CN101892661B

CN101892661B - 双管加强复合材料组合桩柱

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Publication number: CN101892661B
Application number: CN2010102273344A
Authority: CN
Inventors: 刘伟庆; 王俊; 祝露; 方海; 陆伟东
Original assignee: Nanjing Tech University
Current assignee: Nanjing Tech University
Priority date: 2010-07-15
Filing date: 2010-07-15
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2030-07-15
Also published as: CN101892661A

Abstract

一种双管加强复合材料组合桩柱，它主要由复合材料外管（1）、金属内管（3）和浇注在复合材料外管（1）和金属内管（3）之间的混凝土（2）组成，其特征是所述的金属内管（3）的外表面焊接有T形、L形或工字形金属劲骨（4）。本发明具有重量轻，刚度好，强度与抗震性高的优点。

Description

双管加强复合材料组合桩柱

技术领域

本发明涉及一种土木工程结构中使用的桩柱结构，尤其是一种以复合材料为主的桩柱，具体地说是一种双管加强复合材料组合桩柱。

背景技术

众所周知，在跨海（河）桥梁工程、港口码头工程中，钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土、钢管混凝土构件是目前桥墩和桩基础应用最多的三种类型，其共同特点是构件承载力高，抗弯能力强。但是，海洋环境比陆地环境恶劣得多，对钢结构的腐蚀也尤为严重。海洋大气中的盐雾、海水中的溶解氧、海洋生物、海底土壤中的细菌等，在钢管桩未进行有效保护状态下都可不同程度造成钢管桩的腐蚀，平均腐蚀速度可达0.3mm/年～0.4mm/年,局部腐蚀速度甚至可达 1mm/年，在腐蚀最严重的部位易造成钢管桩局部穿孔，甚至呈截断状态，因此影响到码头的使用年限和安全。据资料报道，20 世纪 60 年代日本曾发生过多次钢管桩码头由于未采取有效保护，以致造成局部严重腐蚀导致码头塌陷的事故。可见，对钢管桩采取及时有效的防腐保护措施是非常必要的。而混凝土虽然自身的耐腐蚀性比钢材好，但在受荷条件以及环境侵蚀下很容易开裂，进而使得钢筋失去保护，很快就会被海水腐蚀。

目前钢管桩防腐保护方法主要分为两类:防腐涂层保护和阴极保护。根据工程应用效果来看，这两种保护方法有效期大约是20~30年，远小于土木工程结构100年的设计寿命，超过期限之后需要重新对钢管桩进行防腐设计。而海洋环境中的混凝土构件需采用高性能的海工混凝土，加大钢筋保护层厚度等防腐措施，造价远高于普通混凝土构件。

近年来，复合材料以其高强、轻质、耐腐蚀等优点,开始在土木与建筑工程结构中得到应用,并受到工程界的广泛关注。纤维增强复合材料虽然抗拉强度较高，但同时存在刚度较低的弱点，因此在土木工程要用做大型承重构件，还需与混凝土或钢材结合起来，发挥各自的特点。

发明内容

本发明的目的是针对现有土木工程结构使用的纯钢筋混凝土桩土耐腐蚀性差、纯复合材料桩柱刚度不够的问题，设计一种结合了钢材、复合材料和混凝土特点的具有耐腐蚀性好、强度和刚度高的双管加强复合材料组合桩柱。

本发明的技术方案之一是：

一种双管加强复合材料组合桩柱，它主要由复合材料外管1、金属内管3和浇注在复合材料外管1和金属内管3之间的混凝土2组成，其特征是所述的金属内管3的外表面焊接有T形、L形或工字形金属劲骨4。

所述的复合材料外管1为模具上缠绕的单一纤维管、混杂纤维管、纤维夹砂管、钢管外缠绕纤维层管或PVC管中的一种，所述的纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维；复合材料外管1的截面形状为圆形或方形，相应的金属内管3的形状也为圆形或方形。

