專利名稱：加固固定立柱的設(shè)備和方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及固定立柱的加固，尤其涉及橋梁立柱和類似柱的防地震的加固。
最近，在加里弗尼亞的地震以及由此引起的破壞證明了需要降低道路對(duì)地震干擾的敏感度。這種破壞可能以多種形式發(fā)生，但最危險(xiǎn)的和最有潛在破壞性的一種形式是橋梁強(qiáng)度的降低和/或倒塌。
大多數(shù)橋梁可看作有一個(gè)由長(zhǎng)且細(xì)的立柱支承著的橋面板。加里弗尼亞的地震表明在1971前建造的支承柱沒(méi)有足夠的橫向環(huán)狀鋼筋，因此在它們的端部載荷作用下可能出現(xiàn)橫向的變形、連接部斷裂或翹曲等現(xiàn)象。這些支承柱通常圍繞一中央的鋼結(jié)構(gòu)澆灌混凝土筑成?；炷恋难诱剐圆粔颉Ｈ绻卣鸹顒?dòng)的強(qiáng)度足夠大，則會(huì)使混凝土破裂而落下，使柱子的殘留部分處在增加的負(fù)載下。然后鋼筋結(jié)構(gòu)受壓而破壞，或在立柱的連接點(diǎn)和其它部分出現(xiàn)剪切或脫節(jié)的破壞。
多種研究已證實(shí)了垂直支承柱的外圍加固能提高它們抗地震破壞的能力。外加固理想地在立柱的周?chē)峁┝艘煌庾o(hù)套，使得混凝土被約束住，即使在猛烈的負(fù)荷下也不會(huì)出現(xiàn)橫向破壞。這種加固既可以在立柱開(kāi)始建造的時(shí)候完成，也可以在對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造時(shí)進(jìn)行。
對(duì)于垂直支承柱的外側(cè)橫向加固已研究了多種手段，但這些都有缺陷。由于各種原因，垂直固定結(jié)構(gòu)的立柱的加固有一個(gè)困難的問(wèn)題。這些立柱一般都是大體積，所以手工或通常可行的簡(jiǎn)單的小規(guī)模技術(shù)是不行的。在進(jìn)行改造時(shí)，加固設(shè)備無(wú)法在立柱的頂端上滑動(dòng)。立柱不能轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，不能使用應(yīng)用于制造大管結(jié)構(gòu)的航空工業(yè)的加固技術(shù)。
因此，需要一種加固長(zhǎng)的基本上是垂直的、諸如建立在高速公路跨越結(jié)構(gòu)和某些建筑中的立柱的改進(jìn)方法。這種方法在實(shí)踐中是方便可行的，還能形成一覆蓋結(jié)構(gòu)，使得在地震活動(dòng)中不會(huì)出現(xiàn)過(guò)早受到破壞的節(jié)點(diǎn)。本發(fā)明滿足了這種需求，并且還具有相應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。
發(fā)明概要本發(fā)明提供了一種設(shè)備，這種設(shè)備用來(lái)加固建立在高速公路結(jié)構(gòu)、一些大樓結(jié)構(gòu)和橋墩支承中的支承立柱。這種方法能提供一外約束覆蓋層，其結(jié)構(gòu)性能可以通過(guò)選擇材料和制造工藝在一大的范圍內(nèi)有控制地變化。外覆蓋層是由長(zhǎng)的、基本上是連續(xù)的、埋在一固化基體中的纖維所形成，纖維以一可選擇的角度定向于立柱。
為了達(dá)到最大的強(qiáng)度和包容度，纖維的連續(xù)性是需要的。控制加固件相對(duì)于立柱角度的能力允許在工藝上控制包容度。尤其是，對(duì)于許多為適應(yīng)地震而進(jìn)行改造的情況，使加固件幾乎環(huán)狀定向的一很小的螺旋角是需要的，因?yàn)樗苁沽⒅陌荻冗_(dá)到最大，而使其垂直加強(qiáng)達(dá)到最小。沒(méi)有垂直的或其它方向的長(zhǎng)接縫，它們往往它是脆弱破壞的根源。加固件的纏繞厚度可以改變，而且纏繞可以是傾斜的以消除應(yīng)力集中。最終的加固結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和延展性是高的。
即使是長(zhǎng)的、大直徑的立柱，本發(fā)明的設(shè)備也能以嚴(yán)格控制的、可重復(fù)的和精確的方式在其上設(shè)置這種加固件。用一單軸的預(yù)浸處理的材料(a uniaxialprepreg material)而不是用樹(shù)脂浸漬濕增強(qiáng)材料(wet layup)來(lái)完成加固。加固件具有一致的性能，質(zhì)量控制簡(jiǎn)單，由于樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料(layup)的設(shè)備的自動(dòng)化、自動(dòng)操縱的性能和預(yù)浸處理的材料的制造是在受控制的工廠條件下進(jìn)行的，所以質(zhì)量一般是均勻的且是高的。與樹(shù)脂浸漬濕增強(qiáng)材料技術(shù)有關(guān)的對(duì)健康的危害、混亂骯臟和工藝可變性是不存在的。復(fù)合材料在高溫下固化以達(dá)到高強(qiáng)度。由于施工場(chǎng)地污染很小，所以施工過(guò)程符合環(huán)保要求。
