CN111457163A - 一种预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构及其施工方法 - Google Patents

一种预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构及其施工方法 Download PDF

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Abstract

一种预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构及其施工方法，加固结构包括管体，该管体内壁涂设有尺度过渡传力层，该尺度过渡传力层内侧粘贴有碳纤维布层，该碳纤维布层内侧涂设有防护层；施工方法包括下列步骤：在预应力钢筒混凝土管的管体内壁涂刷底漆层；在该底漆层内侧喷涂或涂覆尺度过渡传力层；在该尺度过渡传力层内侧粘贴碳纤维布层；在该碳纤维布层内侧涂刷防护层。本发明施工简单，工艺稳定，结构强度大，粘贴牢靠，对预应力钢筒混凝土管断丝处加固效果明显，使用寿命长，可以大大提高预应力钢筒混凝土管断丝处的结构强度和使用寿命。

Description

一种预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构及其施工方法
技术领域
本发明属于水利工程技术领域，特别是一种预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构及其施工方法。
背景技术
预应力钢筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe，PCCP)是指在带有钢筒的高强混凝土管芯上螺旋均匀地缠绕预应力钢丝，然后在其上喷制致密的水泥砂浆保护层而制成的管材。它是由薄钢板、高强钢丝和混凝土构成的复合管材，综合发挥了钢材的抗拉、易密封和混凝土的抗压、耐腐蚀性能，具有高密封性、高强度、防渗漏等优点。PCCP的原理是管材强度取决于高强钢丝，而钢丝在管芯上产生均匀分布的预应力，从而可以补偿由内压力和外部荷载产生的拉应力。
目前，我国将PCCP管广泛地应用在引调水工程中，但由于设计、生产、施工及运行过程中有多种原因导致钢丝的损伤或者腐蚀，从而引起预应力钢丝断裂，断丝处混凝土沿圆周方向承受的应力增大，使管道内部混凝土产生裂纹，如图7所示，随着断丝数量的增加最终引起泄露、爆管等事故。此外，由于地基的不均匀沉降、地震、温度、内压等原因，导致管材在连接处及管芯处等部位产生裂纹，从而引起渗漏等问题。
为了防患于未然，对检测出有断丝范围和有裂纹的部位需要进行加固。加固方法根据施工的位置可以分为外部加固和内部加固，顾名思义，外部加固需要挖开PCCP管上方的土方，从外部对PCCP管进行加固，然而，由于工程量巨大，有时还需要涉及地上建筑物的搬迁等工作，适用范围较小；而内部加固是在PCCP管内部对断丝范围进行加固，其工程量小，对地上建筑影响小。内部加固的原理要求管内加固层的抗剪强度和抗拉强度均大于混凝土，这样才可以发挥加固材料的补强效果，否则当加固层产生剥离时，则失去补强效果。目前的内部加固方法，常见的是采用碳纤维材料进行加固，碳纤维材料的抗拉强度是钢筋的近10倍，因此碳纤维材料在充分发挥其强度时要求达到一定变形量。在实际加固混凝土时，碳纤维本身的强度还没有充分发挥出来，碳纤维布与混凝土的接触面先产生剥离破坏，失去了对PCCP管的加固作用，与管内壁之间失去了共同作用，丧失了剪力传递进而失去加固作用。
因此为了解决这一问题，需在混凝土与碳纤维层之间设置一道传力过渡层，过渡层不仅本身能够对混凝土起到一定的补强作用，而且也能充分发挥碳纤维层的补强作用并有效地传递到混凝土结构上，不仅能够大幅抑制碳纤维层与混凝土表面剥离，也能够控制裂纹扩展及发生，提高混凝土结构的强度及韧性。传力过渡层既要求能将碳纤维的补强作用传递到混凝土本体上，也要求其与混凝土有良好的粘接作用，使得其不易与混凝土产生剥离破坏，因此根据计算分析，要求传力过渡层在-50～70℃时，伸长率＞400％，拉伸强度＞14Mpa，杨氏模量在[60Mpa，500Mpa]之间，裂缝追踪伸长率＞2mm。根据发明人的研究试验结果表明，如果传力过渡层的伸长率＜200％，拉伸强度＜10Mpa，使用模量高的纤维布加固，不能达到传递应力和补强加固的作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构，其结构可靠，对预应力钢筒混凝土管断丝处加固补强效果明显，使用寿命长。
