预应力碳板-ECC组合加固钢筋混凝土结构及施工方法与流程

预应力碳板-ecc组合加固钢筋混凝土结构及施工方法
技术领域
1.本发明属于建筑结构技术领域，特别涉及预应力碳板-ecc组合加固钢筋混凝土结构及施工方法。


背景技术：

2.在建筑结构中，钢筋混凝土梁作为主要的受力构件，起着传递荷载的重要作用。对于某些改变使用功能增加荷载的建筑，或者发生地震后的震损结构，都需要对其结构中的梁体进行加固。另一方面，大部分混凝土梁都处于带裂缝工作状态，在大气环境下，尤其是腐蚀环境条件下，随着时间的推移，梁体中的钢筋会发生锈蚀，混凝土会出现锈胀裂缝，造成承载力下降，不能继续正常工作，也需要对其进行加固。
3.对钢筋混凝土梁进行加固，常见的方法有粘贴钢板法、体外加固法和近表面加固法。粘贴钢板法是指在梁侧面和(或)底部粘贴钢板的加固方法，此方法中本体梁与钢板的共同工作性能不好，并且钢板暴露在空气中，比较容易腐蚀影响加固寿命，并且改变了梁的外形影响美观。体外加固法简称eb法，是采用frp条带对钢筋混凝土梁进行加固，此方法中加固材料与本体梁容易出现剥离而造成加固材料不能充分利用，并且frp材料暴露在外部容易遭受磨损、撞击、火灾、高温、高湿、风华、冻融等外部的不利影响，而出现断裂失去加固效果，进而出现突然卸载的情况，造成梁体突然破坏，威胁人民的生命财产安全；再者加固混凝土构件表面必须经过处理，耗时耗力，工作量大，并且改变了本体梁的形态，影响美观。
4.近表面加固法简称nsm法，是指在待加固梁底部保护层内开槽，把填充材料结构胶注入槽内，贴上加固板材，此方法能较好的提高梁的承载力，对加固材料有很好的保护作用。但是存在以下缺陷：
①
近表面加固法中加固板材处在梁的底部，在恶劣环境下加固端部与混凝土的交界面较容易出现剥离而出现劈裂破坏，从而导致不能充分利用加固材料；
②
该加固方法为了实现耐腐蚀性一般采用纤维增强复合材料，但是纤维增强复合材料为脆性材料，会使加固梁最终会发生脆性破坏，不宜用于抗震地区；
③
填充材料选用结构胶，一方面造价昂贵，另一方面耐久性相对较差。
5.因此，找到一种既满足抗震要求，不改变结构美观的新型加固结构，是亟待解决的一个问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种预应力碳板-ecc组合加固钢筋混凝土结构及施工方法，克服混凝土梁底部裂缝大，挠度宽的缺点。
7.为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：预应力碳板-ecc组合加固钢筋混凝土结构，其特征在于：包括由上至下依次紧邻设置的钢筋混凝土梁、水泥基复合材料ecc层一和预应力板材，且水泥基复合材料ecc层一通过粘接剂与预应力板材粘接；预应力板材的外侧还包覆设有水泥基复合材料ecc层二。
8.所述预应力板材采用先张法进行加固组合。
9.所述预应力板材采用后张法进行加固组合。
10.所述水泥基复合材料ecc层一的厚度与水泥基复合材料ecc层二的厚度相同。
11.所述水泥基复合材料ecc层一与水泥基复合材料ecc层二的厚度均为20mm。
12.所述水泥基复合材料ecc层一和水泥基复合材料ecc层二中的细骨料包括粉煤灰、硅灰和矿粉中的一种或多种。
13.预应力板材采用先张法进行加固组合时，预应力碳板-ecc组合加固钢筋混凝土结构的施工方法，包括以下步骤：1）对待加固的钢筋混凝土梁的底部进行凿毛清理，并在清理干净后湿润；2）在钢筋混凝土梁的两端梁边界内侧凿孔，安装固定用于预应力板材张拉的张拉设备及锚固装置；优化的，在钢筋混凝土梁的两端距梁边界400mm处进行凿孔；3）将预应力板材锚固在预应力加载的张拉设备上，且预应力板材与钢筋混凝土梁中间用垫块隔出间隔层，用于后续加铺水泥基复合材料ecc层一；4）进行预应力板材张拉，使预应力板材达到张拉控制应力；5）取出垫块对间隔层进行水泥基复合材料ecc层一的浇筑和养护，以及预应力板材的下部进行水泥基复合材料ecc层二的浇筑和养护；6）待水泥基复合材料ecc层硬化达到设计强度后对预应力板材进行放张，即完成钢筋混凝土梁的加固。