根據(jù)本發(fā)明，用一加固材料加固固定立柱的外表面的設(shè)備包括加固材料供應(yīng)裝置，把加固材料從供應(yīng)裝置引導(dǎo)到固定的立柱上的導(dǎo)向裝置，和用于使導(dǎo)向裝置以一螺旋式樣相對(duì)于固定立柱運(yùn)動(dòng)的纏繞裝置。纏繞裝置包括一多部件結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)組裝在立柱周?chē)?，然后拆開(kāi)而從立柱上取下。
用一加固材料加固固定立柱外表面的相應(yīng)方法包括步驟圍繞固定立柱組裝一纏繞設(shè)備；在立柱的外表面上纏繞多層加固材料，每一層有螺旋式樣的加固材料；拆開(kāi)纏繞設(shè)備并把它從固定立柱取走。
較佳的加固材料是一種諸如石墨/環(huán)氧樹(shù)脂但不受此限制的復(fù)合材料。設(shè)備理想地適用于以一螺旋式樣在立柱上纏繞未固化的石墨-環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸處理的材料或石墨纖維。在這種情況下，供應(yīng)加固材料的供應(yīng)裝置包括多個(gè)預(yù)浸處理的復(fù)合材料或纖維材料帶束的線軸。當(dāng)纏繞開(kāi)始時(shí)，從線軸拉出材料，并被精確引導(dǎo)到纏繞處。應(yīng)仔細(xì)，以在立柱表面上以并排的方式排列整齊的帶束。
當(dāng)加固材料是一種可固化的復(fù)合材料時(shí)，設(shè)備還包括加熱纏繞在立柱上的加固材料的加熱裝置。在完成了纏繞工作并立柱上拆下纏繞設(shè)備之后，再使用這種加熱裝置。圍繞立柱放置加熱器，使加熱器工作以固化可固化的復(fù)合材料的基體部分。加熱層、燈、燃燒器型輻射加熱器或其它適用的加熱裝置都可使用。
本發(fā)明對(duì)從外部加固大的、固定的立柱的工藝作出了重大貢獻(xiàn)。立柱纏繞設(shè)備以散件形式運(yùn)輸?shù)搅⒅F(xiàn)場(chǎng)，用少數(shù)幾個(gè)人一般是三個(gè)人把它放在立柱的周?chē)⒀b配起來(lái)。通過(guò)一可控制的導(dǎo)向件以一確定的式樣，自動(dòng)化程度極高地、迅速地開(kāi)始纏繞立柱，形成了一經(jīng)濟(jì)的加工。加固件能適應(yīng)任何特定的情形。例如，在必要時(shí)可控制加固件的螺旋纏繞角和節(jié)距，在某些情況下，在立柱的頂部和底部需要不同厚度的加固件，在同一個(gè)立柱之中有不同類型的加固件，或在同一個(gè)立柱中有不同纏繞式樣的加固件。由于加固件結(jié)構(gòu)習(xí)慣上是在各立柱的現(xiàn)場(chǎng)制造的，工程師可以為每個(gè)立柱制定加固件結(jié)構(gòu)，而不需要承擔(dān)與預(yù)定加固件零件和結(jié)構(gòu)的較長(zhǎng)預(yù)定時(shí)間(從訂貨到交貨的周期)有關(guān)的相當(dāng)大的費(fèi)用。傳感器可埋入加固件中，以監(jiān)視加固件和其下面的立柱。
下面結(jié)合附圖對(duì)較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述，使本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)更清楚，通過(guò)例子來(lái)舉例說(shuō)明本發(fā)明的原理。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1是一橋梁的大的、固定的垂直支承柱的主視圖；圖2是在一立柱周?chē)p繞加固件的本發(fā)明設(shè)備的一實(shí)施例的第一方向的視圖；圖3是圖2所示設(shè)備的第二方向的視圖；圖4是圖2所示設(shè)備的俯視圖；圖5a是用于所述設(shè)備的加固件引導(dǎo)機(jī)構(gòu)的俯視圖；圖5b是一典型滾輪引導(dǎo)機(jī)構(gòu)的側(cè)視圖；圖6是一用于本發(fā)明方法的控制件的示意圖；圖7是一立柱纏繞有復(fù)合材料部分的主視圖；圖8是一立柱的主視圖，示出纏繞在立柱上的、用以固化復(fù)合材料加固件的加熱包覆層和絕緣層；圖9是一具有輻射加熱器以固化復(fù)合材料加固件的被纏繞的立柱的俯視圖；圖10是本發(fā)明方法的方塊流程圖；圖11是用于本發(fā)明第二實(shí)施例的一基礎(chǔ)的俯視圖，圖中所示的實(shí)施例處在打開(kāi)位置以裝配到立柱上；圖12是圖11所示的基礎(chǔ)的俯視圖，所示的是裝配到立柱之后的情況；圖13是圖12所示的基礎(chǔ)的俯視圖，所示的是纏繞立柱時(shí)工作的情況；圖14是一種垂直驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主視圖；圖15是第二種垂直驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主視圖；圖16是第三種垂直驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主視圖；以及圖17是一俯視示意圖，它示出一纏繞有干加固纖維并在纏繞時(shí)加上聚合物材料的立柱。
