專利名稱：一種含有阻裂增強層的復合鋼筋混凝土梁及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及鋼筋混凝土結構技術，屬于土木工程中的結構工程，具體是一種可用于混凝土結構的新建與加固的含有阻裂增強層的復合鋼筋混凝土梁及其制作方法。
背景技術：
目前在土木工程中在舊鋼筋混凝土梁的受拉面粘結碳纖維和鋼板的加固技術已經存在，這種粘結技術的加固效果較好并得到了廣泛的應用。但是，采用粘結阻裂增強層以提高結構性能制作復合鋼筋混凝土梁的方法在國內外無相關文獻報道。
鋼筋混凝土結構是由兩種力學性能完全不相同的材料——鋼筋和混凝土組成，并共同發(fā)揮作用的一種建筑結構?；炷两Y硬后如同石料，抗壓強度很高，抗拉強度很低，而鋼筋的抗壓和抗拉強度都較高。
當混凝土梁(無鋼筋加強)承受荷載時，中和軸(中性軸)以上部分受壓，中和軸以下部分受拉。隨著荷載的增大，梁中的壓應力和拉應力都隨著增大，當荷載增到某一數值時，梁的下截面邊沿的拉應力達到臨界值，等于混凝土的抗拉強度，此時混凝土梁的底部將出現裂紋，盡管此時受壓區(qū)混凝土的壓應力還遠遠小于其抗壓強度，裂紋仍然迅速向上發(fā)展，梁隨即破壞。為了承受較大的荷載，需要加大梁的截面，然而往往達不到經濟的要求。于是便有了把鋼筋放在受拉區(qū)、以加強受拉區(qū)的做法。
從1824年發(fā)明了波特蘭水泥到19世紀中葉，在受拉區(qū)配置受拉性能好的鋼筋以增加梁的承載能力的做法已經十分普遍。這種混凝土和鋼筋共同組成的結構就被稱之為鋼筋混凝土結構。
鋼筋混凝土結構充分利用了混凝土優(yōu)良的抗壓性能和鋼筋優(yōu)良的抗拉性能。在鋼筋混凝土結構中，鋼筋和混凝土之間存在著機械咬和力、握裹力和化學粘結力，另外鋼筋和混凝土的溫度膨脹系數相近，因此鋼筋和混凝土能夠共同工作，承載力較純粹的混凝土結構大為提高，是比較優(yōu)異的受力結構，因此被廣泛地應用于土建工程中。
雖然普通鋼筋混凝土結構目前在土木工程中被廣泛采用，但是鋼筋混凝土結構存在著其自身不可克服的缺點如抗裂能力差(裂縫開展早、發(fā)展快、寬度大)、剛度低，耐久性不好、跨越能力受限，不能適應結構向大跨輕型發(fā)展的要求。
發(fā)明的內容為了改善鋼筋混凝土梁的性能，避免結構的過早開裂、使結構的跨越能力增大，人們采用了許多的措施，對鋼筋混凝土結構在使用前進行預處理，比如預應力混凝土結構就是其中的一種。
本發(fā)明的目的之一是提出的一種異于現有其它改善混凝土結構的技術措施，能夠有效地提高鋼筋混凝土結構的性能的含有阻裂增強層的復合鋼筋混凝土梁。
本發(fā)明的目的之二是提供一種能夠顯著提高鋼筋混凝土結構的抗裂性，大幅度提高鋼筋混凝土結構承載能力，從而減輕結構自重，實現結構的輕型和大跨化的含有阻裂增強層的復合鋼筋混凝土梁及施工方法。
本發(fā)明的目的之一通過這樣的技術方案實現，即一種含有阻裂增強層的復合鋼筋混凝土梁，其特征是在在鋼筋混凝土梁的部分或全部受拉面上粘結復合材料阻裂材料層。
