一种可实现灌浆套筒内浆料裂缝自修复功能的阻尼装置

1.本发明涉及一种适合安装在装配式灌浆套筒内的保护性装置，特别是涉及一种对钢筋进行保护以及对灌浆料进行自修复的阻尼装置。


背景技术：

2.随着我国建筑结构的不断发展，装配式结构为满足建筑工业化发展最重要的方向。相比于现场浇筑，装配式工艺通过预先浇筑单个构件，再分批运到施工场地进行连接，使施工过程更加方便快捷。因此，装配式结构的出现有利于生产效率提高、能源节约、以及绿色环保建筑发展。在此背景下，装配式预制构件最广泛的连接形式为灌浆套筒连接，通过向其中注入灌浆料来完成构件间的连接。
3.然而，灌浆套筒连接的安全性问题为历来研究的热点和难点。在发生剧烈地震后，灌浆套筒内部的灌浆料会产生垂直于钢筋长度方向的水平裂缝，这种裂缝产生在结构内部，不易观察更无法人为修复，但若放任不管会极大降低灌浆套筒的连接性能，原因在于：裂缝处产生应力集中会进一步扩大裂缝，使得裂缝以下的灌浆料在极大程度上失去对钢筋的锚固作用，容易在灌浆套筒内的钢筋被拉断之前，发生连同灌浆料一起被拔出的破坏，极大降低灌浆套筒连接的安全性和使用寿命。此外，在发生地震作用时，灌浆套筒内部的钢筋承受轴向应力，由应力应变曲线可知，一旦钢筋承受的应力超过弹性极限，钢筋便会进入屈服阶段，产生无法恢复的塑性形变，钢筋刚度极大降低，容易使灌浆套筒连接发生钢筋被拉断的破坏，失去连接性能。
4.因此，为了能够对灌浆料裂缝进行自修复，并且尽量避免钢筋进入塑性阶段，导致其出现无法恢复的塑性变形，本发明人对上述问题进行深入的研究后，提出一种可实现灌浆套筒内浆料裂缝自修复功能的阻尼装置能够解决以上两个问题，从而极大程度保证了灌浆套筒在其全寿命周期内的连接性能，提高装配式建筑在面对地震时的抗震性能，保障人民群众的生命财产安全。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明提供了一种可实现灌浆套筒内浆料裂缝自修复功能的阻尼装置，将该装置套装于钢筋端部，通过新型智能材料的超弹性来强化钢筋的弹性阶段，利用生物修复技术使灌浆料裂缝达到自修复的效果。
6.本发明采用如下技术方案：一种可实现灌浆套筒内浆料裂缝自修复功能的阻尼装置，包括：金属外壳、连接环、弹性强化子装置和裂缝自修复子装置，所述金属外壳为一中空圆柱套管，顶端有十字支撑，套装在钢筋端部，所述连接环为一可拆解的圆环，所述弹性强化子装置由四个金属壁、vem材料、sm合金索和钢筋组成，所述金属壁截面呈拱形，沿竖直方向呈长条形，所述瓦片状金属壁均匀环绕在钢筋周围，通过vem材料和sm合金索连接，所述裂缝自修复子装置由碳酸微生物酶混合液储存罐、金属薄膜、金属底板和碳酸微生物酶混合液组成，所述碳酸微生物
酶混合液储存罐为一中空圆柱体，中心为十字镂空，顶部有四个扇形柱体突出，其通过连接环与金属外壳连接，所述金属薄膜通过焊接与金属底板连接，其夹在碳酸微生物酶混合液储存罐罐壁和金属外壳内壁之间，所述金属底板为一扁平圆柱体，中心有着与所插钢筋直径相同的圆形镂空，所述金属底板通过焊接与钢筋连接，所述碳酸微生物酶混合液存放于碳酸微生物酶混合液储存罐内。
7.在优选的实施方式中，所述vem材料形状与所述瓦片状金属壁形状一致，但弧长小于金属壁，使其贴合在金属壁中间，与钢筋端部齐平，所述sm合金索位于vem材料两旁，斜向固定在金属壁内壁和钢筋上，所述sm合金索通过捻股和合绳将多根sm合金丝拧成类似吊索的合金索，使其弹性恢复力增强。
8.在优选的实施方式中，所述四个瓦片状金属壁的端部高于钢筋端部，且在金属壁端部外侧带有直螺纹，所述金属外壳顶端的四条支撑臂底面带有直螺纹凹槽，用于使所述四个瓦片状金属壁与金属外壳连接，且所述金属壁的弧长应保证在连接过程中，其横截面的端部和尾部至少有一处位于支撑臂的直螺纹凹槽中；作用在于：受到剧烈地震而振动的金属外壳带动四个金属壁与所述钢筋发生相对错动，与钢筋连接的vem材料发生剪切变形，sm合金索发生拉伸变形，使其先于钢筋消耗地震能量，从而提高了钢筋进入塑性阶段所需的总地震能量，达到强化钢筋弹性阶段的目标，在小震及中震时尽量避免钢筋进入塑性阶段。
