CN117167585A - 一种刚柔结合的管内环向预应力加固方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种刚柔结合的管内环向预应力加固方法，包括：组装设备、膨胀施加预应力、灌浆粘合等步骤。本发明提供的刚柔结合的管内环向预应力加固方法，使用碳纤维预拉力环与钢内衬预压环共同补强；是将刚（压）‑柔（拉）结合的环向组合材料环替代原来单一柔（拉）性材料环，充分利用碳纤维材料高强度及低弹模大变形性能（大延伸率特性）、高强钢高弹模低压缩性组合。碳纤维圈预拉应力部分由高强钢圈预压应力平衡，碳纤维圈另一部分预拉应力由碳板与管内壁混凝土间粘结力平衡。
Description
技术领域
本发明涉及一种刚柔结合的管内环向预应力加固方法，属于加固工程技术领域。
背景技术
PCCP是预应力钢筒混凝土管( PrestressedConcrete Cylinder Pipe)的简称，它是指由两端带承插口钢圈的钢筒和钢筒内、外两侧混凝土层组成管芯，并在管芯外壁缠绕预应力高强钢丝，再辊射水泥砂浆保护层而制成的一种复合型管材。
南京水利科学研究院针对PCCP管断丝补强加固提出了系列专利技术，包括《一种管内环向预应力修补加固系统》、《一种管内轮胎式气压加载环向预应力加固装置》、《一种高压弹性管内充填固化材料环向预应力加固的装置》等，通过理论、试验、工程应用，发现环向预应力材料（如碳纤维板）与管内壁间粘贴可靠性的保障是该技术的关键点之一，典型的破坏模式为某处发现脱胶，会导致该处附近一小片失效剥落。
在试验研究与工程应用中，采用了管道内壁混凝土表面凿毛、表面渗入性结构胶加强、预应力大小合理控制等方法以提高粘贴可靠性，降低脱胶风险发生。
但是，单一碳纤维板的局部脱胶还面临会迅速扩展风险，由于缺陷是必然的，碳纤维板的粘结应力控制值偏低；这是碳纤维板材料本身的特性以及其所承受的预应力所必然存在的风险。
发明内容
本发明要解决技术问题是：克服现有技术的缺点，提供一种能够提高管内环向预应力加固可靠性的管内环向预应力加固方法。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种刚柔结合的管内环向预应力加固方法，包括如下步骤：
（1）根据待加固管的直径、设计内压、待增强补强承载力等情况，选择适应的钢胀圈、碳纤维板；所述钢胀圈的侧壁具有缺口并能够膨胀，所述钢胀圈膨胀后，在其缺口处补充连接段，使得所述钢胀圈能够保持应力；所述钢胀圈上具有若干能够向所述钢胀圈外侧进行灌浆的灌浆嘴；
（2）清理待加固部位的管壁；
（3）在所述钢胀圈的外表面涂刷具有缓固、润滑特性的结构胶，将碳纤维板贴覆在钢胀圈的外表面；
（4）使用钢桁架支撑所述钢胀圈；所述钢桁架与所述钢胀圈之间具有气囊；
（5）为所述气囊充气进行膨胀，同时，所述钢胀圈膨胀；使所述碳纤维板拉应变应力达到所需值；
（6）通过灌浆嘴进行灌浆，浆液填充进碳纤维板与待加固部位的管壁之间的空隙；
（7）待灌入的浆液固化后，拆除钢桁架和气囊。
上述方案进一步的改进在于：所述钢胀圈的膨胀的方法是，在其缺口处使用若干同步千斤顶将所述钢胀圈胀开，待所述碳纤维板拉应变应力达到所需值后，使用连接段锁定所述钢胀圈。
上述方案进一步的改进在于：所述钢胀圈的缺口处具有用于安装所述同步千斤顶的侧耳。
上述方案进一步的改进在于：所述钢胀圈的膨胀的方法是使用降温板；所述降温板内具有冷液管；所述降温板紧贴所述钢胀圈的内侧壁；通过降温板内的冷液预先降低所述钢胀圈的温度，当所述钢胀圈达到所需形变时，则使用连接段锁定所述钢胀圈，再将所述降温板停止工作，而后所述钢胀圈恢复温度，产生膨胀。
上述方案进一步的改进在于：所述降温板为铝材，其背向所述钢胀圈的一侧覆盖有保温层，朝向所述钢胀圈的一侧具有若干磁铁。
上述方案进一步的改进在于：所述钢胀圈的外侧壁具有凹槽，以容纳所述碳纤维板。
上述方案进一步的改进在于：所述钢胀圈的外侧壁的两端具有密封圈。
上述方案进一步的改进在于：所述钢胀圈的内侧壁与所述气囊之间进行润滑处理。