本發(fā)明的目的之二由以下技術方案來實現，即一種含有阻裂增強層的復合鋼筋混凝土梁及其施工方法首先澆筑鋼筋混凝土結構，然后在鋼筋混凝土結構的受拉面上均勻涂刷一層界面粘結膠，再在膠層的表面粘結復合材料阻裂材料層(復合材料阻裂增強層可以分層粘結到界面粘結膠上；也可以首先制作復合材料阻裂增強層并整體粘結到界面粘結膠上)。
本發(fā)明的技術方案也可以通過首先制作復合材料阻裂增強層、并在其固化前或者固化后放入待澆注的鋼筋混凝土結構的模板內，再在的內表面均勻涂刷界面粘結膠，然后澆注鋼筋混凝土結構。
本發(fā)明澆注的鋼筋混凝土結構中采用的受拉主鋼筋為屈服應力或者條件屈服應力為800-1000MPa、外形為光圓的高強鋼筋。
本發(fā)明采用的界面粘結膠具有保證鋼筋混凝土結構和粘結復合材料阻裂增強層共同工作所需要的強度和變形能力，其抗拉強度不小于40Mpa，極限變形不小于3％。
本發(fā)明采用的復合材料阻裂增強層，由玻璃纖維布和樹脂類材料組成，具有和混凝土相近或相同的彈性模量、抗拉強度不小于200Mpa，變形能力不小于1.5％，能夠延緩鋼筋混凝土結構中裂紋的出現并能阻止鋼筋混凝土結構中裂紋的發(fā)展。本發(fā)明和舊鋼筋混凝土結構的粘結加固技術存在著本質的差別。主要表現為1、本發(fā)明的復合鋼筋混凝土梁技術針對的是新建結構。本發(fā)明的復合鋼筋混凝土梁在設計時就考慮了阻裂增強層的作用，并運用斷裂力學對截面、配筋、界面等進行優(yōu)化設計，使阻裂增強層自一開始就與結構協(xié)同受力，明顯改善結構性能，是一種全新的設計理念。而粘結加固只是被動采用的處理措施，加固結構中的缺陷和裂紋不能完全修復；粘結加固不可能改變截面、配筋等原結構固有的特性。
2、本發(fā)明的復合鋼筋混凝土梁中的受拉主鋼筋為屈服應力或者條件屈服應力為800-1000MPa、外形為光圓的高強鋼筋，而目前的鋼筋混凝土結構中的受拉主鋼筋則為普通熱軋鋼筋，其強度為400Mpa左右(目前的結構設計理論認為高強鋼筋在普通鋼筋混凝土中運用不能發(fā)揮高強鋼筋應有的強度優(yōu)勢)。
3、本發(fā)明的阻裂增強層由一層或多層玻璃纖維布通過樹脂材料復合組成，與目前作為加固用的碳纖維或鋼板材料相比，成本顯著降低。


本發(fā)明可以通過附圖進一步說明。
附圖1為本發(fā)明的結構示意圖；附圖2、3為斷裂力學機理示意圖；附圖4為現有技術中底面不粘結的混凝土梁的截面示意圖；附圖5為本發(fā)明底面粘結的混凝土梁的截面示意圖；附圖6為本發(fā)明U型粘結的混凝土梁的截面示意圖；附圖7為本發(fā)明實驗實測的荷載——位移曲線對比；附圖8為本發(fā)明荷載為11.88kN時幾種復合鋼筋混凝土梁和普通鋼筋混凝土的豎向位移圖；附圖9為本發(fā)明荷載為19.8kN時幾種復合鋼筋混凝土梁和普通鋼筋混凝土的豎向位移圖。
參見附圖1圖中1——復合材料阻裂增強層、2——界面粘結膠、3——鋼筋混凝土結構。
