CN113719152A - 一种钢构件外包预应力预制混凝土加固结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

一种钢构件外包预应力预制混凝土加固结构，包括预制的预应力混凝土条，预应力混凝土条设置于工字钢的上下翼缘之间，且与上翼缘之间留有上缝隙，与下翼缘之间留有下缝隙，上缝隙和下缝隙中有填充料，工字钢的腹板上开有孔洞一，预应力混凝土条上开有与孔洞一对应的孔洞二，横向预应力筋穿过孔洞一和孔洞二连接预应力混凝土条和工字钢。本发明不仅能够提升结构的承载能力和刚度，也提升了结构的延性及抗裂性能，同时提高了结构的抗火性能和抗扭性能。本发明还提供了相应的施工方法，保证预制混凝土与型钢上下翼缘之间能够紧密接触，使结构性能得到保证。

Description

一种钢构件外包预应力预制混凝土加固结构及施工方法

技术领域

本发明属于建筑技术领域，特别涉及一种钢构件外包预应力预制混凝土加固结构及施工方法。

背景技术

目前，工字型或焊接H型钢梁、钢柱已经广泛应用于工业和民用建筑，由于设计、施工和使用管理不当，材料质量不符合要求，使用功能改变，遭受灾害损坏以及耐久性不足等原因，需要对钢梁进行加固设计。但是当前对钢梁的加固的方法仅仅局限于翼缘外侧贴焊钢板、将工字型截面改为箱型截面等传统方法，其本质还是通过加大原有结构构件截面的方式来提升承载力及刚度，其结构形式并没有改变，存在许多结构形式上的弊端无法回避。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种钢构件外包预应力预制混凝土加固结构及施工方法，其结构形式发生了本质的变化，在加固后的结构中，部分外包型钢可以对内部的混凝土起到包裹、约束作用，在提高承载力及刚度的同时，改善了结构的延性性能。由于混凝土的存在，板件受到来自混凝土的面外约束，结构的抗扭性能明显提升，且钢材的强度得到充分的发挥。相比纯钢结构，该结构形式具有更高的抗火性能；而相比一般的型钢混凝土结构，由于混凝土被包裹在型钢内部，且在混凝土中加入了预应力筋，所以其抗裂性能更加优越。本发明尤其适用于对已有结构中的工字钢进行加固。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种钢构件外包预应力预制混凝土加固结构，包括预制的预应力混凝土条，预应力混凝土条设置于工字钢的上下翼缘之间，且与上翼缘之间留有上缝隙，与下翼缘之间留有下缝隙，所述上缝隙和下缝隙中有填充料，所述工字钢的腹板上开有孔洞一，预应力混凝土条上开有与孔洞一对应的孔洞二，横向预应力筋穿过孔洞一和孔洞二连接预应力混凝土条和工字钢，所述横向预应力筋与工字钢的腹板垂直。

在其中一个实施例中，所述预应力混凝土条的上下端面均间隔设置有若干凹槽，所述凹槽为内小外大的楔形。

在其中一个实施例中，所述孔洞二中预埋有波纹管，波纹管做为横向预应力筋的通道。

在其中一个实施例中，所述预应力混凝土条中配有纵筋、箍筋以及纵向预应力筋，所述纵向预应力筋通过先张法设置在预应力混凝土条的下部。

在其中一个实施例中，所述横向预应力筋采用后张法施工，由预应力钢绞线及锚具组成，其中锚具采用锥形锚具，由外部的锚圈及内部的锥塞组成，在将横向预应力钢绞线张拉到控制应力时，塞入锥塞完成固定。

在其中一个实施例中，所述预应力混凝土条在靠近工字钢的一侧的侧面上开有竖向的导槽，所述导槽连通上缝隙和下缝隙，所述填充料为水泥浆或结构胶。

本发明还提供了所述钢构件外包预应力预制混凝土加固结构的施工方法，包括如下步骤：

步骤1)，在工厂，根据待加固的工字钢的尺寸，预制预应力混凝土条，在预应力混凝土条上预留若干孔洞二；

步骤2)，在现场，对工字钢的腹板开出若干孔洞一；将预应力混凝土条吊装至工字钢的上下翼缘之间并定位，然后张拉横向预应力筋进行固定；

步骤3)，对上缝隙和下缝隙外侧进行坐浆封堵，并预留注浆口和出浆口，将填充料从注浆口注入，直至从出浆口溢出时停止，之后等待使其凝固。

在其中一个实施例中，所述步骤1)，先设置纵筋和箍筋组成钢筋笼，然后在设计的孔洞二的位置预埋波纹管，并在预应力混凝土条的下部位置张拉定位纵向预应力钢筋，然后浇筑超高性能混凝土，最后将模具同锚具一起送入养护室进行蒸汽养护，当混凝土强度达到设计值的75％以上时，切断两端突出的预应力筋。

