CN104005567A - 一种纤维增强聚合物缠绕钢管超高性能混凝土加固混凝土柱 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种纤维增强聚合物缠绕钢管超高性能混凝土加固混凝土柱，所述钢管外部缠绕有FRP布，用于外包加固既有钢筋混凝土柱，该组合柱包括植筋、钢管、超高性能混凝土、FRP布、原钢筋混凝土柱。该构件与传统钢筋混凝土扩大截面法、钢管高强混凝土(钢管自密实混凝土、钢管普通纤维混凝土)、角钢加固柱相比，可显著提高承载力、变形能力、抗震性能和防腐耐久性，属于新型组合柱加固既有结构的技术领域，特别适合用于高层、超高层底层柱、大跨桥梁墩柱、环境恶劣的结构工程和腐蚀环境下的工业厂房的加固。

Description

一种纤维增强聚合物缠绕钢管超高性能混凝土加固混凝土柱

技术领域

本发明涉及一种纤维增强聚合物缠绕钢管超高性能混凝土加固混凝土柱，属于混凝土组合柱结构技术领域。

技术背景

FRP缠绕钢管超高性能混凝土外包加固混凝土柱是指在加固既有钢筋混凝土柱时，原柱外部用现场焊接的钢管包围，钢管内填充超高性能混凝土，在钢管外部缠绕FRP布。

组合柱用于既有混凝土柱加固的研究与应用已有20多年，它具有突出的优点，有很好的受力性能和显著的经济效益。

在钢管混凝土结构中，钢管作为结构模板的同时有效约束了核心混凝土的侧向变形，使得混凝土处于三向受压状态，从而提高了混凝土抗压强度、极限应变等；核心混凝土的存在有效延缓了钢管的屈曲。

关于钢管混凝土加固柱，1999年国外较早开展了钢套管加固混凝土柱承载力和变形能力的研究与应用。用椭圆套管加固混凝土方柱、圆柱，研究表明钢套管可以大幅提高加固柱的弯曲变形能力和抗剪强度；研究了局部承压方套管、矩形钢管加固混凝土柱，表明加固柱子的强度及延性显著提高；用矩形钢管加固混凝土柱，研究结果表明局部套管与全套这两种套管方式都能有效提高柱承载力及变形能力；对钢套管加固的混凝土方柱、圆柱试件进行了试验研究，表明钢管普通混凝土加固方柱能够显著提高柱的承载力。

目前钢套管加固建筑柱、桥梁墩柱时，钢管内填充砂浆、普通混凝土、高强度混凝土、自密实混凝土、纤维混凝土，由于其间隙较小，振捣密实困难，导致结构整体性不强，影响加固效果。目前钢套内填充的混凝土强度均不高，影响加固效果。

目前钢套加固中，混凝土不是超高性能混凝土，钢套对其约束效果远不如钢管约束超高性能混凝土。

超高性能混凝土中有高性能纤维，其具有超高强度、高韧性、高耐久性、良好的施工性能和体积稳定性。且超高性能混凝土固化时间短，对于快速加固十分重要。

外部用FRP布缠绕可以显著提高钢管的防腐耐久性，同时显著提高约束效果，防止钢管的局部屈曲变形，起到双重约束的功能。纤维布按照不同角度缠绕，可以明显提高抗弯、抗剪和抗震性能。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种纤维增强聚合物缠绕钢管超高性能混凝土加固混凝土柱，与传统加固方法相比，本发明可显著提高承载力、变形能力、抗震性能和耐久性，适用于混凝土组合柱在加固领域的应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种纤维增强聚合物缠绕钢管超高性能混凝土加固混凝土柱，所述钢管外部缠绕有FRP布，用于外包加固既有钢筋混凝土柱，该组合柱包括植筋1、钢管2、超高性能混凝土3、FRP布4、原钢筋混凝土柱5；所述FRP布4缠绕在钢管2外壁构成FRP外缠绕钢管；所述原钢筋混凝土柱5被钢管2包裹，在原钢筋混凝土柱5与钢管2之间存在的间隙之间，填充有超高性能混凝土3；在既有钢筋混凝土柱表面植筋1，用于提高超高性能混凝土与既有混凝土之间界面粘结性能。