較佳實(shí)施例的詳細(xì)描述圖1示出一建立在埋入地面22的底座上的固定立柱20。立柱20的上端支承著一橋面板24。本發(fā)明被用來(lái)增強(qiáng)立柱20，使之具有多層螺旋纏繞的加固材料。立柱20是由混凝土澆注在一中心鋼結(jié)構(gòu)(看不見(jiàn))上而形成的。立柱20可具有不同的尺寸，具體視應(yīng)用而定。在一般情況下，立柱20的直徑約為1-1/2至8英尺，高為8至80英尺。
圖2、3和4分別是用來(lái)在立柱20上螺旋地纏繞加固材料的包封層的一纏繞設(shè)備30的三個(gè)視圖。設(shè)備30包括一基礎(chǔ)32，它是由兩個(gè)能組合成圓環(huán)形基礎(chǔ)32的半圓件34組成的。兩半圓件通常是以分開(kāi)的狀態(tài)運(yùn)輸?shù)?，然后在施工現(xiàn)場(chǎng)圍繞立柱20組裝起來(lái)。每個(gè)半圓件34在其圓周的相對(duì)端有一凸緣36，用螺栓穿過(guò)凸緣36把兩半圓件34連接起來(lái)?；A(chǔ)32支承在腿37上，腿37的長(zhǎng)度可通過(guò)千斤頂來(lái)調(diào)整，以便調(diào)節(jié)基礎(chǔ)的水平。
一旋轉(zhuǎn)架38支承在基礎(chǔ)32上。設(shè)有一第一驅(qū)動(dòng)裝置以在圍繞基礎(chǔ)32的圓周方向驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)架38?？墒褂萌魏螌?shí)用的驅(qū)動(dòng)裝置。在一實(shí)施例中，第一驅(qū)動(dòng)裝置包括一圍繞基礎(chǔ)32的下表面延伸的第一導(dǎo)軌40。旋轉(zhuǎn)架38朝外的徑向表面包括一齒輪42，在圖2中用部分剖視圖表示。齒輪42與第一導(dǎo)軌40嚙合。一第一電動(dòng)機(jī)44可控制地轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪42，使旋轉(zhuǎn)架38在圓周方向46形成或順時(shí)針或逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可通過(guò)第一電動(dòng)機(jī)44的速度來(lái)選擇旋轉(zhuǎn)架38的旋轉(zhuǎn)速度。
一垂直桿48垂直地安裝于旋轉(zhuǎn)架38上。垂直桿48最好安裝成位于圓形基礎(chǔ)32內(nèi)徑的內(nèi)側(cè)。垂直桿48既可按需要延伸到靠近地面，又能延伸到所必須的高度，以便讓加固件纏繞立柱20的全部或選定的一部分上。通過(guò)旋轉(zhuǎn)架38前述方式的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，垂直桿48可繞基礎(chǔ)32的整個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)。
一垂直架50支承在垂直桿48上。通過(guò)一第二驅(qū)動(dòng)裝置使垂直架50沿垂直桿48或上或下移動(dòng)?？捎萌魏我环N實(shí)用的驅(qū)動(dòng)裝置。在圖中所示的實(shí)施例中，第二驅(qū)動(dòng)裝置包括一沿垂直桿48朝內(nèi)面對(duì)立柱20的一側(cè)延伸的第二導(dǎo)軌52。垂直架50與第二導(dǎo)軌52嚙合。一鏈條或皮帶54在兩個(gè)支承輪56之間延伸，支承輪中的一個(gè)在垂直桿48的頂部，另一個(gè)在垂直桿48的底部。一第二電動(dòng)機(jī)58可控制地轉(zhuǎn)動(dòng)支承輪56中的一個(gè)，圖中所示的是上支承輪，以在垂直方向可控制地驅(qū)動(dòng)垂直架50或上或下地移動(dòng)，通過(guò)第二電動(dòng)機(jī)58的速度來(lái)選擇垂直架50移動(dòng)的速度。在一方便形式的運(yùn)行中，第一電動(dòng)機(jī)44和第二電動(dòng)機(jī)58以一固定的速比運(yùn)行，從而當(dāng)加固材料纏繞在立柱上時(shí)可保持一個(gè)選定的纏繞節(jié)距。
在設(shè)備30中設(shè)置加固材料61的支承件60。最好是，支承件60包括至少一個(gè)由垂直桿48支承在一固定的垂直位置上的加固材料的旋轉(zhuǎn)卷筒62。在一由發(fā)明人制造的樣機(jī)30中，垂直桿48支承著六個(gè)加固材料的卷筒，垂直桿48的每一側(cè)有三個(gè)卷筒。
