CN103572895A

CN103572895A - 一种裂缝·损伤可控frp网格增强高耐久性钢筋混凝土柱结构

Info

Publication number: CN103572895A
Application number: CN201310528934.8A
Authority: CN
Inventors: 吴智深; 汪昕
Original assignee: JIANGSU GREEN MATERIAL VALLY NEW MATERIAL T&D Co Ltd; Southeast University
Current assignee: JIANGSU GREEN MATERIAL VALLY NEW MATERIAL T&D Co Ltd; Southeast University
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2033-10-31
Also published as: CN103572895B

Abstract

本发明公开了一种裂缝·损伤可控FRP网格增强高耐久钢筋混凝土柱结构，包括柱底以及位于所述柱底上的柱身，所述柱身由混凝土以及设置在混凝土内部的骨架构成，其特征在于：所述的骨架包括钢筋骨架和至少一层FRP网格，所述的钢筋骨架和FRP网格下端深入到所述的柱身内，所述FRP网格的高度大于柱塑性铰区高度，所述的FRP网格置于钢筋骨架外围并通过限位支撑与所述钢筋骨架固定，同一平面内所述限位支撑不少于四个。本发明可充分发挥混凝土、FRP网格以及钢筋三种材料各自的优势，具有耐腐蚀、承载力高、裂缝和损伤可控等优点，为现代土木工程建设提供了一种新选择。

Description

一种裂缝·损伤可控FRP网格增强高耐久性钢筋混凝土柱结构

技术领域

本发明属于一种土木工程结构构件，特别涉及一种由FRP网格、钢筋和混凝土三种不同材料组成的具有抗裂，损伤可控的高耐久性组合柱，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

目前，在海洋、潮湿和盐碱地等恶劣环境下，桥梁结构正在面临一个重大的问题，那就是钢筋腐蚀。钢筋腐蚀，可以被认为是一个经受恶劣的环境，如混凝土桩和桥墩柱的混凝土构件的劣化的主要原因。为了防止钢筋的腐蚀问题，研究人员已经实施了很多方法，但是都有其局限性。而纤维增强复合材料（FiberReinforcedPolymer，简称FRP）具有高强、质轻、耐腐蚀和耐疲劳等优点，在土木工程领域中得到了越来越多的关注，FRP网格是将高强连续纤维浸渍于耐腐性良好的树脂中，形成的整体网格状物。轻质、耐久和易于制作使得纤维网格的利用极为便利，并成为在不利环境条件下很有吸引力的结构材料。尤其是在滨海地区，考虑到钢筋腐蚀较快，纤维网格可以与钢筋组合使用。

目前人们已将FRP管应用于混凝土柱中，但是其存在例如柱底连接强度不足等局限。与FRP管混凝土柱相比，FRP网格混凝土柱具有与柱底连接可靠、节省材料等优点。同时，FRP管的轴向刚度较低，在浇筑混凝土的过程中，可能会由于混凝土的自重而产生局部屈曲，导致侧向挠度过大而形成局部屈曲破坏。FRP管内部核心混凝土存在塑性收缩、自收缩、徐变收缩等问题,使其与FRP管壁之问出现脱空和脱粘现象。

发明内容

技术问题：针对于处于海岛腐蚀环境中的钢筋混凝土柱，由于钢筋腐蚀导致了柱结构的劣化，具体表现为钢筋的腐蚀可能会影响剩余强度的钢筋混凝土墩柱钢筋截面损失，减少锈蚀钢筋的强度，减少因腐蚀引起的混凝土截面开裂和剥落，失去粘结强度等几种方式。目前的增强混凝土柱措施都存在一些局限，因此需要一种新的方法去提高钢筋混凝土柱抗裂性能、地震等灾害作用下的损伤可控性能以及耐久性。将FRP网格与钢筋混凝土进行复合，提供一种可应用于新建结构，特别适用于海洋、潮湿和盐碱地等恶劣环境中具有良好的耐久性等优点。

技术方案为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种裂缝·损伤可控FRP网格增强高耐久钢筋混凝土柱结构，包括柱底以及位于所述柱底上的柱身，所述柱身由混凝土以及设置在混凝土内部的骨架构成，其特征在于：所述的骨架包括钢筋骨架和至少一层FRP网格，所述的钢筋骨架和FRP网格下端深入到所述的柱身内，所述FRP网格的高度大于柱身柱塑性铰区高度，所述的FRP网格置于钢筋骨架外围并通过限位支撑与所述钢筋骨架固定，同一平面内所述限位支撑不少于四个。

所述的FRP网格为多层，且多层FRP网格的高度由内向外阶梯降低。

所述FRP网格由树脂基体与纤维制备而成，其中纤维为玄武岩纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或碳纤维中的一种、两种或多种混杂。

