CN212478627U

CN212478627U - 基于闭合截面预应力frp的钢柱加固修复结构

Info

Publication number: CN212478627U
Application number: CN202020295935.8U
Authority: CN
Inventors: 杜颜胜; 陈志华; 董少华
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2020-03-11
Filing date: 2020-03-11
Publication date: 2021-02-05
Anticipated expiration: 2030-03-11

Abstract

本实用新型公开了一种基于闭合截面预应力FRP的钢柱加固修复结构及方法，包括FRP型材套筒，所述FRP型材套筒设置在需加固钢柱的外侧，将所述钢柱环绕在内；所述FRP型材套筒的外表面缠绕有若干层FRP布，若干层所述FRP布和所述FRP型材套筒组合形成FRP圆管套筒；所述FRP圆管套筒与所述钢柱之间填筑有膨胀混凝土，由所述膨胀混凝土产生的内压力对所述FRP圆管套筒施加预应力。通过本实用新型结构，能够对加固所用的闭合截面FRP施加预应力，实现预应力闭合截面FRP加固钢柱的施工，从而提升FRP加固后型钢柱的承载力，延长加固构件使用寿命，保证加固结构的可靠性，满足更高的加固修复要求。

Description

基于闭合截面预应力FRP的钢柱加固修复结构

技术领域

本实用新型涉及建筑结构工程技术，特别涉及一种基于闭合截面预应力FRP的钢柱加固修复结构。

背景技术

钢柱作为一种常见且主要的钢结构承重构件，在设计、制造和施工过程中可能伴随着各种缺陷，同时由于使用阶段的超载、疲劳及锈蚀等因素，结构的安全受到这些损伤的影响，最终可能导致结构的破坏乃至造成工程事故，为了延长结构寿命并且保证结构安全，就需要对损伤构件进行更换或加固，但是更换构件耗费相对较大，并且结构的损伤具有多发性和局部性，不可能出现损伤后都进行更换，因此寻求经济高效的钢结构修复加固技术一直是钢结构工程技术领域研究的一项重要内容。

传统的加固修复方法，一般需要采用焊接或螺栓连接及铆接等手段，而焊接会使得焊接部位的材料性能变差，同时产生较大的残余应力，螺栓连接或铆接则需要在损伤部位附近开孔，削弱了截面，形成应力集中区域，还有一种粘钢加固技术，使用结构胶在钢结构表面粘贴钢板，这种技术虽然避免了前两种手段的缺点，但却极大的增加了结构重量，这些传统方法都具有难以避免的缺点。

相比而言，纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，简称为FRP)加固技术是一种具有独特优势的加固方法，其利用粘结剂将已固化的、半固化的或未固化的复合材料粘贴到需要加固修复的钢结构表面，所采用的FRP具有轻质高强、耐腐蚀性强、抗疲劳等优良材料特性，同时其非常灵活，形状多变，对各种外形的工程结构，如矩形柱、圆形柱等都具有很好的适用性，能够较好地贴合在构件表面，且在施工过程中易于操作。采用FRP加固钢柱是一种高效率低成本的加固修复方式，因此近年来FRP加固钢柱已得到了一定程度的应用。

在加固修复过程中，FRP加固方法仍然存在一些问题：由于钢柱中存在一定的负载，FRP对加固构件的屈服荷载和极限荷载提高不大，实际应用时可能在钢材屈服后FRP的高强作用才得以发挥；FRP的抗拉强度可能由于构件变形限制或出现FRP剥离破坏而不能充分发挥。为了解决这些问题，将预应力技术和FRP加固技术相结合是一种有效的途径，可以借此发挥两种技术各自的优点。国内外的相关理论和实践表明，预应力FRP加固方法可以有效提高构件的承载能力、整体刚度、疲劳寿命等性能，改善构件的力学性能，延长构件的使用寿命。因此，对预应力FRP加固技术进行相关研究是十分有意义的。

现有预应力施加均是采用“锚固+张拉”的方式，且绝大多数用于FRP片材1加固梁2(如图1所示)，将FRP一端采用锚固装置锚固3在梁一侧，另一侧进行张拉，施加预应力，再采用锚固装置3进行锚固。

对于FRP加固H型钢柱4来说，一般将FRP管材5内填混凝土6包裹H型钢柱4，此时，将形成闭合截面的FRP(如图2所示)。闭合截面FRP中，无法采用张拉的方式施加预应力，导致加固后钢柱承载力提高不大。因此，实用新型简便有效的在闭合FRP截面中施加预应力的方法具有重要意义。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对闭合截面的FRP加固钢柱，提供一种基于闭合截面预应力FRP的钢柱加固修复结构，通过本实用新型结构，能够对加固所用的闭合截面FRP施加预应力，实现预应力闭合截面FRP加固钢柱的施工，从而提升FRP加固后型钢柱的承载力，延长加固构件使用寿命，保证加固结构的可靠性，满足更高的加固修复要求。

