CFRP-钢管混凝土预制段装配式加固系统及其应用

本发明涉及土木工程，具体涉及一种cfrp-钢管混凝土预制段装配式加固系统及其应用。

背景技术：

1、

2、外贴碳纤维增强聚合物（carbon fiber reinforced polymer，简称cfrp）和外贴钢板加固混凝土结构是工程加固领域应用较为广泛和成熟的两种装配式加固方法。cfrp材料具有轻质高强、热膨胀系数小、可设计性强、耐疲劳性能较好等优良特性，是理想的装配式施工材料之一；钢材材质均匀稳定，可工厂化批量化生产，现场可通过焊接、螺栓连接等快速施工方式进行连接形成钢结构整体，也是理想的装配式材料之一。将cfrp与钢板复合时，基于二者基本相当的弹性模量和线膨胀系数，它们具备协同工作的基础。由于钢板屈服应变小于cfrp的极限拉应变，复合材料强度相比于单一钢材要高；而在cfrp达到极限拉应变出现断裂失效时，塑性发展充分的钢板仍能承担大部分荷载，这一定程度上解决了cfrp材料的脆性问题；此外，将具有超高耐腐蚀性能的cfrp覆盖在钢板表面，还能够有效阻止钢材锈蚀，增加复合材料的耐久性能。因此，cfrp-钢复合材料很好地发挥了二者优势，又一定程度上弥补二者的缺陷，可基于此复合材料对现有加固方法所用材料进行改进。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的缺陷或改进需求，与传统增大截面法等需现场施工加固受损混凝土柱的方式不同，本发明的目的是提供一种cfrp-钢管混凝土预制段装配式加固系统，即cfrp-钢复合管混凝土装配式加固受损混凝土柱的工程结构加固方法，将cfrp与钢材进行高效组合，利用双层钢管提供的约束作用，并采用装配式施工方法，在保证加固快速的基础上充分利用两种高性能材料优越的力学性能，将受损混凝土柱进行可靠的加固，可显著提高受损混凝土柱的承载力、延性、疲劳和抗震性能等。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供一种cfrp-钢管混凝土预制段装配式加固系统，需制备多段半钢管混凝土预制段套在受损混凝土柱上，形成圆钢管混凝土预制段整体，经螺栓固定并浇筑混凝土使得连接处填充密实，最后在钢管外侧缠绕粘贴cfrp布。具体如下：

4、所述半钢管混凝土预制段，需根据被加固混凝土柱实际尺寸情况，预制两个半圆形卷板，卷板内设置隔板和剪力键，钢管内浇筑夹层混凝土并蒸汽养护快速形成多段半钢管混凝土预制段。

5、所述多段半钢管混凝土预制段套在受损混凝土柱上，需清理被加固受损混凝土柱表面，并在外侧喷抹砂浆和混凝土界面剂，将半钢管混凝土预制段外套于被加固受损混凝土柱外侧，通过挤压使得所喷抹砂浆能够密实的填充于预制段与受损混凝土柱接触界面上，并通过灌浆套筒和焊接连接方式形成圆钢管混凝土预制段整体。

6、所述螺栓固定圆钢管混凝土预制段，需根据柱长的不同，采用多段加固方式，先加固受损混凝土柱的上下段，利用螺栓（如膨胀螺栓）、穿过楼板钢板或钢筋将预制段的上下段与原底部构件（地基等）和顶部构件（原梁板等）连接牢固，再外套预制段的中段，用螺栓将预埋在中段和上下预制段混凝土中的十字连接厚钢板进行可靠连接。

7、所述浇筑混凝土使得连接处填充密实，需用小段半圆钢管封闭上中下段连接处，并通过预设的灌注孔向钢管连接处局部浇筑混凝土，使得连接处填充密实。钢管壁上适当位置还需留有足够的排气孔，且开孔位置应避开焊缝。通过排气孔观察确认浆体流出和浇筑密实后再封堵排气孔和灌注孔。

8、所述在钢管外侧缠绕粘贴cfrp布，需在钢管外侧缠绕粘贴cfrp布，对连接薄弱处进行多层缠绕以达到局部加强的效果，最终形成组合加固柱。

9、上述加固方法是一种创新的混凝土柱加固方法，该方法结合了半钢管混凝土预制段与碳纤维增强聚合物（cfrp）布的优势，旨在实现对受损混凝土柱的有效加固。介绍了一种使用cfrp-钢复合管混凝土装配式加固受损混凝土柱的方法，通过预制半钢管混凝土段、螺栓固定、浇筑混凝土和外贴cfrp布，形成类似双管混凝土结构，提升结构的强度、延性和耐久性。这种方法具有施工效率高、加固效果好、适应性强的特点，尤其适用于抢险救灾中的主干道和重要建筑加固。