本发明的技术方案之二是：

一种双管加强复合材料组合桩柱，其特征它主要由复合材料外管1和复合材料内管5以及连接复合材料外管1和复合材料内管5的复合材料连接筋板6组成，在复合材料外管1和复合材料内管5之间浇注有混凝土2。

所述的复合材料外管1和复合材料内管5为纤维管、混杂纤维管、纤维夹砂管或PVC管中的任一种或其组合，所述的纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维；复合材料外管1的截面形状为圆形或方形，相应的复合材料内管5的形状也为圆形或方形；复合材料连接筋板6为纤维板、混杂纤维板、纤维夹砂板或PVC板。

所述的复合材料连接筋板6为与复合材料外管1和复合材料内管5一起一次拉挤成形的实心板状结构或空心的格栅结构。

所述的复合材料连接筋板6插装在复合材料外管1内壁和复合材料内管5外壁上整体成形的插槽7中，复合材料连接筋板6可实心结构或空心的格栅结构。

所述的复合材料外管1内壁和复合材料内管5外壁上整体成形的插槽7均呈八字形结构，八字形结构的小开口与复合材料连接筋板6的厚度相配，所述的复合材料连接筋板6对应的插入端也呈相应的八字形结构。八字型的插槽，下端小，上端大，这样复合材料连接筋板从上端放进去，不仅插装方便，而且在纵向能卡死，下同。

本发明的技术方案之三是：

一种双管加强复合材料组合桩柱，其特征它主要由复合材料外管1和金属内管3以及连接复合材料外管1和金属内管3的金属连接框8组成，在复合材料外管1和金属内管3之间浇注有混凝土2，所述的金属连接框8一边与金属内管3焊接相连，另一边插装在复合材料外管1内壁上的插槽7中。

所述的复合材料外管1为纤维管、混杂纤维管、纤维夹砂管、钢管外缠绕纤维层管或PVC管，所述的纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维；插槽7的截面形态呈八字形结构，相应的金属连接框8的插入边也为相配的八字形结构，八字形的小开口与金属连接框8的厚度相配。

本发明的技术方案之四是：

一种双管加强复合材料组合桩柱，其特征它主要由复合材料外管1、T形劲骨9和浇注在复合材料外管1中的混凝土2组成， T形劲骨9的下端与复合材料外管1的内壁相连并与复合材料外管1一起一次性拉挤成形，T形劲骨9的上端围成一个带有开口的内管状结构。

本发明将复合材料与传统材料相结合，通过截面的合理设计使得复合材料组合构件不仅能解决传统建筑材料比如钢、混凝土的耐久性问题，而且充分利用了各组分的特点，适用范围更广，既可用做一般的防护结构，又可用做承重结构的大直径桩墩，特别适用于作为跨海桥梁、港口工程、海洋和近海地下工程结构中的墩柱和桩基础、风力发电、高压输电支撑件。

本发明复合材料组合桩柱构件的主要特点有：

（1）所述结构的外管可以是模具上缠绕的单一纤维管（碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维等）或混杂纤维管、纤维夹砂管、钢管外缠绕纤维层管、PVC管；

（2）内管材质可以是钢管、纤维管或PVC管。为了增大截面惯性矩，提高构件抗弯强度和抗震性能，在内管外壁设置了T型、L型、工字型劲骨。钢管外沿着外壁焊接T型、L型、工字型钢。纤维管及PVC管制备时，采用拉挤工艺，管和T型、L型、工字型加劲一次拉挤整体成型；

（3）为了进一步提高混凝土与管壁的粘结强度，可将带格栅的复合材料内、外管一次拉挤成型，内外管之间填充混凝土，连接内外管的格栅有助于提高外管的侧向约束能力。此外还可采取拼装式格栅，沿管长分段布置，复合材料外管可以和复合材料内管、格栅组合，也可以和钢内管、钢格栅组合。

