CN1609379A - 纤维增强塑料与混凝土复合的拱结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

纤维增强塑料与混凝土复合的拱结构及施工方法涉及建筑构件及施工方法。针对现有混凝土拱开裂早，开裂后裂纹会削弱构件的整体刚度，使构件变形增大、动力性能劣化，构件的安全度下降，有时导致构件断裂，发生整体垮塌，而提出一种结构简单，用层状纤维增强塑料材料粘贴混凝土表面和混凝土复合的拱结构及施工方法。所采用技术方案，其混凝土拱2外壁粘贴有纤维增强塑料层1。其施工方法，在形成的混凝土拱2上，用砂轮抹去表面浮浆，形成一定粗糙度，再用环氧水泥腻子抹平表面的孔洞，刷上底层结构胶，再平顺包裹纤维层状织布，用树脂胶浆充分浸润纤维层状织布，最后用聚酯薄膜覆盖用刮板挤压富裕的树脂胶浆，固化后揭下聚脂薄。具有耐腐蚀，耐久性，成倍提高拱承载力，施工简单，容易实现。

Description

纤维增强塑料与混凝土复合的拱结构及施工方法

一、技术领域

本发明涉及建筑构件及施工方法，尤其是一种纤维增强塑料与混凝土复合的拱结构及施工方法。

二、背景技术

1、纤维增强塑料材料及其成型方法

纤维增强塑料的英文名称为“Fiber Reinforced Plastics”，由于其英文缩写为FRP，因此也常被称为FRP材料，它本身是一种新型复合材料，由高性能的纤维和基材组成。

纤维一般是直径为5～20μm的连续纤维，通过特殊的拉丝工艺制成。运用纤维材料是由于把大尺度的材料制成纤维后，其物理力学性能会显著提高，譬如普通玻璃的拉伸强度只有40~100Mpa，而拉成纤维后强度可以达到2000Mpa，这样不仅能够提高材料的利用效率，而且能够创造出性能更加优越的新材料。

基材由树脂和固化剂组成。用树脂(内加固化剂)浸润纤维，待树脂固化后便形成了纤维增强塑料(Fiber Reinforced Plastics)，简称FRP。

FRP材料具有以下主要的优良特性：密度小，为普通钢材的1/6~1/3；强度高，抗拉强度约为普通钢筋的1.5~6倍；抗腐蚀性能好，强度不受酸碱腐蚀介质的影响；低松弛；非磁性，不影响电磁信号的传播；抗疲劳性能优良，疲劳寿命普遍高于钢材；温变系数和混凝土相当；弹性模量介于混凝土和钢材之间；极限延伸率为1％~3％。

根据FRP中纤维的成分不同，FRP材料可以分为CFRP(Carbon FiberReinforced Plastics)——碳纤维增强塑料、GFRP(Glass FiberReinforced Plastics)——玻璃纤维增强塑料和芳纶纤维增强塑料等。

FRP材料具有优良的性能，常用在一些特殊的结构中。目前在土木工程中，运用碳纤维材料(CFRP)对旧混凝土结构进行补强、加固，是一种十分普遍的做法。

2、混凝土拱结构及其施工方法

拱形结构是土木工程中常用的一种结构形式。

从美学角度看，拱结构线性圆润流畅，容易与环境协调，富有美感。

从力学角度看，当拱结构承受荷载时，拱结构在拱脚处除承受竖向反力外，还要承受水平推力。和跨径相等的梁式结构相比，正是由于拱脚处的水平推力，使得拱结构中对应截面的弯矩远远小于梁式结构中的弯矩，因此，拱结构截面的拉应力一般远远小于梁式结构截面的拉应力。特殊荷载(如静水压力)作用下，拱结构通过拱轴线形的调整，可以实现全拱截面均处于压应力状态。然而，在实际运用过程中，由于荷载因素和构造的要求，虽然拱轴线的调整一般能够使拱结构中大部分区段的截面应力为压应力状态，但是不可避免地会使拱结构中的部分区段的截面出现拉应力。

