CN101967853B - 一种frp-橡胶-钢复合管混凝土结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种FRP-橡胶-钢复合管混凝土结构，其特征在于，该结构包括FRP层(1)、橡胶层(2)、钢管(3)和核心混凝土(4)四个部分由外向内共同构成；其中，FRP层(1)、橡胶层(2)和钢管(3)三个部分通过树脂粘结形成一个复合管整体，核心混凝土(4)填充于复合管内部，复合管对内部核心混凝土(4)施加约束增强作用。本发明克服了公知的钢管混凝土、FRP管混凝土结构所存在的缺陷，具有承载力高，延性好，可设计的屈服平台及可设计的屈服后强化的二次刚度，承载力储备大，阻尼性能好，耐久性好，尤其在罕遇地震下具有优异的抗震性能及良好的吸收振动荷载能量的能力，可应用于土木建筑结构领域的柱、桥墩等构件。
Description
技术领域
本发明涉及一种混凝土结构，尤其是一种复合管混凝土结构，属于土木建筑结构技术领域。
背景技术
传统的钢管混凝土结构，具有施工方便、耗能性能好、刚度大等优点，其核心混凝土在钢管的约束下，承载能力和变形能力得到了很大提高，尤其是其具有良好的延性，被广泛应用于高层、大跨及桥梁结构。但是，由于钢的弹塑性应力-应变关系，一旦钢管屈服其约束力将限于定值，对混凝土的约束效果不再增加，而且钢管的强度较低，对于大型的高轴力混凝土结构，必须采用厚壁钢管，用钢量大，此外，钢管很容易发生锈蚀，耐久性较差。
FRP(纤维增强树脂复合材料)由于其轻质、高强、耐腐蚀的优良特性，在土木工程抗震加固、补强领域得到了普遍应用，考虑到FRP在特殊环境中的应用优势，FRP管混凝土作为新建结构的桥墩、柱结构，具有广阔的应用空间，由于FRP的高强及线弹性力学特性，约束量充足的FRP管混凝土表现为双线性强化型的应力-应变关系，FRP能够为核心混凝土提供强劲的约束，然而由于FRP的极限应变较低，FRP管混凝土的失效破坏模式具有明显的“脆性破坏”特征，破坏突然，延性较差，峰值荷载后残余承载力低，这严重影响了其抗震性能。
地震频发，如何最大程度降低地震带来的人员伤亡和财产损失，提高土木工程结构抵抗地震灾害的能力是对各种结构的必然要求。在罕遇地震作用下，普通钢管混凝土结构难以避免地会进入塑性阶段，屈服后的二次刚度接近于零，承载力储备低；FRP管混凝土结构尽管具有强化型的应力-应变关系，但破坏模式脆、残余承载力低；简单地将FRP缠绕在钢管外形成复合管混凝土，由于FRP较低的极限应变能力，在钢管屈服后不久，FRP即会发生断裂，达不到我国现行抗震规范的“多水准设防”和性能化设计的目的，更有甚者，传统观点，将FRP施加预应力用于约束混凝土柱，这将更加提前FRP的破坏，降低结构的延性。
针对以往结构，研究者也开发了相关技术力求提供结构足够的延性，赋予结构屈服后一定的强化刚度，提高结构的承载力储备，减轻强震荷载下截面损伤程度。如针对普通钢筋混凝土柱，通过合理地弱化钢筋与混凝土粘结性能来提高结构的延性，弱粘结的破坏过程为结构提供延性的增加；通过混合配置无粘结钢筋和有粘结钢筋，提供结构屈服后的强化刚度，提高结构的承载力储备，在正常荷载下，有粘结钢筋提供使用阶段的承载力，此时，无粘结钢筋尚未工作，在罕遇地震下，无粘结钢筋才进入工作，提供屈服后第二阶段的承载力；又如中国专利第“200620040250.9”号，公开了一种“部分粘结预应力纤维塑料(FRP)筋混凝土梁”，预应力FRP筋在梁端部与混凝土采用有粘结结构形式，在梁跨中区段与混凝土采用无粘结结构形式，无粘结措施大大改善结构的变形并提高延性性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种FRP-橡胶-钢复合管混凝土结构，以期结构在地震荷载及强烈振动荷载作用下，保证结构具有足够的承载力储备、延性和良好的吸收振动荷载能量的能力，实现结构罕遇地震下的良好抗震性能。此结构特别适于作为对抗震有特殊要求(如生命线工程)的新建桩、柱、桥墩、海洋平台等构件。