（4）全复合材料拼装式格栅管，先分别拉挤内壁带锲形凹槽的外管和外壁带锲形凹槽的内管，内外管安装就位后，从上端插入镂空的格栅，然后浇注混凝土。

（5）复合材料-钢拼装格栅管，钢管外沿管长分段焊接带扩头的钢条，然后将钢条从上到下插入内壁带锲形凹槽的复合材料外管，最后浇注混凝土

（5）外管、内管既是混凝土浇注的永久模板，又对混凝土形成三相约束，提高了混凝土的强度。内管可依据设计需要，选择空心或浇注混凝土成为实心。

本发明的有益效果：

1. 本发明中的内外双管复合材料管约束混凝土构件，既充分利用了复合材料轻质、高强、耐腐蚀的特点，又对混凝土形成三向约束，大大提高了混凝土的抗压强度，使得该种结构具有较高的承载能力，促进了复合材料组合构件向大直径、轻质的承重件方向发展。

2.本发明提出内管外壁的T型、L型、工字型加劲，有助于加大截面惯性矩进而提高构件的强度、刚度与抗震延性。以T型钢含骨率4%的试件为例，与无T型钢的FRP-混凝土-钢管试件相比，强度至少提高20%，抗弯刚度提高10%，而位移延性系数提高至少2倍以上。

3.本发明提出的复合材料外观内壁带T型肋，有助于提高混凝土与复合材料管壁的粘结力，提高复合材料外管的对混凝土的环向约束应力。这种带T型肋的复合材料管可用模具一次拉挤成型。

4．本发明提出连接内、外管的格栅有助于提高外管对混凝土的侧向约束能力；而浇注在拼装格栅管内的混凝土在连成了整体，大大提高了截面的整体性。

5.纤维增强材料可以采用混杂或者单一纤维多角度缠绕，充分利用了纤维良好的拉伸性能，可根据具体的受力要求进行设计。纤维夹砂管不仅能提高管道的强度而且降低了成本，夹砂层与纤维层之间可以通过树脂等粘结材料牢牢粘固。

附图说明

图1是本发明的结构示意图之一（圆形双管T形劲骨）。

图2是本发明的结构示意图之二（圆形双管L形劲骨）。

图3是本发明的结构示意图之三（圆形双管工形劲骨）。

图4是本发明的结构示意图之四（方形双管T形劲骨）。

图5是本发明的结构示意图之五（方形双管L形劲骨）。

图6是本发明的结构示意图之六（方形双管工字形劲骨）。

图7是本发明的结构示意图之七（一次拉挤成型的复合材料管约束混凝土桩横截面）。

图8是图7的A-A剖视结构示意图。

图9是本发明的结构示意图之八（全复合材料拼装格栅桩柱）。

图10是图9的A-A剖视结构示意图。

图11是本发明的结构示意图之九（复合材料管-钢管拼装格栅桩柱）。

图12是图11的A-A剖视结构示意图。

图13是本发明结构示意图之十。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一。

如图1所示。

一种双管加强复合材料组合桩柱，它主要由圆柱形复合材料外管1、圆柱形金属内管3和浇注在复合材料外管1和金属内管3（一般采用钢管或不锈钢管，下同）之间的混凝土2组成，所述的金属内管3的外表面焊接有T形金属劲骨4，本实施例的桩柱的横截面的示意图如图1所示。

复合材料外管的纤维层可以是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维和玄武纤维等单向或双向混杂编织而成，纤维的水平夹角可以是0°、45°、55°或90°。每个构件截面T形劲骨可以四个，也可以多于四个，以四个为佳。是夹砂层可为在纤维层上铺设树脂基的石英砂，用来增加管壁强度并降低成本。混凝土强度等级不低于C30。

