挥FRP板材的抗压强度，解决现有技术中存在的几个问题。特殊的，该结构对FRP布预应力的要求有一定降低，并有效降低对工具的要求。通过外包式结构，约束混凝土内部体积的膨胀与约束内部部件的位移量来提高混凝土的整体强度，并在一定程度上解决环氧树脂因韧性低与抗开裂性差导致的混凝土裂缝处后期再次开裂的不利影响。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (5)

1.一种FRP外包开裂混凝土结构，其特征在于：包括FRP布（2）、FRP板材组合板A（3）、FRP板材组合板B（4）、FRP板材组合板C（5），所述FRP板材组合板B（4）由树脂层外贴于混凝土柱（1）开裂部位，所述FRP板材组合板C（5），所述FRP板材组合板A（3）、所述FRP板材组合板B（4）和所述FRP板材组合板C（5）通过所述FRP布（2）绑设在混凝土柱（1）的断裂处，所述FRP板材组合板A（3）和所述FRP板材组合板C（5）分别与FRP板材组合板B（4）的两斜面贴合并同时与所述混凝土柱（1）表面贴合。

2.根据权利要求1所述的一种FRP外包开裂混凝土结构，其特征在于：所述FRP板材组合板A（3）的横截面是平行四边形。

3.根据权利要求1所述的一种FRP外包开裂混凝土结构，其特征在于：所述FRP板材组合板B（4）的横截面为等腰梯形。

4.根据权利要求1所述的一种FRP外包开裂混凝土结构，其特征在于：所述FRP板材组合板C（5）的横截面为平行四边形。

5.根据权利要求1所述的一种FRP外包开裂混凝土结构，其特征在于：所述FRP布（2）在所述FRP板材组合板A（3）、所述FRP板材组合板B（4）和所述FRP板材组合板C（5）上的覆盖疏密度不同。

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