一种柔性铆钉锚固双向纤维布加固钢筋混凝土柱的方法
阅读说明：本技术 一种柔性铆钉锚固双向纤维布加固钢筋混凝土柱的方法 (Method for anchoring bidirectional fiber cloth reinforced concrete column by flexible rivet ) 是由 高鹏 袁大明 王田宇 于 2021-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明属于建筑工程领域,具体涉及一种利用柔性铆钉锚固双向纤维布加固钢筋混凝土柱的方法。该方法利用双向纤维布缠绕待加固钢筋混凝土柱柱身,使用环氧树脂固化双向纤维布,并沿钢筋混凝土柱的轴向,在双向纤维布的表面或多层双向纤维布的层间粘贴柔性铆钉。柔性铆钉由主杆和与主杆一体连接的扇形粘贴面构成。本发明使用的柔性铆钉利用主杆植入与柱体连接的梁,并借助扇形粘贴面粘贴在纤维布上,锚固效果好。柔性铆钉即可以降低施工难度和成本,也不会对纤维布和柱体产生破坏,可有效避免锚固位置的应力集中和纤维布剥离破坏情况,最大程度保证双向纤维布的约束能力。(The invention belongs to the field of constructional engineering, and particularly relates to a method for anchoring a bidirectional fiber cloth reinforced concrete column by using a flexible rivet. The method comprises the steps of winding a column body of a reinforced concrete column to be reinforced by using a bidirectional fiber cloth, curing the bidirectional fiber cloth by using epoxy resin, and sticking flexible rivets on the surface of the bidirectional fiber cloth or among layers of the bidirectional fiber cloth along the axial direction of the reinforced concrete column. The flexible rivet is composed of a main rod and a fan-shaped sticking surface integrally connected with the main rod. The flexible rivet used by the invention is implanted into the beam connected with the column body by using the main rod and is adhered to the fiber cloth by the fan-shaped adhesive surface, so that the anchoring effect is good. The flexible rivet can reduce the construction difficulty and cost, can not damage the fiber cloth and the cylinder, can effectively avoid stress concentration of an anchoring position and the fiber cloth peeling damage condition, and ensures the constraint capacity of the bidirectional fiber cloth to the maximum extent.)
