CN102776985A

CN102776985A - 一种复合套管约束钢筋混凝土柱

Info

Publication number: CN102776985A
Application number: CN2012102417566A
Authority: CN
Inventors: 单波; 肖岩; 龚建清
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2012-11-14

Abstract

本发明公开了一种复合套管约束钢筋混凝土柱，其特征在于钢筋混凝土柱（2）的复合套管（1）为预制活性粉末混凝土外套管（3）和内套管（4）的组合体。本发明具有施工方便、成本低、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

一种复合套管约束钢筋混凝土柱

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复合套管约束钢筋混凝土柱。

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，高性能混凝土和约束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。

以钢管混凝土柱和纤维增强塑料（FRP）约束混凝土为代表的约束混凝土结构，在过去近三十年中，得到了深入研究和广泛应用。约束混凝土的基本原理是：组合柱的轴向荷载作用下产生横向膨胀，混凝土外包的约束件（钢管或FRP增强层等）产生拉应力，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，从而提高核心区混凝土的抗压强度和压缩变形能力，使得组合柱的承载力和延性大大提高。因此，约束混凝土是一种极为有效的组合结构。

目前，采用钢管或FRP作为约束件制成的约束混凝土组合柱，主要存在的问题是：材料价格较高；钢管混凝土柱和FRP约束混凝土柱的抗火性能差，需要采取其他措施提高抗火极限；此外，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，钢管混凝土柱在使用中需要进行定期维护，增加了使用成本等。因此，研制一种新型约束混凝土柱已为急需。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明公开了一种复合套管约束钢筋混凝土柱，具有施工方便、成本低、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复合套管约束钢筋混凝土柱，其特征在于钢筋混凝土柱的复合套管为预制活性粉末混凝土外套管和内套管的组合体。

所述的复合套管约束钢筋混凝土柱，其特征在于所述的内套管为纤维增强塑料（FRP）管或钢管。

所述的复合套管约束钢筋混凝土柱，其特征在于所述的纤维增强塑料（FRP）内套管为碳纤维增强塑料（CFRP）管、玻璃纤维增强塑料（GFRP）管、芳纶纤维增强塑料（AFRP）管、玄武岩纤维增强塑料（BFRP）管或者混杂纤维增强塑料（HFRP）管。

所述的复合套管约束钢筋混凝土柱，其特征在于所述的活性粉末混凝土外套管内配置的钢筋为封闭箍筋和纵向钢筋。

所述的复合套管约束钢筋混凝土柱，其特征在于所述的钢筋混凝土柱内配置的钢筋为封闭箍筋和纵向钢筋。

与现有技术相比，本发明的优点就在于：

①复合套管能显著提高组合柱的承载力和延性。复合套管的外套管为预制活性粉末混凝土管，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。外套管内的封闭箍筋、内套管和内部钢筋混凝土柱内的封闭箍筋共同为核心区混凝土提供侧向约束应力和提高组合柱的抗剪能力。因此，这种复合套管柱具有良好的承载力延性。

②复合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，而FRP含有大量树脂，抗火能力也很差。因此，钢管混凝土柱或FRP增强柱如考虑抗火性能，则必须采取外包防火涂料等措施，这会大幅提高造价。复合套管的外套管为活性粉末混凝土套管，材料具有突出的抗火性能。因此，外套管为内套管和内部混凝土柱中的封闭箍筋提供了良好的防火保护层，在火灾中，约束件的性能退化大大低于钢管混凝土柱和FRP约束混凝土柱。无需进行防火处理，具有造价优势。

③复合套管柱材料成本低。RPC材料成本约为3500元/m³，折合成重量约为1400元/吨，远低于钢材和常用的FRP材料。此外，复合柱的内套管是与外套管和内部混凝土柱的封闭箍筋一起组成约束件，因此，内套管只提供部分约束应力，可以优先采用价格低廉的玻璃纤维增强塑料等材料，且FRP用量也远低于单一采用FRP增强的组合柱。因此，复合套管柱的成本大大低于钢管混凝土柱和FRP约束混凝土柱。