所述钢管2的截面形状为闭合圆形、椭圆形、方形、矩形、多边形；钢管2由两个对称的半截面管现场焊接构成。

所述钢管2可以置于混凝土柱截面的中央，也可根据受力要求偏心放置。

所述原钢筋混凝土柱5截面的形状为圆形、椭圆形、方形、矩形、多边形。

所述FRP布4，其FRP是碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、高弹性模量聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、玄武岩纤维等单一纤维布或各种混杂纤维布，FRP可以是单向或双向布，缠绕的FRP布4可按照不同角度缠绕于钢管2外表面。

所述钢管2内与原钢筋混凝土柱5之间的超高性能混凝土3为无粗骨料或有粗骨料混凝土，强度为C100-C260。

该混凝土组合柱的具体实施步骤如下。

S1：首先将原钢筋混凝土柱5表面处理干净；S2：植筋1，植筋1间距80-150mm，直径8-18mm、深度80-160mm，采用后锚固技术，打孔并用化学或无机胶灌孔；S3：将加工好的半个截面钢管(半个椭圆、半个矩形、半个多变形截面)安装到位、现场将两个半圆截面钢管焊接在一起，(两个半圆截面钢管2部分首先在工厂加工完成)；S4：浇筑超高性能混凝土3于钢管2与原钢筋混凝土柱5之间的间隙；S5：将钢管2表面处理干净，按照设计要求缠绕FRP布4；S6：对于有防火要求的工程，完成以上工作S1-S5后，可在纤维布外面采用防火砂浆或防火涂料防护措施。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

(1)钢管约束超高性能混凝土，使得混凝土处于三向受压状态，显著提高既有混凝土柱的承载力、变形能力、抗震性能，特别是抗震性能明显优于其他加固方法；

(2)超高性能混凝土具有很高的强度，加入纤维后变形能力、抗震能力显著提高，在钢管内使用超高性能混凝土后形成的钢管约束超高性能混凝土加固柱与钢管高强混凝土、自密实混凝土、一般的高性能混凝土、普通纤维混凝土加固混凝土柱体(或与其他扩大截面法、角钢加固法等)相比，显著提高了既有混凝土柱的承载力和变形能力，特别是显著提高了原有柱体的抗震性能，因此该发明适用于大型重载结构和超高层建筑；

(3)与钢管高强混凝土和钢管自密实高强混凝土加固柱相比，在相同的承载力要求下，采用钢管约束超高性能混凝土组合柱可减小柱体截面面积，显著降低了柱体的自重；

(4)与单一钢管高强混凝土、超高性能混凝土加固柱相比，在钢管外表面缠绕FRP布，可以很大程度提高对超过性能混凝土和既有混凝土的约束效果，提高承载力、变形能力、耗能和抗震性能；

(5)与单一钢管高强混凝土、超高性能混凝土加固柱相比，在钢管外表面缠绕FRP布，可以很大程度提高对钢管的抗腐蚀性能，FRP是防腐蚀的材料，可以用于滨海桥梁、建筑、码头和有腐蚀的工业厂房工程的加固；

(6)在相同的承载力要求下，采用FRP缠绕钢管双约束超高性能混凝土加固柱可适当降低钢管和超高性能混凝土用量；

(7)钢管外部缠绕FRP可以防止钢管施压后局部屈曲、外鼓；

(8)外部缠绕FRP可以阻止中长、细长钢管RPC的失稳破坏，充分发挥超高性能混凝土的超高强度；

(9)由于超高性能混凝土强度上升快、钢管作为支撑构件，对于抢修桥梁、输油管道的支撑柱等生命线工程，可以采用该方法快速加固，施工快简捷。

因此，本发明特别适合用于高层、超高层底顶柱、大跨桥梁大墩柱等，适合于环境恶劣的滨海工程、腐蚀环境下的工业厂房的加固。

附图说明

图1为FRP缠绕钢管约束超高性能混凝土加固圆截面柱的正剖切面示意图，钢管与既有混凝土同心。

图2为FRP缠绕正方形截面钢管约束超高性能混凝土加固正方形截面柱的正剖切面示意图，正方形钢管与既有混凝土同心。

图3为FRP缠绕钢管约束超高性能混凝土加固圆形截面柱的正剖切面示意图，圆截面钢管与既有混凝土不同心。

图4为FRP缠绕椭圆形截面钢管约束超高性能混凝土加固圆形截面柱的正剖切面示意图，椭圆钢管与既有混凝土同心。

图5为FRP缠绕多边形截面钢管约束超高性能混凝土加固正方形截面柱的正剖切面示意图，多边形椭圆钢管与既有混凝土同心。

图中：1、植筋；2、钢管；3、超高性能混凝土；4、FRP布；5、原钢筋混凝土柱。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例一