本实用新型所采用的技术方案是：一种基于闭合截面预应力FRP的钢柱加固修复结构，包括FRP型材套筒，所述FRP型材套筒设置在需加固钢柱的外侧，将所述钢柱环绕在内；所述FRP型材套筒的外表面缠绕有若干层FRP布，若干层所述FRP布和所述FRP型材套筒组合形成FRP圆管套筒；所述FRP圆管套筒与所述钢柱之间填筑有膨胀混凝土，由所述膨胀混凝土产生的内压力对所述FRP圆管套筒施加预应力。

进一步地，所述FRP型材套筒割为两个半圆形型材套筒，两个所述半圆形型材套筒从所述钢柱的两侧将所述钢柱环绕在内，并拼合成FRP型材套筒；两个所述半圆形型材套筒的连接处采用FRP粘结剂粘结。

本实用新型的有益效果是：

1.钢柱加固时，提供了切实可行的为闭合截面FRP施加预应力的方法，改善了加固构件的力学性能，有效提高钢柱的屈服荷载和极限荷载，增强了钢柱的稳定性和抗疲劳性能，延长了其使用寿命。

2.受力上，构造简单，传力明确；由膨胀混凝土产生内压力从而对FRP圆管套筒施加预应力，避免了传统预应力施加方法较为繁琐的施工工艺，产生的预应力均匀而持久，并且使得FRP圆管套筒由传统的被动约束作用转变为主动约束作用，提前进入受力状态，从而充分发挥了高强FRP材料的受拉性能。

3.形式上适用性强，适用于常见外形和尺寸的钢柱，且经过加固后柱身整体为圆柱型，柱身上不附加任何锚具夹具等构件，造型相对美观，建筑效果相对较好。

4.施工时避免了焊接操作、螺栓连接和铆接。避免了焊接残余应力、截面开孔削弱等对钢柱本身的再次损伤，保证了加固过程不会对结构造成二次损害。

5.降低了施工成本，简化了施工工艺。由于不需要使用夹具锚具等构件，预应力施加的成本相对较小。同传统张拉工艺相比，施工工艺大大简化。

附图说明

图1：现有FRP预应力加固梁锚固示意图；

图2：现有FRP加固H型钢柱示意图；

图3：本实用新型FRP加固H型钢柱预应力施加示意图；

图4：H型钢柱剖面图；

图5a：本实用新型FRP型材套筒示意图；

图5b：本实用新型现场切割FRP型材套筒示意图；

图6a：本实用新型FRP型材套筒粘贴示意图；

图6b：本实用新型FRP布包裹FRP型材套筒形成FRP圆管套筒示意图；

图7：本实用新型在FRP圆管套筒和钢柱之间浇筑膨胀混凝土并养护示意图。

附图标注：

1——FRP片材；

2——梁；

3——锚固装置；

4——H型钢柱；

5——FRP管材；

6——内填混凝土；

7——膨胀混凝土；

8——FRP型材套筒；

9——FRP圆管套筒；

F_e——混凝土膨胀力；

F_p——FRP预应力；

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的实用新型内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

本实用新型是一种基于闭合截面预应力FRP的钢柱加固修复结构，能实现对加固所用的闭合截面FRP施加预应力。总的来说，通过本实用新型结构实现预应力闭合截面FRP加固钢柱的施工，从而提升FRP加固后型钢柱的承载力，延长加固构件使用寿命，保证加固结构的可靠性，满足更高的加固修复要求。

具体来讲，如图3所示，利用浇筑在FRP圆管套筒9和钢柱之间的膨胀混凝土7因体积膨胀产生的内压力(即，混凝土膨胀力F_e)，使得FRP圆管套筒9产生环向拉应力(即，FRP预应力F_p)，从而使得FRP圆管套筒9在钢柱没有新增外部荷载的情况下就参与对钢柱的约束工作，即消除了现有FRP管材5对钢柱约束作用的滞后性，将FRP管材5在加固钢柱时通常所发挥的被动约束作用变为主动约束作用，有效发挥高强FRP材料的抗拉力学性能。施工时不需要设置永久锚具，也不需要外部张拉装置，避免了繁琐的施工工艺，同时降低了施工成本，提供了一种简易、可行的预应力施加方法。