本发明的另一目的是提供一种预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构的施工方法，其施工简单，工艺稳定，能大大提高预应力钢筒混凝土管断丝处的结构强度。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构，包括管体，该管体内壁涂设有尺度过渡传力层，该尺度过渡传力层内侧粘贴有碳纤维布层。
进一步的，所述碳纤维布层内侧涂设有防护层，所述尺度过渡传力层为聚脲，所述防护层为聚脲、有机硅或者氟碳漆；所述尺度过渡传力层的聚脲满足以下力学性能指标：
在-50～70℃时，伸长率＞400％，拉伸强度＞14Mpa，杨氏模量在[60Mpa，500Mpa]之间，裂缝追踪伸长率＞2mm，与纤维布有效附着长度＞200mm。
进一步的，在所述碳纤维布层起始部位设有嵌入式封边条。
进一步的，在所述碳纤维布层内侧设有压紧片，所述压紧片两端分别具有插接部，使相邻压紧片的插接部重叠，并通过螺栓固定连接；所述压紧片为钢片。
进一步的，所述管体内壁与所述尺度过渡传力层之间设有底漆层；
所述底漆层中含有固体颗粒，形成凹凸结构；或所述管体内壁设有凹凸结构。
一种所述的预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构的施工方法，包括下列步骤：
A.在预应力钢筒混凝土管的管体内壁涂覆底漆层；然后在该底漆层内侧喷涂或涂覆尺度过渡传力层；
B.在该尺度过渡传力层内侧涂刷碳纤维布底胶，然后在该碳纤维布底胶内侧粘贴一层或多层碳纤维布层。
进一步的，所述的预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构的施工方法，还包括步骤C.在该碳纤维布层内侧涂覆防护层。
进一步的，所述步骤A中，涂刷所述底漆层之前，将所述管体内壁通过机械力形成凹凸结构，或在涂刷底漆层的同时混入固体颗粒物，形成凹凸结构。
进一步的，所述的预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构的施工方法，还包括步骤B1和/或B2；
所述步骤B1为：在步骤B和步骤C之间，在该碳纤维布层边缘部位的混凝土上设置小孔洞，然后将嵌入式封边条一端沉入所述小孔洞中，另外一端展开粘贴于碳纤维布层表面；
所述步骤B2为：在步骤B和步骤C之间，将压紧片贴于碳纤维布层表面，然后扩张该压紧片插接部位的重叠部分，使所述压紧片沿着环向紧紧贴在碳纤维布层表面；或，将压紧钢片使用螺栓压紧在碳纤维布层表面。
进一步的，所述底漆层厚度为0.5-1mm，所述尺度过渡传力层厚度为1-5mm，所述防护层厚度为0.5-2mm。
本发明的有益效果是：本发明预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构及其施工方法，施工简单，工艺稳定，充分发挥加固层材料的潜力，粘贴牢靠，对预应力钢筒混凝土管断丝处加固效果明显，使用寿命长，可以大大提高预应力钢筒混凝土管断丝处的结构强度和使用寿命。
附图说明
图1A是本发明预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构的实施例1的结构示意图。
图1B是本发明预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构的实施例1的另一结构示意图。
图2A是本发明预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构的实施例2的结构示意图。
图2B是本发明预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构的实施例2的另一种结构示意图。
图3A是本发明预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构的实施例3的横剖示意图。
图3B是本发明预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构的实施例3的主视图。
图3C是本发明预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构的实施例3的纵剖示意图。
图3D本发明预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构的实施例3的三维立体图。
图3E是本发明预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构的实施例3的另一三维立体图。
