CN110258361A - 一种浅埋式形状记忆合金丝修复混凝土梁局部裂缝的方法 - Google Patents

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潘盛山
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Abstract

本发明公开了一种浅埋式形状记忆合金丝修复混凝土梁局部裂缝的方法，包括1)在有局部裂缝的混凝土梁的保护层深度范围内开槽2)将拉伸产生预应变之后的形状记忆合金内嵌在槽内3)在槽内注入黏结材料4)通电加热形状记忆合金合金，冷却后利用其永久回复应力对混凝土梁施加预应力；5)恢复混凝土保护层完成加固。上述修复混凝土梁局部裂缝的方法在不改变原结构外形的情况下，通过热激励形状记忆合金，驱动其产生永久回复力作为预应力作用在混凝土梁局部裂缝处，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，同时避免了传统主动加固法所具备的预应力度低，锚具安装困难，美观性差等局限性。

Description

一种浅埋式形状记忆合金丝修复混凝土梁局部裂缝的方法
技术领域
本发明属于桥梁工程技术领域，具体涉及一种浅埋式形状记忆合金丝修复混凝土梁局部裂缝的方法。
背景技术
根据交通运输部网站数据表明，截止2015年我国危桥数目约占桥梁总数的13％，桥梁病害问题日渐突出，而钢筋混凝土梁局部开裂是桥梁病害问题中重要的一部分。存在裂缝的混凝土梁会引起混凝土与钢筋性能的退化，关键区域的裂缝甚至影响桥梁结构的安全。因此，对局部开裂的混凝土梁进行加固已经成为一个急需解决的问题。
现有的混凝土梁加固方法包括被动加固法和主动加固法。但多年研究表明被动加固法的加固材料存在明显的应力(应变)滞后现象，材料利用率不高，加固效果不明显。主动加固技术是用张拉机具对预应力材料进行张拉对结构施加黏结预应力和无黏结预应力加固，近年来受到众多学者的重视，但主动加固技术加固梁局部裂缝却存在如下的一些局限性和难点。
(1)预应力损失大。如加固空心板纵向裂缝或箱梁腹板裂缝时，由于垂直于局部裂缝方向结构尺寸小，加固所需的预应力材料短，机械张拉造成的预应力损失大，难以对结构施加有效的预应力。
(2)预应力锚具的安装对混凝土梁损伤大。
(3)局部裂缝处可能空间狭小，张拉机具施工困难。
因此针对以上局限性和难点，利用新材料、新技术、新工艺，提出一种高效实用的加固混凝土梁局部裂缝的方法变得尤为重要。
发明内容
本申请提供了一种浅埋式形状记忆合金丝修复混凝土梁局部裂缝的方法，此方法通过热激励镍钛铌形状记忆合金，从而在混凝土梁的开裂区域施加永久性预应力，使原结构的裂缝闭合，从而提高结构的承载能力和耐久性。
为实现上述目的，本申请的技术方案为：一种浅埋式形状记忆合金丝修复混凝土梁局部裂缝的方法，具体步骤为：
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***上，所述拉伸***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***中取下，然后将形状记忆合金的两端安装扁平锚具，所述扁平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，安装完扁平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为所用扁平锚具的高度。
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等于所用扁平锚具的宽度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，扁平锚具形状为小尺寸的六面体结构，而且扁平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。在锚固端处通过扁平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)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。
(2)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。
(3)此加固方法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。
(4)此加固方法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。
(5)此加固方法形状记忆合金不外露，从而保证了加固材料的耐久性。
(6)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。
附图说明
图1是本申请方法流程图；
图2是带裂缝混凝土梁立体图；
图3是形状记忆合金修复混凝土梁局部裂缝平面图；
图4是扁平锚具的俯视透视图；
图5是图4中A-A、C-C、E-E的剖视图；
图6是图4中B-B、D-D的剖视图；
图7是扁平锚具的主视透视图；
图8是形状记忆合金锚固体系图；
图9是实施例3的部分结构示意图；
图10是实施例3的结构示意图；
图中序号说明：1、混凝土梁；2、局部裂缝；3、狗骨头形凹槽； 4、锚固端；5、镍钛铌形状记忆合金丝；6、黏结材料；a、锚块；a1、穿丝孔道；a2、螺孔；a3、内螺纹；b、无头内六角螺钉。
c1杠杆、c2转轴、c3平衡物、c4承载盘、c5加载物、c6力传感器、c7试验梁、c8螺纹杆、c9钢套管、c10钢支架。
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
本实施例提供一种浅埋式形状记忆合金丝修复混凝土梁局部裂缝的方法，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，在锚固端处用扁平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。
上述浅埋式镍钛铌混凝土梁局部裂缝修复方法，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℃。
实施例2
本实施例对实施例1中的扁平锚具做进一步介绍，所述扁平锚具包括锚块、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。本扁平锚具尺寸小，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3
通常在开裂的混凝土梁中内嵌形状记忆合金丝并加热激励后，需要观测所达到的加固效果，本实施例提供一种观测加固效果的装置，包括加载***和上部支撑***；所述加载***包括杠杆、转轴、平衡物、支撑柱、承载盘和加载物；所述杠杆包括钢管和钢板，所述钢板一端悬挂有平衡物，钢板另一端与钢管一端相连，所述钢管另一端悬挂有承载盘，所述承载盘中放置有加载物；钢板上表面开有豁口a，所述转轴的底部与豁口a可转动连接，在转轴的顶部放置有力传感器，所述钢板下表面开有豁口b，所述豁口b位于支撑柱顶部；所述上部支撑***包括螺纹杆、钢套管、钢支架，两个螺纹杆锚固在地面上，每个螺纹杆上均套有钢套管，所述钢套管通过螺母锚紧在螺纹杆上，所述钢支架焊接在钢套管内侧，在每个钢支架底部设有一根用于支撑试验梁的钢棒，所述试验梁位于力传感器上。
所述钢支架为两片钢板，与钢套管通过焊接连接在一起，下侧钢板端部处焊接一根用于支撑试验梁的钢棒。所述转轴为三棱柱钢体，其中平面向上，能够放置力传感器，棱边向下，以便置于豁口a中。所述豁口b与支撑柱的交点为支点。加载物为长方体砌块。所述两个螺纹杆之间的距离能根据试验梁长度进行调整，螺纹杆上的钢套管能上下移动，固定时两个钢套管处于同一水平面。平衡物的重量由试验梁决定。
使用该装置进行加载试验时，可在试验梁跨中设置力传感器用来测量试验梁所受的力。加载时首先调整平衡物使杠杆水平，然后在杠杆B端悬挂的承载盘上放置一个加载物，重量为G，O点处为支点，那么A点会产生一个向上的力F。根据杠杆原理，有以下公式：
其中，F为试验梁跨中A点所施加的力，G为加在重量，LOB为杠杆OB的长度，LOA为杠杆OA的长度。
每次加载结束后，记录结果，调整平衡物使杠杆再次水平，在进行下一次加载。通过加载物的数量控制对试验梁施加的力，然后通过在试验梁跨中设置位移传感器观测梁的变形，通过设置的力传感器测量试验梁的内力变化。
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。

