CN102102423A - 一种套管钢筋混凝土柱 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种套管钢筋混凝土柱，其特征在于钢筋混凝土柱(2)的套管(1)为预制活性粉末混凝土套管。本发明具有施工方便、成本低、轴向承载力高、抗震性能好、抗火性能突出、耐久性能优异等特点，同时更加节约资源和能源，符合可持续发展的要求。

Description

一种套管钢筋混凝土柱
技术领域
本发明主要涉及到土木工程中的建筑结构领域，特指一种可作结构柱使用的套管钢筋混凝土柱。
背景技术
随着社会的进步和经济的持续发展，现代建筑业对建筑材料和建筑结构的要求也越来越高，材料和结构必须能够适应现代工程结构向大跨、高耸、重载发展并满足承受恶劣使用环境及耐久性的需求，符合现代施工技术工业化要求，并且具有高承重能力、良好变形能力、耐火性能好以及良好的性能/费用比。在过去30年中，新型复合材料和组合结构的出现和发展，极大地推动了建筑业的发展。其中，高性能混凝土和钢管混凝土无疑最具代表性。
在可以预计的将来，水泥混凝土将仍然是最主要的建筑材料，无可替代。从这个角度出发，建筑业的可持续发展与混凝土的性能和耐久性密切相关。也就是混凝土必须以最小的材料消耗和环境影响来满足社会经济发展的要求。在这方面，超高性能混凝土的发展无疑是最有希望的解决方案。
活性粉末混凝土，是一种具有超高抗压强度、高耐久性以及高韧性的新型水泥基复合材料。活性粉末混凝土作为一类新型的超高性能混凝土，具有200MPa或800MPa两个抗压强度等级，且抗弯强度在30～60MPa，有效克服了高性能混凝土的高脆性，性能卓越。其中，200MPa强度等级的活性粉末混凝土工艺与普通混凝土类似，应用前景广泛。
活性粉末混凝土具有超高强度、优异的耐久性和良好的延性和耗能能力。这些优异的性能使得活性粉末混凝土构件及结构具有很高的强度/自重比、突出的耐久性和良好的抗震性能。作为一种高技术混凝土，目前，阻碍活性粉末混凝土大量应用的主要因素有两个：第一个是单方材料成本较高。活性粉末混凝土的水泥用量大，同时还需要掺入高效减水剂和钢纤维等，增加了材料成本；另一个是构件需要进行热养护。活性粉末混凝土材料的高活性必须在一定养护温度下才能快速、充分发挥，研究表明，活性粉末混凝土在90℃的热水中养护48h，其抗压强度比标准养护28d提高30％以上。因此，在现有条件下，活性粉末混凝土在土木工程领域应该是以预制构件的方式，与其他材料组成组合构件，充分发挥其超高的抗压性能和良好的延性，可考虑在合理的部位取代钢材使用，从而体现活性粉末混凝土的强度/费用比优势。
以钢管混凝土柱为代表的约束混凝土结构，在过去近五十年中，得到了深入研究和广泛应用。钢管混凝土柱是在钢管内部填充混凝土，形成钢-混凝土组合柱。这种组合柱的基本原理是利用钢管对核心区混凝土提供侧向约束，使混凝土处于三向受压的应力状态，从而提高其抗压强度和压缩变形的能力。此外，内部填充的混凝土为钢管提供了支撑作用，增强了钢管壁的几何稳定性，改变了钢管的失稳模态，提高了钢管的承载能力，同时，内部混凝土的存在，可以提高钢管的耐火极限。而且在施工中，钢管作为浇筑核心区混凝土的模板，便于施工。