图4A是本发明预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构的实施例4的结构示意图。
图4B是本发明预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构的实施例4的另一结构示意图。
图5是本发明预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构的纯剪力试验结果图。
图6是本发明预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构的纯弯曲试验结果图。
图7是预应力钢筒混凝土管断丝处的断裂示意图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
如图1A所示，其为本发明提供一种预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构的实施例1，包括管体1，该管体1内壁涂设有尺度过渡传力层2，该尺度过渡传力层2内侧粘贴有碳纤维布层3。进一步的，如图1B所示，该碳纤维布层3内侧涂设有防护层4，以保护碳纤维布层3。优选的，该尺度过渡传力层2和防护层4均为聚脲弹性体层。本发明的尺度过渡传力层2有两个作用：第一，尺度过渡传力层2本身可以提供较强的管体1的抗剪能力，提高管体1的结构强度；第二，由于直接粘贴碳纤维布很容易产生粘贴力弱而导致碳纤维布从管体内壁脱落，丧失对管体1的加固能力，因此，尺度过渡传力层2同时提供将碳纤维布层3与管体1内壁良好粘贴的作用。
如图2A、图2B所示，其为本发明的实施例2，与实施例1的区别在于，在所述碳纤维布层3起始部位设有嵌入式封边条31，该封边条31起到锚固作用，可以使得碳纤维布层3的边缘不易剥离，并且不影响水流噪率。
如图3A、图3B、3C、3D、3E所述，其为本发明的实施例3，与实施例1的区别在于，在所述碳纤维布层3内侧设有压紧片32；所述压紧片32两端分别具有插接部，使相邻压紧片的插接部重叠，并通过螺栓33固定连接，螺栓33可以调节相邻压紧片之间的距离。所述压紧片32可以为一条钢片，通过螺栓33与管体1固定连接。其中，图3A为环向布置压紧片，图3B和图3C为沿轴向布置压紧片，压紧片32可以保证碳纤维布层3不易剥离。
如图4A、图4B所示，其为本发明的实施例4，与实施例1的区别在于，该管体1内壁与该尺度过渡传力层2之间设有底漆层5。优选的，为了增加尺度过渡传力层2与底漆层5之间的粘贴力(径向)及抗剪能力(圆周方向及管体轴向)，该底漆层5中含有固体颗粒，例如钢珠，形成凹凸结构；或者，还可以通过机械力等方式，在该管体1内壁形成凹凸结构，涂刷的底漆层5也随之产生凹凸结构。实验证明，凹凸结构可以提高抗剪能力1.5倍以上。
本发明还提供一种上述的预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构的施工方法，包括下列步骤：
A.在预应力钢筒混凝土管的管体1内壁涂覆底漆层5；然后在该底漆层5内侧喷涂或涂覆尺度过渡传力层2；
B.在该抗剪粘贴层2内侧涂刷碳纤维布底胶，然后在该碳纤维布底胶内侧粘贴一层或多层碳纤维布层3；
C.在该碳纤维布层3内侧涂覆防护层4。
优选的，该步骤A中，涂刷该底漆层5之前，将该管体1内壁通过机械力形成凹凸结构，或在涂刷底漆层5的同时混入固体颗粒物，形成凹凸结构。该尺度过渡传力层2和防护层4均为聚脲，所述聚脲满足以下力学性能指标：
在-50～70℃时，伸长率＞400％，拉伸强度＞14Mpa，杨氏模量在[60Mpa，500Mpa]之间，裂缝追踪伸长率＞2mm，与纤维布有效附着长度＞200mm。进一步的，所述底漆层厚度为0.5-1mm，所述尺度过渡传力层厚度为1-5mm，所述防护层厚度为0.5-2mm。
在本实施例中，在30℃时，抗拉强度为20.5MPA，伸长率为458％，与纤维布有效附着长度为230mm，裂缝追踪伸长率为3.8mm，杨氏模量为80Mpa。底漆层厚度为0.5mm，尺度过渡传力层厚度为3mm，防护层厚度为1.5mm。
进一步的，在本发明的其它实施例中，还包括步骤B1和/或B2；
所述步骤B1为：在步骤B和步骤C之间，在该碳纤维布层边缘部位的混凝土上设置小孔洞，然后将嵌入式封边条一端沉入所述小孔洞中，另外一端展开粘贴于碳纤维布层表面；
所述步骤B2为：在步骤B和步骤C之间，将压紧片贴于碳纤维布层表面，然后扩张该压紧片插接部位的重叠部分，使所述压紧片沿着环向紧紧贴在碳纤维布层表面；或，将压紧钢片使用螺栓压紧在碳纤维布层表面。
