專利名稱：預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)及其預(yù)應(yīng)力施工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于土木建筑工程結(jié)構(gòu)及其施工方法，特別涉及有特殊要求的工程結(jié)構(gòu)及其施工方法。
背景技術(shù)：
目前，在土木建筑工程領(lǐng)域中，普遍使用的鋼筋混凝土和型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，有自重大、跨越能力小等缺點(diǎn)。又由于混凝土是一種抗壓性能很好，而抗拉性能很差〔一般為2～5MPa〕的材料，故易開裂破損。此外，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)土木建筑工程提出了新的要求，如結(jié)構(gòu)要輕盈、空間要寬闊、承載能力還要大等等，于是采用普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和型鋼混凝土結(jié)構(gòu)就難以滿足現(xiàn)代大型土木工程的需要。而且對(duì)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)而言，按容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)時(shí)，鋼材的塑性性能并未得到充分利用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是充分利用鋼材的塑性性能和纖維布優(yōu)異的力學(xué)性能，提供預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)及其施工方法，使土木工程結(jié)構(gòu)具有極高的承載能力和較大的結(jié)構(gòu)剛度，增長(zhǎng)使用壽命，以滿足現(xiàn)代大型土木工程結(jié)構(gòu)的要求，特別滿足有特殊要求的結(jié)構(gòu)，如自重輕、剛度大、截面尺寸小，有較大的跨越能力、能承受重荷載的結(jié)構(gòu)的要求。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，主要由纖維布〔如碳纖維布、高分子聚合物纖維布、玻璃纖維布等〕、型鋼〔如鋼板、熱軋型鋼、焊接型鋼及不同型鋼的組合結(jié)構(gòu)等〕和混凝土組成，或者主要由纖維布和型鋼組成。由纖維布和型鋼組成的纖維增強(qiáng)型鋼結(jié)構(gòu)，是利用鋼材優(yōu)良的塑性性能和纖維布很高的抗拉強(qiáng)度〔如碳纖維的極限強(qiáng)度比鋼材高10倍左右〕，采用纖維布增強(qiáng)型鋼的施工方法而形成；若采用纖維增強(qiáng)型鋼結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)混凝土的施工方法，就形成由纖維布、型鋼、混凝土組成的預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。由于纖維布具有可撓性、抗拉強(qiáng)度高、彈性模量大、耐高溫、抗疲勞、耐腐蝕、比重小、質(zhì)量輕等特性，故纖維增強(qiáng)型鋼結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，具有較高的極限承載能力和較大的結(jié)構(gòu)剛度，并改善了土木工程結(jié)構(gòu)的使用性能。本發(fā)明還充分利用纖維布的高抗拉強(qiáng)度特性和鋼材優(yōu)良的塑性性能，采用預(yù)彎曲預(yù)應(yīng)力技術(shù)〔包括反向加載預(yù)彎曲預(yù)應(yīng)力技術(shù)、正向加載預(yù)彎曲預(yù)應(yīng)力技術(shù)、先施行反向加載預(yù)彎曲預(yù)應(yīng)力技術(shù)再施行正向加載預(yù)彎曲預(yù)應(yīng)力技術(shù)〕對(duì)纖維布進(jìn)行預(yù)張拉的施工方法，來形成由纖維布和型鋼組成的預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)型鋼結(jié)構(gòu)；再用預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)型鋼結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)混凝土，也可采用預(yù)彎曲預(yù)應(yīng)力技術(shù)〔包括反向加載預(yù)彎曲預(yù)應(yīng)力技術(shù)或正向加載預(yù)彎曲預(yù)應(yīng)力技術(shù)〕的施工方法，又形成由纖維布、型鋼和混凝土組成的預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。根據(jù)使用目的的不同，可施行一次或多次預(yù)彎曲預(yù)應(yīng)力技術(shù)，從而使上述工程結(jié)構(gòu)建立起預(yù)應(yīng)力，進(jìn)一步提高工程結(jié)構(gòu)的極限承載能力，并獲得更大的結(jié)構(gòu)剛度，從而改善了工程結(jié)構(gòu)的使用性能。