CN208058252U - 一种管内环向预应力修补加固系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种管内环向预应力的修补加固系统，该装置包括安装盘、加载盘、穿心式千斤顶、与千斤顶相连的楔形加载体和设备平台。本实用新型提供的管内预应力修补加固系统，能够有效提高或加强普通混凝土管、预应力钢筒混凝土管（PCCP管）、环向管状结构（砌体、复合材料体）、多边形空腔结构承载内部水压、气压、外部负压的能力，提高结构整体性、耐久性等作用，充分利用碳纤维等高强材料的受拉力学性能，系统的实用新型开创了管内预应力的方法，装置的实用新型实现了方法的运用，各配件的组合增加了适用范围，提高了经济性、技术性及高效性。

Description

一种管内环向预应力修补加固系统

技术领域

本实用新型涉及一种管内环向预应力修补加固系统，属于环向预应力技术领域，如普通混凝土管管内加固、PCCP管管内加固、钢管管内加固、玻璃钢管管内加固、室内为环形的建筑、环形水池内壁等，目前在PCCP管管内加固，更能发挥高强材料、高强结构胶的性能，并解决非开挖式管内加固。

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。

大口径PCCP管道作为南水北调重要的输水建筑物，由于设计、施工和运行环境条件等影响，难以避免出现各类裂缝、钢丝腐蚀或断丝等劣化现象，甚至出现爆管。利比亚非洲人工河PCCP管2011年已经发现钢丝断裂35000根；美国自来水协会研究基金会统计表明，PCCP灾难性破裂和泄漏发生的年限平均为13.95年；严重劣化或结构弱化、服务能力减少致被迫暂停服务、完全或部分替代的失效平均年限为16.75年；国内新疆、宁夏等地的PCCP管道也曾出现爆裂事故，如宁夏2010年9月5日宁东供水工程爆管事件造成了21天的停水事故。

输水工程是城市生活的大动脉，在国民经济发展中发挥着重要作用，PCCP输水管道一旦发生爆管事故，往往经济损失严重、社会影响恶劣。我国正式将PCCP管应用于工程中始于上世纪90年代，2005年12月南水北调输水工程北京段拉开了大直径PCCP在我国应用的序幕，PCCP管道因其优良的特性而在国内大型输水工程中应用越来越广泛，然而随着PCCP的逐步推广，许多PCCP管道已开始接近或达到破坏年限。近年检测也表明，国内大量PCCP管道已经出现钢丝断裂，且出现断丝数量逐年增长的趋势。断丝现象的发生对正常使用极限状态影响较大，发生爆裂停水事故的概率大大上升，尤其当断丝范围较大时，在预应力、管体自重、土压力及流体自重等综合作用下，失去承载能力无法继续承担设计内水压力，在内水压力作用下极易发生爆管事故。因此，如何对PCCP管道进行切实有效的修补加固，是当下面临的一个非常重要且极为紧迫的课题。

现有的修复方法主要有管外加固法、换管法、管内常规加固方法等。

管外加固法的缺点是需要开挖大量的土方，虽然在管外粘贴碳纤维布可以有效地提供环向约束并且精准地针对断丝的位置进行加固，但是造价较高而且工程量较大，不适宜在工程实践中大规模推广。

换管法是通过探伤找到损坏管道所在的位置，然后先挖去上部土层，再将损坏的管道移去，换上新的PCCP管。这种方法造成的影响较大，需要在停止输水的时候才能进行施工，管道的移除也有较大的施工难度。接缝处的处理也是一个亟待解决的施工难题。故此方法不能成为一个普遍适用的方法。

管内加固方法通常采用非预应力加固的方法，这种方法通常是采用直接粘贴碳纤维布的方法进行加固，由于碳纤维材料弹模与钢筋相似，抗拉强度约为钢材的7～10倍，高强度的发挥需要较大变形，内贴难以充分利用碳纤维材料的高强度特性。这种方法属于非主动受力，即只有在外界荷载的情况下才能发挥作用，并不能主动发挥碳纤维材料的作用，在一定程度上造成了碳纤维材料性能的浪费。