加固材料61最好是預(yù)浸可固化的復(fù)合材料的帶束。這種帶束可從不同的制造商處購(gòu)得。簡(jiǎn)單地講，帶束是用可固化的聚合基體材料浸漬過(guò)的加固纖維束。最佳材料是浸漬有可熱固化的環(huán)氧樹(shù)脂基體材料的碳纖維帶束。也可使用例如諸如玻璃或芳族聚酰胺纖維的其它纖維類。也可使用例如諸如酚醛塑料、乙烯基脂和聚酯等的其它熱固化基體材料。本方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是選擇加固材料時(shí)具有很大的靈活性。
一導(dǎo)向結(jié)構(gòu)64支承在垂直架50上。導(dǎo)向結(jié)構(gòu)64的功能是把加固材料從支承件60以基本上是切向的方向引導(dǎo)到立柱20上，如圖4所示。導(dǎo)向結(jié)構(gòu)64的垂直運(yùn)動(dòng)取決于垂直架50的運(yùn)動(dòng)，圓周運(yùn)動(dòng)取決于旋轉(zhuǎn)架38的運(yùn)動(dòng)。
圖5a和5b示出一較佳形式的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)64。如圖5a所示，該導(dǎo)向結(jié)構(gòu)64包括多個(gè)滾輪式導(dǎo)向件66和一個(gè)導(dǎo)向管68，它們給加固材料帶束定向，把移動(dòng)的帶束從支承件60引導(dǎo)到立柱20。各滾輪式導(dǎo)向件66包括數(shù)量足夠的滾輪以在所要求的方向引導(dǎo)加固材料帶束61。滾輪式導(dǎo)向件66的一般形式如圖5b所述。滾輪式導(dǎo)向件66至少包括一個(gè)被定向的滾輪66’，以使加固材料61能通過(guò)它。在圖5b所示的滾輪式導(dǎo)向件66的一般形狀中有四滾輪66’，以便為任何方位和位置的加固材料61提供引導(dǎo)。
導(dǎo)向管68的一端部69靠近立柱20的表面，最好在立柱20的約2英寸之內(nèi)。滾輪式導(dǎo)向件66的組合及其它們的排列和導(dǎo)向管68端部69靠近立柱20的程度相互配合起來(lái)，使多條加固材料帶束61以緊密的形式被纏繞在立柱20的表面。即，在圖示的實(shí)施例中，六條經(jīng)過(guò)些許平整的帶束并排地被同時(shí)放置在立柱20的表面上。些許平整過(guò)的較佳的碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂帶束，其每條的寬度約為0.11英寸，使六條帶束同時(shí)放置形成的寬帶的總寬度約為0.68英寸。
在設(shè)備30中，基礎(chǔ)32的兩半圓件34、垂直桿48和電動(dòng)機(jī)44是以單獨(dú)的構(gòu)件提供的，它們能方便地圍繞立柱20組合在一起。這種積木化設(shè)計(jì)的目的是為了使任何一件構(gòu)件的最大重量達(dá)到最小，使得少數(shù)幾個(gè)人使用一輕型起重機(jī)就能完成運(yùn)輸和裝配的工作。適用于纏繞直徑達(dá)4英尺、高達(dá)25英尺的立柱的一樣機(jī)設(shè)備30中，單件構(gòu)件的重量沒(méi)有一件超過(guò)350磅的。因此，三個(gè)人用一輕型起重機(jī)就能完成運(yùn)輸和裝配的工作。
圖6示出了設(shè)備30的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)不復(fù)雜。設(shè)備30提供如圖2和7所示的螺旋纏繞的加固件。重要的基本控制參數(shù)是螺旋前進(jìn)的向上或向下的方向、如圖7所示的螺旋每一圈相對(duì)于水平面的上升角A和各圈之間的節(jié)距P，。節(jié)距P是各圈之間的中心到中心的距離。如前所述，一控制方法是維持電動(dòng)機(jī)44和58的固定速比，使纏繞節(jié)距與纏繞速度無(wú)關(guān)而保持不變。
選擇了垂直架50的移動(dòng)方向(向上或向下)就確定了螺旋前進(jìn)的方向(例如A相對(duì)于水平面是正的還是負(fù)的)。圖2示出了通過(guò)垂直架50向上的移動(dòng)而螺旋纏繞的第一層加固件的情形。垂直架到達(dá)其行程的頂部，再反過(guò)來(lái)向下移動(dòng)。第二層螺旋纏繞的加固件在第一層的外面，前進(jìn)的方向是朝下的(負(fù)角A)。旋轉(zhuǎn)架38的旋轉(zhuǎn)方向還可在順時(shí)針與逆時(shí)針之間的改變，但一般情況下不這樣做。旋轉(zhuǎn)架38的轉(zhuǎn)動(dòng)方向在一立柱的整個(gè)纏繞過(guò)程中一般保持不變。
角A的大小直接由垂直架50的垂直移動(dòng)的相對(duì)速度和旋轉(zhuǎn)架38的轉(zhuǎn)動(dòng)速度控制。垂直架50的垂直移動(dòng)速度相對(duì)于旋轉(zhuǎn)架38的速度較快，則角A比較大。節(jié)距P取決于垂直架50的垂直移動(dòng)的絕對(duì)速度和立柱20的直徑。