技术领域
本发明属于建筑工程领域，具体涉及一种利用柔性铆钉锚固双向纤维布加固钢筋混凝土柱的方法。
背景技术
既有钢筋混凝土结构中普遍存在柱混凝土强度低和体积配箍率小的问题，无法满足现行抗震规范设计要求，需对其进行加固以确保结构安全。外包钢和加大混凝土截面法是传统钢筋混凝土柱加固方法，在工程使用中存在一定问题，如：外包钢加固法工艺复杂繁琐，施工质量不易保证；加大截面法现场混凝土养护时间较长，构件截面增大后对结构外观和净空造成影响。
粘贴纤维增强复合材料(FRP)近年来在混凝土结构加固中得到了广泛应用，纤维布按受力方向可分为单向布、双向布和多轴向布等，其中双向布是指在织机上按一定的规律垂直交织而成的纤维织物，织物的经向和纬向有相同或相似力学性能。因此使用双向布对RC柱进行加固即可提高抗剪承载力又可通过纵向纤维丝提高抗弯承载力，适用于抗震等级提高的RC柱加固。其作用机理是通过FRP与混凝土界面间的粘结应力实现荷载由混凝土向纤维布传递。但FRP与混凝土的粘贴界面极易发生早期剥离破坏，从而使加固效果大大降低。
钢板压条和金属铆钉是常用的锚固措施，但钢板和金属铆钉与纤维布的硬度差别很大，协同工作时，纤维布易在锚固部位因应力集中被撕裂剥离；金属铆钉的安装还会对纤维布的整体性和连续性造成破坏，使纤维布的力学性能受到影响。
因此，如何保证纤维布的整体连续性和在锚固处不产生应力集中，对纤维布提供有效锚固措施是工程中需要解决的问题。
发明内容
为了解决现有技术中双向纤维布与传统锚固构件因应力集中而易产生剥离破坏情况导致失去加固作用的问题，本发明提供一种利用双向纤维布和柔性铆钉抗弯抗剪加固钢筋混凝土柱方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种利用柔性铆钉锚固双向纤维布加固钢筋混凝土柱的方法，该方法利用双向纤维布缠绕待加固钢筋混凝土柱柱身，使用环氧树脂固化所述双向纤维布，并沿所述钢筋混凝土柱的轴向，在所述双向纤维布的表面或多层双向纤维布的层间粘贴柔性铆钉；所述柔性铆钉由主杆和与所述主杆一体连接的扇形粘贴面构成。
优选的，所述柔性铆钉的主杆由纤维丝束粘结形成，所述扇形粘贴面由形成所述主杆的同一组纤维丝束自主杆末端向远离所述主杆方向呈扇形二维展开，所述主杆的起始端和末端还分别设置有固定件，防止所述主杆松散。
由于纤维丝束材质软，上述二维展开是一个相对描述而非绝对描述，主要用于说明纤维丝束呈扇形展开后厚度较薄的状态，而不是限制。
优选的，所述粘结具体为，使用胶粘剂浸透所述纤维丝束组成的主杆，待所述胶粘剂固化即形成硬质主杆。本发明中，主杆在使用胶粘剂浸透前也可以将纤维丝束先进行编织以加强其硬度和粘结力。
优选的，该方法包括如下步骤：
S1.双向纤维布缠绕待加固钢筋混凝土柱柱身，使用环氧树脂固化所述双向纤维布；其中所述双向纤维布中经线或纬线平行于所述钢筋混凝土柱的轴线形成纵向纤维，则另一条形成横向纤维；
S2.在与所述钢筋混凝土柱连接的梁上相应位置钻孔，将柔性铆钉的主杆植入所述孔内，并灌入结构胶；
S3.将所述柔性铆钉的扇形粘贴面粘贴至所述双向纤维布的外表面，保证所述扇形粘贴面的中心线与所述主杆轴线在同一平面内，所述平面为经过所述中心线并垂直于所述扇形粘贴面的平面。
优选的，所述步骤S1-S2之间，还需确定柔性铆钉的使用数量n：首先预设所述柔性铆钉的扇形粘贴面最大宽度W和其扇面展开角度的一半α，再根据所加固钢筋混凝土柱柱面宽度D确定使用柔性铆钉的使用数量n，满足n×W≤D，且每个所述柔性铆钉的扇形粘贴面均保持独立。
优选的，单个所述柔性铆钉的尺寸确定方法如下：
S61.以双向纤维布中纵向设计拉力F与所述柔性铆钉的数量n的比值计算所述单个柔性铆钉的承载力Nc；
其中，γ为材料分项系数，取1.4；Ef为双向纤维布的弹性模量，εf为纤维丝束的断裂应变，Ap为双向纤维布截面面积；
S62.将计算得到的承载力Nc带入公式(b)计算得到主杆横截面积Ad：
其中，α为扇面展开角度的一半，Ad为主杆的横截面面积；
S63.根据混凝土锥形破坏下最小埋置深度公式(c)计算主杆长度h：