为此，本发明提供一种FRP-橡胶-钢复合管混凝土结构，该结构包括FRP层、橡胶层、钢管和核心混凝土四个部分由外向内共同构成；其中，FRP层、橡胶层和钢管三个部分通过树脂粘结形成一个复合管整体，核心混凝土填充于复合管内部，复合管对内部核心混凝土施加约束增强作用。
如上所述的FRP-橡胶-钢复合管混凝土结构，FRP层、橡胶层和钢管位于核心混凝土环向周围，钢管是核心混凝土的第一层约束材料，FRP层是核心混凝土的第二层约束材料；橡胶层位于FRP层与钢管之间，利用橡胶层的低弹模、高变形、易恢复的性能，缓冲FRP层的约束增强作用，橡胶层的厚度填充了FRP层与钢管之间的间隙，使得FRP层与钢管两层约束材料在对核心混凝土约束增强时产生一个时间差；核心混凝土在受压时，首先，作为第一层约束材料的钢管发挥约束作用，核心混凝土的强度与变形能力得到第一阶段增强，此时，FRP层尚未发挥出对核心混凝土的约束作用，在外荷载继续增加时，核心混凝土横向膨胀引起橡胶层的横向压缩，FRP层与钢管之间的间隙逐渐被减小，FRP层对核心混凝土的约束作用逐渐产生，核心混凝土的强度与变形能力得到进一步的第二阶段增强，由于橡胶层的存在，使得钢管对核心混凝土的第一阶段增强与FRP层对核心混凝土的第二阶段增强之间出现一个类似于钢筋屈服阶段的“屈服平台”；橡胶层推迟了FRP层的断裂，使得结构具有更好的延性；同时，FRP层对核心混凝土的第二阶段约束增强提供了结构在钢管屈服后强化的二次刚度，使得结构具有足够的承载力储备；橡胶层的高阻尼特性，为结构提供良好的吸收振动荷载能量的能力。
在本发明的结构中，钢管对核心混凝土提供第一阶段约束的增强，由于钢管一旦屈服，其约束应力将限于定值，核心混凝土在钢管屈服后，承载能力将保持恒定，橡胶层为核心混凝土提供了钢管屈服后横向变形的压缩空间，使得核心混凝土在钢管屈服后，表现出一段“屈服平台”，“屈服平台”的长短由橡胶层厚度所填充的间隙所决定，此间隙在核心混凝土的膨胀过程中逐渐减小；FRP层对核心混凝土提供第二阶段的约束增强，FRP为高强线弹性材料，核心混凝土在第二阶段的承载力能够持续大幅度地增加；在FRP层断裂后，钢管可继续为核心混凝土提供一定的约束力，保持结构较高的残余承载能力。本发明的结构在受压时，其应力-应变关系曲线表现为弹塑性阶段、屈服阶段、强化阶段和残余阶段四个阶段。
在该结构中，FRP层、橡胶层和钢管三个部分通过树脂粘结形成一个复合管整体，包括橡胶层与钢管之间以及FRP层与橡胶层之间通过树脂粘结，所述的树脂是环氧树脂胶、乙烯基树脂、聚氨酯树脂中的一种，所述的钢管外表面应作打磨粗糙处理。
所述结构的截面形式包括圆形、椭圆形、正方形、矩形、倒圆角方形、倒圆角矩形等。
所述的橡胶层的橡胶为天然橡胶或氯丁橡胶，其主要特征是弹性模量小、回弹性好，阻尼性能好，具有较大的变形和恢复特性，其厚度决定于“屈服平台”所需要的长度以及结构的截面尺寸。
所述的FRP层为一层或一层以上的玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维或聚酯纤维中的一种或是其中的几种混杂而成，纤维方向沿着截面的环向。
本发明克服了公知的钢管混凝土、FRP管混凝土结构所存在的缺陷，具有承载力高，延性好，可设计的屈服平台及可设计的屈服后强化的二次刚度，承载力储备大，阻尼性能好，耐久性好，尤其在罕遇地震下具有优异的抗震性能及良好的吸收振动荷载能量的能力。具体有益效果如下：
FRP的强度高、耐久性好、重量轻，钢材的强度低、延性好、弹模高，橡胶的弹模低、变形能力强、易恢复、阻尼高，FRP-橡胶-钢复合管混凝土结构充分利用了三种材料的优势特点，为核心混凝土提供一种特别的新型侧向约束，获得高承载力、高延性的力学性能，分阶段的约束增强使得结构具有罕遇地震下的充足的承载力储备，大大提高结构的安全性。
