CN102108761A - 一种纤维增强塑料-钢复合管约束型钢高强混凝土柱 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纤维增强塑料-钢复合管约束型钢高强混凝土柱，包括纵筋、箍筋、高强混凝土、型钢和纤维增强塑料-钢复合管，所述的纵筋沿柱子高度方向布设，在纵筋的高度方向上套设有环向箍筋，在箍筋内沿柱子高度方向布设有型钢，在箍筋外沿柱子高度方向套设有纤维增强塑料-钢复合管，所述的纤维增强塑料-钢复合管由作为内壁的钢管和作为外壁的纤维增强塑料管复合而成，纤维增强塑料-钢复合管内浇筑实心高强混凝土，纤维增强塑料-钢复合管在柱子两端末处断开。本发明提高了型钢高强混凝土柱的轴压比限值、抗震性能和钢管约束型钢高强混凝土柱的耐久性能；解决了钢管型钢高强混凝土柱用钢量大、与钢筋混凝土梁连接麻烦等问题。
Description
技术领域
本发明属于一种土木工程结构构件，特别涉及一种型钢高强混凝土柱，尤其适用于海洋、潮湿和盐碱地等恶劣环境下的高层建筑、桥梁工程、地下工程及港口工程等。
背景技术
高强混凝土具有强度高、变形小和耐久性好等优点，能适应现代工程结构向大跨、重载和高耸发展的需要，混凝土的高强化是现代混凝土结构发展的重要趋势。在高层结构中采用高强混凝土框架柱，可以有效的减少柱子截面，增加房屋的使用面积，提高框架柱的抗震性能等优点。优越的性能使得高强混凝土的应用范围不断扩大。
然而，高强混凝土也有其致命的弱点，那就是高强混凝土的延性很差，很容易产生脆性破坏。而且，我国80％的国土面积属于抗震设防区(6度以上)，特别是高层建筑结构集中的城市，绝大多数处于抗震设防区，部分还处于高烈度地区，不宜采用高强混凝土结构。我国的《混凝土结构设计规范GB 50010》规定：当设防烈度为9度时，混凝土强度等级不宜超过C60，当设防烈度为8度时，混凝土强度等级不宜超过C70。这些规定限制了高强混凝土在地震区高层结构中的应用。
在高强混凝土柱中加入型钢，组成型钢高强混凝土柱会明显改善高强混凝土柱的抗震性能。然而，目前通常采用的型钢高强混凝土柱存在以下不足：
1.轴压比限值低。由于型钢位于型钢高强混凝土柱的中心，因此型钢不能对高强混凝土产生有效的约束；而且，型钢高强混凝土柱不能设置复合箍筋，因此型钢高强混凝土柱中的高强混凝土受到的约束非常小。当轴压比较大时，柱子在水平地震荷载作用下的延性很低，耗能能力很小，抗震性能很差。
2.地震荷载作用下易产生保护层脱落、纵筋和型钢翼缘失稳，震后难修复。型钢高强混凝土柱在地震荷载作用下容易产生保护层脱落、纵筋和型钢翼缘失稳的现象，导致承载力降低，抗震性能较差，且震后难以修复。
为了克服型钢高强混凝土柱的上述不足，在型钢高强混凝土柱中引入钢管，形成钢管型钢高强混凝土柱，可提高型钢高强混凝土柱的轴压比限值，使型钢高强混凝土柱在应用中不再限制轴压比；可提高型钢高强混凝土柱的抗震性能，使型钢高强混凝土柱能够在高烈度地震区的高层结构中应用；可保护型钢高强混凝土柱的保护层，阻止纵筋和型钢翼缘失稳的过早出现。
然而，钢管型钢高强混凝土柱却存在着用钢量大、与钢筋混凝土梁连接麻烦、钢管容易失稳等问题。
为了解决钢管型钢高强混凝土柱的上述问题，可采用钢管约束型钢高强混凝土柱，即其外包钢管不承受竖向荷载(不承受轴力和弯矩)，只对核心型钢高强混凝土柱提供横向的约束作用并承受水平剪力。钢管约束型钢高强混凝土柱所带来的效果是：由于外包钢管不再承受竖向荷载，因此用钢量会减少，同时也改善了钢管容易失稳的问题；由于外包钢管在柱子两端末处断开，于是解决了与钢筋混凝土梁连接麻烦的问题。
然而，在海洋、潮湿和盐碱地等恶劣环境中应用钢管型钢高强混凝土柱和钢管约束型钢高强混凝土柱时，其外包钢管都需要刷防腐涂料或采用特殊的防腐蚀措施，这样极大地增加了工程造价和技术难度，同时后期维护费用也比较高。因此，亟须要发展低成本、高耐久性的型钢高强混凝土柱结构。
发明内容
为了克服现有型钢高强混凝土柱、钢管型钢高强混凝土柱和钢管约束型钢高强混凝土柱的上述缺点和不足，本发明要提供一种具有抗震性能好、施工方便和高耐久性，特别适用于海洋、潮湿和盐碱地等恶劣环境下的高层建筑、桥梁工程、地下工程及港口工程等的纤维增强塑料-钢复合管约束型钢高强混凝土柱。
本发明通过以下技术方案实现：