由于石料的抗压性能好，而抗拉性能差，因此石料常常被用来修建以承压为主的拱形结构。混凝土材料出现后，由于其良好的抗压性能和施工性能，因此逐渐成为拱结构的主要材料，近、现代的拱桥中绝大部分为混凝土拱桥。随着材料学科的发展，目前利用钢管混凝土和钢材修建了许多拱桥，然而中小跨径拱形结构的首选材料依然是混凝土。

对于混凝土拱结构，虽然只有少部分区段的截面中有拉应力，但由于混凝土材料的抗拉性能差，仅有其抗压强度的1/8~1/12，因此这些具有拉应力的截面常常是拱结构设计和运营中的控制截面。一旦这些截面的拉应力超过混凝土的抗拉强度，混凝土拱就会出现开裂，裂纹在薄弱截面处往往发展迅速。

开裂和裂纹的发展会削弱结构的整体刚度，使结构变形增大、动力性能劣化，结构的安全度下降。有时甚至会导致结构断裂，发生整体垮塌。

为了使这种情况得到改善，现在通常的做法是采用钢筋混凝土修筑拱结构，在钢筋混凝土拱结构中，由于钢筋的作用，开裂后裂纹的发展会得到一定程度的遏制，结构的各项性能会得到较大的提高。由于钢筋在整个截面中所占的面积很小，因此钢筋混凝土的采用往往对薄弱截面的开裂几乎不起效果，也即钢筋混凝土拱结构的开裂荷载不会明显提高，也就是说，钢筋混凝土拱结构提高的是结构开裂后的结构性能。

这样，荷载增加时，钢筋混凝土拱结构依然开裂，开裂和裂纹的发展依然会削弱结构的整体刚度，使结构变形增大、动力性能劣化，结构的安全度下降，只不过这时程度有所减弱。另一方面，钢筋的运用必然存在锈蚀问题，裂纹的存在又会加剧钢筋的锈蚀，使结构的耐久性下降。因此有必要采用其他的措施更好地改进混凝土拱结构的性能。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种构造简单，用层状纤维增强塑料与混凝土复合的拱结构及施工方法。

本发明的目的所采用的技术方案是：

复合的拱结构是：包括有呈弧形状的混凝土拱，其混凝土拱外壁粘贴有纤维增强塑料层。

本发明，混凝土拱可以是素混凝土拱，也可以是钢筋混凝土拱。

复合的拱结构施工方法：

首先采用支架施工或者节段吊装施工形成混凝土拱，待混凝土的强度达到设计强度的80％以上时，开始在混凝土拱的外壁粘贴有纤维增强塑料层，具体施工方法：

a、用砂轮将混凝土拱表面浮浆抹去，并使混凝土表面具有一定粗糙度，截面的转角处用砂轮抹圆；

b、用环氧水泥腻子抹平混凝土表面的孔洞，并在混凝土的表面刷底层结构胶，底层结构胶的厚度为0.2-1mm；

c、底层结构涂刷后1小时内，在底层结构胶的表面平顺包裹纤维层状织布；

d、在纤维层状织布的表面手工刷树脂，树脂胶浆充分浸润纤维层状织布；

e、用聚酯薄膜覆盖浸有树脂胶浆的纤维层状织布，并用手工刮板挤压出富裕的树脂胶浆；

f、待树脂材料固化后，揭去表面的聚酯薄膜，树脂材料一般一天即可固化，且可以达到其最终强度的70％，7天后基本能的达到其最终强度的90％以上。

本发明，底层结构胶可以为环氧树脂，或聚脂树脂，或者其它树脂，树脂材料中含有固化剂，固化剂与树脂的重量比例为30-40∶100。

本发明，所指纤维层状织布为玻璃纤维织布，或碳纤维织布。

本发明的优点：

当纤维增强塑料与混凝土复合的拱结构受力时，在弯矩作用段的断面上，由于FRP的卓越抗拉作用，使得截面混凝土开裂荷载大幅提高，开裂后裂纹发展缓慢，因此使结构的承载能力也随之大幅提高。

实验室中的普通混凝土拱和纤维增强塑料—混凝土复合拱(其中的FRP厚度为0.5毫米)加载试验表明同等跨径、同等截面尺寸的纤维增强塑料与混凝土复合的拱结构和普通混凝土拱结构相比，开裂荷载提高了120％，极限荷载提高了212％。