在其中一个实施例中，所述步骤3)，在出浆口处固定一个L型透明管，L型透明管的出口向上，当填充料从L型透明管口溢出时停止注入，并在凝固后，切除L型透明管。

在其中一个实施例中，所述步骤1)，在预应力混凝土条靠近工字钢的一侧的侧面上加工出若干竖向的导槽，所述导槽连通上缝隙和下缝隙，所述步骤3)，注浆口设置于下缝隙，出浆口设置于上缝隙，填充料从下缝隙注入，在下缝隙填满后沿导槽向上流动至上缝隙，直至填满。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、受力性能良好

外包型钢部分可以对内部的混凝土起到包裹、约束作用，提高了结构的整体刚度及承载力；由于混凝土的存在，钢梁的上翼缘面外被完全约束，下翼缘被部分约束，结构的抗扭性能及局部稳定明显提升，钢材的强度得到充分的发挥。该结构相比纯钢结构，由于只有下翼缘外表面暴露在外，所以只需对下翼缘外表面做好防火处理，就可具有良好的抗火性能；相比一般的型钢混凝土结构，由于混凝土被包裹在型钢内部，且在混凝土中加入了预应力钢筋，其延性及抗裂性能更加优越。

2、节省材料

本发明中，在预制混凝土条及原有楼板的约束下，受压一侧钢梁板件的面外稳定性得到大大的提高，从而提高了材料的利用率，节省了钢材。

3、施工简便

本发明中预制的预应力混凝土条在工厂加工制作，在对需要加固的梁施工时，不需要将原构件进行拆卸，只需要进行原位的简单处理，然后安装注浆即可。另外施工过程中无须模板，支撑等辅助设备，施工现场更加整洁。

附图说明

图1是本发明的构造示意图一。

图2是本发明的构造示意图二。

图3是本发明工字型钢梁示意图。

图4是本发明预制的预应力混凝土条示意图。

图5是本发明横向预应力筋示意图。

图6是本发明预制混凝土条配筋示意图。

图7是本发明注浆方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1和图2所示，本发明为一种钢构件外包预应力预制混凝土加固结构，是利用预制的预应力混凝土条1对工字钢2进行加固，其中预应力混凝土条1对称设置于工字钢2的上下翼缘之间。容易理解，预应力混凝土条1一般应为长方体形状。

定义预应力混凝土条1靠近工字钢2腹板的一侧为内侧，远离工字钢2腹板的一侧为外侧，靠近工字钢2上翼缘的一侧为上侧，靠近工字钢2下翼缘的一侧为下侧。则，预应力混凝土条1的内侧与工字钢2腹板可紧密接触，而其上侧与工字钢2上翼缘之间则留有上缝隙5，下侧与工字钢2下翼缘之间留有下缝隙6。

示例地，上缝隙5和下缝隙6的具体尺寸范围为10～20mm。

本发明可在上缝隙5和下缝隙6中设置填充料14，填充料14可以为水泥浆或结构胶，其作用是让型钢和混凝土之间能够紧密接触，使彼此能够相互约束。填充的方法可以是用水泥砂浆塞填、打结构胶、以及水泥基灌浆料灌浆等。

本发明应用于加固结构中，混凝土和型钢相辅相成，混凝土处于三面包围的情况下，横向变形受到限制，具有更高的延性，同时其承载能力及刚度得到大大提升；型钢翼缘及腹板在混凝土的约束下，其承载力不再由钢结构稳定控制，材料性能得到充分的利用，在节约钢材的同时，其具有更高的抗火性能及抗扭性能。