发明内容

本实用新型要解决技术问题是：克服现有技术的缺点，提供一种能够在管内主动加载预应力的修补加固系统。

为了解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案是：一种管内预应力修补加固系统，用于为碳纤维板等高强材料施加环向预应力，粘贴于管内壁，以提高结构承受管内气压、水压或管外负压能力，同时增强结构整体性、耐久性，其特征在于，包括：预应力加载装置、穿心式千斤顶和设备平台；所述穿心式千斤顶安装在设备平台上，所述穿心式千斤顶沿管中轴线方向伸出的端部设置有加载锥；所述预应力加载装置包括安装盘、加载盘及与千斤顶相连的加载锥，三者组成内力平衡体系；所述安装盘与所述设备平台固定连接，起到固定与调节加载装置空间几何位置功能；所述安装盘、加载盘属于同轴线，加载盘以安装盘为安装架、导向架及加载反力架，安装盘直径小于所述加载盘，所述加载盘外套设有橡胶套或其它低弹模高强度材料；所述加载盘由若干扇形盘拼成圆形并围绕其圆心形成有一个空缺部；所述扇形盘的弧形端的两侧具有能够互相对插的齿，满足预应力加载后圆周仍是封闭的；所述安装盘上具有若干限位块，所述扇形盘上具有沿其扇面径向延伸的条形孔，两者对应，即所述限位块穿过所述条形孔，将所述扇形盘与所述安装盘沿轴向固定，沿径向限位；所述加载锥具有与所述加载盘各扇形盘一一对应的锥面，所述加载锥锥面上具有榫，所述扇形盘上具有与所述榫配合的榫槽；所述加载锥通过所述榫和榫槽的配合与所述加载盘各扇形盘连接，使用中，当所述穿心式千斤顶驱动所述加载锥与加载盘各扇形盘挤压产生轴向滑移，同时所述加载锥推动所述扇形盘沿着径向自所述圆心向外移动，达到给环向高强材料施加径向压力后产生环向材料受力内力(受拉应力)；当环向材料受力后与管内壁密贴后，提前涂于高强材料表面与管内壁的结构胶固化，固化后起到管内壁环向预应力施加目的；当所述穿心式千斤顶驱动所述加载锥挤压力减小卸载时，所述扇形盘沿着径向自所述圆心向内移动复位，环向高强材料粘贴于管内壁，原先由加载盘承担的径向压力改由高强材料与管内壁间结构胶承担，最终实现管内壁环向预应力施加。

上述方案进一步的改进在于：当坡度适中的管内环向预应力修补加固系统，其特征在于：所述设备平台底部还具有行走轮；当坡度较大或接近垂直的管内环向预应力修补加固系统，其特径在于：所述设备平台可由悬挂系统代替设备平台。

上述方案进一步的改进在于：所述限位块通过螺栓安装在所述安装盘上。

上述方案进一步的改进在于：为适应不同直径管，所述加载盘设为基础加载盘、若干可拆卸扇环形框；所述可拆扇形框拼成环形，所述可拆框通过螺栓安装在所述基础加载盘扇形盘上；橡胶套或其它低弹模高强度材料安装于最外层扇形框外周。

上述方案进一步的改进在于：所述扇形盘和可拆框上具有若干镂空的孔。

上述方案进一步的改进在于：所述扇形盘和可拆框为空心框架结构。

上述方案进一步的改进在于：所述可拆框的两端具有螺栓孔；通过螺栓孔安装的紧固螺栓能够固定所述可拆框所拼成的环的形状，用于环向高强材料与管内壁间结构胶等强，其间基础加载盘可退出工作。

上述方案进一步的改进在于：加载盘外圈橡胶套或低弹模高强度材料，足够的厚度及压缩变形满足减少7中因基础加载盘退出工作产生的预应力损失。

上述方案进一步的改进在于：高强材料，如碳纤维板管内预应力加固完毕后，高强材料外部粘贴耐磨保护材料，提高加固系统的耐久性、安全性。

上述方案进一步的改进在于：加载盘最外圈为带倒角的多边形，适用于管内壁截面为带倒角的多边形工况，或适用于管内壁截面为多边形处理为带倒角的工况。

本实用新型提供的管内环向预应力修补加固系统，采用碳纤维板等高强材料替代传统的金属材料；并通过液压扩张的方式，对碳纤维板等高强材料施加预应力，以达到主动加固的目的，如阻止混凝土开裂、平衡水压、修补已损坏的PCCP管的目的；相较于现有的多种施工方式，本实用新型能够更有效的恢复PCCP结构的承载能力，减少材料用量，降低施工量，减少施工时间，提高产出与投入比。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