參見附圖2、3本發(fā)明含有阻裂增強層的復合鋼筋混凝土梁具有以下兩個斷裂力學機理第一、集中閉合力機理。由于鋼筋混凝土結構含有復合材料阻裂增強層，所以當結構受力時，阻裂增強層受拉，對于混凝土中的裂紋(包括微裂紋)而言，則受到了一對集中閉合力，它的作用會延緩結構開裂并阻止裂紋的擴展。
第二、變邊裂紋為內部裂紋的力學機理。由于鋼筋混凝土結構含有復合材料阻裂增強層，于是原來結構中的邊裂紋就變成了內部裂紋，裂紋發(fā)展的驅動力大大降低，因此裂紋的發(fā)展就受到了阻止。
由于阻裂增強層延緩了混凝土結構的開裂、并阻止了開裂后裂紋的擴展，因此復合鋼筋混凝土梁的抗裂性能明顯改善，承載力大幅提高。
具體實施例方式
本發(fā)明所提供的含有阻裂增強層的復合鋼筋混凝土梁及施工方法為首先制作鋼筋混凝土結構3，然后在鋼筋混凝土結構3處理后的底面及中線以下部分側面即受拉面，涂刷一層界面粘結膠2，再在界面粘結膠2表面粘結復合材料阻裂增強層1。
復合材料阻裂增強層1可以分層粘結到界面粘結膠2上；也可以首先制作復合材料阻裂增強層1并整體粘結到界面粘結膠2上。
也可以首先制作復合材料阻裂增強層1、并在其沒有固化時或者固化后將其作為外模，然后在其內表面均勻涂刷界面粘結膠2，然后在其內部澆注鋼筋混凝土結構3。
本發(fā)明含有阻裂增強層的復合鋼筋混凝土梁及施工方法已經得到了充分的實驗驗證。
1、40cm×10cm×10cm素混凝土小梁實驗為了驗證復合材料阻裂增強層對混凝土結構抗裂性和承載力的影響，在實驗室將36個40cm×10cm×10cm的素混凝土小梁的受拉面上粘結了玻璃纖維阻裂材料層(粘結層數分別為1層、2層、3層、4層，粘結方式分為底面粘結和U型粘結。底面粘結便于分析計算；U型粘結接近于工程運用，也是本發(fā)明提出的粘結方式，粘結方式參閱圖5、6)。然后進行加載，并和沒有粘結的素混凝土小梁的加載結果進行對比(所有小梁混凝土的材料相同、成型工藝相同、養(yǎng)護條件相同；小梁加載條件完全相同)。加載結果顯示含有阻裂增強層的素混凝土小梁的開裂荷載提高46％以上，極限荷載提高90％～240％，其中以U型粘結提高幅度最大。
2、含有阻裂增強層的復合鋼筋混凝土梁試驗為了進一步驗證含有阻裂增強層的復合鋼筋混凝土梁的優(yōu)良性能，發(fā)明人在實驗室共進行了3批42片梁的結構試驗。
第一批實驗。共成型200cm×16cm×10cm的鋼筋混凝土梁12片，所有的結構配筋相同、混凝土配比相同、養(yǎng)護條件相同。其中3片梁不粘結阻裂材料層，作為對照組。其余9片梁分別粘結了阻裂材料層(粘結層數分別為1層、2層、3層，粘結方式分為底面粘結和U型粘結；底面粘結便于分析計算，U型粘結接近于工程運用)，見圖4、5、6。加載試驗中，加載方式完全相同。
加載結果顯示含有阻裂增強層的復合鋼筋混凝土梁的開裂荷載提高33～45％；復合鋼筋混凝土梁極限承載力提高70～150％(提高幅度與阻裂材料層的厚度有關；U型粘結方式提高幅度最大)；復合鋼筋混凝土梁具有良好的延性。