如图3所示，工字钢2的腹板上开有孔洞一9，孔洞一9是横向预应力筋3的通道，在本发明用于已建工程的加固改造时，此孔洞一9在原工程中不存在，在后期对钢梁加固时需要进行现场定位并开孔，其直径与横向预应力筋3外径相匹配。如图4所示，预应力混凝土条1上则开有与孔洞一9对应的孔洞二8，横向预应力筋3穿过孔洞一9和孔洞二8连接预应力混凝土条1和工字钢2。容易理解，横向预应力筋3与工字钢2的腹板是垂直的。

如图4所示，在其中一种实施方式中，预应力混凝土条1的上下端面均每隔一段距离开有凹槽7，凹槽7为内小外大的楔形，其深度较浅，主要用于防止注浆部分与预应力混凝土条1之间形成纵向的通缝。预应力混凝土条1的内侧面上开有竖向的导槽10，导槽10连通上缝隙5和下缝隙6。

如图5所示，在其中一种实施方式中，横向预应力筋3采用后张法施工，由预应力钢绞线11及锚具组成，其中锚具采用锥形锚具，由外部的锚圈12及内部的锥塞13组成，在将横向预应力钢绞线11张拉到控制应力时，塞入锥塞13完成固定。

如图6所示，在其中一种实施方式中，预应力混凝土条1中配有纵筋18、箍筋19以及纵向预应力筋4，纵向预应力筋4通过先张法设置在预应力混凝土条1的下部，用于提升混凝土的抗裂性能。纵向预应力筋4的材料可以选择预应力钢丝、钢绞线以及预应力螺纹钢筋，在混凝土达到一定强度后需要截掉两端突出部分，方便后续预制混凝土条的安装。孔洞二8中预埋有波纹管17，波纹管17是横向预应力筋3的通道。

本发明中混凝土均采用超高性能混凝土。

本发明还提供了上述钢构件外包预应力预制混凝土加固结构的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，在工厂，根据待加固的工字钢2的尺寸，预制预应力混凝土条1，在预应力混凝土条1上预留若干孔洞二8。

具体地，可先设置纵筋18和箍筋19组成钢筋笼，然后在设计的孔洞二8的位置预埋波纹管17，并在预应力混凝土条1的下部位置张拉定位纵向预应力钢筋4，然后浇筑超高性能混凝土，最后将模具同锚具一起送入养护室进行蒸汽养护，当混凝土强度达到设计值的75％以上时，切断两端突出的预应力筋。

步骤2，在现场，对工字钢2的腹板开出若干孔洞一9；将预应力混凝土条1吊装至工字钢2的上下翼缘之间并定位，然后张拉横向预应力筋3进行固定；

步骤3，如图7所示，对上缝隙5和下缝隙6外侧进行坐浆封堵，并预留注浆口15和出浆口16，将填充料14从注浆口15注入，直至从出浆口16溢出时停止，之后等待使其凝固。

具体地，以采用水泥基灌浆料工艺为例，可在出浆口16处固定一个L型透明管20，用于控制灌浆的饱满度。L型透明管20的出口向上，当填充料14从L型透明管口20溢出时停止注入，并在凝固后，切除L型透明管20的突出部分。

在本发明的一个实施例中，步骤1在预应力混凝土条1靠近工字钢2的一侧的侧面上加工出若干竖向的导槽10，导槽10连通上缝隙5和下缝隙6。步骤3中，将注浆口15设置于下缝隙6，出浆口16设置于上缝隙5，填充料14从下缝隙6注入，先填满下缝隙6，然后灌浆料沿导槽10向上开始填充上缝隙5，当注浆料填满整个空间时，从L型透明管20的上孔溢出，待注浆料凝固后用切割机切掉突出的L型透明管20部分即可。

综上，本发明利用预制的预应力混凝土条与工字型钢或焊接H型钢梁进行组合，能够提升结构的承载能力、刚度及抗裂性能。横向预应力筋起到固定夹紧预制混凝土条的作用，并且使预应力混凝土条与型钢腹板之间具有一定的摩擦力，用于抵抗纵向的滑移。预制混凝土条上下各留有一定空间的缝隙，在安装好预制混凝土后需要进行封口注浆，使预制混凝土条与型钢上下翼缘之间能够紧密接触，达到相互约束的作用。本发明既提出了一种新型的钢构件加固方法，又给出了一种新型部分外包型钢混凝土钢构件的施工方法，在提高承载力及刚度的同时，构件的抗扭性能及抗裂性能也得到加强。