其中，fc为混凝土抗压强度，β为模型计算系数，取9.8；
S64.根据公式(d)计算扇形粘贴面面积Af：
其中，Vsb为环氧树脂的剪切粘贴强度，单位MPa；
S65.根据扇形粘贴面最大宽度W和扇面展开角度的一半α计算扇形粘贴面的长度L。
优选的，所述S63中，当柔性铆钉的使用数量n＞1，且所述柔性铆钉间间距＞3h时，还需进行群锚验算，即铆钉的受拉承载力Nc应小于群锚锥形破坏受拉承载力验算公式为：
An＝(S1+3h)(S2+1.5h) (f)
其中，为群锚锥形破坏受拉承载力，An为群锚受拉力时，混凝土实际锥体破坏投影面积；S1为两柔性铆钉主杆的中心距；S2为在垂直于两柔性铆钉主杆所在平面，主杆距混凝土实际锥体破坏投影面积的边距；为边距S2对受拉承载力的影响系数。
优选的，所述步骤S2中，当梁上钻孔的方向垂直于与所述双向纤维布的表面时，向孔内植入主杆的设定长度部分，其余部分向所述双向纤维布方向弯折，然后进行步骤S3。
优选的，当所述柔性铆钉需要粘贴在多层双向纤维布的层间时，步骤S1仅粘贴固化所述多层双向纤维布中的内层双向纤维布，粘贴完毕后进行步骤S2和S3，再粘贴剩余所需的双向纤维布，完成外层的所述双向纤维布粘贴。
本发明的有益效果在于：
由于混凝土抗拉强度较低，纤维布与混凝土的粘结界面易发生早期剥离破坏，现有技术中使用金属铆钉防止纤维布剥离时需要穿透纤维布和柱体，破坏纤维布的整体性和连续性，降低加固效果。本发明使用的柔性铆钉利用主杆植入与柱体连接的梁，并借助扇形粘贴面粘贴在纤维布上，锚固效果好，即降低了施工难度和成本，也不会对纤维布和柱体产生破坏。
本发明中使用的柔性铆钉由纤维丝束制成，纤维丝束可以由纤维布散开得到，即柔性铆钉的材质与需要锚固的纤维布可以相同。由于制成的柔性铆钉质量轻且易变形，可以较好的与纤维布相容，且抗腐蚀性能好，可有效避免锚固位置的应力集中和纤维布剥离破坏情况，最大程度保证双向纤维布的约束能力。
附图说明
下面结合附图对本发明专利进一步说明。
图1为本发明中利用柔性铆钉锚固双向纤维布加固钢筋混凝土柱的示意图；
图2为图1中A部分的局部放大图；
图3为图1中B部分的局部放大图；
图4为本发明柔性铆钉的结构示意图；
图5为群锚验算中各符号的说明，图中阴影部分为混凝土实际锥体破坏投影面积；
图6为实施例3中试验柱的破坏状态图，其中图6A为柱SBQ1，图6B为柱SBQ1，图6C为柱SBQ1M；
图7为实施例3中柱SBQ1和柱SBQ1M的纤维布中纵向纤维应变图；图中20mm、30mm、40mm、50mm、60mm分别代表不同的加载位移。
图8为实施例3中柱BQ0、柱SBQ1和柱SBQ1M的滞回曲线。
图中标注符号的含义如下：
10-双向纤维布
20-钢筋混凝土柱 21-梁 211-孔
30-柔性铆钉 31-主杆 32-扇形粘贴面 33-固定件
D-钢筋混凝土柱柱面宽度 α-扇面展开角度的一半
L-扇形粘贴面的长度 H-主杆长度 W-扇形粘贴面最大宽度
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例一
如图1-3所示，对某一方形钢筋混凝土柱20表面粘贴的双向纤维布10进行锚固，钢筋混凝土柱20的每一面设计使用两个柔性铆钉30。
该利用柔性铆钉30锚固双向纤维布10加固钢筋混凝土柱20的方法，步骤如下：
S1.将双向纤维布10缠绕在待加固钢筋混凝土柱20的柱身后，使用环氧树脂固化双向纤维布10。双向纤维布10由经线和纬线交叉编织构成，粘贴后，需保证经线或纬线中的任一种平行于钢筋混凝土柱20的轴线粘贴，本发明称成纵向纤维；另一种粘贴后平行于钢筋混凝土柱20的横截面，本发明称为横向纤维；
S2.在与加固钢筋混凝土柱20连接的梁上相应位置钻孔211，将柔性铆钉30的主杆31植入所述孔211内，并灌入结构胶；
孔211的深度和大小应当依据主杆31的大小选择，为了便于安装，基础开孔211的直径一般比设计主杆31直径大3-5mm。
S3.将所述柔性铆钉30的扇形粘贴面32粘贴至所述双向纤维布10的外表面，保证所述扇形粘贴面32的中心线与所述主杆31轴线在同一平面内，所述平面为经过所述中心线并垂直于所述扇形粘贴面32的平面。