上述方案进一步的改进在于：所述钢胀圈的两端具有能够约束所述气囊的限位圈。
上述方案进一步的改进在于：所述气囊对应所述钢胀圈的缺口处具有金属铠甲。
本发明提供的刚柔结合的管内环向预应力加固方法，使用碳纤维预拉力环与钢内衬预压环共同补强；是将刚（压）-柔（拉）结合的环向组合材料环替代原来单一柔（拉）性材料环，充分利用碳纤维材料高强度及低弹模大变形性能（大延伸率特性）、高强钢高弹模低压缩性组合。碳纤维圈预拉应力部分由高强钢圈预压应力平衡，碳纤维圈另一部分预拉应力由碳板与管内壁混凝土间粘结力平衡。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明一个优选的实施例1的结构示意图。
图2是实施例1的同步千斤顶位置的俯视结构示意图。
图3是实施例1的底部结构示意图。
图4是实施例1的顶部结构示意图。
图5是实施例1施工完成后的结构示意图。
图6是本发明一个优选的实施例2的结构示意图。
图7是实施例2中的降温板结构示意图。
图8是实施例2中的底部结构示意图。
实施方式
实施例1：本实施例的刚柔结合的管内环向预应力加固方法，包括如下步骤：
（1）根据待加固的管的情况，也即是待加固管的直径、设计内压、待增强补强承载力等情况，通过工程设计，选择适应的钢胀圈3、碳纤维板4；其中钢胀圈3可以根据尺寸、重量等，由多段拼接而成；各段之间可采用栓接、焊接、直接对接等形式。钢胀圈3的侧壁预留缺口，这样钢胀圈3能够进行膨胀，钢胀圈3膨胀后，在其缺口处补充连接段6，使得钢胀圈3能够保持应力；钢胀圈3上具有若干能够向钢胀圈3外侧进行灌浆的灌浆嘴10；钢胀圈3的外侧壁具有凹槽，以容纳碳纤维板4。
（2）清理待加固部位的管壁；露出干净的混凝土表面。
（3）若在钢胀圈3需要拼接，则进行拼接，之后在钢胀圈3的外侧壁的凹槽中涂刷结构胶，结构胶具有缓固、润滑特性；将碳纤维板4展开至自然状态放置到钢胀圈3的凹槽中，形成碳纤维板圈，两者通过结构胶将粘合。
在钢胀圈3的缺口处安装在同步千斤顶5；为了便于同步千斤顶5安装，钢胀圈3的缺口处具有用于安装同步千斤顶5的侧耳8。本步骤的过程中应该使钢胀圈3与碳纤维板4基本密贴且均处于低应力水平。
（4）本步骤应该与上一步同步，组装钢桁架1。钢桁架1用于支撑钢胀圈3，在其膨胀过程中提供反力支撑；在钢桁架1与钢胀圈3之间布置气囊2。组装完毕的结构如图1，图2和图3所示。
（5）实施膨胀，为气囊2充气，同时，启动同步千斤顶5将钢胀圈3与气囊2同步协调膨胀；待碳纤维板4拉应变应力达到所需值后，使用连接段6锁定钢胀圈3；相关数值通过设计计算给出，气压、千斤顶荷载、胀圈总压缩量压缩应力、碳纤维板拉应变应力、连接段应力监测值等进行最终判断。连接段6具有不同尺寸，通过缺口的最终尺寸选择合适的，连接段6尺寸满足允许偏差值即可。
之后，可以拆除同步千斤顶5，同步千斤顶5逐步卸荷，由钢胀圈3、碳纤维板4、钢桁架1受力平衡。
（6）如图4所示，通过灌浆嘴10进行灌浆，浆液填充进碳纤维板4与待加固部位的管壁11之间的空隙；灌浆嘴10沿着钢胀圈3的圆周布置若干个，有最低位置的灌浆嘴10开始进行灌浆，当相邻灌浆嘴出浆后，移至上方的灌浆嘴继续灌浆；这样可以确保碳纤维板4与管壁11间无气泡缺陷。灌浆嘴10采用快接式；理配置浆液固化剂，一方面避免固化过热量集中释放，导致钢胀圈3压缩量过大；另一方面，避免固化时间过程，影响拆卸加载装置时间周期，影响加固总效率。
（7）待灌入的浆液固化后，拆除钢桁架1和气囊2等辅助结构。最终结构如图5所示，自管壁11向内依次是浆液层、碳纤维板圈和钢圈。碳纤维板圈和钢圈均加载预应力，复合后碳纤维板圈受拉、钢圈受压；加固后，碳纤维板与PCCP等管道内壁为粘接拉应力，钢圈支撑与保护碳纤维板圈；运行期，内水压力作用于复合内衬管，碳纤维板内预拉应力及粘接拉应力由部分内水压力平衡。
为了避免浆液从端部溢出，钢胀圈3的外侧壁的两端具有密封圈9。
为了防止气囊2从端部凸出，钢胀圈3的两端具有能够约束气囊2的限位圈。