14.预应力板材采用后张法进行加固组合时，预应力碳板-ecc组合加固钢筋混凝土结构的施工方法，包括以下步骤：1）对待加固的钢筋混凝土梁的底部进行凿毛清理，并在清理干净后湿润；2）在钢筋混凝土梁的两端梁边界内侧凿孔，安装固定用于预应力板材张拉的锚固装置和预应力加载设备；3）对预应力板材涂刷隔离剂或用隔离包膜进行包裹，然后用垫块将预应力板材临时间隔固定在待加固的钢筋混凝土梁梁底下方；优选的，预应力板材临时间隔固定在待加固的钢筋混凝土梁梁底下方20mm处；4）在预应力板材的两侧进行浇筑水泥基复合材料ecc层，且预应力板材至于中间将水泥基复合材料ecc层分为水泥基复合材料ecc层一和水泥基复合材料ecc层二；5）待浇筑水泥基复合材料ecc层达到设计要求的强度后，通过预应力加载设备对预应力板材进行张拉，张拉至张拉控制应力后对预应力板材进行锚固。
15.本发明的有益效果是：（1）该预应力碳板-ecc组合加固钢筋混凝土结构及施工方法，在混凝土梁底部叠合了水泥基复合材料ecc层、预应力材板以及水泥基复合材料ecc层外护层；利用水泥基复合材料ecc抗裂及抗渗性等良好的耐久性能在预应力板材加固的板材外侧保护板材，隔离外部恶劣环境对板材的侵蚀作用，同时也能提高混凝土梁的整体承载力以及梁底的抗裂缝能力；通过预应力板材和混凝土之间设置的ecc层，细密裂缝的特性则可以延缓板材的剥离，有效地传递界面剪应力，从而更好地发挥板材高抗拉强度的优点。
16.（2）本发明可以在有序的混凝土梁加固中改善预应力材板-碳纤维板与既有混凝
土梁之间的粘结力不强的缺点，通过ecc水泥基提高与既有梁底间大的粘结强度，同时也能提高与碳纤维板材的粘结强度，使加固的耐久性大大的提升。
17.（3）本发明中水泥基复合材料ecc，是一种具有高韧性、高延性和多缝开裂特征的复合材料，约比普通混凝土轻25-35％，是控制结构裂缝的有效措施，在提高结构安全性、耐久性方面具有极重要的意义，对于海洋工程、港口工程具有巨大的实用意义，可以直接在很大程度上与既有混凝土梁形成整体，增加梁的抗开裂性能，提高组合梁的承载力和延性，还可以充分提高组合梁的耐久性能。
18.（4）本发明在梁底部预应力材板加固层下方再铺设一层一定层厚的水泥基复合材料ecc，能够有效发挥ecc的力学性能，使梁的底部不容易出现裂缝，同时也能很好的起到保护预应力板材的作用，隔离环境中的侵蚀介质的渗透或腐蚀侵害。
19.（5）本发明提出的预应力碳板-ecc组合加固钢筋混凝土结构的施工方法，从全寿命周期考虑，降低了后续保养和维修的费用，解决混凝土结构加固和修复的问题。
附图说明
20.图1是本发明的剖面示意图；图2是本发明采用先张法加固钢筋混凝土梁的示意图；图3是预应力板材粘结锚固底面示意图；图4是本发明的底面示意图。
具体实施方式
21.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
22.本发明提供了预应力碳板-ecc组合加固钢筋混凝土结构及施工方法，如图1至图4所示。
23.预应力碳板-ecc组合加固钢筋混凝土结构，包括由上至下依次紧邻设置的钢筋混凝土梁1、水泥基复合材料ecc层一2和预应力板材4，且水泥基复合材料ecc层一2通过粘接剂3与预应力板材4粘接；预应力板材4的外侧还包覆设有水泥基复合材料ecc层二5；其中，水泥基复合材料ecc层一2也可称为粘接层。
24.所述水泥基复合材料ecc层一的厚度与水泥基复合材料ecc层二的厚度相同,本实施例中，二者厚度均为20mm。
25.所述水泥基复合材料ecc层一和水泥基复合材料ecc层二中的细骨料包括粉煤灰、硅灰和矿粉中的一种或多种。
26.所述预应力板材4可采用先张法或后张法进行加固组合。
27.当采用先张法进行加固组合时，预应力碳板-ecc组合加固钢筋混凝土结构的施工方法，包括以下步骤：1）对待加固的钢筋混凝土梁1的底部进行凿毛清理，并在清理干净后湿润；2）在钢筋混凝土梁1的两端梁边界内侧凿孔，安装固定用于预应力板材4张拉的张拉设备及锚固装置；本实施例中，在钢筋混凝土梁的两端距梁边界400mm处进行凿孔。
28.3）将预应力板材锚固在预应力加载的张拉设备上，且预应力板材与钢筋混凝土梁
中间用垫块隔出间隔层，用于后续加铺水泥基复合材料ecc层一；本实施例中，间隔层的厚度为20mm，即水泥基复合材料ecc层一以及预应力板材的下部水泥基复合材料ecc层二的浇筑厚度均为20mm。
29.4）进行预应力板材张拉，使预应力板材达到张拉控制应力；5）取出垫块对间隔层进行水泥基复合材料ecc层一的浇筑和养护，以及预应力板材的下部进行水泥基复合材料ecc层二的浇筑和养护；6）待水泥基复合材料ecc层硬化达到设计强度后对预应力板材进行放张，即完成钢筋混凝土梁的加固。
