超高性能纤维混凝土预制管片环向约束加固混凝土柱的装置及方法与流程

本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种超高性能纤维混凝土预制管片环向约束加固混凝土柱的装置及方法。

背景技术：

钢筋混凝土结构在长期使用过程中，在内部、外部、及人为因素作用下，随着时间的推移，将发生材料的老化与结构损伤，这种损伤的累积将导致结构性能劣化、承载力下降、耐久性能降低。为了使结构仍能满足设计规范关于承载力和正常使用性能的要求，必须对这些结构进行加固和补强。

目前，混凝土柱的加固通常有两种方法：一是直接提高柱的竖向抗压能力的方法，例如增大截面法或粘钢修复法，通过增大的截面或粘贴的型钢直接承受一定的竖向荷载，因此加固后柱的总体抗压能力得到提高。二是通过对混凝土柱施加环向的约束，间接提高柱的竖向抗压能力的方法，例如在柱身粘贴高强纤维布加固。粘贴的纤维布并不直接承受竖向压力，而是限制混凝土柱竖向受压后出现的环向膨胀变形，从而产生环向的约束力。这种约束力会使得混凝土柱处于三向受压状态，而三向受压的混凝土柱的竖向抗压能力会得到显著提高，因此加固后柱的总体抗压能力也得到提高。

现有加固方法，增大截面法采用现场浇筑存在施工困难，粘钢修复法存在耐久性差、加固效率低等不足，有待更进一步的改进和发展。

超高性能纤维混凝土(uhpfrc)是一种具有超高力学性能的水泥基钢纤维复合材料，其抗压强度可达200mpa，抗拉强度可达10mpa，断裂韧度可与金属媲美，不存在钢筋锈蚀问题，且具有极强的抗氯离子侵蚀、抗碳化、抗冻融循环和抗冲击爆炸等性能，其自重和普通混凝土相差不大，是一种理想的结构加固材料。特别是在沿海地区和高寒地区，uhpfrc超高的抗氯离子侵蚀性能和抗冻融循环能力，能够极大地提高结构的耐久性和使用寿命。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术对混凝土柱的加固方法存在耐久性差、加固效率低等缺陷，并提供一种超高性能纤维混凝土预制管片环向约束加固混凝土柱的装置，其不仅能提供一定的环向约束，而且具有经济、自重轻、质量可靠、耐久性强、施工简单、维修方便等一系列优点。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种超高性能纤维混凝土预制管片环向约束加固混凝土柱的装置，包括若干片由超高性能纤维混凝土制成的预制管片，若干预制管片首尾拼接形成一个可紧箍于被加固柱外部的环箍；环箍上不同预制管片的拼接处设有用于联结两侧预制管片的连接件；预制管片的顶部加工成榫状结构，底部加工成能够与所述榫状结构相配合固定的卯状结构。

作为优选，所述的预制管片为两片，均呈半圆环形。

进一步的，所述的环箍内径略小于被加固柱的外径，使环箍与被加固柱能形成过盈配合。

作为优选，所述的连接件包括凸块和螺栓，预制管片的侧部连接位置均设置有凸出于管片外表面的凸块，凸块上开设螺栓孔，用于插入螺栓以联结相邻两片预制管片。

作为优选，所述的环箍有多个，不同的环箍通过榫卯结构纵向连续拼接，形成对被加固柱的整体包覆。

进一步的，上下两个连续的环箍上的连接缝错开设置。

作为优选，被加固柱是断面为圆形或矩形。

本发明的另一目的在于提供一种超高性能纤维混凝土预制管片环向约束加固混凝土柱的方法，步骤如下：

s1、以超高性能纤维混凝土为材料，根据被加固柱的尺寸预制内径略小于被加固柱外径的预制管片，将被加固柱的表面进行磨平处理，然后将若干片预制管片紧贴被加固柱形成一个紧箍于被加固柱上的环箍，并将预制管片中的预制管片两两用螺栓连接，对被加固柱施加一定的环向约束；

s2、通过分别设置于环箍顶面和底面的榫状结构和卯状结构，按照s1的方法由下至上将若干个环箍连续拼接并整体包覆被加固柱。

本发明公开了一种预制高性能纤维混凝土管片环向约束加固混凝土柱的装置及方法，利用若干超高性能纤维混凝土(uhpfrc)预制管片通过螺栓连接形成环箍，约束在被加固柱外侧；管片纵向方向设置凹凸榫，从下至上拼装环箍，形成紧密的整体包覆；环箍的直径略小于被加固柱的直径，具体尺寸根据设计确定，通过连接螺栓施加一定的环向约束，使得环箍与被加固柱紧密贴合，间接提高了加固柱的竖向抗压能力。本发明提供的uhpfrc预制管片环向约束加固混凝土柱的方法与传统的加固方法相比，具有承载力高、截面尺寸小、延性和耐久性好、施工方便、造价低等优点。