如图1所示，当原钢筋混凝土柱为圆形结构时，首先在既有混凝土表面植筋1；制作半个截面钢管，并将其吊装到位、固定，将两个半圆截面焊接成为封闭的钢管2；在钢管2中浇筑超高性能混凝土3；并在钢管2外缠绕FRP布4，并对FRP进行防火保护处理。

本实施例中原钢筋混凝土柱5采用直径800mm的圆形截面柱。

植筋1采用直径12mm的HRB335级钢筋，且沿柱体纵向的布置间距为100mm，植筋深度88mm。

钢管2采用的钢材型号为Q345，厚度30mm，钢管长度为3.5m。钢管轴心与原钢筋混凝土柱5同心。

超高性能混凝土3的轴心抗压强度为C130MPa。

FRP布4采用碳纤维双向布，双层布与柱轴线+55度缠绕于钢管外表面。

实施例二

如图2所示，当原钢筋混凝土柱为方形结构时，首先在既有混凝土表面植筋1；制作半个钢管，并将其吊装到位、固定，将两个L形截面钢构件焊接成为封闭的正方形钢管2；在钢管2中浇筑超高性能混凝土3，并在钢管2外缠绕FRP布4，对FRP进行防火处理。

本实施例中原钢筋混凝土柱5采用边长600mm的方柱。

植筋1采用直径12mm的HRB335级钢筋，且沿柱体纵向的布置间距为100mm，植筋深度95mm。

钢管2采用的钢材型号为Q345，厚度20mm，钢管长度为3m。钢管轴心与原有混凝土正方形柱同心。

超高性能混凝土3的轴心抗压强度为C140MPa，厚度35mm。

FRP布4采用双向芳纶布，三层按照与柱轴线+45度缠绕于钢管外表面。

实施例三

如图3所示，当原钢筋混凝土柱为圆形结构时，钢管2采用偏心放置，首先在既有混凝土表面植筋1；制作半个截面的钢管，并将其吊装到位、固定，将两个半个截面圆形钢板焊接成为封闭的钢管2；在钢管2中浇筑超高性能混凝土3，并在钢管2外缠绕FRP布4，对FRP进行防火处理。

本实施例中原钢筋混凝土柱5采用直径600mm的圆形截面柱。

植筋1采用直径12mm的HRB335级钢筋，且沿柱体纵向的布置间距为80mm，植筋深度105mm。

钢管2采用的钢材型号为Q345，厚度25mm，钢管长度为3m。钢管轴心与既有混凝土圆形柱不同心。

超高性能混凝土3的轴心抗压强度为C145MPa，厚度40mm。

FRP布4采用双向玻璃纤维布，3层按照与柱轴线+45度缠绕于钢管外表面。

实施例四

如图4所示，当原钢筋混凝土柱为圆形结构时，钢管2采用椭圆结构，首先在既有混凝土表面植筋1；制作半个截面椭圆钢管，并将其吊装到位、固定，将两个半个截面椭圆形钢板焊接成为封闭的钢管2；在钢管2中浇筑超高性能混凝土3，并在钢管2外缠绕FRP布4，并对FRP进行防火处理。

本实施例中原钢筋混凝土柱5采用直径900mm的圆形截面柱。

植筋1采用直径12mm的HRB335级钢筋，且沿柱体纵向的布置间距为100mm，植筋深度95mm。

钢管2采用两个半截面椭圆形的对焊接成为封闭的钢管，钢材型号为Q345，厚度30mm，钢管长度为3.5m。椭圆钢管轴心与既有混凝土柱同心。

超高性能混凝土3的轴心抗压强度为C130MPa。

FRP布4采用碳纤维双向布，双层布与柱轴线+55度缠绕于钢管外表面。

实施例五

如图5所示，当原钢筋混凝土柱为正方形结构时，钢管2采用八边形结构，首先在既有混凝土表面植筋1；制作半个截面多边形钢管，并将其吊装到位、固定，将两个多边形钢板焊接成为封闭的多边形钢管2；在钢管2中浇筑超高性能混凝土3，并在钢管2外缠绕FRP布4，对FRP进行防火处理。