根據(jù)土木工程結(jié)構(gòu)要求的不同以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件使用目的的不同，可以采用上述不同的施工方法，就可得到上述不同的工程結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的施工方法及步驟1.用纖維布增強(qiáng)型鋼的施工方法及步驟〔1〕對(duì)型鋼下翼板〔指該結(jié)構(gòu)在抗彎使用時(shí)，型鋼受拉一側(cè)的翼緣板〕的粘貼面進(jìn)行除銹、打磨、清潔處理；〔2〕將粘結(jié)劑均勻地涂刷在處理過的型鋼下翼板的粘貼面上；〔3〕將碳纖維布鋪放在粘結(jié)劑上，并用滾筒碾壓，壓至纖維布充分浸漬于粘結(jié)劑中；〔4〕再在纖維布上涂刷浸漬樹脂，并自然養(yǎng)生。
2.用纖維增強(qiáng)型鋼結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)混凝土的施工方法，根據(jù)使用的目的不同，有兩種方式〔1〕將纖維增強(qiáng)型鋼結(jié)構(gòu)〔即已粘貼纖維布的型鋼〕用混凝土包裹起來澆筑，就形成預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)；〔2〕將混凝土澆筑在纖維增強(qiáng)型鋼結(jié)構(gòu)的上翼板〔指該結(jié)構(gòu)在抗彎使用時(shí)，型鋼受壓一側(cè)的翼緣板〕上，就形成預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)型鋼混凝土疊合結(jié)構(gòu)。
3.采用預(yù)彎曲預(yù)應(yīng)力技術(shù)的施工方法和步驟〔1〕反向加載預(yù)彎曲預(yù)應(yīng)力技術(shù)的施工方法及步驟①對(duì)型鋼反向加載〔即加載方向與正常使用荷載的作用方向相反〕，使型鋼下翼板〔指在正常使用荷載的作用時(shí)，型鋼受拉一側(cè)的翼緣板〕受壓接近屈服，但一定不要達(dá)到或超過鋼材的屈服極限，使其處于鋼材的線彈性范圍內(nèi)；保持此時(shí)的荷載不變；②在反向荷載保持狀態(tài)下，對(duì)型鋼下翼板的粘貼面進(jìn)行除銹、打磨、清潔處理；③在反向荷載保持狀態(tài)下，將粘結(jié)劑均勻地涂刷在處理過的型鋼下翼板的粘貼面上；④在反向荷載保持狀態(tài)下，將纖維布鋪放在粘結(jié)劑上，并用滾筒碾壓，壓至纖維布充分浸漬于粘結(jié)劑中；⑤再在纖維布上涂刷浸漬樹脂，并自然養(yǎng)生；⑥待粘結(jié)劑達(dá)到充分的強(qiáng)度后，緩慢卸除所加的反向荷載。所加荷載卸除后，鋼結(jié)構(gòu)要恢復(fù)原狀，于是纖維布受拉而使型鋼下翼板受壓，從而在結(jié)構(gòu)中建立起了預(yù)應(yīng)力。
〔2〕正向加載預(yù)彎曲預(yù)應(yīng)力技術(shù)的施工方法及步驟①對(duì)纖維增強(qiáng)型鋼結(jié)構(gòu)或者已施行反向加載預(yù)彎曲預(yù)應(yīng)力技術(shù)的預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)型鋼結(jié)構(gòu)或者預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，施加正向荷載〔即加載方向與正常使用荷載的作用方向一致〕，使型鋼下翼板受拉，同時(shí)纖維布也受拉；②施加的正向荷載，應(yīng)使型鋼下翼板受拉超過其屈服極限，產(chǎn)生塑性變形，但其塑性變形不能超過纖維布極限拉應(yīng)變值，也不能超過鋼材的極限拉應(yīng)變值；③按使用要求，正向加載使型鋼下翼板的塑性變形發(fā)展到一定程度后，緩慢地卸除所加的正向荷載，由于鋼材的塑性變形是不可恢復(fù)的，因此使纖維布也產(chǎn)生了不能完全恢復(fù)的強(qiáng)迫變形，于是在結(jié)構(gòu)中建立起由正向加載預(yù)彎曲而產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力；④將已產(chǎn)生塑性變形的結(jié)構(gòu)放置0天到300天以上，由于鋼材的冷作硬化特性，能使結(jié)構(gòu)增加一定的強(qiáng)度。
本發(fā)明施工方法簡(jiǎn)單，采用本明的施工方法所形成的結(jié)構(gòu)具有自重輕、剛度大、尺寸小，能夠承受重荷載，并有很大的跨越能力，改善了構(gòu)件的使用性能等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明可應(yīng)用于土木建筑的各個(gè)領(lǐng)域，如大跨工業(yè)廠房、飛機(jī)機(jī)庫、大型停車場(chǎng)，也可應(yīng)用于房屋梁、板；還可應(yīng)用于橋梁、水工、地鐵及輕軌工程；甚至可應(yīng)用于部分機(jī)械制造業(yè)，如大型吊運(yùn)設(shè)備、大型輪船、汽車；等等。
四