30.当采用后张法进行加固组合时，预应力碳板-ecc组合加固钢筋混凝土结构的施工方法，包括以下步骤：1）对待加固的钢筋混凝土梁的底部进行凿毛清理，并在清理干净后湿润；2）在钢筋混凝土梁的两端梁边界内侧凿孔，安装固定用于预应力板材张拉的锚固装置和预应力加载设备；3）对预应力板材涂刷隔离剂或用隔离包膜进行包裹，然后用垫块将预应力板材临时间隔固定在待加固的钢筋混凝土梁梁底下方；本实施例中，预应力板材临时间隔固定在待加固的钢筋混凝土梁梁底下方20mm处。
31.4）在预应力板材的两侧进行浇筑水泥基复合材料ecc层，且预应力板材至于中间将水泥基复合材料ecc层分为水泥基复合材料ecc层一和水泥基复合材料ecc层二，本实施例中，水泥基复合材料ecc层一和水泥基复合材料ecc层二的厚度均为20mm。
32.5）待浇筑水泥基复合材料ecc层达到设计要求的强度后，通过预应力加载设备对预应力板材进行张拉，张拉至张拉控制应力后对预应力板材进行锚固，通过预应力板材将预应力施加到加固叠合层来达到对钢筋混凝土梁增强加固的作用；同时预应力板材下部包裹的水泥基复合材料ecc层二，能够保护预应力板材，隔离外部恶劣环境，极大的减小对预应力板材的侵蚀作用。
33.具体施工中采用先张法加固时，预应力碳板-ecc组合加固钢筋混凝土结构的施工方法，其施工步骤详细如下：1）根据待加固的钢筋混凝土梁的长度、预应力板材的材料特性、张拉控制应力的大小，计算出本实施例中预应力板材的长度，号料并截取；同时要考虑到预应力板材厚度以及待浇筑的粘结层-水泥基复合材料ecc层的厚度；本实施例中，所选用的预应力板材为碳纤维板，其具体材料性能如表1所示；
2）确定钢筋混凝土梁底部开槽尺寸大小及开槽深度，考虑碳纤维板厚度以及粘结层水泥基复合材料ecc层的厚度，利用ecc水泥基与既有梁底间大的粘结强度，同时也能提高与碳纤维板材的粘结强度的能力，使加固的耐久性大大的提升；3）按照张拉端锚垫板、固定端锚垫板的设计位置在待加固的钢筋混凝土梁的侧面和底部标记出打孔位置，且所标记的打孔位置与张拉端锚垫板、固定端锚垫板上的膨胀螺栓的孔相对应，钻孔后塞入膨胀管，并在孔内灌树脂胶；本实施例中，锚具选用碳纤维板内曲面夹持式锚具；4）在树脂胶未凝固前，膨胀管中拧入膨胀螺栓，将张拉端锚垫板、固定端锚垫板固定于设计位置；5）用张拉垫板螺栓将张拉夹具固定在张拉端锚垫板上；6）张拉夹具及锚具固定完成后，在钢筋混凝土梁梁底开槽205mm处铺设待张拉的碳纤维板，通过梁底两端的张拉夹备对碳纤维板进行固定，并将碳纤维板的两端锚固于张拉端和固定端的锚具上，为进行张拉做好准备；7）用千斤顶对称张拉张拉夹备的锚杆，当张拉应力超过张拉控制应力的115％后，夹紧锚具并固定在中间的张拉垫板的底部；需要注意的是，用千斤顶对称地张拉锚杆，即所有的千斤顶同时张拉，以避免拉力偏心；随后开始卸载张拉应力，当张拉应力卸载至张拉控制应力时，通过固定螺栓将锚具固定在张拉端锚垫板的底部；8）对碳纤维板与梁底内部进行水泥基复合材料ecc层一的浇筑和养护，并对碳纤维板的下部进行水泥基复合材料ecc层二的浇筑和养护；浇筑前，需要对对梁底进行凿毛、清理、湿润处理；9）待碳纤维板与水泥基复合材料ecc层粘结成统一的整体后，完全卸载张拉应力，并卸下张拉垫板和张拉夹备，即可完成钢筋混凝土梁的加固；利用外侧超高韧性水泥基复合材料ecc层的高抗裂性能以及高抗渗性能防止外界环境中氯离子及有害介质侵蚀加固板材。
34.该预应力碳板-ecc组合加固钢筋混凝土结构及施工方法，在混凝土梁底部叠合了水泥基复合材料ecc层、预应力材板以及水泥基复合材料ecc层外护层；利用水泥基复合材
料ecc抗裂及抗渗性等良好的耐久性能在预应力板材加固的板材外侧保护板材，隔离外部恶劣环境对板材的侵蚀作用，同时也能提高混凝土梁的整体承载力以及梁底的抗裂缝能力；通过预应力板材和混凝土之间设置的ecc层，细密裂缝的特性则可以延缓板材的剥离，有效地传递界面剪应力，从而更好地发挥板材高抗拉强度的优点。
35.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及等同物界定。
36.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“中心”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。