所述的纤维还包括混杂的钢丝。

所述的树脂基体材料为环氧树脂、乙烯基树脂或不饱和树脂。

在所述混凝土柱体结构外还具有一保护层，该保护层的厚度为0-20mm。

本发明相对现有技术具有以下优点：

1.本发明是有FRP网格、钢筋、混凝土三种不同材料构成的组合柱，可以充分发挥各构成材料的特性：混凝土柱在FRP网格包裹环境下，FRP网格对核心混凝土有着持续的环向约束，提高混凝土的承载能力。

2.我国规范给出的柱配筋率在0.6%-5%，该FRP网格可适当承担纵向力，降低混凝土的配筋率，通过外置FRP网格使得钢筋的配筋率可降低5%-30%，同时满足工程安全适用、经济合理、确保质量的需求。

3.通过外置FRP网格的约束，减缓裂缝的发生，控制裂缝宽度，防止混凝土及其内部钢筋遭受腐蚀，从而保证建筑结构的安全性、耐久性和使用性。通过外置FRP网格，能有效地约束内部钢筋混凝土，防止内部纵筋过早屈曲，提高柱结构承载力。FRP网格约束为钢筋混凝土柱提供二次刚度，控制残余位移，实现损伤的可控性。

4.FRP网格可紧靠边缘布置，提高混凝土抗裂性能。主筋较普通混凝土柱相比，可内移（如图6、图9）亦可外移（如图7、图10）。当纵筋靠里布置时，增加钢筋保护层（混凝土表面到最外层钢筋外边缘之间的最小距离）厚度，能有效起到保护内部钢筋，降低腐蚀介质渗入速度，提高耐腐蚀作用，特别适用于强腐蚀环境下。根据水运工程混凝土质量控制标准规定JTS202-2-2011，海水环境大气区以及水位变动区混凝土柱最小保护层厚度为50mm，水下区混凝土最小保护层厚度为40mm。而这种新型结构的保护层（指混凝土柱表面到FRP网格最外层之间的最小距离）厚度为仅0-20mm。当采用纵筋外移，适当减少纵筋至混凝土表面最小保护层厚度，由于FRP网格的保护作用，提高了混凝土抗裂性能保护内部钢筋，在保证钢筋免于锈蚀的前提下，减少纵筋外最小保护层厚度。

5.当采用多层重叠FRP网格半柱加强钢筋混凝土时，可按逐层递减的方式截断，以节省材料。

6.该发明与FRP管混凝土柱相比较的优势：FRP管由于其纤维环向布置，无法保证其与混凝土柱底的连接。FRP管需对混凝土柱进行全柱布置，而FRP网格可以采取半柱布置或者全柱布置。在全部布置的情况下，网格纤维用量少，相比之下，FRP网格可以很大程度上节省材料。

7.本发明可适用于任何形式截面柱结构，FRP网格既可以机械生产，提高效率，节省钢材。同时由于FRP网格的轻质这个优势，施工时易于搬运，不需起重机，不受施工场地的限制，能够做到安全适用、技术先进、经济合理、确保质量。

附图说明

图1为FRP约束钢筋混凝土柱半柱加强结构示意图；

图2为FRP网格约束钢筋混凝土柱全柱加强结构示意图；

图3为多层FRP网格约束钢筋混凝土柱半柱等长加强结构示意图；

图4为多层FRP网格约束钢筋混凝土柱半柱不等长加强结构示意图；

图5为普通钢筋混凝土方形柱结构截面示意图；

图6为纵筋外移的FRP网格约束钢筋混凝土方形柱结构截面示意图；

图7为纵筋内移的FRP网格约束钢筋混凝土方形柱结构截面示意图；

图8为普通钢筋混凝土圆形柱结构截面示意图；

图9为纵筋外移的FRP网格约束钢筋混凝土圆形柱结构截面示意图；

图10为纵筋内移的FRP网格约束钢筋混凝土圆形柱结构截面示意图；

图11为素混凝土和约束混凝土应变—应变曲线对比图；

图12普通钢筋混凝土柱和约束混凝土柱的荷载—位移曲线对比图；

图13为普通钢筋混凝土中纵筋在箍筋屈服后的状态；

图14为FRP网格约束混凝土柱中纵筋在箍筋屈服后的状态。

其中：1、柱底，2、柱身，21、纵筋，22、箍筋，23、混凝土，24、FRP网格，25、保护层，26、限位支撑，3、梁。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明：