圖1為纖維增強(qiáng)型鋼結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)型鋼混凝土疊合結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為反向加載預(yù)彎曲預(yù)應(yīng)力施工方法示意圖及I-I剖視圖；圖5為正向加載預(yù)彎曲預(yù)應(yīng)力施工方法示意圖及I-I剖視圖；圖6為試驗(yàn)梁構(gòu)件示意圖及其I-I剖視圖。
圖中1-型鋼組合結(jié)構(gòu)、2-纖維布、3-下翼板、4-混凝土、5-型鋼、6-上翼板、7-槽鋼、8-正常使用荷載作用方向、9-反向預(yù)彎曲加載方向、10-正向預(yù)彎曲加載方向。
五具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例，進(jìn)一步說明本發(fā)明。
如附圖6所示的試驗(yàn)梁構(gòu)件，采用在工字型鋼5的上翼板6上加焊一槽鋼7組合而成的結(jié)構(gòu)，組合結(jié)構(gòu)的高度為140毫米，其下翼板3的寬度為68毫米，槽鋼7的寬度為63毫米，試驗(yàn)梁的長(zhǎng)度為2米。對(duì)該試驗(yàn)梁進(jìn)行先反向加載后再正向加載預(yù)彎曲預(yù)應(yīng)力技術(shù)施工步驟1.反向加載預(yù)彎曲預(yù)應(yīng)力施工步驟為了方便加載和粘貼碳纖維布，將試驗(yàn)梁構(gòu)件翻轉(zhuǎn)180度，采用單點(diǎn)加載方案。
①對(duì)型鋼組合結(jié)構(gòu)反向加載，使其下翼板3受拉并達(dá)到鋼材屈服應(yīng)變的0.9倍時(shí)，持荷；②在反向加載持荷狀態(tài)下，對(duì)型鋼組合結(jié)構(gòu)的下翼板3的粘貼面進(jìn)行除銹、打磨、清潔處理；③將粘結(jié)劑均勻地涂刷在處理過的下翼板3的粘貼面上；④將0.111毫米厚的碳纖維布鋪放在粘結(jié)劑上，并用滾筒碾壓，壓至碳纖維布充分浸漬于粘結(jié)劑中；⑤再在碳纖維布上涂刷浸漬樹脂，并自然養(yǎng)生。
⑥自然養(yǎng)生6天后，緩慢卸除所加的反向荷載。
由于型鋼組合結(jié)構(gòu)要恢復(fù)變形，于是在碳纖維布中產(chǎn)生預(yù)拉應(yīng)力，從而在整個(gè)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了預(yù)彎曲預(yù)應(yīng)力。
2.正向加載預(yù)彎曲預(yù)應(yīng)力施工步驟
①對(duì)已施行反向加載預(yù)彎曲預(yù)應(yīng)力施工的試驗(yàn)梁，施行兩點(diǎn)正向加載方案，使下翼板3和碳纖維布2同時(shí)受拉；②正向加載至下翼板3進(jìn)入塑性區(qū)；③待正向加載使型鋼下翼板3產(chǎn)生塑性變形后，緩慢地卸除所加的正向荷載，并放置20天。
由于鋼材的塑性變形不能完全恢復(fù)，使碳纖維布再次受拉，因而在試驗(yàn)梁構(gòu)件中建立了正向加載預(yù)彎曲預(yù)應(yīng)力。
經(jīng)過先反向后再正向加載預(yù)彎曲預(yù)應(yīng)力施工后的預(yù)應(yīng)力碳纖維增強(qiáng)型鋼結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)梁構(gòu)件〔簡(jiǎn)稱為PCFRS梁〕，與沒有粘貼碳纖維布的截面組成和尺寸完全一樣的型鋼組合結(jié)構(gòu)〔簡(jiǎn)稱為對(duì)比梁〕進(jìn)行加載試驗(yàn)，結(jié)果表明在實(shí)驗(yàn)條件完全相同的情況下，對(duì)比梁的極限荷載為6.8噸，而PCFRS梁在加載到7.8噸后，碳纖維布的工作狀態(tài)仍然良好，還可繼續(xù)承載；另外，構(gòu)件的剛度亦有很大的提高，如在6.0噸荷載作用下，對(duì)比梁跨中撓度達(dá)11.0毫米，而PCFRS梁約為9.0毫米。
權(quán)利要求
1.預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)及其預(yù)應(yīng)力施工方法，其結(jié)構(gòu)的組成主要有型鋼〔5〕、混凝土〔4〕，其特征在于還有纖維布〔2〕，由纖維布和型鋼組成的纖維增強(qiáng)型鋼結(jié)構(gòu)，是用纖維布增強(qiáng)型鋼的施工方法形成的；由纖維布〔2〕、型鋼〔5〕、混凝土〔4〕組成的預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，是用纖維增強(qiáng)型鋼結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)混凝土的施工方法形成的；而由纖維布和型鋼組成的預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)型鋼結(jié)構(gòu)，是采用反向加載預(yù)彎曲預(yù)應(yīng)力技術(shù)或正向加載預(yù)彎曲預(yù)應(yīng)力技術(shù)或先反向后正向加載預(yù)彎曲預(yù)應(yīng)力技術(shù)的施工方法而形成的；由纖維布、型鋼和混凝土組成的預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，還可以采用反向加載預(yù)彎曲預(yù)應(yīng)力技術(shù)或正向加載預(yù)彎曲預(yù)應(yīng)力技術(shù)，用預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)型鋼結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)混凝土的施工方法來形成。
