一种用于夹紧形状记忆合金丝的扁锚具及其应用方法与流程

本发明属于土木工程技术领域，具体说是一种用于夹紧形状记忆合金丝的扁锚具及其应用方法。

背景技术：

形状记忆合金由于其独特的形状记忆特性已经越来越广泛的被用作局部加固材料来控制混凝土构件的变形和裂缝发展，然而嵌入在混凝土构件中的形状记忆合金仅仅依靠其与混凝土的摩擦力和粘结力来抵抗形状记忆合金产生的驱动力，但是作为局部加固材料，嵌入混凝土中的形状记忆合金在锚固方面存在以下局限性。首先光滑的形状记忆合金无法在短的嵌入长度下与混凝土间有足够的粘结强度，同时因为形状记忆合金硬度大，所以很难改变形状记忆合金的形状来提高其锚固性能。另外现有工程中常用的锚具通常具有相对较大的尺寸，这意味着现有的锚具不能锚固直径较小的作为局部加固材料的形状记忆合金丝，同时较大尺寸的锚具嵌入混凝土结构会对原有混凝土结构如薄壁混凝土结构造成损伤。可见为了使作为局部加固材料的形状记忆合金充分发挥其驱动力，发明一套有效的锚固体系已经成为了一个急需解决的课题。

技术实现要素：

本申请提供了一种用于夹紧形状记忆合金丝的扁锚具及其应用方法，解决了现有锚具的局限性，便于形状记忆合金局部加固混凝土结构，同时具有尺寸较小、结构简单、安装方便、生产成本低等优点。

为实现上述目的，本申请的技术方案为：一种用于夹紧形状记忆合金丝的扁锚具，包括：锚块、数个无头内六角螺钉、穿丝孔道、螺孔；所述锚块长轴中心开有一条贯通的穿丝孔道，在沿锚块宽度方向两侧交错开有数个螺孔，每个螺孔与穿丝孔道相连通，所述无头内六角螺钉与相应的螺孔配合相连。

进一步的，形状记忆合金丝穿过锚块的穿丝孔道，通过数个无头内六角螺钉对形状记忆合金的挤压力实现锚固效果。

进一步的，穿丝孔道的直径等于形状记忆合金的直径。

进一步的，锚块所用的材料为高强海工用钢DH36，无头内六角螺钉的性能等级为10.9级。

本申请还提供了一种上述扁锚具的应用方法，具体为：

100开槽：首先对混凝土梁局部裂缝处表面疏松或者对缺陷部分进行清理，然后在混凝土梁局部开裂的区域凿除一定厚度的原有混凝土保护层，实现在混凝土保护层深度范围内的开槽，开槽的形状为狗骨头形，最后对已开好凹槽的杂物进行清理，并用酒精对凹槽内壁进行擦拭；

200张拉合金：首先，将形状记忆合金安装在拉伸系统上，所述拉伸系统包括张拉设备与传感器数据采集设备；调整形状记忆合金位置，保证张拉设备的千斤顶拉杆与形状记忆合金丝的中心在同一水平线上，然后开始张拉并通过传感器数据采集设备控制张拉速率，整个张拉过程采用应变控制速率，应变速率为0.01/S。最后当形状记忆合金达到一定的预应变后完成张拉；

300内嵌合金：拉伸完成后，将形状记忆合金从拉伸系统中取下，然后将形状记忆合金的两端安装扁锚具，所述扁锚具外侧预留一段裸露的形状记忆合金，以便后续对其进行热激励，安装完扁锚具后将形状记忆合金放入已开好的凹槽内，同时保证形状记忆合金位于狗骨头形凹槽的中心。

400注入黏结材料：黏结材料采用一种易灌注到狭窄空间的聚合物水泥砂浆，水泥砂浆的配合比为砂浆与水的质量比为25:3.5.首先将已经配制好的黏结材料缓慢注入凹槽内，使黏结材料慢慢的注满凹槽，随后将黏结材料进行抹平处理，保证黏结材料与原有混凝土梁的局部裂缝处的平面在同一个水平面内，然后将抹平后的黏结材料表面覆盖一层塑料薄膜防止水分散失，最后将黏结材料进行常温下养护。