由于纵向纤维发挥其力学性能需要一定的锚固长度，使用柔性铆钉30可以固定纵向纤维的端部区域，从而发挥纵向纤维的力学性能，提高柱的抗弯能力。
本实施例中，加固钢筋混凝土柱20的A面与用于钻孔211的梁表面位于同一平面内，因此在梁上钻孔211后，孔211的方向垂直于双向纤维布10的粘贴面，此时向孔211内植入一部分主杆31，主杆31的其余部分向双向纤维布10方向弯折，然后再进行步骤S3。植入孔211内的主杆31长度由计算结果确定。
上述步骤S1中，将双向纤维布10缠绕在待加固钢筋混凝土柱20的柱身前，先要对钢筋混凝土柱20塑性铰区表面进行倒角和表面打磨等处理，去除钢筋混凝土柱20表面附着的杂物并将接触点打磨平整，拭去表面油污和灰尘。
上述步骤S1中，使用环氧树脂固化双向纤维布10的具体操作是：在钢筋混凝土需要缠绕双向纤维布10的表面均匀涂刷一层薄薄的环氧树脂，填补找平钢筋混凝土表面；待底层环氧树脂干燥后，用酒精擦拭其表面，并再涂刷一层环氧树脂，缠绕粘贴一层双向纤维布10，再涂刷一层环氧树脂，直至双向纤维布10缠绕完毕。注意双向纤维布10之间不要存在空鼓。环氧树脂固化双向纤维布10可以发挥出横向纤维的约束作用，提升柱的抗剪能力。
实施例2
柔性铆钉30的结构如图4所示，包括主杆31和与主杆31一体连接的扇形粘贴面32，
其中主杆31由纤维丝束经编织后由胶粘剂粘结形成，扇形粘贴面32由形成主杆31的同一组纤维丝束自主杆31末端向远离主杆31方向扇形展开形成，主杆31的起始端和末端还分别设置有固定件33，固定件33为卡箍，用于防止主杆31松散。
实际应用中，柔性铆钉30的主杆31还可以由纤维布卷制或编织制成。
应用纤维布制作柔性铆钉30的方法为：
S1.裁剪。根据所需尺寸裁剪纤维布，为避免制作时手工误差导致的尺寸不准确，在裁剪纤维布时将纤维布的两端的裁剪长度各延长50mm。随后将纤维布按计算尺寸裁剪3段，为了增强主杆31的整体性将纤维布编织成麻花状，编织也有利于安装后增大主杆31和基体之间的接触面。在编织过程中应使主杆31密实，防止主杆31过粗影响柔性铆钉30的安装。
S2.固化。将环氧树脂AB组分按2∶1混合。随后将编织后的主杆31浸泡环氧树脂，环氧树脂固化24小时后再对铆钉进行裁剪。
S3.制作扇形粘贴面32。将剩余的纤维布拆解为纤维丝状，并固定好纤维丝展开的扇面宽度，控制每个区域的扇丝均布可以有效的传递纤维布上的拉力。
对于实际应用中柔性铆钉30的数量以及尺寸的确定，方法如下：
定义柔性铆钉30的埋置深度为主杆31的长度h，扇形粘贴面32的展开宽度为w，扇形粘贴面32的长度为L，扇形粘贴面32的扇形展开角度的一半为α。
首先确定柔性铆钉30的使用数量n：首先预设所述柔性铆钉30的扇形粘贴面32最大宽度W和扇面展开角度的一半α，再根据所加固钢筋混凝土柱20柱面宽度D确定使用柔性铆钉30的使用数量n，满足n×W≤D，且每个所述柔性铆钉30的扇形粘贴均保持独立。
再确定单个柔性铆钉30的尺寸，步骤如下：
S61.以双向纤维布10中纵向设计拉力F与所述柔性铆钉30的数量n的比值计算所述单个柔性铆钉30的承载力Nc；
其中，γ为材料分项系数，取1.4；Ef为双向纤维布的弹性模量(MPa)，εf为纤维丝束的断裂应变，Ap为双向纤维布截面面积(mm2)；
S62.将计算得到的承载力Nc带入公式(b)计算得到主杆横截面积Ad：
其中，α为扇面展开角度的一半，Ad为主杆的横截面面积；
S63.根据混凝土锥形破坏下最小埋置深度公式(c)计算主杆长度h：
其中，fc为混凝土抗压强度，β为模型计算系数，取9.8；
此步骤中，当柔性铆钉30的使用数量n＞1，且所述柔性铆钉30间间距＞3h时，还需进行群锚验算，即铆钉的受拉承载力Nc应小于群锚锥形破坏受拉承载力验算公式为：
An＝(S1+3h)(S2+1.5h) (f)
其中，如图5所示，为群锚锥形破坏受拉承载力，An为群锚受拉力时，混凝土实际锥体破坏投影面积；S1为两柔性铆钉主杆31的中心距；S2为在垂直于两柔性铆钉主杆31连线方向，主杆31距混凝土实际锥体破坏投影面积的边距；为边距C2对受拉承载力的影响系数。