2.按照權(quán)利要求1所述預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)及其預(yù)應(yīng)力施工方法，其特征在于所述的纖維布〔2〕是碳纖維布或高分子聚合物纖維布或玻璃纖維布。
3.按照權(quán)利要求1所述預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)及其預(yù)應(yīng)力施工方法，其特征在于所述的用纖維布增強(qiáng)型鋼的施工方法及步驟①對(duì)型鋼〔5〕的下翼板〔3〕的粘貼面進(jìn)行除銹、打磨、清潔處理；②將粘結(jié)劑均勻地涂刷于處理過的型鋼〔5〕的下翼板〔3〕的粘貼面上；③將纖維布〔2〕鋪放在粘結(jié)劑上，并用滾筒碾壓，壓至纖維布〔2〕充分浸漬于粘結(jié)劑中；④再在纖維布〔2〕上涂刷浸漬樹脂，并自然養(yǎng)生。
4.按照權(quán)利要求1所述預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)及其預(yù)應(yīng)力施工方法，其特征在于所述的用纖維增強(qiáng)型鋼結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)混凝土的施工方法，是將纖維增強(qiáng)型鋼結(jié)構(gòu)用混凝土〔4〕包裹起來澆筑，或者是將混凝土〔4〕澆筑在已粘貼纖維布〔2〕的型鋼〔5〕的上翼板〔6〕上。
5.按照權(quán)利要求1所述預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)及其預(yù)應(yīng)力施工方法，其特征在于所述的反向加載預(yù)彎曲預(yù)應(yīng)力技術(shù)的施工方法及步驟①對(duì)型鋼〔5〕反向加載，使型鋼〔5〕的下翼板〔3〕受壓至接近屈服，但不達(dá)到或不超過鋼材的屈服極限，并保持荷載；②在反向加載的狀態(tài)下，對(duì)型鋼〔5〕的下翼板〔3〕的粘貼面進(jìn)行除銹、打磨、清潔處理；③在反向加載的狀態(tài)下，將粘結(jié)劑均勻地涂刷在處理過的型鋼〔5〕的下翼板〔3〕的粘貼面上；④將纖維布〔2〕鋪放在粘結(jié)劑上，并用滾筒碾壓，壓至纖維布〔2〕充分浸漬于粘結(jié)劑中；⑤再在纖維布〔2〕上涂刷浸漬樹脂，并自然養(yǎng)生；⑥緩慢卸除所加的反向荷載。
6.按照權(quán)利要求1所述預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)及其預(yù)應(yīng)力施工方法，其特征在于所述的正向加載預(yù)彎曲預(yù)應(yīng)力技術(shù)的施工方法及步驟①對(duì)已粘貼纖維布的纖維增強(qiáng)型鋼結(jié)構(gòu)或者已施行反向加載預(yù)彎曲預(yù)應(yīng)力技術(shù)的預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)型鋼結(jié)構(gòu)或預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，施行正向加載，使型鋼〔5〕的下翼板〔3〕和纖維布〔2〕同時(shí)受拉，其型鋼下翼板〔3〕受拉超過其屈服極限而產(chǎn)生塑性變形，但不能超過纖維布〔2〕和鋼材的極限拉應(yīng)變；②待正向加載使型鋼下翼板〔3〕產(chǎn)生塑性變形后，緩慢卸除所加的正向荷載。
全文摘要
預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)及其預(yù)應(yīng)力施工方法，屬于土木建筑工程結(jié)構(gòu)及其施工方法。本發(fā)明主要由纖維布、型鋼和混凝土組成，由纖維布和型鋼組成的纖維增強(qiáng)型鋼結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)型鋼結(jié)構(gòu)，由纖維布、型鋼和混凝土組成的預(yù)應(yīng)力纖維增強(qiáng)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，具有自重輕、剛度大、能承受重荷載、有很大的跨越能力等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明施工方法簡(jiǎn)單，所形成的工程結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良，適用于土木建筑工程各個(gè)領(lǐng)域，如房屋大梁、樓板、大跨工業(yè)廠房、飛機(jī)機(jī)庫、大型停車場(chǎng)、橋梁等，也可運(yùn)用于機(jī)械制造行業(yè)，如大型吊運(yùn)設(shè)備、大型輪船、汽車等。
文檔編號(hào)E04B1/18GK1414195SQ0213384
公開日2003年4月30日 申請(qǐng)日期2002年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月28日
發(fā)明者卓靜 申請(qǐng)人:卓靜