本实施例中原钢筋混凝土柱5采用边长700mm的方柱。

植筋1采用直径14mm的HRB335级钢筋，且沿柱体纵向的布置间距为80mm，植筋深度120mm。

钢管2采用的钢材型号为Q345，厚度20mm，钢管长度为3m。外部多边形钢管轴心与既有混凝土正方形柱同心。

超高性能混凝土3的轴心抗压强度为C160MPa，厚度40mm。

FRP布4采用双向玄武岩纤维布，三层布按照与柱轴线+65度缠绕于钢管外表面。

Claims (7)

1.一种纤维增强聚合物缠绕钢管超高性能混凝土加固混凝土柱，其特征在于：该组合柱包括植筋(1)、钢管(2)、超高性能混凝土(3)、FRP布(4)、原钢筋混凝土柱(5)；所述FRP布(4)缠绕在钢管(2)外壁构成FRP外缠绕钢管；所述原钢筋混凝土柱(5)被FRP缠绕钢管(2)包裹，在原钢筋混凝土柱(5)与钢管(2)之间存在的间隙之间，填充有超高性能混凝土(3)；在既有钢筋混凝土柱表面植筋(1)，用于提高超高性能混凝土与既有混凝土之间界面粘结性能；

所述钢管(2)的截面形状为闭合圆形、椭圆形、方形、矩形、多边形；钢管(2)由两个对称的半截面管现场焊接构成；

所述钢管(2)可以置于混凝土柱截面的中央，也可根据受力要求偏心放置；

所述原钢筋混凝土柱(5)截面的形状为圆形、椭圆形、方形、矩形、多边形；

所述FRP布(4)，其FRP是碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、高弹性模量聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、玄武岩纤维布单一或各种混杂纤维布，FRP可以是单向、双向布，缠绕的FRP布(4)可按照不同角度缠绕于钢管(2)外表面；

所述钢管(2)内与原钢筋混凝土柱(5)之间的超高性能混凝土(3)为无粗骨料或有粗骨料混凝土，强度为C100-C260。

2.依权利要求1所述的一种纤维增强聚合物缠绕钢管超高性能混凝土加固混凝土柱，该混凝土组合柱的具体实施步骤如下，该其特征在于：S1：首先将原钢筋混凝土柱(5)表面处理干净；S2：植筋(1)，植筋(1)间距80-150mm，直径8-18mm、深度80-160mm，采用后锚固技术，打孔并用化学或无机胶灌孔；S3：将加工好的半个截面钢管安装到位、现场将两个半截面管钢管焊接在一起，半截面管(2)部分首先在工厂加工完成；S4：浇筑超高性能混凝土(3)于钢管(2)与原钢筋混凝土柱(5)之间的间隙；S5：将钢管(2)表面处理干净，按照设计要求缠绕FRP布(4)；S6：对于有防火要求的工程，完成以上工作S1-S5后，可在纤维布外面做防火砂浆或防火涂料防护措施。

3.根据权利要求1所述的一种纤维增强聚合物缠绕钢管超高性能混凝土加固混凝土柱，其特征在于：当原钢筋混凝土柱为圆形结构时，首先在既有混凝土表面植筋(1)；制作半个截面钢管，并将其吊装到位、固定，将两个半截面焊接成为封闭的钢管(2)；在钢管(2)中浇筑超高性能混凝土(3)，并在钢管(2)外缠绕FRP布(4)，并对FRP进行防火保护处理；

所述原钢筋混凝土柱(5)采用直径800mm的圆形截面柱；

植筋(1)采用直径12mm的HRB335级钢筋，且沿柱体纵向的布置间距为100mm，植筋深度88mm；

钢管(2)采用的钢材型号为Q345，厚度30mm，钢管长度为3.5m；钢管轴心与原钢筋混凝土柱(5)同心；

超高性能混凝土(3)的轴心抗压强度为C130MPa；

FRP布(4)采用碳纤维双向布，双层布与柱轴线+55度缠绕于钢管外表面。

4.根据权利要求1所述的一种纤维增强聚合物缠绕钢管超高性能混凝土加固混凝土柱，其特征在于：当原钢筋混凝土柱为方形结构时，首先在既有混凝土表面植筋(1)；制作半个截面钢管，并将其吊装到位、固定，将两个L形截面钢构件板焊接成为封闭的正方形钢管(2)；在钢管(2)中浇筑超高性能混凝土(3)，并在钢管(2)外缠绕FRP布(4)，对FRP进行防火处理；