由于橡胶层的存在，推迟延缓了FRP层约束作用的发挥，推迟了FRP层的断裂，使得结构具有更好的延性，同时，橡胶层的高阻尼特性，可消耗结构的振动能量，减小结构的地震反应，保证结构在强烈振动荷载的反复作用下，具有良好的吸收地震能量的能力。
由于FRP层耐久性好，为橡胶层与钢管提供了耐久性保护，解决了普通钢管混凝土结构的钢管锈蚀问题。
本发明之FRP-橡胶-钢复合管混凝土结构，其屈服平台及屈服后强化的二次刚度等力学性能，由FRP层、橡胶层和钢管的强度、厚度等参数综合决定，可以根据工程实际需要进行设计，可设计性强，可实现结构抗震的“多水准设防”和性能化设计的目的。
附图说明：
图1是圆形截面FRP-橡胶-钢复合管混凝土结构的构造示意图；
图2是椭圆形截面FRP-橡胶-钢复合管混凝土结构的构造示意图；
图3是正方形截面FRP-橡胶-钢复合管混凝土结构的构造示意图；
图4是倒圆角方形截面FRP-橡胶-钢复合管混凝土结构的构造示意图；
图5是矩形截面FRP-橡胶-钢复合管混凝土结构的构造示意图；
图6是倒圆角矩形截面FRP-橡胶-钢复合管混凝土结构的构造示意图；
图7是FRP-橡胶-钢复合管混凝土结构与钢管/FRP管混凝土结构的受压应力-应变曲线比较。
在附图1～附图6，1为FRP层；2为橡胶层；3为钢管；4为核心混凝土。
在附图7中，所示曲线分别为：A为钢管混凝土结构的受压应力-应变曲线；B为FRP管混凝土结构受压应力-应变曲线；C为FRP-橡胶-钢复合管混凝土结构受压应力-应变曲线；在FRP-橡胶-钢复合管混凝土结构受压应力-应变曲线中，a为弹塑性阶段、b为屈服阶段、c为强化阶段、d为残余阶段。
具体实施方式：
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。本发明提供一种FRP-橡胶-钢复合管混凝土结构，其特征在于该结构包括FRP层1、橡胶层2、钢管3和核心混凝土4四个部分由外向内共同构成；其中，FRP层1、橡胶层2和钢管3三个部分通过树脂粘结形成一个复合管整体，核心混凝土4填充于复合管内部，复合管对内部核心混凝土4施加约束增强作用。
所述的FRP层1、橡胶层2和钢管3位于核心混凝土4环向周围，钢管3是核心混凝土4的第一层约束材料，FRP层1是核心混凝土4的第二层约束材料；橡胶层2位于FRP层1与钢管3之间，利用橡胶层2的低弹模、高变形、易恢复的性能，缓冲FRP层1的约束增强作用，橡胶层2的厚度填充了FRP层1与钢管3之间的间隙，使得FRP层1与钢管3两层约束材料在对核心混凝土4约束增强时产生一个时间差；核心混凝土4在受压时，首先，作为第一层约束材料的钢管3发挥约束作用，核心混凝土4的强度与变形能力得到第一阶段增强，此时，FRP层1尚未发挥出对核心混凝土4的约束作用，在外荷载继续增加时，核心混凝土4横向膨胀引起橡胶层2的横向压缩，FRP层1与钢管3之间的间隙逐渐减小，FRP层1对核心混凝土4的约束作用逐渐产生，核心混凝土4的强度与变形能力得到进一步的第二阶段增强，由于橡胶层2的存在，使得钢管3对核心混凝土4的第一阶段增强与FRP层1对核心混凝土4的第二阶段增强之间出现一个类似于钢筋屈服阶段的“屈服平台”；橡胶层2推迟了FRP层1的断裂，使得结构具有更好的延性；同时，FRP层1对核心混凝土4的第二阶段增强提供了结构在钢管3屈服后强化的二次刚度，使得结构具有足够的承载力储备；在FRP层1断裂后，钢管3可继续为核心混凝土4提供一定的约束力，保持结构较高的残余承载能力；橡胶层2的高阻尼特性，为结构提供良好的吸收振动荷载能量的能力。
所述的FRP层1、橡胶层2和钢管3三个部分通过树脂粘结形成一个复合管整体，包括橡胶层2与钢管3之间以及FRP层1与橡胶层2之间通过树脂粘结，所述的树脂是环氧树脂胶、乙烯基树脂、聚氨酯树脂中的一种。
所述的一种FRP-橡胶-钢复合管混凝土结构，其截面形式包括圆形、椭圆形、正方形、矩形、倒圆角方形、倒圆角矩形等。
所述的橡胶层2的橡胶为天然橡胶或氯丁橡胶，其主要特征是弹性模量小、回弹性好，阻尼性能好，具有较大的变形和恢复特性，其厚度决定于“屈服平台”所需要的长度以及结构的截面尺寸。