第二批實驗。共成型200cm×16cm×10cm的鋼筋混凝土梁18片；減薄截面厚度2厘米的梁2片；減少鋼筋的用量36％的梁2片；減少鋼筋的用量64％的梁2片。所有的結構混凝土配比相同、養(yǎng)護條件相同。每一種梁中的一根不粘結阻裂材料層，作為對照組。其余所有的梁全部粘結了玻璃纖維阻裂材料層(粘結方式分為底面粘結和U型粘結，圖5圖6)。其中實驗梁的編號見表1。加載試驗中，加載方式完全相同。
加載結果再次證明了第一次的實驗結論含有阻裂增強層的復合鋼筋混凝土梁的開裂荷載提高30～50％；復合鋼筋混凝土梁極限承載力提高67～146％(提高幅度與阻裂材料層的厚度有關；U型粘結提高幅度最大)；復合鋼筋混凝土梁具有良好的延性，承載能力極限狀態(tài)時，跨中豎向位移為普通鋼筋混凝土結構跨中豎向位移的2倍以上；復合鋼筋混凝土梁具有塑性破壞的顯著特征。實驗實測的荷載——位移曲線見圖7。
參見附7，實驗結果也顯示當截面高度減小后，復合鋼筋混凝土梁的開裂荷載仍可提高33％以上，極限荷載可以提高72％以上；減少鋼筋用量后，復合鋼筋混凝土梁的開裂荷載仍可提高33％，極限荷載提高30％以上。
表1試驗梁的編號及構造情況


由于阻裂增強層阻止了裂紋的發(fā)展，復合鋼筋混凝土梁的剛度明顯增大。實驗證明①復合鋼筋混凝土梁在相同的荷載作用下具有比普通鋼筋混凝土結構更大的抗彎剛度。即使是截面高度減小或截面配筋率降低的復合鋼筋混凝土梁(只要在一定的范圍內降低或減小)，也具有比不降低截面配筋率和不減小截面高度的普通鋼筋混凝土結構更高的抗彎剛度。(圖8、圖9為荷載分別為11.88kN和19.8kN時，玻璃纖維布不同粘結層數的復合鋼筋混凝土梁與普通鋼筋混凝土結構的豎向位移曲線。其中I-0為普通鋼筋混凝土結構，、I-1為粘結一層玻璃纖維的復合鋼筋混凝土梁、I-2為粘結二層玻璃纖維的復合鋼筋混凝土梁、I-3為粘結三層玻璃纖維的復合鋼筋混凝土梁、I-4分別為粘結四層玻璃纖維的復合鋼筋混凝土梁。)②在相同的撓度即變形情況下，復合鋼筋混凝土結構能夠承受比普通鋼筋混凝土結構更大的荷載。③如果用撓度對復合鋼筋混凝土梁正常使用階段進行控制，此時盡管復合鋼筋混凝土梁已達正常使用階段的極限狀態(tài)，但仍具有很高的承載潛力。④復合鋼筋混凝土梁達到普通鋼筋混凝土結構正常使用極限狀態(tài)的撓度限值時，承載能力是普通鋼筋混凝土結構的1.3倍以上。
由于阻裂增強層阻止、并延緩了復合鋼筋混凝土梁中裂紋的發(fā)展，復合鋼筋混凝土梁的裂紋寬度明顯變窄實驗表明①玻璃鋼作為復合鋼筋混凝土梁的阻裂層材料能提高復合鋼筋混凝土梁的使用性能。根據斷裂力學的阻裂機理，玻璃鋼阻裂層能起到對起裂點集中閉合作用，從而達到阻裂效果。②復合鋼筋混凝土梁相對普通鋼筋混凝土結構，需要較大外加荷載才能達到“裂縫基本出齊階段”，并且在“裂縫基本出齊階段”后，裂縫的發(fā)展較為緩慢，結構表現出較好的延性。③相對于普通混凝土結構，在以裂縫寬度作為正常使用階段極限狀態(tài)控制指標時，復合鋼筋混凝土梁的承載力得到較大的提高。以0.2mm作為結構使用階段的最大裂縫控制時，復合鋼筋混凝土梁的承載力最大有80％的提高。