这说明采用纤维增强塑料与混凝土复合的拱结构，同样的截面尺寸情况下，可以增加结构的跨径；在同样的跨径情况下，可以减小截面的尺寸。同样的截面尺寸、同样的跨径情况下，可以使结构具有更高的安全储备。

另外，由于外部的FRP材料具有优良的耐腐蚀性和密闭型，能够有效阻止水分进入混凝土内部，能够阻止混凝土结构内钢筋的锈蚀，显著提高结构的耐久性。

四、附图说明

下面结合附图进一步说明本发明。

图1是本发明结构示意图；

图2是图1A-A向视结构示意图。

图中：1-纤维增强塑料层2-混凝土拱

五、具体实施方式

如图1、图2所示，混凝土拱2外壁粘贴有纤维增强塑料层1。

施工方法实施例：采用支架施工形成混凝土拱2，待混凝土的强度达到设计强度的86％时，用电动砂轮将混凝土拱2表面浮浆抹去，形成一定粗糙度，截面的转角抹圆，再用环氧腻子抹平混凝土表面的孔洞，并在混凝土的表面刷上底层结构胶，底层结构胶由环氧树脂和环氧固化剂按重量比100∶32制成，底层结构胶厚度为0.4mm，待底层结构胶涂刷50分钟后，在底层结构胶的表面平顺包裹玻璃纤维层状织布，再在玻璃纤维层状织布上手工刷树脂，树脂由环氧树脂和环氧固化剂按重量比100∶32制成，树脂胶浆充分浸润玻璃纤维层状织布，用聚酯薄膜覆盖在浸有树脂胶浆的玻璃纤维层状织布上，并用手工刮板挤压出富裕的树脂胶浆，待一天树脂固化后，揭去表面的聚酯薄膜，7天后，形成了复合的拱。

本发明，若工程需要，制作两层或多层纤维层状织布，在浸润的纤维层状织布表面包裹第二层纤维层状织布，重复上述施工方法，直达到所需层数或厚度。

Claims (6)

1.一种纤维增强塑料与混凝土复合的拱结构，包括有呈弧状的混凝土拱(2)，其特征是混凝土拱(2)外壁粘贴有纤维增强塑料层(1)。

2.根据权利要求1所述的一种纤维增强塑料与混凝土复合的拱结构，其特征是混凝土拱(2)可以是素混凝土拱，也可以是钢筋混凝土拱。

3.一种纤维增强塑料与混凝土复合的拱结构施工方法，首先采用支架施工或者节段吊装施工形成混凝土拱(2)，待混凝土的强度达到设计强度的80％以上时，其特征是：

a、用砂轮将混凝土拱(2)表面浮浆抹去，并使混凝土表面具有一定粗糙度，截面的转角处用砂轮抹圆；

b、用环氧水泥腻子抹平混凝土表面的孔洞，并在混凝土的表面刷底层结构胶，底层结构胶的厚度为0.2-1mm；

c、底层结构涂刷后1小时内，在底层结构胶的表面平顺包裹纤维层状织布；

d、在纤维层状织布的表面手工刷树脂，树脂胶浆充分浸润纤维层状织布；

e、用聚酯薄膜覆盖浸有树脂胶浆的纤维层状织布，并用手工刮板挤压出富裕的树脂胶浆；

f、待树脂材料固化后，揭去表面的聚酯薄膜，树脂材料一般一天即可固化，且可以达到其最终强度的70％，7天后基本能的达到其最终强度的90％以上。

4.根据权利要求3所述的一种纤维增强塑料与混凝土复合的拱结构施工方法，其特征是底层结构胶可以为环氧树脂，或聚脂树脂，或者其它树脂，树脂材料中含有固化剂，固化剂与树脂的重量比例为30-40∶100。

5、根据权利要求3所述的一种纤维增强塑料与混凝土复合的拱结构施工方法，其特征是纤维层状织布为玻璃纤维织布，或碳纤维织布。

6.根据权利要求3所述的一种纤维增强塑料与混凝土复合的拱结构施工方法，其特征是在纤维层状织布的表面刷树脂，树脂可以为环氧树脂，或聚脂树脂，或者其它树脂，树脂材料中含有固化剂，固化剂与树脂的重量比例为30-40∶100。