附图说明

图1为本发明中被加固柱的结构示意图；

图2为本发明中uhpfrc预制管片环向约束加固混凝土柱的结构示意图；

图3为本发明中单个uhpfrc预制管片的结构示意图；

图4为本发明中用于连接uhpfrc预制管片的螺杆示意图；

图5为本发明中uhpfrc预制管片环向连接成环箍的结构示意图；

图6为本发明中uhpfrc预制管片预留螺栓孔的结构示意图；

图例说明：被加固柱1、预制管片2、环箍3、榫状结构4、螺栓孔5。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1所示，在本实施例中，被加固柱1呈圆柱形。如图2所示，本发明的超高性能纤维混凝土预制管片环向约束加固混凝土柱的装置是通过若干个紧紧包围在被加固柱1外部的环箍3实现的，每个环箍3包括两片由超高性能纤维混凝土制成的预制管片2。如图3所示，预制管片2均呈半圆环形，预制管片2的弧形末端侧壁上均设置有凸出于管片外表面的条状凸块，凸块上开设螺栓孔5，用于插入螺栓以联结相邻两片预制管片2。螺栓和螺帽如图4所示。使用时，两片预制管片2首尾拼接，形成一个可紧箍于被加固柱外部的圆环形环箍3。然后向螺栓孔5中插入螺栓，拧上螺帽，实现对预制管片2的固定，并最终形成如图5所示的结构。

预制管片2在制作时，预留的螺栓孔5拼接时对位偏差要控制在一定范围，以便于用高强度螺拴和螺帽拧紧固定。对于螺栓尺寸应根据不同工况进行设计，满足连接强度要求。

环箍3内径应略小于被加固柱的外径，使环箍3与被加固柱能形成过盈配合，对被加固柱1施加一定的环向约束，提高被加固柱的竖向抗压能力。环箍3内径具体可根据所需施加的约束力大小来确定。

环箍3尽量整体包覆被加固柱的外立面，具体所需个数需视主体高度和环箍尺寸而定。预制管片内表面与被加固柱的外表面之间应保持紧紧贴合。且为了实现上下环箍3的连接固定，可以将预制管片2的顶部加工成榫状结构，底部加工成能够与榫状结构相配合固定的卯状结构，通过榫卯结构进行上下环箍3的拼装。

在另一实施例中，上下两个连续的环箍3上的连接缝错开设置如90度差，以避免连接缝贯通，影响结构强度。

在上述实施例中，被加固柱1断面为圆形，但在另外的实施例中，断面可以为其它形状的混凝土柱(如矩形)，uhpfrc预制管片应根据被加固柱断面形状制作。其内表面应能够紧贴被加固柱1的外表面，且通过螺栓连接后能够实现过盈配合，对被加固柱1施加压力。

在上述实施例中，预制管片2间通过螺栓实现连接，但在另外的实施例中，还可以通过其他连接件实现连接，例如卡扣、榫卯等，只要能够实现预制管片2方便、牢固的首尾相接即可。

在上述实施例中，预制管片2为呈半圆环形的两片，但在另外的实施例中，还可以设置3片或者多片扇环形预制管片，首尾连接形成环箍。

uhpfrc可采用现有技术中的方法制备。在一实施例中，uhpfrc的组分配方为：水泥：高炉矿渣微粉：硅粉：石英砂：高效减水剂：水：钢纤维＝657：418：119：1051：40：185：157。uhpfrc的材料可通过如下方法制备：先将水泥基材料干拌两分钟，然后缓慢加入水和减水剂，在水泥浆搅拌均匀后，缓慢加入钢纤维搅拌10分钟左右至分布均匀；然后浇筑于模具中，并在振动台震动1分钟左右；在室温下硬化一天之后拆模，如需较高的早期强度，可以在90℃养护箱中养护数天。但是需要指出的是，此处的uhpfrc配方和制备方法仅为便于本领域技术人员理解而提供，并非用于限定本发明。

基于上述加固装置，本发明还提供了与之相适应的超高性能纤维混凝土预制管片环向约束加固混凝土柱的方法，其步骤如下：

s1、以超高性能纤维混凝土为材料，根据被加固柱的尺寸预制内径略小于被加固柱外径的预制管片2，将被加固柱的表面进行磨平处理(以便于与预制管片2内表面紧密接触)，然后将若干片预制管片2紧贴被加固柱形成一个紧箍于被加固柱上的环箍3，并将预制管片2中的预制管片2两两用螺栓连接，对被加固柱施加一定的环向约束；

s2、通过分别设置于环箍3顶面和底面的榫状结构和卯状结构，按照s1的方法由下至上进行施工，将若干个环箍3连续拼接并整体包覆被加固柱，即从被加固柱需要加固位置的最下方开设包裹预制管片2，用螺栓连接成环箍3后，在以该环箍3为基础，在上方通过榫卯结构连接另外两片预制管片2并用螺栓连接成第二个环箍3，依次施工直至整体包覆所有待加固区域。

利用uhpfrc材料超高的抗碳化、抗氯离子侵蚀性能和抗冻融循环能力，对被加固柱进行整体包覆后，可以大幅度提高结构的耐久性和使用寿命，使得该加固方法尤其适合在沿海和高寒地区使用。

总体而言，本发明能够减少现场施工困难，在提供一定环向约束的前提下，加固后混凝土柱具有优良的耐火性、超高的高耐久性及后期维护成本低等特点，并在提高混凝土柱承载力的同时提高其抗震、抗冲击和抗爆性能。同时，本发明加固施工方法操作简单，效率高，质量容易保证。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。