500热激励合金：待黏结材料达到预期强度后，首先将形状记忆合金两端分别与直流电源正负极连接，并且在形状记忆合金丝端部连接热电偶温度传感器,然后打开直流电源对其进行电流热激励，待热电偶传感器读数达到设置温度后(可以设置为150℃)关闭电源，停止热激励。

600恢复保护层：在混凝土梁开槽处涂抹一层混凝土砂浆保护层，进行涂装，从而恢复保护层，完成加固。

进一步地，开槽的方向垂直于裂缝开展的方向；且已开好凹槽的深度hc应满足hm<hc<hl,其中hl为混凝土梁保护层厚度,hm为所用扁锚具的高度。

进一步地，所述凹槽形状为狗骨头形；单个狗骨头形凹槽两端的宽度Wd等于所用扁锚具的宽度Wm，中部的宽度Wz大于所用形状记忆合金丝的直径D.

进一步地，所用形状记忆合金的根数由混凝土梁局部裂缝处所受的主拉应力确定，其关系式N×σp≥σt，N为所用形状记忆合金的根数，σp为形状记忆合金热激励后作用在混凝土梁上的预加力，σt为混凝土梁局部裂缝处的主拉应力；预加力σp与形状记忆合金热激励后产生的永久恢复应力σc、裂缝闭合和黏结材料弹性压缩所带来的预应力损失σ1、σ2有关，其关系式为E＝σc-σ1-σ2；其中σ1＝Ep×W/L,σ2＝Ep×εc.；W为混凝土梁局部裂缝处裂缝宽度，L为所用形状记忆合金预变形长度，Ep为形状记忆合金的弹性模量，εc为形状记忆合金预加力引起的黏结材料弹性压缩应变；预变形长度L＝Lx×εx.，其中Lx为所用单根形状记忆合金长度，εx.为形状记忆合金的预应变。

进一步地，为保证形状记忆记忆合金有足够的预应力作用在混凝土梁上，所用单根形状记忆合金的长度应满足Lx>(W×Ep)/(σc-Ep×εc-σt/N)/εx。

更进一步地，开槽的数量NC等于所用形状记忆合金的数量N。

更进一步地，所用形状记忆合金为镍钛铌形状记忆合金。

更进一步地，扁锚具形状为小尺寸的六面体结构，而且扁锚具对形状记忆合金的锚固力σm大于形状记忆合金的永久恢复应力σc。

作为更进一步地，黏结材料为耐高温聚合物水泥砂浆。

形状记忆合金热激励后产生的永久恢复应力σc与所用形状记忆合金的原子比和张拉预变形量有关。在锚固端处通过扁锚具锚固镍钛铌形状记忆合金，以防在热激励过程中镍钛铌形状记忆合金出现滑移。

本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：

(1)此锚具对光滑的形状记忆合金有良好的锚固效果，最大锚固力可以达到形状记忆合金产生的最大驱动力的2倍以上，能充分发挥形状记忆合金的形状记忆特性，从而解决混凝土局部加固中因为形状记忆合金嵌入长度短与混凝土间粘结强度不足的问题。

(2)此锚固体系，不需要改变形状记忆合金的形状，解决了形状记忆合金因为硬度大难以改变形状的难点。

(3)相比于现有工程上锚具，此扁锚具尺寸小，能锚固直径较小的形状记忆合金丝，同时由于锚具尺寸小，嵌入混凝土结构中不会对原混凝土结构造成损伤。

(4)此扁锚具结构简洁，安装方便，生产成本低。

通过对镍钛铌形状记忆合金的热激励，驱动合金产生永久恢复力，从而对结构施加预应力，来改善混凝土梁局部裂缝处的受力状态，闭合局部裂缝，从而提高结构的承载能力和耐久性。此种加固方法避免了传统主动加固方法所需要的大型设备机械张拉所带来的施工困难、工艺复杂等难点，相比于传统主动加固方法此加固方法施工简单，减少了人力成本。形状记忆合金产生的预应力通过形状记忆合金与黏结材料传力，预应力度高，同时不需要使用预应力张拉锚具，避免了安装预应力张拉锚具过程中对原有混凝土结构带来的损伤。形状记忆合金可以根据裂缝方向随意布置，不受施工空间限制。形状记忆合金不外露，从而保证了加固材料的耐久性。加固完成后的混凝土梁外观与原结构几乎相同，从而保证了结构的美观性与耐久性。