一种纤维增强塑料-钢复合管约束型钢高强混凝土柱，包括纵筋、箍筋、高强混凝土、型钢和纤维增强塑料-钢复合管，所述的纵筋沿柱子高度方向布设，在纵筋的高度方向上套设有环向箍筋，在箍筋内沿柱子高度方向布设有型钢，在箍筋外沿柱子高度方向套设有纤维增强塑料-钢复合管，所述的纤维增强塑料-钢复合管由作为内壁的钢管和作为外壁的纤维增强塑料管复合而成，纤维增强塑料-钢复合管内浇筑实心高强混凝土，纤维增强塑料-钢复合管在柱子两端末处断开。
本发明所述的纤维增强塑料-钢复合管为圆管、方管或矩形管。
本发明所述的型钢为H型钢或十字形型钢。
本发明所述的纵筋为钢筋或纤维增强塑料-钢复合筋。
本发明所述的纤维增强塑料是玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料、玄武岩纤维增强塑料或芳纶纤维增强塑料。
本发明所述的纤维增强塑料是玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维和芳纶纤维这四种纤维按一定比例混杂的混合纤维增强塑料。
与现有技术相比，本发明的核心是采用纤维增强塑料-钢复合管替换钢管来约束型钢高强混凝土柱，提高钢管约束型钢高强混凝土柱的耐久性能，且其外包复合管不承受轴向荷载，只对核心型钢高强混凝土柱提供横向的约束作用并承受水平剪力。
本发明与普通型钢高强混凝土柱相比，具有以下优点和效果：
1.纤维增强塑料-钢复合管约束型钢高强混凝土柱可不限制轴压比，使型钢高强混凝土柱在应用中不再受限于轴压比，即在高轴压比条件下型钢高强混凝土柱依然具有良好的抗震性能。
2.防止地震荷载作用下高强混凝土保护层剥落、钢筋和型钢翼缘失稳，震后易修复。地震荷载作用下，型钢高强混凝土柱的端部混凝土被压溃、钢筋和型钢翼缘失稳，震后很难修复；而纤维增强塑料-钢复合管约束型钢高强混凝土柱的震后破坏现象不明显，震后易修复。
3.耐久性能好。由于纤维增强塑料具有优异的耐久性能，因此纤维增强塑料-钢复合管约束型钢高强混凝土柱的耐久性能良好。
本发明与钢管型钢高强混凝土柱相比，具有以下优点和效果：
1.用钢量小，避免轴压中局部屈曲破坏。纤维增强塑料管的外包约束不仅可以减少钢管的用钢量，还可以抑制钢管的局部屈曲；同时，纤维增强塑料-钢复合管约束型钢高强混凝土柱中复合管在柱子两端末处断开，即复合管不再承受轴向荷载，进一步减少了用钢量，并且避免了钢管混凝土柱中易发生的轴压局部屈曲。
2.与钢筋混凝土梁连接简单。由于纤维增强塑料-钢复合管约束型钢高强混凝土柱中复合管在柱子两端末处断开，因此其与钢筋混凝土梁的连接等同于普通型钢高强混凝土柱与钢筋混凝土梁的连接，连接方法简单便于施工。
3.耐久性能好。由于纤维增强塑料具有优异的耐久性能，因此纤维增强塑料-钢复合管约束型钢高强混凝土柱的耐久性能良好。
本发明与钢管约束型钢高强混凝土柱相比，具有以下优点和效果：
1.耐久性能好。由于纤维增强塑料具有优异的耐久性能，在钢管外表面复合纤维增强塑料管，使纤维增强塑料-钢复合管约束型钢高强混凝土柱具有良好的耐久性能，特别适用于海洋、潮湿和盐碱地等恶劣环境下的工程应用。
2.纤维增强塑料管的外包约束不仅能减少钢管的用钢量，还可有效延缓钢管焊缝的开裂等破坏形式。
附图说明
本发明共有附图11张，其中：
图1为本发明的结构示意图。
图2为型钢的结构示意图。
图3为本发明的圆形结构钢筋骨架示意图。
图4为本发明的圆形结构(H型钢)示意图。
图5为本发明的方形结构钢筋骨架示意图
图6为本发明的方形结构(H型钢)示意图。
图7为本发明的矩形结构钢筋骨架示意图
图8为本发明的矩形结构(H型钢)示意图。
图9为本发明的圆形结构(十字形型钢)示意图。
图10为本发明的方形结构(十字形型钢)示意图。
图11为本发明的矩形结构(十字形型钢)示意图。
图中：1.纵筋；2.箍筋；3.高强混凝土；4.钢管；5.纤维增强塑料管；6.型钢。
具体实施方式
下面参照附图对本发明进行详细说明。
本发明的纤维增强塑料-钢复合管约束型钢高强混凝土柱是由纵筋1、箍筋2、高强混凝土3、纤维增强塑料-钢复合管和型钢6组成，其中柱截面可分为圆形、方形和矩形结构；型钢6可分为H型钢和十字形型钢。
实施例1
如图1-4所示，本发明给出的纤维增强塑料-钢复合管约束型钢高强混凝土柱截面为圆形结构，主要由纵筋1、箍筋2、高强混凝土3、圆形纤维增强塑料-钢复合管和H型钢6组成。本实施例的具体制作方法如下：
