专利名称：智能frp-混凝土复合结构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于碳纤维传感的混凝土复合结构，属于智能材料与结构、土木工程技术领域。
背景技术：
预制混凝土技术是工业化生产的标志。自从19世纪末预制混凝土技术开始运用到工程中，预制混凝土结构已经广泛用于工业与民用建筑、桥梁道路、水工建筑、大型容器等工程结构领域，发挥着不可替代的作用。预制混凝土和现浇混凝土相比主要有以下优点:1)产品质量好。预制混凝土产品大部分在工厂制作，生产条件好，质量易于控制。据调查(Basler，1963)，预制混凝土工厂生产的混凝土强度变异系数为7%，而施工现场生产的现浇混凝土强度变异系数为17%。预制工厂生产的产品在强度、密实性、耐久性、防水性等方面都比现场浇注的混凝土更有保证；同时工厂生产可以使用复杂、精细的模板，预制构件的造型富于变化，混凝土表面质量好可以不用粉刷直接作为清水混凝土构件使用。2)生产效率高。预制混凝土产品大部分在工厂用机械化、自动化的方式生产，生产效率高于现场浇筑混凝土的生产方式。3)工人劳动条件好。由于多采用机械化和自动化的生产设备，工人劳动条件和劳动强度都好于现场现浇混凝土的施工方式。4)对环境影响小。相对于现场浇筑构件，预制混凝土构件在工厂制作可以严格控制废水、废料和噪音污染。5)节约资源、利于社会可持续发展。由于工厂生产预制混凝土多采用高强材料和预应力技术，和普通现浇混凝土相比可以大量节省材料，还可以大量利用废旧混凝土、矿渣、粉煤灰、工业废料等来生产预制混凝土产品。同时，预制混凝土结构的拆除也相对容易，且拆除构件修复后重复利用率高。这些对充分合理利用自然资源，保证社会可持续发展具有重要意义。早期预制混凝土主要用于建筑中的非结构构件，如非承重墙板、建筑装饰构件等。随着科技的不断发展以及社会化大生产的需要，预制混凝土技术有了迅速的发展，具有上述诸多优点，已可用于承重性构件。近来，在预制结构中采用了高强材料和预应力技术，大幅提高了预制结构的性能，出现了诸如大跨度预应力梁、折板、T型板、预应力拼接的节点等新型结构，且在土木工程中得到了广泛的应用，特别是在大跨桥梁结构。预制构件现场安装也多采用机械化方式施工，不需要或需要很少现浇混凝土作业，减少了现浇混凝土的养护时间，施工方便快捷，受季节和天气的影响较小。利用清水混凝土构件或预先做好建筑饰面的混凝土构件可以在安装后直接投入使用，省去了装修过程。采用预制混凝土技术，在确保工程质量的基础上施工工期可以显著缩短，在劳动力成本逐渐增高和以人为本的社会要求下，从而带来综合经济效益的提高。近年来，随着材料的不断发展与更新，纤维增强树脂复合材料(FRP)被用于土木工程中，其抗拉强度为普通碳钢的5倍以上，而密度只有钢材的1/3至1/5，且具有良好的耐腐蚀/耐久性，自开发以来便一直倍受关注。碳纤维增强复合材料(CFRP)是FRP复合材料中重要的一类，具有超过一般纤维材料的优越力学性能和物化性能，密度只有普通低碳钢的四分之一，但拉伸强度却有10倍左右，具有比普通金属材料更高的抗疲劳性能，热膨胀系数几乎为零，抗腐蚀性能优良。高强度碳纤维的弹性模量(230GPa)与普通低碳钢的基本相当，但是高弹性模量碳纤维的弹性模量可达到普通钢铁的3倍以上。此外，碳纤维还具有良好的导电性和压阻效应。利用其电学性能可以制作智能传感器，国内外对其进行了较多研究。利用其优良的力学性能以及施工上的便利可以用来加固或者修复损伤结构，由于FRP复合材料具有良好的抗腐蚀性能，国内外(特别是北欧、美国等冬季需要使用大量融雪盐的国家和地区)正在积极开展用FRP复合材料代替传统钢材(如制作成FRP筋埋入混凝土)制作混凝土结构的研究，以避免混凝土中钢材腐蚀所带来的危害。由于FRP这些特性，被视为预制预应力混凝土结构的一种较为理想材料。预制普通混凝土结构虽然在土工工程中已大量运用，但存在着跨度小、自重大、抗裂性能差等缺点；预制预应力混凝土的出现，虽然使得跨度、自重、抗裂性能都有了较好的提高，但也存在一些缺陷:1)耐久性，预应力筋的腐蚀以及混凝土碳化等严重影响预应力混凝土的耐久性；2)预应力损失，管道摩阻力损失(由于预应力材料在管道内进行张拉，越远离张拉端，损失越大)都对预应力有着严重的影响；3)预制质量，预应力混凝土管道压浆的质量很难得到保证。而FRP-混凝土复合结构，由于FRP有着较好的耐久性，且FRP粘贴在混凝土的表面，能对混凝土及内部的钢筋进行较好的保护，阻碍混凝土的碳化且能保证施工质量。然而，也存在着一些不足:1)通常粘贴材料利用率低，且未能充分利用FRP高强特性；2)脆性缺陷，FRP是完全线弹性材料，属典型的脆性破坏，在地震荷载作用下，存在能量吸收率低、延性不足；3)界面较弱，工艺相对复杂。