9.在优选的实施方式中，所述连接环由四个1/4圆弧构成，各个圆弧之间通过燕尾榫连接，所述连接环外径与金属外壳侧壁外径长度相同，所述连接环内径小于金属外壳侧壁内径但大于金属壁最外径，所述碳酸微生物酶混合液储存罐在扇形柱体突出的外壁上有圆弧状凹槽，所述金属外壳的十字支撑截面处外壁同样有着圆弧状凹槽，使其与所述碳酸微生物酶混合液储存罐顶部高度一致时，两者的圆弧状凹槽可平滑对齐，在十字支撑截面以外的金属外壳外壁上，有着与扇形柱体突出外壁上圆弧状凹槽重合的圆弧状缺口，当碳酸微生物酶混合液储存罐插入到金属外壳中，使其顶面与金属外壳的十字支撑顶面齐平时，通过将四个1/4圆弧插入到凹槽中形成连接环，使金属外壳和碳酸微生物酶混合液储存罐形成整体。
10.在优选的实施方式中，所述金属薄膜为一矩形金属膜，在与金属底板焊接处的高度之上均匀密布细小圆孔，所述碳酸微生物酶混合液储存罐外壁在扇形柱体突出以下均匀密布与金属薄膜错位的细小圆孔，防止无相对错动时内部液体流出，所述金属薄膜环绕成筒状沿着所述金属底板侧壁焊接，所述金属底板套在所述钢筋上进行焊接连接，所述金属薄膜最高处与所述碳酸微生物酶混合液储存罐的扇形柱体底部齐平，所述金属外壳外壁在十字支撑底面高度以下，金属底板顶部高度以上均匀密布与所述碳酸微生物酶混合液储存罐位置相同的细小圆孔，且在外壁上带有多条环状凸起以增强金属外壳与灌浆料之间的机械咬合力；作用在于：受到剧烈地震而振动的金属外壳带动碳酸微生物酶混合液储存罐与所述金属薄膜发生相对错动，令其三者圆孔重合，使其中的碳酸微生物酶混合液流出至因地震产生的裂缝中，在地震结束后，残留在裂缝中的碳酸微生物酶混合液在灌浆料的碱性环境下进行修复工作。
11.相比于现有产品，本发明具有以下有益效果：
（1）相比于现有的灌浆套筒连接，本发明首次将耗能理念应用于装配式灌浆套筒连接领域，在钢筋插入灌浆套筒前将本发明安装在钢筋端部。地震发生时，本发明的弹性强化子装置可帮助钢筋吸能耗能，间接强化了钢筋的弹性受力阶段，增强了灌浆套筒连接的安全性。
12.（2）相比于现有的灌浆套筒连接，本发明可在无外界的帮助下，进行灌浆套筒内部裂缝的填补，极大程度降低了裂缝对灌浆套筒的危害，增加了灌浆套筒连接的使用寿命。此外，修复过程中不产生任何有害物质，满足国家对建筑材料绿色环保的要求。
附图说明
13.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
14.图1为安装可实现灌浆套筒内浆料裂缝自修复功能的阻尼装置后的灌浆套筒结构中心剖面图；图2为可实现灌浆套筒内浆料裂缝自修复功能的阻尼装置结构中心剖面图；图3为可实现灌浆套筒内浆料裂缝自修复功能的阻尼装置俯视图；图4为可实现灌浆套筒内浆料裂缝自修复功能的阻尼装置侧壁细节展示图；图5为金属外壳俯视图；图6为金属外壳仰视图；图7为金属外壳结构中心剖面图；图8为连接环俯视图；图9为连接环主视图；图10为弹性强化子装置主视图；图11为弹性强化子装置俯视图及仰视图；图12为裂缝自修复子装置俯视图；图13为裂缝自修复子装置结构中心剖面图；图14为碳酸微生物酶混合液储存罐主视图；图15为碳酸微生物酶混合液储存罐俯视图；图16为碳酸微生物酶混合液储存罐仰视图；图17为金属薄膜示意图；图18为金属底板示意图；图19为金属薄膜焊接金属底板中心剖面图。
15.图中标号：1-灌浆料，2-金属外壳，3-连接环，4-金属壁，5-vem材料，6-sm合金索，7-碳酸微生物酶混合液储存罐，8-金属薄膜，9-金属底板，10-钢筋，11-碳酸微生物酶混合液，12-灌浆套筒，13-裂缝。
具体实施方式
16.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例
中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
17.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