(表2～4為試驗梁分別在0.1mm、0.15mm、0.2mm裂縫寬度值對應的荷載?？梢钥吹?，復合鋼筋混凝土梁在各級裂縫值下對應的荷載值相對于普通鋼筋混凝土結構有很大的提高，特別是在0.15mm裂縫值下試驗梁B-1有129％的提高。在0.2mm裂縫寬度值下復合鋼筋混凝土梁均有60％以上的提高。)表2試驗梁在0.1mm裂縫寬度值對應的荷載情況

表3試驗梁在0.15mm裂縫寬度值對應的荷載情況

表4試驗梁在0.2mm裂縫寬度值對應的荷載情況

(注-表示沒有觀測到該級荷載值下的裂縫)另外實驗中還發(fā)現當粘結的阻裂增強層發(fā)生脫落，即復合鋼筋混凝土梁已經退化為普通鋼筋混凝土結構時，此時的結構具有遠遠大于普通鋼筋混凝土結構的承載力，即具有二次承載的增強效應。
第三批實驗。共成型650cm×60cm×25cm的鋼筋混凝土梁12片。所有的結構混凝土配比相同、鋼筋配筋率和配筋方式相同、養(yǎng)護條件相同。結構中的鋼筋采用了普通螺紋鋼和光圓鋼兩種形式，光圓鋼筋為高強鋼筋，強度為900Mpa。
其中的3片梁不粘結阻裂材料層，作為普通鋼筋混凝土結構對照組，其余的梁全部粘結了阻裂材料層。加載試驗中，加載方式完全相同。
實驗中證實了采用高強光圓鋼筋的復合鋼筋混凝土梁具有更高的承載力(提高幅度為65～136％)和更好的工作特性(阻裂增強層和混凝土的粘結界面不易失效)。含有螺紋鋼筋的結構粘結阻裂增強層后，雖然和普通鋼筋混凝土結構比承載力仍有提高，但提高幅度不大(提高30％左右)，粘結界面破壞嚴重。證實了復合鋼筋混凝土梁采用高強光圓鋼筋的優(yōu)越性。
本次大尺度梁的加載實驗結果再次證明了本發(fā)明——含有阻裂增強層的復合鋼筋混凝土梁及施工方法具有以下優(yōu)點抗裂性好；同級荷載下結構剛度大幅提高；極限承載力顯著提高；結構具有良好的延性(不會發(fā)生脆斷，具有良好的抗震性能)；第一次達到承載力后，具有二次承載的后增強效應。
本發(fā)明提出的運用斷裂力學阻裂機理制作復合鋼筋混凝土梁的理論在國內外屬于首次提出，具有明顯的新穎性。含有阻裂增強層的復合鋼筋混凝土梁理論已經得到了實驗結果的充分證實大、小尺度的結構實驗結果均已證明，本發(fā)明——一種含有阻裂增強層的復合鋼筋混凝土梁，具有明顯優(yōu)于傳統(tǒng)普通鋼筋混凝土結構的良好力學性能，是一種明顯不同于傳統(tǒng)普通鋼筋混凝土結構的結構形式；是一種明顯不同于其他改進鋼筋混凝土結構方法的新的結構形式。因此，本發(fā)明具有創(chuàng)造性。
本發(fā)明的技術方案中，采用了玻璃纖維作為阻裂增強層材料。玻璃纖維和其他現行加固技術中采用的纖維相比(如碳纖維或有機纖維)，價格低廉(約為其他纖維價格的1/30～1/50)，因此使本發(fā)明的復合鋼筋混凝土梁具有十分突出的經濟性。
同時，由于玻璃纖維和混凝土的模量相近，粘結界面的力學特性明顯高于粘結碳纖維，這是本發(fā)明的另一優(yōu)點，也是選擇玻璃纖維作為阻裂增強層的一個重要原因。粘結玻璃纖維阻裂增強層的施工工藝屬于成熟技術，施工簡單快捷。