目前，钢管混凝土柱在性能和使用方面存在一些不足，如钢管材料价格较高，加工要求高；钢管混凝土柱抗火性能较差，需要采取其他措施提高抗火极限；钢管与混凝土材料特性差别大，容易导致钢管与混凝土的脱空等。此外，钢管混凝土柱在使用中需要进行定期维护，增加了使用成本。因此，研制一种新型套管钢筋混凝土柱已为急需。
发明内容
本发明的目的在于提供一种套管钢筋混凝土柱，具有施工方便、成本低、轴向承载力高、抗震性能好、抗火性能突出、耐久性能优异等特点，同时更加节约资源和能源，符合可持续发展的要求。
本发明的解决方案为一种套管钢筋混凝土柱，其特征在于钢筋混凝土柱的套管为预制活性粉末混凝土套管。这样通过采用预制活性粉末混凝土套管与内部的钢筋混凝土柱组成组合柱。在施工过程中，活性粉末混凝土套管是内部混凝土的模板，也是施工支持体系的一部分；在施工完成后，套管与内部混凝土共同承担轴向荷载，在活性粉末混凝土套管开裂前，套管与为核心区混凝土提供横向约束，成形约束混凝土。在水平荷载作用下，活性粉末混凝土套管依靠自身材料所具有的较高抗弯强度和抗剪强度，可有效提高组合柱的抗弯性能、抗剪性能和延性；在使用过程中，活性粉末混凝土套管可为内部混凝土提供了性能极为优异的保护层，使组合柱具有突出的耐久性和抗火性能，并且活性粉末混凝土套管可以直接作为柱的外装饰层使用，降低装修成本。
本发明与钢管混凝土柱比较，活性粉末混凝土套管柱具有自身的性能，如施工方便、成本低、轴向承载力高、抗震性能好、抗火性能突出、耐久性能优异等。在一些关键技术方面(如成本较高、抗火性能和耐久性能不足等)弥补了现有钢管混凝土柱的缺陷，同时充分发挥了活性粉末混凝土的材料性能，并从性能/费用效率方面克服了其成本较高的问题。
所述的套管钢筋混凝土柱，其特征在于所述的活性粉末混凝土套管内部配置有纵向钢筋和箍筋。在组合柱的受力过程中，套管内配置的箍筋可为核心区混凝土提供有效的约束应力，提高组合柱的抗剪性能和延性。套管内配置的纵向钢筋，可以有效提高套管的施工性能和组合柱的抗弯承载力。
所述的套管钢筋混凝土柱，其特征在于所述的钢筋混凝土柱内配置的钢筋为纵向钢筋和螺旋箍筋。所配置的纵向钢筋，可以提高组合柱的抗弯承载力和抗压承载力。所配置的螺旋箍筋可进一步增强内部核心区混凝土的约束效应，可以有效提高组合柱的承载力和延性。
与现有技术相比，本发明的优点就在于：
①活性粉末混凝土套管能显著提高组合柱的轴向承载力。活性粉末混凝土的抗压强度与钢材接近，而容重与普通混凝土基本一致，因此，活性粉末混凝土的强度/重量大大高于钢材，约为钢材的3倍。50mm厚的活性粉末混凝土套管与16mm厚的钢管自重基本相同，也就是说施工难度不会增加，而套管本身提供的轴向承载力可以提高200％以上，因此，活性粉末混凝土套管柱轴向承载力更高。
②活性粉末混凝土套管柱抗火性能优异。结构钢的屈服强度和弹性模量随温度上升而下降，当温度超过550℃时，钢材丧失大部分强度和刚度。因此，钢管混凝土柱在设计中采取外包防火涂料，或者在混凝土中配置专门考虑抗火的钢筋等措施提高耐火极限，但这些措施都会大幅提高造价。活性粉末混凝土套管柱具有突出的抗火性能，无需进行防火处理，具有造价优势。
③活性粉末混凝土套管柱材料成本低。RPC材料成本约为3500元/m3(钢纤维掺量为2％)，折合成重量约为1400元/吨。钢材的价格超过6000元/吨，考虑到活性粉末混凝土的强度/重量约为钢材的3倍，从材料的强度/成本关系来看，对于同样的组合柱，活性粉末混凝土套管的材料成本仅为钢管的1/10不到，。