18.为使本领域内的技术人员更好地理解此发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行完整详尽、清晰明了的说明和描述。
19.如附图2-图4所示，一种可实现灌浆套筒内浆料裂缝自修复功能的阻尼装置，包括：金属外壳2、连接环3、弹性强化子装置和裂缝自修复子装置，所述金属外壳2为一中空圆柱套管，顶端有十字支撑，套装在钢筋10端部，所述连接环3为一可拆解的圆环，所述弹性强化子装置由四个金属壁4、vem材料5、sm合金索6和钢筋10组成，所述金属壁4截面呈拱形，沿竖直方向呈长条形，所述瓦片状金属壁4均匀环绕在钢筋10周围，通过vem材料5和sm合金索6连接，所述裂缝自修复子装置由碳酸微生物酶混合液储存罐7、金属薄膜8、金属底板9和碳酸微生物酶混合液11组成，所述碳酸微生物酶混合液储存罐7为一中空圆柱体，中心为十字镂空，顶部有四个扇形柱体突出，其通过连接环3与金属外壳2连接，所述金属薄膜8通过焊接与金属底板9连接，其夹在碳酸微生物酶混合液储存罐7罐壁和金属外壳2内壁之间，所述金属底板9为一扁平圆柱体，中心有着与所插钢筋10直径相同的圆形镂空，所述金属底板9通过焊接与钢筋10连接，所述碳酸微生物酶混合液11存放于碳酸微生物酶混合液储存罐7内。
20.所述vem材料5形状与所述瓦片状金属壁4形状一致，但弧长小于金属壁4，使其贴合在金属壁4中间，与钢筋10端部齐平，所述sm合金索6位于vem材料5两旁，斜向固定在金属壁4内壁和钢筋10上，所述sm合金索6通过捻股和合绳将多根sm合金丝拧成类似吊索的合金索，使其弹性恢复力增强。
21.所述四个瓦片状金属壁4的端部高于钢筋10端部，且在金属壁4端部外侧带有直螺纹，所述金属外壳2顶端的四条支撑臂底面带有直螺纹凹槽，用于使所述四个瓦片状金属壁4与金属外壳2连接，且所述金属壁4的弧长应保证在连接过程中，其横截面的端部和尾部至少有一处位于支撑臂的直螺纹凹槽中；作用在于：受到剧烈地震而振动的金属外壳2带动四个金属壁4与所述钢筋10发生相对错动，与钢筋10连接的vem材料5发生剪切变形，sm合金索6发生拉伸变形，使其先于钢筋10消耗地震能量，从而提高了钢筋10进入塑性阶段所需的总地震能量，达到强化钢筋10弹性阶段的目标，在小震及中震时尽量避免钢筋10进入塑性阶段。
22.所述连接环3由四个1/4圆弧构成，各个圆弧之间通过燕尾榫连接，所述连接环3外径与金属外壳2侧壁外径长度相同，所述连接环3内径小于金属外壳2侧壁内径但大于金属壁4最外径，所述碳酸微生物酶混合液储存罐7在扇形柱体突出的外壁上有圆弧状凹槽，所述金属外壳2的十字支撑截面处外壁同样有着圆弧状凹槽，使其与所述碳酸微生物酶混合液储存罐7顶部高度一致时，两者的圆弧状凹槽可平滑对齐，在十字支撑截面以外的金属外壳2外壁上，有着与扇形柱体突出外壁上圆弧状凹槽重合的圆弧状缺口，当碳酸微生物酶混
合液储存罐7插入到金属外壳2中，使其顶面与金属外壳2的十字支撑顶面齐平时，通过将四个1/4圆弧插入到凹槽中形成连接环3，使金属外壳2和碳酸微生物酶混合液储存罐7形成整体。
23.所述金属薄膜8为一矩形金属膜，在与金属底板9焊接处的高度之上均匀密布细小圆孔，所述碳酸微生物酶混合液储存罐7外壁在扇形柱体突出以下均匀密布与金属薄膜8错位的细小圆孔，防止无相对错动时内部液体流出，所述金属薄膜8环绕成筒状沿着所述金属底板9侧壁焊接，所述金属底板9套在所述钢筋10上进行焊接连接，所述金属薄膜8最高处与所述碳酸微生物酶混合液储存罐7的扇形柱体底部齐平，所述金属外壳2外壁在十字支撑底面高度以下，金属底板9顶部高度以上均匀密布与所述碳酸微生物酶混合液储存罐7位置相同的细小圆孔，且在外壁上带有多条环状凸起以增强金属外壳2与灌浆料1之间的机械咬合力；作用在于：受到剧烈地震而振动的金属外壳2带动碳酸微生物酶混合液储存罐7与所述金属薄膜8发生相对错动，令其三者圆孔重合，使其中的碳酸微生物酶混合液11流出至因地震产生的裂缝13中，在地震结束后，残留在裂缝13中的碳酸微生物酶混合液11在灌浆料1的碱性环境下进行修复工作。