所述的FRP层1为一层或一层以上的玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维或聚酯纤维中的一种或是其中的几种混杂而成，纤维方向沿着截面的环向，所述的钢管2外表面应作打磨粗糙处理。
为了进一步说明本发明的工作原理与技术效果，图7示意了本发明的FRP-橡胶-钢复合管混凝土结构与钢管/FRP管混凝土结构的受压应力-应变曲线比较，FRP-橡胶-钢复合管混凝土结构的受压应力-应变关系曲线表现为弹塑性阶段a、屈服阶段b、强化阶段c和残余阶段d四个阶段，钢管3对核心混凝土4提供第一阶段约束的增强，主要表现为弹塑性阶段a，由于橡胶层2为核心混凝土4提供了钢管3屈服后横向变形的压缩空间，使得核心混凝土4在钢管3屈服后，表现出一段“屈服平台”，即屈服阶段b，“屈服平台”的长短由橡胶层2厚度所填充的间隙所决定，此间隙在核心混凝土4的膨胀过程中逐渐减小；FRP层1对核心混凝土4提供第二阶段约束的增强，FRP为高强线弹性材料，核心混凝土4在第二阶段的承载力能够持续大幅度地增加，表现为强化阶段c；在FRP层1断裂后，钢管3可继续为核心混凝土4提供一定的约束力，保持结构较高的残余承载能力，即残余阶段d。本发明结构的受压应力-应变关系曲线，表现出承载力高，延性好，可设计的屈服平台及可设计的屈服后强化的二次刚度。
本发明与已有的FRP管/钢管混凝土结构相比具有较大的优势，是一种创新的结构，尤其在罕遇地震下具有优异的抗震性能及良好的吸收振动荷载能量的能力，可满足结构抗震的“多水准设防”和性能化设计的需要，适用于对抗震有特殊要求的结构构件。
Claims (7)
1.一种FRP-橡胶-钢复合管混凝土结构，其特征在于该结构包括FRP层(1)、橡胶层(2)、钢管(3)和核心混凝土(4)四个部分由外向内共同构成；其中，FRP层(1)、橡胶层(2)和钢管(3)三个部分通过树脂粘结形成一个复合管整体，核心混凝土(4)填充于复合管内部，复合管对内部核心混凝土(4)施加约束增强作用。
2.根据权利要求1所述的FRP-橡胶-钢复合管混凝土结构，其特征在于FRP层(1)、橡胶层(2)和钢管(3)位于核心混凝土(4)环向周围，钢管(3)是核心混凝土(4)的第一层约束材料，FRP层(1)是核心混凝土(4)的第二层约束材料；橡胶层(2)位于FRP层(1)与钢管(3)之间，橡胶层(2)的厚度填充了FRP层(1)与钢管(3)之间的间隙，缓冲FRP层(1)的约束增强作用。
3.根据权利要求1或2所述的一种FRP-橡胶-钢复合管混凝土结构，其特征在于，FRP层(1)、橡胶层(2)和钢管(3)三个部分通过树脂粘结形成一个复合管整体，包括橡胶层(2)与钢管(3)之间以及FRP层(1)与橡胶层(2)之间通过树脂粘结，所述的树脂是环氧树脂胶、乙烯基树脂、聚氨酯树脂中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种FRP-橡胶-钢复合管混凝土结构，其特征在于，所述结构的截面形式是圆形、椭圆形、正方形、倒圆角正方形中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种FRP-橡胶-钢复合管混凝土结构，其特征在于，所述结构的截面形式是长方形、倒圆角长方形中的一种。
6.根据权利要求1或2所述的一种FRP-橡胶-钢复合管混凝土结构，其特征在于，所述的橡胶层(2)的橡胶为天然橡胶或氯丁橡胶。
7.根据权利要求1或2所述的一种FRP-橡胶-钢复合管混凝土结构，其特征在于，所述的FRP层(1)为一层以上的玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维或聚酯纤维中的一种或是其中的几种混杂而成，纤维方向沿着截面的环向。
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