图1是本实用新型一个优选的实施例1结构示意图。

图2是图1中加载盘结构示意图。

图3是图1中加载锥结构示意图。

图4是本实用新型一个优选的实施例2中加载盘结构示意图。

图5是图4中的加载盘扩张后局部结构示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例的管内环向预应力修补加固系统，如图1，包括：安装盘4、加载盘5、穿心式千斤顶3和设备平台2；穿心式千斤顶3的不动外壳设置盘面安装在设备平台2上；设备平台2底部还具有行走轮。穿心式千斤顶3沿水平方向伸出的端部设置有加载锥6。

如图2，安装盘4直径小于加载盘5；加载盘5由6个扇形盘拼成圆饼状，其圆心具有空缺部；扇形盘的弧形端的两侧具有能够互相对插的齿；安装盘4上通过螺栓安装有若干限位块9，扇形盘上具有沿着径向延伸的条形孔；限位块9穿过条形孔并将扇形盘轴向固定在安装盘4上；空缺部处设置有加载锥6。

如图3，加载锥6具有与六个扇形盘一一对应的六个锥面(为3个或多个)；锥面上具有燕尾榫10，扇形盘朝向圆心的一端则有与燕尾榫10配合的槽，这样，通过加载锥6沿着加载盘5轴向的前后移动，加载锥6能够进入和离开空缺部，锥面用于产生径向的分力，燕尾榫10和槽的配合则能够实现在进入和离开空缺部时，产生相反方向的径向分力的；在加载锥6进入空缺部时，加载锥6能够推动扇形盘沿着径向方向向外移动；离开空缺部时，则拉动扇形盘沿着径向方向向内移动。本实施例中使用的是燕尾榫，其他形状例如T形等也能够实现本功能。

安装盘4与穿心千斤顶3通过螺栓固定连接；为了缓冲加载过程中扇面之间齿形连接部位的应力集中，使加载力更均匀，加载盘4外套设有橡胶套7。由于碳纤维板8所需扩张尺寸较小，因此，条形孔长度也较短。

施工时，首先将上述零部件和材料、工具等运送至施工PCCP1内并组装；碳纤维板8呈圆筒(环)形，初始直径D₀略小于PCCP1的内直径D，其具体值根据碳维板目标环向预应力σ求得。碳纤维板伸长量为ΔL＝π(D-D₀)，碳纤维板目标环向预应力为式中E为碳纤维板弹性模量，则碳纤维板初始直径为D₀＝D-σD/E。碳纤维板目标环向预应力的确定与需要分担的PCCP径向内水压以及粘结胶的强度相关。按照设计要求打磨PCCP1的粘接部位，直至露出混凝土砼面；按照配比将粘接胶进行混合，搅拌均匀；在打磨好的预应力钢筒混凝土管内壁的粘接部位涂抹基底胶；将碳纤维板8套装在橡胶套7外，并将碳纤维板8的表面擦拭干净，立即涂刷粘接胶，胶层呈凸起状，平均厚度要大于2mm。

然后启动穿心式千斤顶3，拉动加载锥6；加载锥6推动扇形盘向外移动，使得加载盘5扩张，将涂有粘接胶的碳纤维板8压贴于打磨好的混凝土表面，并且使粘接胶从两边挤出，保证内部密实无空洞；除去两边多余的粘接胶。如果平行粘贴多条碳纤维板时，两条板带之间的空隙不应小于5mm。