因此，螺旋方向、角A和節(jié)距P都可通過(guò)改變垂直架50和旋轉(zhuǎn)架38的運(yùn)動(dòng)速度來(lái)控制。這些運(yùn)動(dòng)速度直接由電動(dòng)機(jī)58的運(yùn)動(dòng)方向和電動(dòng)機(jī)44和58的速度控制。因此控制件70不會(huì)比電動(dòng)機(jī)58的反轉(zhuǎn)控制裝置和電動(dòng)機(jī)44、58的變阻器更為復(fù)雜。然而，如果控制件70包括一控制電動(dòng)機(jī)58的方向和電動(dòng)機(jī)44、58的速度的微處理機(jī)，則在纏繞復(fù)雜的式樣時(shí)，就可實(shí)現(xiàn)比較精確的控制。例如，圖7示出了一立柱的例子，在該立柱20的底部采用一大的角A，然后逐漸變化，到立柱的頂部變?yōu)橐恍〉慕茿。如果節(jié)距P保持不變，這種變化是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)44的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一微處理機(jī)在它的存儲(chǔ)器中可儲(chǔ)存速度的各種組合，或根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算它們，以達(dá)到所要的結(jié)果。
在這個(gè)方法中，上升角A的大小大約不大于1°，最好是不大于0.5°，上升角A相對(duì)于水平面可正可負(fù)(圖7中的角A為圖示清晰而被放大)。即，加固材料最好被定向成接近一具有小上升率的環(huán)狀加固件。較大的角A導(dǎo)致立柱變硬，對(duì)于大多數(shù)情形是無(wú)益的。節(jié)距P等于加固材料寬帶的寬度，較佳為約0.90英寸，使得相鄰圈以并排的排列方式鋪設(shè)。
本方法的另一個(gè)特征如圖2所示。一傳感器72埋在螺旋纏繞的加固材料的層與層之間，或埋在立柱的混凝土與第一層之間。把傳感器72的引線74穿設(shè)在加固材料的相鄰圈之間時(shí)要小心?？梢赃@種方式埋入諸如光纖維和磁致伸縮傳感器之類的傳感器。此外，諸如應(yīng)變儀或聲發(fā)射換能器之類的傳感器可放置在加固材料頂層的外表面上。
纏繞過(guò)程完成之后，拆開(kāi)設(shè)備30并從立柱20上取下。如果加固材料含有諸如可固化的環(huán)氧樹(shù)脂基體的可固化的成分，則把在立柱上的加固材料加熱，以進(jìn)行固化。可采用任何實(shí)用的能達(dá)到所需的溫度的加熱裝置。但是，由于被加熱的范圍較大，最好采用一盡可能經(jīng)濟(jì)的加熱器。圖8示出一包覆在立柱20上帶絕熱層的加熱包層76。圖9示出另一個(gè)方法。這里，外面纏繞加固材料61的立柱20被一氣體加熱器78包圍。加熱器78包括一傳導(dǎo)壁80、一外絕緣壁82和具有氣體噴嘴84的空隙。一絕緣層86外覆在外壁82上。氣體噴嘴84加熱內(nèi)壁80，從而加熱加固件61。在圖8和9的任何一個(gè)方法中，分別用熱電偶88和90測(cè)量加固纖維表面的溫度和立柱表面的溫度。如果需要還可增加熱電偶。熱電偶反饋溫度信息，這樣能調(diào)整加熱器的加熱溫度和時(shí)間以獲得一適當(dāng)?shù)募庸滩牧系墓袒芷凇?br> 圖10以方塊示意圖的形式示出加固立柱20外表面的較佳方法。如果必須的話先處理立柱的外表面，圖中標(biāo)號(hào)100。在一種方法中，外表面覆蓋一層其作用很象底漆的聚合物膜，用標(biāo)號(hào)100表示。聚合物膜是較好的，因?yàn)樗芊庾〖庸碳?dāng)混凝土加熱時(shí)，它能防由立柱混凝土散發(fā)出的水蒸氣，還可防灰塵和污物。在裝配設(shè)備30之前先把聚合物膜涂在立柱20的表面上，并該按產(chǎn)品的說(shuō)明令其干燥。在最佳的情況下，把足夠量的雙成分可固化的液體尿脘聚合物涂在外表面上，在干燥時(shí)形成約0.10英寸厚度的聚合物膜。干燥需要約一小時(shí)的時(shí)間。但同時(shí)，在進(jìn)行任何表面處理之前，應(yīng)對(duì)立柱的可能影響纏繞施工的任何有疵點(diǎn)或有問(wèn)題的表面進(jìn)行清潔、修補(bǔ)或修復(fù)。
圍繞立柱20裝配設(shè)備30，用標(biāo)號(hào)102表示。以前述方法纏繞加固材料螺旋纏繞層，用標(biāo)號(hào)104表示。如果需要，把傳感器纏繞進(jìn)去。當(dāng)層數(shù)達(dá)到所需數(shù)量時(shí)，拆開(kāi)設(shè)備30并把它取下，用標(biāo)號(hào)106表示。在未固化的加固件材料的外面裝上加熱裝置，并根據(jù)制造商的固化說(shuō)明加熱所述層，以固化可固化的成分，用標(biāo)號(hào)108表示。在一典型的情況中，通過(guò)約1小時(shí)的時(shí)間加熱到約180-400°F的溫度，再保溫約3小時(shí)，然后保持加熱裝置在原位使加固材料冷卻，由此完成固化。熱電偶用來(lái)估計(jì)加固材料的加熱情況。加熱和固化完成之后，需要對(duì)加固材料的頂層涂覆一保護(hù)涂層，以密封和保護(hù)加固材料。較佳的保護(hù)涂層是雙成分尿脘聚合物，可用Ultracoat 2000的保護(hù)聚合物，使用時(shí)先涂上一層，然后在環(huán)境溫度中使它干燥，由此形成保護(hù)涂層。