附图说明

图1是扁锚具的俯视透视图；

图2是图1中A-A、C-C、E-E的剖视图；

图3是图1中B-B、D-D的剖视图；

图4是扁锚具的主视透视图；

图5是形状记忆合金锚固体系图；

图6是扁锚具应用方法流程图；

图7是带裂缝混凝土梁立体图；

图8是形状记忆合金修复混凝土梁局部裂缝平面图。

图中序号说明：a、锚块；a1、穿丝孔道；a2、螺孔；a3、内螺纹；b、无头内六角螺钉；1、混凝土梁；2、局部裂缝；3、狗骨头形凹槽；4、锚固端；5、形状记忆合金丝；6、黏结材料。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：以此为例对本申请做进一步的描述说明。

实施例1

本实施例提供一种用于夹紧形状记忆合金丝的扁锚具，包括锚块、数个无头内六角螺钉、穿丝孔道、螺孔；所述锚块为六面体，沿长轴中心开有贯通的穿丝孔道，沿锚块宽度方向的两个侧面开有数个交错的带有内螺纹的螺孔，螺孔深度直达穿丝孔道，无头内六角螺钉的螺纹与螺孔内螺纹匹配，形状记忆合金为小直径丝材。将形状记忆合金丝穿过穿丝孔道后，分别将无头内六角螺钉拧入锚块两侧的螺孔，拧紧锚固即可。

两端安装扁锚具的形状记忆合金丝可用于混凝土结构的加固工程。在待加固的混凝土构件保护层中开条形槽，将两头安有扁锚具的形状记忆合金丝放入槽中，填充黏结材料恢复条型槽，即可完成结构的加固。

本扁锚具尺寸小，锚固力大，对混凝土结构损伤小，有效解决了小直径形状记忆合金丝的锚固问题，结构简单，安装简便，成本低廉，可用于薄壁混凝土结构的加固工程。

实施例2

本实施例提供一种扁锚具应用方法，具体步骤为：

100开槽：在混凝土梁具有局部裂缝的位置凿除原有混凝土保护层的一定厚度，从而完成在混凝土保护层深度范围内的开槽。

200张拉合金：需要对合金进行拉伸处理，使其产生一定的预应变。

300内嵌合金：拉伸完成的镍钛铌形状记忆合金，在锚固端处用锚具锚固钛铌形状记忆合金。

400注入黏结材料：将黏结材料注入槽内。

500热激励合金：待黏结材料达到预期强度后，通电热激励形状记忆合金，使其产生恢复力，利用锚固端锚具的锚固力与黏结材料的粘结力一起抑制形状记忆合金的滑移，从而将恢复应力引入混凝土梁中作为预应力，使混凝土梁其裂缝闭合。

600恢复保护层：在混凝土梁开槽处涂抹一层混凝土砂浆保护层，进行涂装，从而恢复保护层，完成加固。

上述方法，通过对镍钛铌形状记忆合金的热激励，使合金产生永久恢复力作为预应力施加到结构上，来改善混凝土梁局部裂缝处的受力状态，减少或者闭合局部裂缝，从而提高结构的承载能力和耐久性。此种加固方法既避免了传统主动加固方法所需要的大型设备机械张拉，加固方法施工简单，节省人力，同时预应力通过形状记忆合金与黏结材料传力，不需要使用预应力张拉锚具，又由于形状记忆合金可以根据裂缝方向随意布置，此加固方法又不受空间限制，而且此加固方法加固完成后的混凝土梁外观与原结构几乎相同，从而保证了结构的美观性与耐久性。

进一步的技术方案中，此加固方法选择镍钛铌形状记忆合金，因为此合金热激励冷却后的永久恢复应力相比于镍钛形状记忆合金较大，而且此合金的激励温度与工作温度均满足实际工程应用要求。

进一步的技术方案中，张拉合金过程中，在镍钛铌形状记忆合金的马氏体相变开始温度(MS+30℃)的温度下对它拉伸16％预应变，合金能产生较大的恢复应力且不影响其力学性能。

进一步的技术方案中，因为需要对合金热激励，所以黏结材料选择耐高温水泥砂浆。

进一步的技术方案中，因为混凝土的强度退化温度为约为250℃，所以电流热激励合金的温度不能超过250℃。

以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。