预应力纤维增强型钢混凝土结构及其预应力施工方法 一、技术领域
本发明属于土木建筑工程结构及其施工方法，特别涉及有特殊要求的工程结构及其施工方法。
二、背景技术
目前，在土木建筑工程领域中，普遍使用的钢筋混凝土和型钢混凝土结构，有自重大、跨越能力小等缺点。又由于混凝土是一种抗压性能很好，而抗拉性能很差〔一般为2～5MPa〕的材料，故易开裂破损。此外，随着社会的不断发展，人们对土木建筑工程提出了新的要求，如结构要轻盈、空间要宽阔、承载能力还要大等等，于是采用普通的钢筋混凝土结构和型钢混凝土结构就难以满足现代大型土木工程的需要。而且对型钢混凝土结构而言，按容许应力法设计时，钢材的塑性性能并未得到充分利用。
三、发明内容
本发明的目的是充分利用钢材的塑性性能和纤维布优异的力学性能，提供预应力纤维增强型钢混凝土结构及其施工方法，使土木工程结构具有极高的承载能力和较大的结构刚度，增长使用寿命，以满足现代大型土木工程结构的要求，特别满足有特殊要求的结构，如自重轻、刚度大、截面尺寸小，有较大的跨越能力、能承受重荷载的结构的要求。
本发明的目的是这样实现的：本发明的结构，主要由纤维布〔如碳纤维布、高分子聚合物纤维布、玻璃纤维布等〕、型钢〔如钢板、热轧型钢、焊接型钢及不同型钢的组合结构等〕和混凝土组成，或者主要由纤维布和型钢组成。由纤维布和型钢组成的纤维增强型钢结构，是利用钢材优良地塑性性能和纤维布很高的抗拉强度〔如碳纤维的极限强度比钢材高10倍左右〕，采用纤维布增强型钢的施工方法而形成；若采用纤维增强型钢结构来增强混凝土的施工方法，就形成由纤维布、型钢、混凝土组成的预应力纤维增强型钢混凝土结构。由于纤维布具有可挠性、抗拉强度高、弹性模量大、耐高温、抗疲劳、耐腐蚀、比重小、质量轻等特性，故纤维增强型钢结构和预应力纤维增强型钢混凝土结构，具有较高的极限承载能力和较大的结构刚度，并改善了土木工程结构的使用性能。本发明还充分利用纤维布的高抗拉强度特性和钢材优良的塑性性能，采用预弯曲预应力技术〔包括反向加载预弯曲预应力技术、正向加载预弯曲预应力技术、先施行反向加载预弯曲预应力技术再施行正向加载预弯曲预应力技术〕对纤维布进行预张拉的施工方法，来形成由纤维布和型钢组成的预应力纤维增强型钢结构；再用预应力纤维增强型钢结构来增强混凝土，也可采用预弯曲预应力技术〔包括反向加载预弯曲预应力技术或正向加载预弯曲预应力技术〕的施工方法，又形成由纤维布、型钢和混凝土组成的预应力纤维增强型钢混凝土结构。根据使用目的的不同，可施行一次或多次预弯曲预应力技术，从而使上述工程结构建立起预应力，进一步提高工程结构的极限承载能力，并获得更大的结构刚度，从而改善了工程结构的使用性能。根据土木工程结构要求的不同以及结构构件使用目的的不同，可以采用上述不同的施工方法，就可得到上述不同的工程结构。本发明的施工方法及步骤：1.用纤维布增强型钢的施工方法及步骤：
〔1〕对型钢下翼板〔指该结构在抗弯使用时，型钢受拉一侧的翼缘板〕的粘贴面进行除锈、打磨、清洁处理；
〔2〕将粘结剂均匀地涂刷在处理过的型钢下翼板的粘贴面上；
〔3〕将碳纤维布铺放在粘结剂上，并用滚筒碾压，压至纤维布充分浸渍于粘结剂中；
〔4〕再在纤维布上涂刷浸渍树脂，并自然养生。
2.用纤维增强型钢结构来增强混凝土的施工方法，根据使用的目的不同，有两种方式：
〔1〕将纤维增强型钢结构〔即已粘贴纤维布的型钢〕用混凝土包裹起来浇筑，就形成预应力纤维增强钢骨混凝土结构；
〔2〕将混凝土浇筑在纤维增强型钢结构的上翼板〔指该结构在抗弯使用时，型钢受压一侧的翼缘板〕上，就形成预应力纤维增强型钢混凝土叠合结构。
3.采用预弯曲预应力技术的施工方法和步骤：
〔1〕反向加载预弯曲预应力技术的施工方法及步骤：
①对型钢反向加载〔即加载方向与正常使用荷载的作用方向相反〕，使型钢下翼板〔指在正常使用荷载的作用时，型钢受拉一侧的翼缘板〕受压接近屈服，但一定不要达到或超过钢材的屈服极限，使其处于钢材的线弹性范围内；保持此时的荷载不变；
②在反向荷载保持状态下，对型钢下翼板的粘贴面进行除锈、打磨、清洁处理；
③在反向荷载保持状态下，将粘结剂均匀地涂刷在处理过的型钢下翼板的粘贴面上；