本实施例的桩柱的抗震性能得到了很大改善，延性与普通钢筋混凝土柱相比，可提高2～5倍,抗弯强度与无劲骨的桩柱相比可提高大约20%。

实施例二。

如图2所示。

本实施例与实施例一的区别在于圆柱形金属内管3的表面焊接的是L形劲骨4，其余均与实施例一相同，性能指标也相当。

实施例三。

如图3所示。

本实施例与实施例一的区别在于圆柱形金属内管3的表面焊接的是工字形劲骨4，其余均与实施例一相同，性能指标也相当。

实施例四。

如图4所示。

本实施例与实施例一的区别在于复合材料外管1和金属内管3的形状为方形（也可为矩形）。其余均与实施例一相同，性能指标也相当。

实施例五。

如图5所示。

本实施例与实施例二的区别在于复合材料外管1和金属内管3的形状为方形（也可为矩形）。其余均与实施例一相同，性能指标也相当。

如图6所示。

本实施例与实施例三的区别在于复合材料外管1和金属内管3的形状为方形（也可为矩形）。其余均与实施例一相同，性能指标也相当。

实施例七。

如图7、8所示。

一种双管加强复合材料组合桩柱，主要由复合材料外管1和复合材料内管5以及连接复合材料外管1和复合材料内管5的复合材料连接筋板6组成，在复合材料外管1和复合材料内管5之间浇注有混凝土2。所述的复合材料外管1和复合材料内管5为纤维管、混杂纤维管、纤维夹砂管或PVC管中的任一种或其组合，所述的纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维；复合材料外管1的截面形状为圆形或方形，相应的复合材料内管5的形状也为圆形或方形；复合材料连接筋板6为纤维板、混杂纤维板、纤维夹砂板或PVC板。所述的复合材料连接筋板6为与复合材料外管1和复合材料内管5一起一次拉挤成形的实心板状结构或空心的格栅结构（见图8为实心结构）。

同样，具体实施时，复合材料外管1的纤维层可以是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维和玄武纤维等单向或双向混杂编织而成，纤维的水平夹角可以是0°、45°、55°或90°，夹砂层可为在纤维层上铺设树脂基的石英砂，用来增加管壁强度并降低成本。混凝土强度等级不低于C30。

本实施例的桩柱的抗震性能得到了很大改善，延性与复合材料管-混凝土-复合材料管构件相比，可提高约2倍,抗弯强度与无格栅的桩柱相比可提高大约20%。

实施例八。

如图9、10所示。

本实施例与实施七的区别在于复合材料连接筋板6是插装在复合材料外管1内壁和复合材料内管5外壁上整体成形的插槽7中的，复合材料连接筋板6可实心结构或空心的格栅结构（图10所示为空心栅格结构），其中的复合材料外管1内壁和复合材料内管5外壁上整体成形的插槽7均最好呈八字形结构（具体实施时也可采用其它适合于插配的结构），八字形结构的小开口与复合材料连接筋板6的厚度相配，所述的复合材料连接筋板6对应的插入端也呈相应的八字形结构。八字型的插槽7最好呈下端小，上端大的结构，这样复合材料连接筋板从上端放进去，在纵向能卡死。其它均与实施例七相同。

实施例九。

如图11、12所示。

一种双管加强复合材料组合桩柱，主要由复合材料外管1和金属内管3以及连接复合材料外管1和金属内管3的金属连接框8组成，在复合材料外管1和金属内管3之间浇注有混凝土2，所述的金属连接框8由金属条焊接形成，它的一边与金属内管3焊接相连，另一边插装在复合材料外管1内壁上的插槽7中。所述的复合材料外管1为纤维管、混杂纤维管、纤维夹砂管、钢管外缠绕纤维层管或PVC管，所述的纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维；插槽7的截面形态呈八字形结构，相应的金属连接框8的插入边也为相配的八字形结构，八字形的小开口与金属连接框8的厚度相配，八字型的插槽7最好呈下端小，上端大的结构，这样复合材料连接筋板从上端放进去，在纵向能卡死。如图11、12所示，图12中的小框表示组成金属连接框8的金属条的剖视图。

具体实施时，复合材料外管1的纤维层可以是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维和玄武纤维等单向或双向混杂编织而成，纤维的水平夹角可以是0°、45°、55°或90°。混凝土强度等级不低于C30。