一种基于闭合截面预应力FRP的钢柱加固修复结构，所用FRP可以为CFRP、GFRP、AFRP和BFRP等，FRP材料形式需用到FRP圆管形缠绕型材及布材。缠绕型材指的是在加工时将连续纤维束或纤维织物浸润树脂后，按一定的规律缠绕到芯模表面，再经过固化形成以环向纤维为主的FRP型材套筒8。适用于常见外形和尺寸的钢柱加固，本实施例中，以H型钢柱4为例，H型钢柱4如图4所示，由于荷载增大、火灾、锈蚀等原因需要加固。

所述FRP型材套筒8设置在需加固钢柱的外侧，将所述钢柱环绕在内，所述钢柱可为H型钢柱4等常见外形和尺寸的钢柱。所述FRP型材套筒8的外表面缠绕有若干层FRP布，若干层所述FRP布和所述FRP型材套筒8组合形成FRP圆管套筒9。所述FRP圆管套筒9与所述钢柱之间填筑有膨胀混凝土7，由所述膨胀混凝土7产生的内压力(即，图3所示的混凝土膨胀力F_e)对所述FRP圆管套筒9施加预应力(即，图3所示的FRP预应力F_p)。

如图5a和图5b所示，为了能包住钢柱，所述FRP型材套筒8在现场一分为二进行切割，分割为两个半圆形套筒。如图6a所示，现场施工时，两个所述半圆形套筒从所述钢柱的两侧将所述钢柱环绕在内，并拼合成圆管型套筒；两个所述半圆形套筒的连接处采用FRP粘结剂粘结。如图6b所示，将两个半圆形套筒合二为一进行粘接后，再在整个FRP型材套筒8外侧缠绕数层FRP布，增强环箍整体性，FRP型材套筒8和FRP布组合形成FRP圆管套筒9。此时，FRP型材套筒8形成闭合截面，内部包有钢柱和混凝土浇筑空间。待FRP粘结剂达到强度以后，在内部浇筑膨胀混凝土7(如图7所示)。

待膨胀混凝土7凝固之后，由于其体积膨胀从而对FRP圆管套筒9产生内压力，在此内压力作用下，FRP圆管套筒9产生环向拉应力，从而起到对FRP圆管套筒9施加预应力的作用。膨胀混凝土7产生的内压力、FRP预应力示意图见图3所示的F_e、F_p。FRP中的预应力大小可设计，根据膨胀混凝土7中膨胀剂添加量来测算膨胀体积，从而计算FRP中施加的预应力大小，根据实际工程需求来调节。

采用上述基于闭合截面预应力FRP的钢柱加固修复结构对钢柱进行加固修复，包括以下步骤：

1.根据需要加固的钢柱尺寸以及加固的柱身范围，在工厂预制FRP型材套筒8，FRP型材套筒8尺寸应保证能够环绕钢柱柱身，且与柱身之间空隙足够浇筑膨胀混凝土7；

2.现场准备用来浇筑的膨胀混凝土7，膨胀混凝土7通过对混凝土加入膨胀剂制备得到，可以通过控制膨胀剂的添加量来控制施加预应力的大小；

3.在现场将预制的FRP型材套筒8沿横截面的对称轴切开，从中间一分为二，切割成为两个半圆形套筒；

4.将两个半圆形套筒环绕钢柱柱身拼合成为圆管型套筒，并临时固定在柱身周围，然后根据所使用的FRP材料种类，选用与材料种类匹配的FRP粘结剂，将两个半圆形套筒在切割处粘结起来；待FRP粘结剂固化以后，根据需要在FRP型材套筒8的外表面缠绕FRP布数层，从而得到FRP圆管套筒9；养护FRP粘结剂达到设计强度；

5.在FRP圆管套筒9与钢柱之间浇筑膨胀混凝土7，并进行养护；

待膨胀混凝土7凝固之后，即对加固钢柱的闭合截面FRP圆管套筒9成功施加了预应力，完成钢柱的加固修复。

尽管上面结合附图对本实用新型的优选实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种基于闭合截面预应力FRP的钢柱加固修复结构，其特征在于，包括FRP型材套筒(8)，所述FRP型材套筒(8)设置在需加固钢柱的外侧，将所述钢柱环绕在内；所述FRP型材套筒(8)的外表面缠绕有若干层FRP布，若干层所述FRP布和所述FRP型材套筒(8)组合形成FRP圆管套筒(9)；所述FRP圆管套筒(9)与所述钢柱之间填筑有膨胀混凝土(7)，由所述膨胀混凝土(7)产生的内压力对所述FRP圆管套筒(9)施加预应力。

2.根据权利要求1所述的一种基于闭合截面预应力FRP的钢柱加固修复结构，其特征在于，所述FRP型材套筒(8)分割为两个半圆形型材套筒，两个所述半圆形型材套筒从所述钢柱的两侧将所述钢柱环绕在内，并拼合成FRP型材套筒(8)；两个所述半圆形型材套筒的连接处采用FRP粘结剂粘结。