Claims (9)

1.一种浅埋式形状记忆合金丝修复混凝土梁局部裂缝的方法，其特征在于，具体步骤为：
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，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***上，所述拉伸***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，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***中取下，然后将形状记忆合金的两端安装扁平锚具，所述扁平锚具外侧预留一段裸露的形状记忆合金；安装完扁平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凹槽的中心；
400注入黏结材料：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。
2.根据权利要求1所述一种浅埋式形状记忆合金丝修复混凝土梁局部裂缝的方法，其特征在于，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为所用扁平锚具的高度。
3.根据权利要求1所述一种浅埋式形状记忆合金丝修复混凝土梁局部裂缝的方法，其特征在于，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等于所用扁平锚具的宽度Wm，中部的宽度Wz大于所用形状记忆合金丝的直径D。
4.根据权利要求1所述一种浅埋式形状记忆合金丝修复混凝土梁局部裂缝的方法，其特征在于，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。
5.根据权利要求4所述一种浅埋式形状记忆合金丝修复混凝土梁局部裂缝的方法，其特征在于，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满足Lx>(W×Ep)/(σc-Ep×εc-σt/N)/εx.。
6.根据权利要求1所述一种浅埋式形状记忆合金丝修复混凝土梁局部裂缝的方法，其特征在于，开槽的数量NC等于所用形状记忆合金的数量N。
7.根据权利要求1所述一种浅埋式形状记忆合金丝修复混凝土梁局部裂缝的方法，其特征在于，所用形状记忆合金为镍钛铌形状记忆合金。
8.根据权利要求1所述一种浅埋式形状记忆合金丝修复混凝土梁局部裂缝的方法，其特征在于，扁平锚具形状为小尺寸的六面体结构，而且扁平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。
9.根据权利要求1所述一种浅埋式形状记忆合金丝修复混凝土梁局部裂缝的方法，其特征在于，黏结材料为耐高温聚合物水泥砂浆，水泥砂浆的配合比为砂浆与水的质量比为25:3.5。
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