Claims (10)

1.一种钢构件外包预应力预制混凝土加固结构，其特征在于，包括预制的预应力混凝土条(1)，预应力混凝土条(1)设置于工字钢(2)的上下翼缘之间，且与上翼缘之间留有上缝隙(5)，与下翼缘之间留有下缝隙(6)，所述上缝隙(5)和下缝隙(6)中有填充料(14)，所述工字钢(2)的腹板上开有孔洞一(9)，预应力混凝土条(1)上开有与孔洞一(9)对应的孔洞二(8)，横向预应力筋(3)穿过孔洞一(9)和孔洞二(8)连接预应力混凝土条(1)和工字钢(2)，所述横向预应力筋(3)与工字钢(2)的腹板垂直。

2.根据权利要求1所述钢构件外包预应力预制混凝土加固结构，其特征在于，所述预应力混凝土条(1)的上下端面均间隔设置有若干凹槽(7)，所述凹槽(7)为内小外大的楔形。

3.根据权利要求1所述钢构件外包预应力预制混凝土加固结构，其特征在于，所述孔洞二(8)中预埋有波纹管(17)，波纹管(17)作为横向预应力筋(3)的通道。

4.根据权利要求1所述钢构件外包预应力预制混凝土加固结构，其特征在于，所述预应力混凝土条(1)中配有纵筋(18)、箍筋(19)以及纵向预应力筋(4)，所述纵向预应力筋(4)通过先张法设置在预应力混凝土条(1)的下部。

5.根据权利要求1所述钢构件外包预应力预制混凝土加固结构，其特征在于，所述横向预应力筋(3)采用后张法施工，由预应力钢绞线(11)及锚具组成，其中锚具采用锥形锚具，由外部的锚圈(12)及内部的锥塞(13)组成，在将横向预应力钢绞线(11)张拉到控制应力时，塞入锥塞(13)完成固定。

6.根据权利要求1所述钢构件外包预应力预制混凝土加固结构，其特征在于，所述预应力混凝土条(1)在靠近工字钢(2)的一侧的侧面上开有竖向的导槽(10)，所述导槽(10)连通上缝隙(5)和下缝隙(6)，所述填充料(14)为水泥浆或结构胶。

7.权利要求1所述钢构件外包预应力预制混凝土加固结构的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)，在工厂，根据待加固的工字钢(2)的尺寸，预制预应力混凝土条(1)，在预应力混凝土条(1)上预留若干孔洞二(8)；

步骤2)，在现场，对工字钢(2)的腹板开出若干孔洞一(9)；将预应力混凝土条(1)吊装至工字钢(2)的上下翼缘之间并定位，然后张拉横向预应力筋(3)进行固定；

步骤3)，对上缝隙(5)和下缝隙(6)外侧进行坐浆封堵，并预留注浆口(15)和出浆口(16)，将填充料(14)从注浆口(15)注入，直至从出浆口(16)溢出时停止，之后等待使其凝固。

8.根据权利要求7所述的施工方法，其特征在于，所述步骤1)，先设置纵筋(18)和箍筋(19)组成钢筋笼，然后在设计的孔洞二(8)的位置预埋波纹管(17)，并在预应力混凝土条(1)的下部位置张拉定位纵向预应力钢筋(4)，然后浇筑超高性能混凝土，最后将模具同锚具一起送入养护室进行蒸汽养护，当混凝土强度达到设计值的75％以上时，切断两端突出的预应力筋。

9.根据权利要求7所述的施工方法，其特征在于，所述步骤3)，在出浆口(16)处固定一个L型透明管(20)，L型透明管(20)的出口向上，当填充料(14)从L型透明管口(20)溢出时停止注入，并在凝固后，切除L型透明管(20)。

10.根据权利要求7所述的施工方法，其特征在于，所述步骤1)，在预应力混凝土条(1)靠近工字钢(2)的一侧的侧面上加工出若干竖向的导槽(10)，所述导槽(10)连通上缝隙(5)和下缝隙(6)，所述步骤3)，注浆口(15)设置于下缝隙(6)，出浆口(16)设置于上缝隙(5)，填充料(14)从下缝隙(6)注入，在下缝隙(6)填满后沿导槽(10)向上流动至上缝隙(5)，直至填满。

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