本發(fā)明除了提出粘結玻璃纖維阻裂增強層外，還提出了另外幾種實現復合鋼筋混凝土梁的施工技術方案，以適用于不同的施工條件下制作復合鋼筋混凝土梁。由于本發(fā)明的提出的施工方法已經被多次用于制作復合鋼筋混凝土梁，施工方法的可行和實用性已經得到了實驗的充分驗證，因此本發(fā)明的施工方法具有明顯的實用性。
所以，總的看來，本發(fā)明的一種含有阻裂增強層的復合鋼筋混凝土梁及施工方法具有成本低，施工方便，結構性能良好的優(yōu)點，是一種理想的結構形式，是實現混凝土結構輕型、大跨的有效手段。
權利要求
1.一種含有阻裂增強層的復合鋼筋混凝土梁，其特征是在鋼筋混凝土梁(3)的部分或全部受拉面上粘結復合材料阻裂增強層。
2.一種含有阻裂增強層的復合鋼筋混凝土梁的制作方法，其特征是首先制作鋼筋混凝土結構(3)，待鋼筋混凝土結構(3)中的混凝土達到70％的強度后，對鋼筋混凝土結構(3)的底面和側面中線以下部分進行表面處理，然后均勻涂刷一層界面粘結膠(2)，在界面粘結膠(2)固化之前，在界面粘結膠(2)表面粘結復合材料阻裂增強層(1)；或首先制作復合材料阻裂增強層(1)、并在其固化前或者固化后放入待澆注的鋼筋混凝土結構(3)的模板內，再在(1)的內表面均勻涂刷界面粘結膠(2)，然后澆注鋼筋混凝土結構(3)。
3.根據權利要求1所述的含有阻裂增強層的復合鋼筋混凝土梁，其特征是鋼筋混凝土結構(3)的結構斷面可以為矩形、T形或者箱形，混凝土結構(3)中的受拉主鋼筋為屈服應力或者條件屈服應力為80-1000MPa、外形為光圓的高強鋼筋。
4.根據權利要求1所述的含有阻裂增強層的復合鋼筋混凝土梁，其特征是是粘結的復合材料阻裂增強層(1)和混凝土的彈性模量相同或相近、抗拉強度不小于200Mpa，極限變形能力不小于1.5％。
5.根據權利要求1所述的含有阻裂增強層的復合鋼筋混凝土梁，其特征是粘結的復合材料阻裂增強層(1)由一層或多層玻璃纖維布通過樹脂材料復合組成。
6.根據權利要求2所述的一種含有阻裂增強層的復合鋼筋混凝土梁施工方法，其特征是復合材料阻裂增強層(1)中的纖維布可以分層粘結到界面粘結膠(2)上；也可以首先制作復合材料阻裂增強層(1)并整體粘結到界面粘結膠(2)上。
全文摘要
一種含有阻裂增強層的復合鋼筋混凝土梁，其特征是在鋼筋混凝土梁的受拉面的部分或全部粘結復合材料阻裂增強層1。其制作方法主要包括首先制作鋼筋混凝土結構3，然后在鋼筋混凝土結構3處理后的底面及中線以下部分側面涂刷一層界面粘結膠2，再在界面粘結膠2表面粘結復合材料阻裂增強層1。本發(fā)明所提供的復合鋼筋混凝土梁具有抗裂性能好，結構剛度大，極限承載力高，具有良好的延性，結構破壞后具有較高的二次承載能力。本發(fā)明的復合鋼筋混凝土梁施工簡單、造價低。本發(fā)明的復合鋼筋混凝土梁及施工方法是一種理想的結構形式，是實現混凝土結構輕型、大跨的有效手段。
文檔編號B28B7/22GK1523177SQ0313577
公開日2004年8月25日 申請日期2003年9月5日 優(yōu)先權日2003年9月5日
發(fā)明者易志堅, 楊慶國, 李祖?zhèn)? 周超, 彭凱 申請人:重慶交通學院