如图1、图2所示，本发明裂缝·损伤可控FRP网格增强高耐久钢筋混凝土柱结构，包括柱底1、柱身2以及上端梁3，其中柱身2由混凝土23以及设置在混凝土23内部的骨架构成，骨架包括钢筋骨架和至少一层FRP网格24，钢筋骨架和FRP网格24下端深入到柱身1内，FRP网格的高度大于柱身柱塑性铰区高度，柱塑性铰区高度，根据中国公路桥梁抗震设计细则(JTG/TB02-01-2008)规定的Lp，取下式计算结果较小值：

L_{p} = \{\begin{matrix} 0.08 L + 0.22 d_{s} f_{y} &GreaterEqual; 0.044 d_{s} f_{y} \\ \frac{2}{3} b \end{matrix}

式中:b为矩形截面桥墩的短边尺寸或圆形截面桥墩直径，ds为纵筋直径，fy为纵筋屈服强度，L为柱高度。

钢筋骨架和FRP网格24可以是半柱身布置，如图1，也可以是全柱身布置，如图2所示。在FRP网格24的外部形成有一保护层25，当柱身形状为圆形时，保护层25的厚度为5-10mm；当柱身的形状为方形时，保护层25厚度为0-20mm。FRP网格24置于钢筋骨架外围并通过限位支撑26与钢筋骨架固定，同一平面内限位支撑26均匀布置且不少于四个。钢筋骨架由纵筋21和箍筋22固定构成，限位支撑26的一端固定在FRP网格24上，另一端固定在纵筋21或箍筋22上，竖向限位支撑26间距根据柱身尺寸及纵向受力情况确定。固定后的FRP网格24与钢筋骨架，置于模板中，现浇混凝土形成FRP网格约束钢筋混凝土柱。

FRP网格24可以采用柱底加固的半柱布置和全柱布置等加强方法。半柱加强是指将FRP网格可以布置在柱底长度为塑性铰区域长度的1-1.2倍。当采用多层重叠时，可按逐层递减的方式截断，以节省材料。全柱加强是将FRP网格沿柱高全长布置，此时网格深入柱顶梁内，深入长度与纵筋深入长度一致。

FRP混凝土为普通混凝土或者高强混凝土。

FRP网格可由玄武岩纤维或玻璃纤维或芳纶纤维或碳纤维等纤维，或上述纤维的两种或多种混杂、或上述纤维与钢丝混杂与树脂基体，如环氧树脂、乙烯基树脂、不饱和树脂等制备而成。

附图11可看出，约束混凝土与素混凝土相比，其由于侧向箍筋与FRP网格多重压力的约束，限制内部微裂缝的发展，改善自身原有受压特性，提高混凝土抗压强度及延性。

图12可看出，相对于普通钢筋混凝土柱，FRP网格约束钢筋混凝土柱由于外置的FRP网格约束，对柱提供了二次刚度，较好的控制柱的残余位移，实现损伤可控。从图13、14可看出，相对于普通钢筋混凝土柱，FRP网格约束钢筋混凝土柱由于外置的FRP网格约束，纵筋在外部箍筋发生屈曲后，依旧能保持稳定，未发生屈曲。

Claims

1.一种裂缝·损伤可控FRP网格增强高耐久钢筋混凝土柱结构，包括柱底以及位于所述柱底上的柱身，所述柱身由混凝土以及设置在混凝土内部的骨架构成，其特征在于：所述的骨架包括钢筋骨架和至少一层FRP网格，所述的钢筋骨架和FRP网格下端深入到所述的柱身内，所述FRP网格的高度大于柱身柱塑性铰区高度，所述的FRP网格置于钢筋骨架外围并通过限位支撑与所述钢筋骨架固定，同一平面内所述限位支撑不少于四个。

2.根据权利要求1所述的裂缝·损伤可控FRP网格增强高耐久钢筋混凝土柱结构，其特征在于，所述的FRP网格为多层，且多层FRP网格的高度由内向外阶梯降低。

3.根据权利要求1所述的裂缝·损伤可控FRP网格增强高耐久钢筋混凝土柱结构，其特征在于，所述FRP网格由树脂基体与纤维制备而成，其中纤维为玄武岩纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或碳纤维中的一种、两种或多种混杂。

4.根据权利要求3所述的裂缝·损伤可控FRP网格增强高耐久钢筋混凝土柱结构，其特征在于，所述的纤维还包括混杂的钢丝。

5.根据权利要求3或4所述的裂缝·损伤可控FRP网格增强高耐久钢筋混凝土柱结构，其特征在于，所述的树脂基体材料为环氧树脂、乙烯基树脂或不饱和树脂。

6.根据权利要求1所述的裂缝·损伤可控FRP网格增强高耐久钢筋混凝土柱结构，其特征在于，在所述混凝土柱体结构外还具有一保护层，该保护层的厚度为0-20mm。