④在反向荷载保持状态下，将纤维布铺放在粘结剂上，并用滚筒碾压，压至纤维布充分浸渍于粘结剂中；
⑤再在纤维布上涂刷浸渍树脂，并自然养生；
⑥待粘结剂达到充分的强度后，缓慢卸除所加的反向荷载。所加荷载卸除后，钢结构要恢复原状，于是纤维布受拉而使型钢下翼板受压，从而在结构中建立起了预应力。
〔2〕正向加载预弯曲预应力技术的施工方法及步骤：
①对纤维增强型钢结构或者已施行反向加载预弯曲预应力技术的预应力纤维增强型钢结构或者预应力纤维增强型钢混凝土结构，施加正向荷载〔即加载方向与正常使用荷载的作用方向一致〕，使型钢下翼板受拉，同时纤维布也受拉；
②施加的正向荷载，应使型钢下翼板受拉超过其屈服极限，产生塑性变形，但其塑性变形不能超过纤维布极限拉应变值，也不能超过钢材的极限拉应变值；
③按使用要求，正向加载使型钢下翼板的塑性变形发展到一定程度后，缓慢地卸除所加的正向荷载，由于钢材的塑性变形是不可恢复的，因此使纤维布也产生了不能完全恢复的强迫变形，于是在结构中建立起由正向加载预弯曲而产生的预应力；
④将已产生塑性变形的结构放置0天到300天以上，由于钢材的冷作硬化特性，能使结构增加一定的强度。
本发明施工方法简单，采用本明的施工方法所形成的结构具有自重轻、刚度大、尺寸小，能够承受重荷载，并有很大的跨越能力，改善了构件的使用性能等优点。本发明可应用于土木建筑的各个领域，如大跨工业厂房、飞机机库、大型停车场，也可应用于房屋梁、板；还可应用于桥梁、水工、地铁及轻轨工程；甚至可应用于部分机械制造业，如大型吊运设备、大型轮船、汽车；等等。
四、附图说明
图1为纤维增强型钢结构示意图；
图2为预应力纤维增强钢骨混凝土结构示意图；
图3为预应力纤维增强型钢混凝土叠合结构示意图；
图4为反向加载预弯曲预应力施工方法示意图及I-I剖视图；
图5为正向加载预弯曲预应力施工方法示意图及I-I剖视图；
图6为试验梁构件示意图及其I-I剖视图。
图中：1-型钢组合结构、2-纤维布、3-下翼板、4-混凝土、5-型钢、6-上翼板、7-槽钢、8-正常使用荷载作用方向、9-反向预弯曲加载方向、10-正向预弯曲加载方向。
五、具体实施方式
下面结合实施例，进一步说明本发明。
如附图6所示的试验梁构件，采用在工字型钢5的上翼板6上加焊一槽钢7组合而成的结构，组合结构的高度为140毫米，其下翼板3的宽度为68毫米，槽钢7的宽度为63毫米，试验梁的长度为2米。对该试验梁进行先反向加载后再正向加载预弯曲预应力技术施工步骤：
1.反向加载预弯曲预应力施工步骤：
为了方便加载和粘贴碳纤维布，将试验梁构件翻转180度，采用单点加载方案。
①对型钢组合结构反向加载，使其下翼板3受拉并达到钢材屈服应变的0.9倍时，持荷；
②在反向加载持荷状态下，对型钢组合结构的下翼板3的粘贴面进行除锈、打磨、清洁处理；
③将粘结剂均匀地涂刷在处理过的下翼板3的粘贴面上；
④将0.111毫米厚的碳纤维布铺放在粘结剂上，并用滚筒碾压，压至碳纤维布充分浸渍于粘结剂中；
⑤再在碳纤维布上涂刷浸渍树脂，并自然养生。
⑥自然养生6天后，缓慢卸除所加的反向荷载。
由于型钢组合结构要恢复变形，于是在碳纤维布中产生预拉应力，从而在整个结构中产生了预弯曲预应力。
2.正向加载预弯曲预应力施工步骤：
①对已施行反向加载预弯曲预应力施工的试验梁，施行两点正向加载方案，使下翼板3和碳纤维布2同时受拉；
②正向加载至下翼板3进入塑性区；
③待正向加载使型钢下翼板3产生塑性变形后，缓慢地卸除所加的正向荷载，并放置20天。
由于钢材的塑性变形不能完全恢复，使碳纤维布再次受拉，因而在试验梁构件中建立了正向加载预弯曲预应力。
经过先反向后再正向加载预弯曲预应力施工后的预应力碳纤维增强型钢结构的试验梁构件〔简称为PCFRS梁〕，与没有粘贴碳纤维布的截面组成和尺寸完全一样的型钢组合结构〔简称为对比梁〕进行加载试验，结果表明：在实验条件完全相同的情况下，对比梁的极限荷载为6.8吨，而PCFRS梁在加载到7.8吨后，碳纤维布的工作状态仍然良好，还可继续承载；另外，构件的刚度亦有很大的提高，如在6.0吨荷载作用下，对比梁跨中挠度达11.0毫米，而PCFRS梁约为9.0毫米。