由于膨胀过程中，钢胀圈3与碳纤维板4必然存在滑动和摩擦，钢胀圈3与碳纤维板4之间的结构胶不能处于完全固化状态。因此，步骤（3）与步骤（4）同步，以尽量减少结构胶的固化时间，使其更具流动性。钢胀圈3与碳纤维板4要进行润滑处理，以避免损伤碳纤维板4。
由于钢胀圈3的椭圆度、结构刚度等不均匀性，钢胀圈3与碳纤维板4的界面间仍然存在剪切应力，需要对界面间进行粘结加强；因此结构胶需要满足流动性小、固化时间相对长、强度高等要求。
为了避免气囊2自缺口处凸出，气囊2上对应钢胀圈3的缺口处具有金属铠甲7。
实施例2：本实施例的刚柔结合的管内环向预应力加固方法，大部分与实施例1相同，不同部分为，钢胀圈3的膨胀方式为热胀冷缩膨胀。
如图6和图7所示，即不使用实施例1中的千斤顶，而是使用降温板12。降温板12紧贴钢胀圈3的内侧壁。
如图8所示，降温板12为铝材，其内具有冷液管12a；其朝向钢胀圈3的一侧具有若干磁铁12b，其余面则覆盖有保温层12b。当钢胀圈3需要进行膨胀时，通过降温板12内的冷液预先降低钢胀圈3的温度，使其缩小，缺口也即张大，达到设计尺寸后，使用连接段锁定钢胀圈，降温板停止工作，而后钢胀圈缓慢恢复温度，进而产生膨胀。
本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换形成的技术方案，均为本发明要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种刚柔结合的管内环向预应力加固方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）根据待加固的管的情况，选择适应的钢胀圈、碳纤维板；所述钢胀圈的侧壁具有缺口并能够膨胀，所述钢胀圈膨胀后，在其缺口处补充连接段，使得所述钢胀圈能够保持应力；所述钢胀圈上具有若干能够向所述钢胀圈外侧进行灌浆的灌浆嘴；
（2）清理待加固部位的管壁；
（3）在所述钢胀圈的外表面涂刷结构胶，将碳纤维板贴覆在钢胀圈的外表面；
（4）使用钢桁架支撑所述钢胀圈；所述钢桁架与所述钢胀圈之间具有气囊；
（5）为所述气囊充气进行膨胀，同时，所述钢胀圈膨胀；使所述碳纤维板拉应变应力达到所需值；
（6）通过灌浆嘴进行灌浆，浆液填充进碳纤维板与待加固部位的管壁之间的空隙；
（7）待灌入的浆液固化后，拆除钢桁架和气囊。
2.根据权利要求1所述的刚柔结合的管内环向预应力加固方法，其特征在于：所述钢胀圈的膨胀的方法是，在其缺口处使用若干同步千斤顶将所述钢胀圈胀开，待所述碳纤维板拉应变应力达到所需值后，使用连接段锁定所述钢胀圈。
3.根据权利要求2所述的刚柔结合的管内环向预应力加固方法，其特征在于：所述钢胀圈的缺口处具有用于安装所述同步千斤顶的侧耳。
4.根据权利要求1所述的刚柔结合的管内环向预应力加固方法，其特征在于：所述钢胀圈的膨胀的方法是使用降温板；所述降温板内具有冷液管；所述降温板紧贴所述钢胀圈的内侧壁；通过降温板内的冷液预先降低所述钢胀圈的温度，当所述钢胀圈达到所需形变时，则使用连接段锁定所述钢胀圈，再将所述降温板停止工作，而后所述钢胀圈恢复温度，产生膨胀。
5.根据权利要求4所述的刚柔结合的管内环向预应力加固方法，其特征在于：所述降温板为铝材，其背向所述钢胀圈的一侧覆盖有保温层，朝向所述钢胀圈的一侧具有若干磁铁。
6.根据权利要求1所述的刚柔结合的管内环向预应力加固方法，其特征在于：所述钢胀圈的外侧壁具有凹槽，以容纳所述碳纤维板。
7.根据权利要求1所述的刚柔结合的管内环向预应力加固方法，其特征在于：所述钢胀圈的外侧壁的两端具有密封圈。
8.根据权利要求1所述的刚柔结合的管内环向预应力加固方法，其特征在于：所述钢胀圈的外侧壁与所述碳纤维板之间进行润滑处理。
9.根据权利要求1所述的刚柔结合的管内环向预应力加固方法，其特征在于：所述钢胀圈的两端具有能够约束所述气囊的限位圈。
10.根据权利要求1所述的刚柔结合的管内环向预应力加固方法，其特征在于：所述气囊对应所述钢胀圈的缺口处具有金属铠甲。
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