④活性粉末混凝土套管柱的耐久性能好，使用和维护成本低。活性粉末混凝土具备高密实性与高流动性，使其与模板的接触面具有很高的光洁度。同时，外界的有害介质很难侵入活性粉末混凝土中，而活性粉末混凝土中的着色剂等组分也不易向外析出，可直接利用活性粉末混凝土套管作为组合柱的外装饰层，取消了二次装饰。另外，活性粉末混凝土套管无需考虑防锈蚀问题，且其优异的耐久性能可以大幅提高结构的使用周期。
⑤活性粉末混凝土套管柱的生态效应好。以2009年为例，我国水泥和钢材的单位能耗分别为95.08kg标准煤/吨和590.08kg标准煤/吨，而单位产品CO2的排放量钢材为水泥的2倍。单位重量活性粉末混凝土的能耗与CO2排放量分别为钢材的1/18和1/6。此外，活性粉末混凝土中大量掺入硅灰、粉煤灰等工业副产物。因此，活性粉末混凝土的环保性能好。
⑥活性粉末混凝土套管柱施工方便。在常用的构件尺寸范围内，活性粉末混凝土套管与钢管的自重差别不大，掺有钢纤维或配筋的活性粉末混凝土套管具有良好的强度和延性，在生产、运输和施工中无特殊要求，可以按照钢管混凝土柱的施工工艺进行。此外，活性粉末混凝土套管与内部混凝土都是水泥基材料，变形性能基本相同，可以有效避免套管与内部混凝土脱空的问题，而这是钢管混凝土常见的质量问题。
附图说明
图1是本发明活性粉末混凝土套管柱的结构示意图；
图2是活性粉末混凝土套管柱A-A截面示意图；
图3是活性粉末混凝土套管柱7的应用示意图。
图例说明
1为预制活性粉末混凝土套管          2为钢筋混凝土柱
3为活性粉末混凝土套管内纵向钢筋    4为活性粉末混凝土套管内箍筋
5为钢筋混凝土柱纵向钢筋            6为钢筋混凝土柱螺旋箍筋
7为活性粉末混凝土套管柱            8为钢筋混凝土梁
具体实施方式
本发明如附图所示，其特征在于钢筋混凝土柱2的套管为预制活性粉末混凝土套管1，如图1所示。其特征还在于所述的活性粉末混凝土套管1内部配置有纵向钢筋3和箍筋4，如图1和图2所示。其特征还在于所述的钢筋混凝土柱2内配置的钢筋为纵向钢筋5和螺旋箍筋6，如图1和图2所示。实施时，首先，绑扎由活性粉末混凝土套管内纵向钢筋3和箍筋4组成的钢筋笼，并放置在制作预制活性粉末混凝土套管1的模子内；浇筑配制好的活性粉末混凝土，制成预制活性粉末混凝土套管1；完成浇筑1天后拆模，并将预制活性粉末混凝土套管1放置在90℃的热水中养护48小时；将预制好的活性粉末混凝土套管1运至施工现场，并吊装就位；在预制套管1内绑扎钢筋混凝土柱2的纵向钢筋4和螺旋箍筋5支好钢筋混凝土梁8以及楼板的模板，绑扎好梁和楼板的钢筋，然后浇筑混凝土，这样就形成了活性粉末混凝土套管柱7，同时形成了梁和楼板等构件，如图3所示；再重复步骤4～6，逐步完成各楼层柱和梁的施工。

Claims (3)

1.一种套管钢筋混凝土柱，其特征在于钢筋混凝土柱(2)的套管(1)为预制活性粉末混凝土套管。
2.根据权利要求1所述的套管钢筋混凝土柱，其特征在于所述的活性粉末混凝土套管(1)内部配置有纵向钢筋(3)和箍筋(4)。
3.根据权利要求1或者2所述的套管钢筋混凝土柱，其特征在于所述的钢筋混凝土柱(2)内配置的钢筋为纵向钢筋(5)和螺旋箍筋(6)。
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