已造出一臺(tái)樣機(jī)30，并用來(lái)纏繞許多立柱。每根高8-12英尺、由鋼筋混凝土制成的七根0.4比例的立柱纏繞有碳預(yù)浸處理的帶束。每根高25-30英尺、直徑4英尺的五根實(shí)際尺寸的立柱纏繞有碳預(yù)浸處理的帶束。在現(xiàn)場(chǎng)，碳混合物外殼被固化在立柱上。測(cè)試在模擬的地震載荷下一些經(jīng)過(guò)改造的立柱的損壞情況。伴隨著可預(yù)期的結(jié)構(gòu)性能，測(cè)試表面合適設(shè)計(jì)和安裝的碳外殼能夠達(dá)到與傳統(tǒng)鋼外殼一樣的或程度較高的防震效果，同時(shí)，由于安裝過(guò)程完全自動(dòng)化，所以在施工速度和質(zhì)量控制方面有了顯著的提高。
由于立柱20原本是很大的，所以要盡可能的提高纏繞的速度。圖11-14示出一能提高纏繞速度的設(shè)備200。設(shè)備200具有許多與設(shè)備30相同的特征和部件，在應(yīng)用方面采用設(shè)備30的描述。下面討論的重點(diǎn)在設(shè)備200的不同方面。
設(shè)備200包括一基礎(chǔ)202。該基礎(chǔ)最好由兩個(gè)半圓部分形成，它們鉸接在一起因而能容易地定位在立柱20周?chē)?見(jiàn)圖11)，使它們圍繞立柱20閉合而組裝在一起(圖12)，然后在完成纏繞之后把它們拆開(kāi)?；A(chǔ)202支承一能在其上沿圓周轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)架204，如圖13所示。一加固材料的支承件206支承在旋轉(zhuǎn)架204上。支承件206最好包括多個(gè)從旋轉(zhuǎn)架204垂直向上延伸的筒子架(creel)208和多個(gè)支承在筒子架上的加固材料的線軸(bobbin)210，每一個(gè)筒子架上有一個(gè)線軸。所設(shè)置的筒子架和線軸最好是至少有12個(gè)，如果需要還可更多，使得每一線軸上的加固件以并排的排列方式鋪設(shè)。對(duì)于一寬度選定的加固件材料來(lái)講，線軸越多，加固件就能更快地纏繞在立柱上。根據(jù)一個(gè)采用仿真工藝分析法和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)所進(jìn)行的分析，用設(shè)備200完成大立柱的纏繞所需的時(shí)間約是設(shè)備30所需時(shí)間的1/25。
第一驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)212在基礎(chǔ)202的圓周方向上驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)架204。該第一驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)212總的類似于設(shè)備30的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它包括一變速電動(dòng)機(jī)214和一至旋轉(zhuǎn)架204的諸如鏈條216或皮帶(或齒輪)的聯(lián)動(dòng)裝置。
如圖13所示，加固件218由滾輪式導(dǎo)向件220從線軸引導(dǎo)至立柱20，圖13只示出其中的一組。筒子架208和線軸210布置成如圖所示的設(shè)備200中的每一個(gè)筒子架和線軸只需要兩個(gè)滾輪式導(dǎo)向件220，而設(shè)備30中的每一個(gè)線軸需要較多數(shù)量的滾輪式導(dǎo)向件。減少滾輪式導(dǎo)向件的數(shù)量就能減少對(duì)加固件的潛在破壞，還能降低設(shè)備200保養(yǎng)費(fèi)用。
一第二驅(qū)動(dòng)裝置222驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)202沿立柱20垂直移動(dòng)。其上支承有線軸210的基礎(chǔ)202的整體運(yùn)動(dòng)在線軸210與立柱20之間形成一較短的不變的距離。圖14-16示出了第二驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)222的三種形式，也可使用任何其它可行的第二驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
在圖14中，圍繞立柱20豎立一四柱腳手架224。增加升降機(jī)形式的組合式部件，就能很容易地改變這些可從市場(chǎng)上買(mǎi)到的腳手架系統(tǒng)的總高度。一鏈條或皮帶式驅(qū)動(dòng)件226在腳手架224的各柱子的頂部滑輪228與底部滑輪230之間延伸，在柱子上增加組合式部件就能增加滑輪228與230之間的距離?；A(chǔ)202安裝在四條鏈條驅(qū)動(dòng)件226上，通過(guò)一垂直驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)(未示出)的作用而上升或下降。