24.本实施方式中一种可实现灌浆套筒内浆料裂缝自修复功能的阻尼装置按以下步骤进行安装：弹性强化子装置的组装：所述金属壁4与钢筋10通过vem材料5和sm合金索6进行连接，将所述vem材料5通过502胶水一面粘在金属壁4中部，高度位于金属壁4螺旋纹以下，另一面粘在已经打磨光滑的钢筋10上，钢筋10端部与vem材料5端部高度一致，其次通过焊接将sm合金索6两端分别锚固在位于vem材料5两侧的金属壁4内侧以及钢筋10上，金属壁4焊接点高于钢筋10焊接点成斜向布置，共连接两列，一共14根sm合金索6，至此一个金属壁4与钢筋10连接完成，重复此步骤完成剩余三个金属壁4与钢筋10的连接如附图10所示。从俯视方向看，如附图11所示，四根金属壁4截面均匀分布于钢筋10截面的周围。
25.裂缝自修复子装置的组装：所述金属薄膜8沿着金属底板9的外壁侧面进行焊接，使金属薄膜8形成筒状与金属底板9连接在一起，如附图19所示，将所述碳酸微生物酶混合液储存罐7预先灌入碳酸微生物酶混合液11，再插入形成筒状的金属薄膜8中，所述碳酸微生物酶混合液储存罐7底面与金属底板9紧密贴合，其侧面与金属薄膜8内侧紧密贴合如附图13所示。
26.一种可实现灌浆套筒内浆料裂缝自修复功能的阻尼装置的组装：将组装好的弹性强化子装置通过直螺纹连接拧入到金属外壳2顶部的直螺纹凹槽中，完成弹性强化子装置与金属外壳2的连接，将裂缝自修复子装置从钢筋10下部插入到金属外壳2中，使金属薄膜8夹在金属外壳2内壁和碳酸微生物酶混合液储存罐7罐壁之间，并且使得碳酸微生物酶混合液储存罐7上部的凹槽与金属外壳2的凹槽位于同一水平面，随后将组成连接环3的四个圆弧分别用锤子嵌入凹槽中，使裂缝自修复子装置与金属外壳2连接成整体，最后通过焊接使底部的金属底板9与钢筋10连接。
27.下面结合本发明的结构对本发明的工作原理做进一步的说明：碳酸微生物酶混合液11为碳酸酐酶与高浓度碳酸溶液的混合液。碳酸酐酶能够大幅提高co2的水解速率，正常情况下co2的水解速率非常低，仅为1.3
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10-1mol/s，但在碳酸
酐酶的作用下水解速率最高可达1.4
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107mol/s，达到自然情况下的108倍左右。因此在该反应过程中掺入碳酸酐酶后能够大幅提高hco3-的含量，其在灌浆料1的碱性环境下生成co32-，最后与灌浆料1中的钙源形成碳酸钙沉淀，填补裂缝13空隙，防止裂缝13危害结构，且此反应过程不产生任何有害物质，具有优异的环境友好特性。本发明利用这类细菌酶的特性，在灌浆料1内部生成碳酸钙实现裂缝13的自修复。
28.发生剧烈地震时，由于焊接了金属薄膜8的金属底板9与钢筋10为刚性连接，金属外壳2、金属壁4、vem材料5、sm合金索6、碳酸微生物酶混合液储存罐7与钢筋10为弹性连接会发生相对错动，使弹性强化子装置中的 vem材料5和sm合金索6分别发生剪切变形和弹性受拉变形产生与错动方向相反的力，提供变形阻力，帮助钢筋消耗地震带来的能量，增加钢筋进入塑性阶段所需的总地震能量，从而强化钢筋的弹性阶段。发生相对错动的同时，裂缝自修复子装置发挥作用，金属外壳2和碳酸微生物酶混合液储存罐7的小孔与金属薄膜8的小孔重合，内部的碳酸微生物酶混合液11沿着小孔流入因地震产生的裂缝13中。地震结束后，由于vem材料5和sm合金索6的自复位性，使得金属外壳2和碳酸微生物酶混合液储存罐7实现复位，两者的圆孔再次与金属薄膜8的小孔错位，碳酸微生物酶混合液11停止渗入，残留在裂缝13中的碳酸微生物酶混合液11在灌浆料1内部的碱性环境下与其钙源发生反应生成碳酸钙方解石填补裂缝13，实现了在灌浆套筒12内对灌浆料1震后裂缝13的自修复。
29.以上内容对本发明的基本原理、主要特征优点及安装方法进行了详尽描述。本行从业人员应注意，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。