S64.根据公式(d)计算扇形粘贴面面积Af：
其中，Vsb为环氧树脂的剪切粘贴强度，单位MPa，当无法确定环氧树脂的剪切粘贴强度时，Vsb取5MPa；
S65.根据扇形粘贴面最大宽度W和扇面展开角度的一半α计算扇形粘贴面的长度L；根据主杆31横截面积Ad确定主杆31的直径，以及梁21上开孔211的孔直径，一般来说，孔直径宜比主杆31直径大3-5mm。
孔直径d0由下述公式(h)所示：
当fc≤20MPa时，Ncb＝4.62πd0h
当fc≥20MPa时，Ncb＝9.07πd0h (h)
其中，Ncb为拔出破坏荷载。
实施例3
本实施例3试验设计制作了3根钢筋混凝土矩形柱，柱的尺寸为300mm×300mm×1300mm，基础尺寸为300mm×500mm×1700mm，使用的混凝土强度均为C30。柱中使用纵筋的强度等级为HRB400，箍筋为HRB335；纵筋直径28mm，箍筋直径6mm。
本试验所用加固材料为玄武岩纤维布(BFRP)，其弹性模量87.0GPa，抗拉强度1740.0MPa，厚度为0.12mm，延伸率2.0/％。
对3根钢筋混凝土矩形柱分别做如下设计：一根其中一根为未加固的对比柱BQ0、一根为使用双向纤维布约束柱SBQ1和一根使用双向纤维布并用铆钉锚固的约束柱SBQ1M。
在柱SBQ1和柱SBQ1M上粘贴纤维布，并在柱SBQ1M两侧各布置两个柔性铆钉，柔性铆钉所用纤维丝束为单向玄武岩纤维，柔性铆钉承担的荷载为双向布断裂荷载的1.2倍。以实施例2中公式计算柔性铆钉各项数据，结果如下：
表1柔性铆钉尺寸
根据表1计算结果在基础上标识出铆钉杆位置，随后用电镐开孔，开孔直径和深度以计算为准，由于孔洞紧贴柱底，可控制电镐有10度倾角。开孔后将孔洞内的灰尘扫净，避免由灰尘引起的环氧树脂与基础粘结不牢。清理干净后向孔洞内注入一半深的环氧树脂，随后将主杆插入洞内，并将洞口用环氧树脂填满，控制孔洞内环氧树脂密实无气泡。然后将扇丝分散粘贴到纤维布上，贴好后再补刷一层环氧树脂。
使用三个液压千斤顶和两个门式反力架固定柱对试验柱进行固定，试验采用MTS控制的拟静力加载，加载方式为分级位移控制。分别在纵筋、箍筋、混凝土和纤维布上布置了电阻应变片用于采集试验过程中的数据。
结果如图6所示，图6A为柱BQ0剪切破坏图，可见破坏时柱身有一道主斜裂缝从柱底发展到650mm高。图6B为无锚固的柱SBQ1剪切破坏图，图6C为柱SBQ1M剪切破坏图。如图6C所示，柱SBQ1M显现为弯剪破坏形态。与图6B对比，可见柱SBQ1柱底塑性铰区的混凝土破坏较剧烈，剥开纤维布后发现，柱底存在较粗的水平裂缝和两条交叉向上的斜裂缝。这是由于塑性铰区受力较为复杂，无锚固的纤维布在环向的约束效果较好，而纵向纤维缺少锚固导致利用效率较低，对塑性铰区的约束效果较差。图6C中使用柔性铆钉延长了纵向纤维的锚固长度，使纵向纤维的有效应变提高。
使用柔性铆钉后，纵向纤维和纵筋协同受力抵抗弯矩，如图7所示为柱SBQ1和柱SBQ1M的纵向纤维应变图，从图上可以看出有锚固柱SBQ1M的纵向纤维应变集中在4000～8000微应变之间，无锚固柱SBQ1的纵向纤维应变集中在3000以下。在距柱底250mm高度，对比无锚固的柱SBQ1，有锚固的柱SBQ1M的纵向纤维应有效应变更高，无锚固的柱SBQ1纵向纤维基本未得到有效利用。
图8为柱SBQ1和柱SBQ1M的滞回曲线图，可以看出，使用柔性铆钉提升了试件的承载力，在相同加载位移下，使用铆钉的柱SBQ1M所施加的水平荷载更高，其峰值荷载较柱SBQ1提升12.2％。可以观察到在同等加固量条件下，有锚固的柱SBQ1M约束效果更理想。
以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而并非对本发明的限制；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
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