这样，就可以把碳纤维板8拉长，产生一个环向的拉力；通过胶粘接力来传递沿粘贴界面切向的力，实现对混凝土管道预加压应力；随着粘接胶凝固，碳纤维板8就被固定在PCCP1内表面，完成预应力加载；之后拆除本实施例的应力钢筒混凝土管的修补加固系统即可。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础之上改进而来，其大部分与实施例1相同，不同部分如图4：扇形盘与橡胶套之间设置有若干扇环形的可拆框11；可拆框11拼成环形，可拆框11通过螺栓安装在扇形盘上。为了降低加载盘5的重量，可拆框11上具有若干镂空的减重孔；扇形盘在保证所需刚度的前提下可以采用镂空的减重孔设计，也可采用空心框架结构。

可拆框11的两端具有螺栓孔；通过螺栓孔安装的紧固螺栓能够固定可拆框11所拼成的环的形状。

施工过程与实施例1大部分相同，不同部分如下：

启动穿心式千斤顶3，拉动加载锥6；加载锥6推动扇形盘向外移动，使得加载盘5扩张；之后，如图5，使用螺栓12在将可拆框11互相固定，确保可拆框10所构成的环能维持其自身形状，从而在没有加载锥6施加推力的状态下能够持续对碳纤维板8施加扩张力；这样，就可以释放加载锥6，扇形盘在加载椎、燕尾榫的作用下复位，而后，拆除其余部件，只留下可拆框10，从而避免堵住PCCP1，便于人员、设备和材料等在管内的移动，同时，其余部件可以移动至下一位置，通过另一套可拆框11，再次作业，即可以节约作业时间，提高作业效率，还能够降低设备成本。

本实用新型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，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换形成的技术方案，均为本实用新型要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种管内环向预应力修补加固系统，用于为粘贴于管内壁碳纤维板施加环向预应力，其特征在于，包括：预应力加载装置、穿心式千斤顶和设备平台；所述穿心式千斤顶安装在所述设备平台上；所述预应力加载装置包括安装盘、加载盘及与加载锥，所述加载锥设置所述穿心式千斤顶沿管中轴线方向伸出的端部；所述安装盘与所述设备平台固定连接，所述安装盘和加载盘同轴，安装盘直径小于所述加载盘，所述加载盘外套设有橡胶套；所述加载盘由若干扇形盘拼成圆形并围绕其圆心形成有一个空缺部；所述扇形盘的弧面的两端具有能够互相对插的齿，所述安装盘上具有若干限位块，所述扇形盘上具有沿其扇面径向延伸的条形孔，所述限位块穿过所述条形孔，将所述扇形盘与所述安装盘沿轴向固定；所述加载锥具有与所述加载盘各扇形盘一一对应的锥面，所述加载锥锥面上具有榫，所述扇形盘上具有与所述榫配合的榫槽；所述加载锥通过所述榫和榫槽的配合，使用中，当所述穿心式千斤顶驱动所述加载锥产生轴向一侧滑移时，所述加载锥推动所述扇形盘沿着径向自所述圆心向外移动，当所述穿心式千斤顶驱动所述加载锥产生轴向另一侧滑移时，所述扇形盘沿着径向自所述圆心向内移动。

2.根据权利要求1所述的管内环向预应力修补加固系统，其特征在于：所述设备平台底部还具有行走轮或悬挂系统。

3.根据权利要求1所述的管内环向预应力修补加固系统，其特征在于：所述限位块通过螺栓安装在所述安装盘上。

4.根据权利要求1所述的管内环向预应力修补加固系统，其特征在于：所述加载盘与所述橡胶套之间还安装有环形或带倒角的多边形的外框；所述外框由若干可拆框组成；所述可拆框通过螺栓安装在所述加载盘上。

5.根据权利要求4所述的管内环向预应力修补加固系统，其特征在于：所述扇形盘和可拆框上具有若干镂空的孔。

6.根据权利要求4所述的管内环向预应力修补加固系统，其特征在于：所述扇形盘和可拆框为空心框架结构。

7.根据权利要求4所述的管内环向预应力修补加固系统，其特征在于：所述可拆框的两端具有螺栓孔；通过螺栓孔安装的紧固螺栓能够固定所述可拆框所拼成的环的形状，用于环向高强材料与管内壁间结构胶等强，其间基础加载盘可退出工作。

8.根据权利要求4所述的管内环向预应力修补加固系统，其特征在于：所述橡胶套由低弹模高强度材料制成。