所述原钢筋混凝土柱(5)采用边长600mm的方柱；

植筋(1)采用直径12mm的HRB335级钢筋，且沿柱体纵向的布置间距为100mm，植筋深度95mm；

钢管(2)采用的钢材型号为Q345，厚度20mm，钢管长度为3m；钢管轴心与原有混凝土正方形柱同心；

超高性能混凝土(3)的轴心抗压强度为C140MPa，厚度35mm；

FRP布(4)采用双向芳纶布，三层按照与柱轴线+45度缠绕于钢管外表面。

5.根据权利要求1所述的一种纤维增强聚合物缠绕钢管超高性能混凝土加固混凝土柱，其特征在于：当原钢筋混凝土柱为圆形结构时，钢管(2)与原混凝土柱偏心放置，首先在既有混凝土表面植筋(1)；制作半个截面钢管，并将其吊装到位、固定，将两个半个截面圆形钢板焊接成为封闭的钢管(2)；在钢管(2)中浇筑超高性能混凝土(3)，并在钢管(2)外缠绕FRP布(4)，对FRP进行防火处理；

所述原钢筋混凝土柱(5)采用直径600mm的圆形截面柱；

植筋(1)采用直径12mm的HRB335级钢筋，且沿柱体纵向的布置间距为80mm，植筋深度105mm；

钢管(2)采用的钢材型号为Q345，厚度25mm，钢管长度为3m；钢管轴心与原混凝土圆形截面柱不同心；

超高性能混凝土(3)的轴心抗压强度为C145MPa，厚度40mm；

FRP布(4)采用双向玻璃纤维布，3层按照与柱轴线+45度缠绕于钢管外表面。

6.根据权利要求1所述的一种纤维增强聚合物缠绕钢管超高性能混凝土加固混凝土柱，其特征在于：当原钢筋混凝土柱为圆形结构时，钢管(2)采用椭圆形截面，首先在既有混凝土表面植筋(1)；制作半个钢管，并将其吊装到位、固定，将两个半截面椭圆形钢板焊接成为封闭的椭圆型钢管(2)；在椭圆形钢管(2)中浇筑超高性能混凝土(3)，并在钢管(2)外缠绕FRP布(4)，并对FRP进行防腐处理；

所述原钢筋混凝土柱(5)采用直径900mm的圆形截面柱；

植筋(1)采用直径12mm的HRB335级钢筋，且沿柱体纵向的布置间距为100mm，植筋深度95mm；

钢管(2)采用两个半截面椭圆形的对焊接成为封闭的钢管，钢材型号为Q345，厚度30mm，钢管长度为3.5m；椭圆形钢管轴心与原混凝土柱同心；

超高性能混凝土(3)的轴心抗压强度为C130MPa；

FRP布(4)采用碳纤维双向布，双层布与柱轴线+55度缠绕于钢管外表面。

7.根据权利要求1所述的一种纤维增强聚合物缠绕钢管超高性能混凝土加固混凝土柱，其特征在于：当原钢筋混凝土柱为正方形结构时，钢管(2)采用八边形结构，首先在既有混凝土表面植筋(1)；制作半个多边形钢管，并将其吊装到位、固定，将两个多边形钢板焊接成为封闭的多边形钢管(2)；在钢管(2)中浇筑超高性能混凝土(3)，并在钢管(2)外缠绕FRP布(4)，对FRP进行防火处理；

所述原钢筋混凝土柱(5)采用边长700mm的方柱；

植筋(1)采用直径14mm的HRB335级钢筋，且沿柱体纵向的布置间距为80mm，植筋深度120mm；

钢管(2)采用的钢材型号为Q345，厚度20mm，钢管长度为3m；外部多边形钢管轴心与既有混凝土正方形柱同心；

超高性能混凝土(3)的轴心抗压强度为C160MPa，厚度40mm；

FRP布(4)采用双向玄武岩纤维布，三层布按照与柱轴线+65度缠绕于钢管外表面。