圖15示出一支承在立柱20上的自主爬行機(jī)構(gòu)232，從而不需要與地面連接。對(duì)于地面不平整的、或打樁時(shí)立柱的底基在水下的地方，以及諸如大樓和停車(chē)建筑中的有限區(qū)域，這種機(jī)構(gòu)232尤其有用。機(jī)構(gòu)232包括兩組獨(dú)立的氣動(dòng)、電動(dòng)或液壓的活塞234。一組包括四個(gè)面朝內(nèi)對(duì)著立柱20的活塞234a。另一組包括四個(gè)面朝內(nèi)對(duì)著立柱20的活塞234b和四個(gè)連接在活塞234a的支承結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)202之間的活塞236。迫使活塞234中的一組活塞假定是活塞234a靠在立柱20上，然后縮回活塞234b，垂直活塞236以協(xié)調(diào)方式一起縮回以上升基礎(chǔ)202。當(dāng)活塞236達(dá)到了完全縮回，活塞234b被夾在立柱上，活塞234a縮回，而活塞236延伸使活塞234a向上移動(dòng)。迫使活塞234a靠在立柱20上，重復(fù)上述過(guò)程，由此進(jìn)行移動(dòng)。
圖16的第二驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)222的實(shí)施例中使用一車(chē)式升降機(jī)238?；A(chǔ)202被一安裝在車(chē)式升降機(jī)238的回轉(zhuǎn)臺(tái)242上的懸臂240支承著。懸臂240和回轉(zhuǎn)臺(tái)242的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)允許基礎(chǔ)202上下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)保持其處于水平方位，如圖16中用幾個(gè)疊加的圖示所表示的。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是在車(chē)輛能接近立柱20底部的地方能很快豎起設(shè)備200。
由一類似于針對(duì)圖6所討論的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)協(xié)調(diào)和控制第一驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)212和第二驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)222的運(yùn)動(dòng)。計(jì)算機(jī)能控制在此所討論的任何類型的電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)件，并提供如前所討論的多種纏繞角和纏繞密度。
至此，一直把加固件218描述為一纏繞后被固化的預(yù)浸處理的復(fù)合材料。該方法可用于設(shè)備30和設(shè)備200。另外，纏繞在立柱20上的加固件可以是沒(méi)有埋進(jìn)可固化的聚合物材料中的“干”纖維。干纖維一般被布置成束或纖維帶束。用設(shè)備30或設(shè)備200把干纖維纏繞在立柱上。纏繞完成后，在干纖維包覆層的外表面加上一可固化的聚合樹(shù)脂或一無(wú)機(jī)涂層，然后在原處固化或干燥。在圖17所示的干纖維的另一種應(yīng)用中，在加固件218接觸立柱20的地方提供可固化的聚合物材料。用靠近加固件接觸立柱處的噴嘴244提供其粘度通常類似于膏漿的可固化的聚合物材料。在圖17中，噴嘴244a把液體聚合物送進(jìn)加固件與立柱之間的銳角縫中，噴嘴244b把液體聚合物送到剛纏好的加固件纖維的外表面。此后，聚合物以前述的方式固化。
前面已對(duì)現(xiàn)有立柱的改造方面描述了本發(fā)明的較佳實(shí)施例。但它對(duì)立柱的最初制造也同樣適用。
雖然，為了舉例說(shuō)明的目的詳細(xì)描述了本發(fā)明的特殊的實(shí)施例，但在不脫離本發(fā)明的基本精神和范圍的情況下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種各樣的改變和擴(kuò)大。因此，除所附權(quán)利要求之外，本發(fā)明不受限制。
權(quán)利要求
1.一種用加固材料加固固定立柱外表面的設(shè)備，包括一基礎(chǔ)，所述基礎(chǔ)至少包括兩個(gè)可連接的、在一立柱的周?chē)M裝成一圍繞該立柱的圓環(huán)的零件；一支承在所述基礎(chǔ)上的旋轉(zhuǎn)架；以圍繞所述基礎(chǔ)的圓周方向驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)架的第一驅(qū)動(dòng)裝置；一支承在所述旋轉(zhuǎn)架上的供應(yīng)加固材料的供應(yīng)裝置；使所述基礎(chǔ)垂直移動(dòng)的第二驅(qū)動(dòng)裝置；和把加固材料從供應(yīng)裝置引導(dǎo)到立柱上、然后把所述加固材料纏繞在所述立柱上的導(dǎo)向裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述基礎(chǔ)包括兩個(gè)半圓部件。