本实施例进行了尺度过渡传力层的力学性能试验，结果如图5和图6所示，说明本发明的性能指标下的尺度过渡传力层的加固效果最好。
本发明预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构及其施工方法，施工简单，工艺稳定，结构强度大，粘贴牢靠，对预应力钢筒混凝土管断丝处加固效果明显，使用寿命长，可以大大提高预应力钢筒混凝土管断丝处的结构强度和使用寿命。
需要说明的是，以上所述仅是本发明较佳的具体实施方式而已，目的是为了使本领域技术人员更好的理解本发明，不应用以限制本发明的范围及应用，凡是在本发明的精神或原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等均应包含在本发明所保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构，其特征在于，包括管体，该管体内壁涂设有尺度过渡传力层，该尺度过渡传力层内侧粘贴有碳纤维布层。
2.根据权利要求1所述的预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构，其特征在于：所述碳纤维布层内侧涂设有防护层，所述尺度过渡传力层为聚脲，所述防护层为聚脲、有机硅或者氟碳漆；所述尺度过渡传力层的聚脲满足以下力学性能指标：
在-50～70℃时，伸长率＞400％，拉伸强度＞14Mpa，杨氏模量在[60Mpa，500Mpa]之间，裂缝追踪伸长率＞2mm，与纤维布有效附着长度＞200mm。
3.根据权利要求1或2所述的预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构，其特征在于：在所述碳纤维布层起始部位设有嵌入式封边条。
4.根据权利要求1或2所述的预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构，其特征在于：在所述碳纤维布层内侧设有压紧片，所述压紧片两端分别具有插接部，使相邻压紧片的插接部重叠，并通过螺栓固定连接；所述压紧片为钢片。
5.根据权利要求1或2所述的预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构，其特征在于：所述管体内壁与所述尺度过渡传力层之间设有底漆层；
所述底漆层中含有固体颗粒，形成凹凸结构；或所述管体内壁设有凹凸结构。
6.一种权利要求1至5中任一项所述的预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构的施工方法，其特征在于，包括下列步骤：
A.在预应力钢筒混凝土管的管体内壁涂覆底漆层；然后在该底漆层内侧喷涂或涂覆尺度过渡传力层；
B.在该尺度过渡传力层内侧涂刷碳纤维布底胶，然后在该碳纤维布底胶内侧粘贴一层或多层碳纤维布层。
7.根据权利要求6所述的预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构的施工方法，其特征在于，还包括步骤C.在该碳纤维布层内侧涂覆防护层。
8.根据权利要求6或7所述的预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构的施工方法，其特征在于，所述步骤A中，涂刷所述底漆层之前，将所述管体内壁通过机械力形成凹凸结构，或在涂刷底漆层的同时混入固体颗粒物，形成凹凸结构。
9.根据权利要求7所述的预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构的施工方法，其特征在于，还包括步骤B1和/或B2；
所述步骤B1为：在步骤B和步骤C之间，在该碳纤维布层边缘部位的混凝土上设置小孔洞，然后将嵌入式封边条一端沉入所述小孔洞中，另外一端展开粘贴于碳纤维布层表面；
所述步骤B2为：在步骤B和步骤C之间，将压紧片贴于碳纤维布层表面，然后扩张该压紧片插接部位的重叠部分，使所述压紧片沿着环向紧紧贴在碳纤维布层表面；或，将压紧钢片使用螺栓压紧在碳纤维布层表面。
10.根据权利7所述的预应力钢筒混凝土管断丝的内部加固结构的施工方法，其特征在于：所述底漆层厚度为0.5-1mm，所述尺度过渡传力层厚度为1-5mm，所述防护层厚度为0.5-2mm。
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CN114636025A (zh) * 2020-12-15 2022-06-17 北京市水利规划设计研究院 管体结构以及管体结构的制备方法

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