本实施例的桩柱的抗震性能得到了很大改善，延性与复合材料-混凝土-钢管构件相比，可提高约2倍,抗弯强度与无金属连接件的桩柱相比可提高大约20%。

实施例十。

如图13所示。

一种双管加强复合材料组合桩柱，它主要由复合材料外管1、T形劲骨9和浇注在复合材料外管1中的混凝土2组成，复合材料外管1和T形劲骨9一次性拉挤成形，T形劲骨9的下端与复合材料外管1的内壁相连，T形劲骨9的上端围成一个带有开口的内管状结构，见图13。

具体实施时，复合材料外管1的纤维层可以是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维和玄武纤维等单向或双向混杂编织而成，纤维的水平夹角可以是0°、45°、55°或90°，夹砂层可为在纤维层上铺设树脂基的石英砂，用来增加管壁强度并降低成本。混凝土强度等级不低于C30。

本实施例的桩柱的抗震性能得到了很大改善，延性与复合材料管约束混凝土柱相比，可提高约2倍,抗弯强度与无劲骨的桩柱相比可提高约10%～20%。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims

1.一种双管加强复合材料组合桩柱，其特征它主要由复合材料外管（1）和复合材料内管（5）以及连接复合材料外管（1）和复合材料内管（5）的复合材料连接筋板（6）组成，在复合材料外管（1）和复合材料内管（5）之间浇注有混凝土（2）。

2.根据权利要求1所述的双管加强复合材料组合桩柱，其特征是所述的复合材料外管（1）和复合材料内管（5）为纤维管、纤维夹砂管或PVC管中的任一种或其组合，所述的纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维；复合材料外管（1）的截面形状为圆形或方形，相应的复合材料内管（5）的形状也为圆形或方形；复合材料连接筋板（6）为纤维板、纤维夹砂板或PVC板。

3.根据权利要求1所述的双管加强复合材料组合桩柱，其特征是所述的复合材料连接筋板（6）为与复合材料外管（1）和复合材料内管（5）一起一次拉挤成形的实心结构。

4.根据权利要求1所述的双管加强复合材料组合桩柱，其特征是所述的复合材料连接筋板（6）插装在复合材料外管（1）内壁和复合材料内管（5）外壁上整体成形的插槽（7）中，复合材料连接筋板（6）呈实心结构或空心的格栅结构。

5.根据权利要求4所述的双管加强复合材料组合桩柱，其特征是所述的复合材料外管（1）内壁和复合材料内管（5）外壁上整体成形的插槽（7）均呈八字形结构，八字形结构的小开口与复合材料连接筋板（6）的厚度相配，所述的复合材料连接筋板（6）对应的插入端也呈相应的八字形结构。

6.一种双管加强复合材料组合桩柱，其特征它主要由复合材料外管（1）和金属内管（3）以及连接复合材料外管（1）和金属内管（3）的金属连接框（8）组成，在复合材料外管（1）和金属内管（3）之间浇注有混凝土（2），所述的金属连接框（8）一边与金属内管（3）焊接相连，另一边插装在复合材料外管（1）内壁上的插槽（7）中。

7.根据权利要求6所述的双管加强复合材料组合桩柱，其特征是所述的复合材料外管（1）为纤维管、纤维夹砂管、钢管外缠绕纤维层管或PVC管，所述的纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维；插槽（7）的截面形态呈八字形结构，相应的金属连接框（8）的插入边也为相配的八字形结构，八字形的小开口与金属连接框（8）的厚度相配。

8.一种双管加强复合材料组合桩柱，其特征它主要由复合材料外管（1）、T形劲骨（9）和浇注在复合材料外管（1）中的混凝土（2）组成， T形劲骨（9）的直线端与复合材料外管（1）的内壁相连并与复合材料外管（1）一次拉挤成型，T形劲骨（9）的横线端围成一个带有开口的内管状结构。