④活性粉末混凝土套管作为外套管具有优异的耐久性，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复合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复合套管的预制和组合柱的施工方便。复合套管的内套管为钢管或预制FRP管，制作复合套管时，内套管直接作为浇筑活性粉末混凝土外套管的内模板，成型后内套管和外套管就自然粘结在一起形成整体，而且在复合套管的生产、运输和吊装等过程中，内套管还可以起到骨架作用，防止外套管开裂。

在施工过程中，复合套管是组合柱的外模板以及施工荷载支撑体系的组成部分，节省了模板和支架材料。在常用的构件尺寸范围内，复合套管与钢管的自重差别不大，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。

附图说明

图1是本发明复合套管约束钢筋混凝土柱的结构示意图；

图2是复合套管约束钢筋混凝土柱的纵剖面结构示意图；

图3是复合套管的结构示意图；

图4是复合套管约束钢筋混凝土柱的应用示意图。

图例说明

1复合套管 2钢筋混凝土柱

3预制活性粉末混凝土外套管 4内套管

5外套管内部配置的封闭箍筋 6外套管内部配置的纵向钢筋

7钢筋混凝土柱内配置的封闭箍筋 8钢筋混凝土柱内配置的纵向钢筋

9复合套管约束钢筋混凝土柱 10钢筋混凝土梁。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

实施例1：

一种复合套管约束钢筋混凝土柱，如图1、图2、图3所示，其特征在于钢筋混凝土柱（2）的复合套管（1）为预制活性粉末混凝土外套管（3）和内套管（4）的组合体。

内套管（4）为纤维增强塑料（FRP）管或钢管。

纤维增强塑料（FRP）内套管（4）为碳纤维增强塑料（CFRP）管、玻璃纤维增强塑料（GFRP）管、芳纶纤维增强塑料（AFRP）管、玄武岩纤维增强塑料（BFRP）管或者混杂纤维增强塑料（HFRP）管。

活性粉末混凝土外套管（3）内配置的钢筋为封闭箍筋（5）和纵向钢筋（6）。

钢筋混凝土柱（2）内配置的钢筋为封闭箍筋（7）和纵向钢筋（8）。

实施方式：

首先，绑扎由活性粉末混凝土外套管内纵向钢筋6和封闭箍筋5组成的钢筋笼，并放置在制作预制活性粉末混凝土外套管2的外模和内套管4组成的模具内；浇筑配制好的活性粉末混凝土，制成复合套管1；完成浇筑1天后拆模，并将复合套管1放置在90℃的热水中养护48小时；将预制好的复合套管1运至施工现场，并吊装就位；在复合套管1内绑扎钢筋混凝土柱2的纵向钢筋8和封闭箍筋7；支好钢筋混凝土梁10以及楼板（未给出）的模板，绑扎好梁和楼板的钢筋，然后浇筑混凝土，这样就形成了复合套管约束钢筋混凝土柱9，同时形成了梁和楼板等构件，如图4所示；再重复以上施工步骤，逐步完成各楼层柱、梁和板的施工。

Claims

1.一种复合套管约束钢筋混凝土柱，其特征在于钢筋混凝土柱（2）的复合套管（1）为预制活性粉末混凝土外套管（3）和内套管（4）的组合体。

2.根据权利要求1所述的复合套管约束钢筋混凝土柱，其特征在于所述的内套管（4）为纤维增强塑料（FRP）管或钢管。

3.根据权利要求2所述的复合套管约束钢筋混凝土柱，其特征在于所述的纤维增强塑料（FRP）内套管（4）为碳纤维增强塑料（CFRP）管、玻璃纤维增强塑料（GFRP）管、芳纶纤维增强塑料（AFRP）管、玄武岩纤维增强塑料（BFRP）管或者混杂纤维增强塑料（HFRP）管。

4.根据权利要求1所述的复合套管约束钢筋混凝土柱，其特征在于所述的活性粉末混凝土外套管（3）内配置的钢筋为封闭箍筋（5）和纵向钢筋（6）。

5.根据权利要求1或者2所述的复合套管约束钢筋混凝土柱，其特征在于所述的钢筋混凝土柱（2）内配置的钢筋为封闭箍筋（7）和纵向钢筋（8）。