发明内容技术问题:本实用新型的目的是提供一种智能FRP-混凝土复合结构。该智能结构可用于桥梁结构以及高层、大跨、大型复杂建筑中。且预制工艺简单，便于大规模生产。技术方案:为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是:一种智能FRP-混凝土复合结构，包括混凝土构件以及FRP层，其特征是:在所述的混凝土构件的底面以及端面均设置有锚固装置，所述的FRP层通过所述底面和端面的锚固装置锚固在所述混凝土构件的底面和端面。所述的锚固装置包括底板、顶板以及锚固螺杆，所述的底板设置在所述的混凝土构件内，所述的FRP层位于所述的底板与顶板之间。所述的混凝土构件的底面和端面之间底脚为圆弧形。本实用新型锚固装置包括构件底面锚固板和两端面锚固板。根据安全使用等级对两部位的锚固板进行设计。构件底面锚固板的安全等级低于两端面的锚固板，当FRP层的拉应力达到其抗拉强度的50%-80%时(具体可以根据结构的具体形式及性能要求进行设计)，构件底面的锚固板出现破坏，同时界面出现剥离以及滑移，然后构件底面锚固板上的荷载慢慢转移到两端面的锚固板，由两端面的锚固板来承担。通过构件底面锚固板的破坏以及界面的剥离和滑移，吸收能量，提高结构的破坏延性。当构件底面锚固板完全破坏时，结构已经发生了较大的变形，延性充分得到了提高。只要钢筋混凝土构件不出现严重的破坏，就可以置换FRP层，重新锚固，便于修复。有益效果:安全性能得到了充分保障。构件采用双锚固板锚固，即构件的两端各有两个锚固板，一个是位于构件底面，另一个是位于构件端面。构件底面锚固板的安全设计等级略低于构件端面锚固板，构件底面锚固主要用于FRP层预应力的锚固，构件端面的锚固板主要用于安全保障，即构件底面锚固板出现破坏后，界面出现剥离或滑移等现象，构件端面的锚固板仍然处于工作状态，对智能FRP层仍起到锚固作用，从而达到“小震不坏，中震可修，大震不倒”或“坏而不倒”的效果，充分提高了构件的安全性能。智能性。充分利用FRP层中碳纤维的压阻效应，使结构具有自传感功能，可大幅提高结构的附加价值和安全性能。对于某些情况，也可以不安装电极。可修复性强。构件用于结构后，构件在以后的服役中，如果出现一般的疲劳破坏或者可修复性的破坏，可直接置换智能FRP层。如果出现损失较大的破坏，可直接置换整个构件。这样只是在局部对整个结构进行修复，对整个结构或者建筑物的正常使用影响程度小。薄弱位置得到加强。通过将端部直角改为圆弧形，FRP层不会因为弯折出现力学性能损失，同时对混凝土有较好的加强，减小了薄弱位置出现破坏的可能性。
:图1智能FRP-混凝土复合结构构造示意图。图2三种不同构件的挠度-荷载对比示意图。图中:1、钢筋混凝土梁，2、智能FRP层，3、电极，4、梁底锚固板底板，5、梁底锚固板顶板，6、梁端锚固板底板，7梁端锚固板顶板，8、螺杆。
具体实施方式
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以下结合附图，对本实用新型作详细说明:本实施例以梁为例，如图1所示，包括混钢筋凝土梁I，在钢筋混凝土梁I的底面设置有两个底面锚固装置，在钢筋混凝土梁I的两个端面上分别设置一个梁端锚固装置，智能FRP层2通过两个底面锚固装置和两个梁端锚固装置固定在钢筋混凝土梁I的表面。其中底面锚固装置包括梁底锚固板底板3和梁底锚固板顶板5，梁底锚固板底板4和梁底锚固板顶板5通过螺杆8紧固。梁端锚固装置包括梁端锚固板底板6和梁端锚固板顶板7，梁端锚固板底板6和梁端锚固板顶板7也通过螺杆8紧固。采用本实用新型双锚固HCFRP-混凝土复合梁在载荷的作用下挠度明显优于单锚固HCFRP-混凝土复合梁和普通的钢筋混凝土梁，其测试曲线如图2所示。
权利要求1.一种智能FRP-混凝土复合结构，包括混凝土构件以及FRP层，其特征是:在所述的混凝土构件的底面以及端面均设置有锚固装置，所述的FRP层通过所述底面和端面的锚固装置锚固在所述混凝土构件的底面和端面。
2.根据权利要求1所述的智能FRP-混凝土复合结构，其特征是:所述的锚固装置包括底板、顶板以及锚固螺杆，所述的底板设置在所述的混凝土构件内，所述的FRP层位于所述的底板与顶板之间。
3.根据权利要求1或2所述的智能FRP-混凝土复合结构，其特征是:所述的混凝土构件的底面和端面之间底脚为圆弧形。
专利摘要本实用新型公开一种智能FRP-混凝土复合结构，包括混凝土构件以及FRP层，其特征是在所述的混凝土构件的底面以及端面均设置有锚固装置，所述的FRP层通过所述底面和端面的锚固装置锚固在所述混凝土构件的底面和端面；所述的锚固装置包括底板、顶板以及锚固螺杆，所述的底板设置在所述的混凝土构件内，所述的FRP层位于所述的底板与顶板之间；所述的混凝土构件的底面和端面之间底脚为圆弧形。该预制复合结构不仅具备高承载能力、自传感功能、高耐久性、高安全性、可设计性强；其预制工艺简单，生产效率高，质量稳定，且适合工厂化大规模预制生产。
文档编号E04B1/342GK202936723SQ20122058434
公开日2013年5月15日 申请日期2012年11月8日 优先权日2012年11月8日
发明者杨才千, 焦友进, 吴智深, 王红涛, 杨小聪 申请人:杨才千