3.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一驅(qū)動(dòng)裝置包括一固定在所述基礎(chǔ)上的第一導(dǎo)軌，一在所述旋轉(zhuǎn)架上的第一導(dǎo)軌接合件，和一可轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)軌接合件的第一驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。
4.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述加固材料的供應(yīng)裝置至少包括兩個(gè)獨(dú)立的加固材料供應(yīng)源。
5.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括加固件纏繞在所述立柱之后固化所述加固件的裝置。
6.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括一控制第一驅(qū)動(dòng)裝置和第二驅(qū)動(dòng)裝置的計(jì)算器。
7.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，加固材料的供應(yīng)裝置包括多個(gè)支承在旋轉(zhuǎn)架上的筒子架，和多個(gè)加固材料的供應(yīng)裝置，每個(gè)筒子架上支承一個(gè)供應(yīng)裝置。
8.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，供應(yīng)加固材料的供應(yīng)裝置包括一預(yù)浸處理的復(fù)合材料的供應(yīng)裝置。
9.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，第二驅(qū)動(dòng)裝置包括一車(chē)式升降機(jī)。
10.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，第二驅(qū)動(dòng)裝置包括一支承在立柱上的自主爬行機(jī)構(gòu)。
11.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，第二驅(qū)動(dòng)裝置包括一豎在立柱周?chē)哪_手架。
12.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，第二驅(qū)動(dòng)裝置包括一從旋轉(zhuǎn)架平行于立柱延伸的垂直桿；一支承在垂直桿上的垂直架；和使垂直架沿垂直桿以垂直方向驅(qū)動(dòng)的裝置。
13.一種用加固材料加固固定立柱外表面的方法，包括步驟在固定立柱的周?chē)M裝一纏繞設(shè)備；在立柱的外表面纏繞多層加固材料，每一層有螺旋式樣的加固材料；和拆開(kāi)纏繞設(shè)備并把它從固定立柱上取下。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，在拆開(kāi)步驟之后還包括另一個(gè)步驟加熱多層加固材料。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，纏繞步驟包括步驟提供多個(gè)連續(xù)纖維的加固材料。
16.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，纏繞步驟包括步驟用一約小于1°的前進(jìn)角形成一螺旋式樣。
全文摘要
一種用加固材料(61)加固固定立柱(20)外表面的設(shè)備(30)，包括一加固材料的供應(yīng)裝置(60)和一把加固材料從供應(yīng)裝置引導(dǎo)到立柱上的導(dǎo)向件(62)。一纏繞裝置使導(dǎo)向件以一螺旋式樣相對(duì)于固定立柱運(yùn)動(dòng)，以在立柱上纏繞螺旋加固材料層。纏繞設(shè)備以多部件結(jié)構(gòu)提供，把它在立柱的周?chē)M裝起來(lái)，以后拆開(kāi)并取下。在一方法中，加固材料是一可固化復(fù)合材料，它被纏繞在立柱上，在取下設(shè)備后，在原處固化該加固材料。
文檔編號(hào)F27D99/00GK1164846SQ95194911
公開(kāi)日1997年11月12日 申請(qǐng)日期1995年8月1日 優(yōu)先權(quán)日1994年8月1日
發(fā)明者拉里·塞爾康, 賈斯廷·特倫特·沙克爾福德 申請(qǐng)人:Xxsys技術(shù)股份有限公司