10、本发明通过采用cfrp-钢复合管混凝土的装配式加固方法，构建了一种结合半钢管混凝土预制段与cfrp布的复合加固体系。核心要点可以概括为：

11、1、半钢管混凝土预制段的定制化生产：首先，精准测量受损混凝土柱的具体尺寸，据此预制出与之完美契合的半圆形钢管卷板。在这些卷板内部，设置有隔板和剪力键，以增强结构的稳定性和强度。接着，在钢管内部浇注夹层混凝土，并通过蒸汽养护的方式加速其硬化过程，最终形成多个半钢管混凝土预制段。这一步骤的核心在于确保预制段与受损柱之间实现无缝对接，从而提升整体结构的强度。

12、2、界面处理与预制段的精确安装：在彻底清洁受损柱表面之后，施以砂浆和混凝土界面剂的处理，随后将半钢管混凝土预制段准确地套装在受损柱上。通过挤压和灌浆工艺，确保砂浆能够完全填充预制段与受损柱之间的所有间隙，从而建立起坚固的连接。这一装配过程的关键在于，通过对受损柱表面的细致清理和界面剂的涂抹，以及预制段的精准定位，实现两者间的高效结合。

13、3、连接处的严密封堵与加固：使用小段半圆钢管对预制段之间的连接处进行封闭处理，并通过预留的灌注孔向这些连接处灌注混凝土，以此确保连接处的密实性。此外，合理设置排气孔以排除浇筑过程中可能产生的气体，防止空洞的形成。这一步骤的重点在于，通过精细的封堵和混凝土浇筑，确保连接处的稳固与密闭。

14、4、cfrp布的强化应用：在完成上述加固步骤后，进一步在结构外部缠绕粘贴cfrp布，形成一种类似于双管混凝土的结构形态。特别是在那些结构薄弱的区域，采取多层缠绕的方式以显著增强局部的强度。这种复合加固方法不仅大幅提升了柱子的整体承载能力，还显著增强了结构的抗震性能。

15、5、螺栓固定系统的优化设计：针对不同长度的混凝土柱，采用分段加固的策略。首先加固柱子的上下两段，随后加固中间段落。通过螺栓和预埋钢板的连接，确保各个预制段之间形成牢固的连接。这种设计优化了加固过程，使得每一段都能够得到有效的强化，从而提高整个结构的整体性和稳定性。

16、本发明的加固原理为：定制化预制段的集成的集成方式，为后续的加固工作奠定坚实的基础；预制段间的连接采用螺栓固定技术，同时在接口处注入混凝土，确保结构的整体性和稳固性。螺栓连接与混凝土填充的连接方式既保证结构的强度，又通过混凝土的填充增强整体的刚性；cfrp布的双重约束作用，cfrp布的应用不仅增强结构的承载能力，还显著改善其延展性、抗疲劳性和抗震性能；快速高效的加固工艺施工迅速，效率极高，特别适用于紧急情况下对主干道、重要建筑的快速修复。装配式的施工方法大幅提升施工效率，同时减少现场的工作负担；cfrp与钢材的结合使用，材料性能的协同增强与防腐蚀，延长结构的使用寿命；在长期运营中能提供稳定的结构性能和显著的经济效益。

17、上述方案提出的半钢管混凝土预制段与cfrp布复合加固方法是一种高效、可靠的混凝土柱加固技术。它不仅提高了受损柱的承载能力和耐久性，而且施工过程简便，适应性强，具有很高的工程应用价值。

18、由此，第二方面，本发明提供一种受损混凝土柱加固系统的应用，采用如上述的方法对受损混凝土柱进行加固，可以广泛应用于包括但不限于建筑结构加固、桥梁支撑结构加固、工业设施支撑结构加固、抗爆加固、抗震加固方面。

19、本发明的优点及有益效果如下：

20、1、本发明利用钢管外套受损混凝土柱，形成类似双管混凝土结构，利用双层钢管提供的约束作用，提升核心混凝土强度和延性；

21、2、本发明半钢管混凝土预制段的制备方式为工厂预制，能够满足混凝土的养护条件，不受外界恶劣天气或环境的影响，保证施工的进度和结构的质量；

22、3、本发明采用的复合材料强度相比于单一钢材要高，cfrp覆盖在钢板表面，还能够有效阻止钢材锈蚀，增加复合材料的耐久性能，使结构的使用寿命大幅提高，节约结构全生命周期成本，具有长远的经济效益。

23、本发明将cfrp与钢材进行高效组合，并改进施工方法形成装配式加固施工方法，能有效提高加固施工效率，且将cfrp与钢材进行高效组合，利用双层钢管提供的约束作用，保证受损混凝土柱的可靠加固，可显著提高受损混凝土柱承载力、延性、疲劳和抗震性能等，可以广泛应用于建筑结构加固、桥梁支撑结构加固、工业设施支撑结构加固、抗爆加固、抗震加固等方面，特别在主干道、主要建筑等的抢险救灾中有重要应用价值。