A、纵筋1沿柱子高度方向布设，纵筋1是钢筋1或纤维增强塑料-钢复合筋；
B、在纵筋1的高度方向上套设有环向箍筋2；
C、在箍筋2内沿柱子高度方向布设有型钢6，型钢6可采用热轧型钢或焊接型钢；
D、在箍筋2外沿柱子高度方向套设有纤维增强塑料-钢复合管，复合管在柱子两端末处断开，该复合管由作为内壁的钢管4和作为外壁的纤维增强塑料管5复合而成，钢管4由钢板焊接而成，纤维增强塑料管5由缠绕工艺制作，将钢管4作为缠绕模具，采用连续纤维纱经缠绕工艺制作纤维增强塑料管5，缠绕完毕，纤维增强塑料-钢复合管也同时制作完成，所用纤维是玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维或这四种纤维按一定比例混杂的混合纤维；
E、纤维增强塑料-钢复合管内浇筑实心高强混凝土3，混凝土宜采用标号大于C60的高强混凝土3。
实施例2
如图5和6所示，本发明的纤维增强塑料-钢复合管约束型钢高强混凝土柱截面为方形结构，主要由纵筋1、箍筋2、高强混凝土3、方形纤维增强塑料-钢复合管和H型钢6组成，其具体制作方法与实施例1相同。
实施例3
如图7和8所示，本发明的纤维增强塑料-钢复合管约束型钢高强混凝土柱截面为矩形结构，主要由纵筋1、箍筋2、高强混凝土3、矩形纤维增强塑料-钢复合管和H型钢6组成，其具体制作方法与实施例1相同。
实施例4
如图3和9所示，本发明的纤维增强塑料-钢复合管约束型钢高强混凝土柱截面为圆形结构，主要由纵筋1、箍筋2、高强混凝土3、圆形纤维增强塑料-钢复合管和十字形型钢6组成，其具体制作方法与实施例1相同。
实施例5
如图5和10所示，本发明的纤维增强塑料-钢复合管约束型钢高强混凝土柱截面为方形结构，主要由纵筋1、箍筋2、高强混凝土3、方形纤维增强塑料-钢复合管和十字形型钢6组成，其具体制作方法与实施例1相同。
实施例6
如图7和11所示，本发明的这种纤维增强塑料-钢复合管约束型钢高强混凝土柱截面为矩形结构，主要由纵筋1、箍筋2、高强混凝土3、矩形纤维增强塑料-钢复合管和十字形型钢6组成，其具体制作方法与实施例1相同。
由于纤维增强塑料-钢复合管在柱子两端末断开，本发明的纤维增强塑料-钢复合管约束型钢高强混凝土柱与钢筋混凝土梁或其它结构形式梁的连接采用已有规范规定的连接方式即可。
Claims (6)
1.一种纤维增强塑料-钢复合管约束型钢高强混凝土柱，包括纵筋(1)、箍筋(2)、高强混凝土(3)和型钢(6)，其特征在于：还包括纤维增强塑料-钢复合管，所述的纵筋(1)沿柱子高度方向布设，在纵筋(1)的高度方向上套设有环向箍筋(2)，在箍筋(2)内沿柱子高度方向布设有型钢(6)，在箍筋(2)外沿柱子高度方向套设有纤维增强塑料-钢复合管，所述的纤维增强塑料-钢复合管由作为内壁的钢管(4)和作为外壁的纤维增强塑料管(5)复合而成，纤维增强塑料-钢复合管内浇筑实心高强混凝土(3)，纤维增强塑料-钢复合管在柱子两端末处断开。
2.根据权利要求1所述的一种纤维增强塑料-钢复合管约束型钢高强混凝土柱，其特征在于：所述的纤维增强塑料-钢复合管为圆管、方管或矩形管。
3.根据权利要求1所述的一种纤维增强塑料-钢复合管约束型钢高强混凝土柱，其特征在于：所述的型钢(6)为H型钢或十字形型钢。
4.根据权利要求1所述的一种纤维增强塑料-钢复合管约束型钢高强混凝土柱，其特征在于：所述的纵筋(1)为钢筋或纤维增强塑料-钢复合筋。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的任一种纤维增强塑料-钢复合管约束型钢高强混凝土柱，其特征在于：所述的纤维增强塑料是玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料、玄武岩纤维增强塑料或芳纶纤维增强塑料。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的任一种纤维增强塑料-钢复合管约束型钢高强混凝土柱，其特征在于：所述的纤维增强塑料是玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维和芳纶纤维这四种纤维按一定比例混杂的混合纤维增强塑料。
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