CN104594562B - 碳纤维复合钢管混凝土柱及其建造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维复合钢管混凝土柱及其建造方法，该混凝土柱包括混凝土柱本体，在所述混凝土柱本体端部包覆有碳纤维布形成碳纤维布约束区，在所述混凝土柱本体的外部还包覆有钢管形成钢管约束区，所述碳纤维布约束区与所述钢管约束区相邻。位于混凝土柱本体端部的碳纤维布约束区对混凝土柱提供环向约束力，碳纤维布具有良好的抗拉、抗剪和抗震加固作用，但其不能受压，阻断了轴力传递到钢管约束区，从而能够抑制压力对钢管的作用。混凝土柱本体部分及钢管约束区可在浇筑时完成，再通过粘贴碳纤维布形成碳纤维布约束区能够适应不同的形状，能够适应钢管混凝土柱节点结构复杂、施工困难等缺点。

Description

碳纤维复合钢管混凝土柱及其建造方法

技术领域

本发明涉及土建工程技术领域，尤其是指一种碳纤维复合钢管混凝土柱及其建造方法。

背景技术

现有的钢管混凝土柱有效地利用了钢管和混凝土两者之间的相互约束而产生的增强作用，具有承重能力高、延性好、抗爆抗冲击性能优良等特点。但由于钢管和混凝土同时受压，在强震作用下钢管受压会造成钢管压屈而无法有效约束混凝土，因此无法发挥钢材的全部能力。且节点构造复杂，施工困难，节点耗材，成本高成为困扰工程应用的主要问题。

发明内容

基于此，本发明在于提供一种碳纤维复合钢管混凝土柱及其建造方法，其能克服现有技术的不足，其解决了钢管受压屈曲时无法有效约束混凝土的问题，提高了混凝土柱的强度和抗变形能力。

其技术方案如下：

一种碳纤维复合钢管混凝土柱，包括混凝土柱本体，在所述混凝土柱本体端部包覆有碳纤维布形成碳纤维布约束区，在所述混凝土柱本体的外部还包覆有钢管形成钢管约束区，所述碳纤维布约束区与所述钢管约束区相邻。

下面对进一步技术方案进行说明：

进一步的，在所述碳纤维布约束区内设有纵筋，并在所述纵筋外部设有环向箍筋，所述环向箍筋位于所述纵筋与所述碳纤维布之间。

进一步的，所述钢管或所述碳纤维布的厚度t，其满足如下公式：

N_C＝f_ccA_c＝(f_c+4f_τ)A_c (1)

$f_{\mathrm{\τ}}=\frac{{2\mathrm{tf}}_y}{d_{\mathrm{cor}}}---\left(2\right)$

其中：N_C——受压承载力；

f_c——素混凝土抗压强度；

f_cc——约束混凝土抗压强度；

A_c——被约束混凝土的截面积；

d_cor——被约束混凝土的直径；

f_y——钢管或碳纤维布的抗拉强度；

f_τ——钢管或碳纤维布提供的约束力。

进一步的，所述碳纤维布的长度不小于所述混凝土柱本体的横截面周长。

进一步的，所述碳纤维布的宽度为80mm-150mm。

还公开了一种如以上任意一项所述的碳纤维复合钢管混凝土柱的建造方法，该建造方法包括：

(1)在钢管约束区以钢管为模板，在碳纤维布约束区支模，进行浇筑形成混凝土柱本体；

(2)对混凝土柱本体上碳纤维布约束区对应的区域进行清理；

(3)对混凝土柱本体上碳纤维布约束区对应的区域涂底胶、涂结构胶，再粘贴碳纤维布形成碳纤维布约束区。

进一步的，还包括步骤(4)24h-48h后，在所述碳纤维布上涂环氧树脂浸渍剂。

进一步的，还包括步骤(5)对钢管进行防锈、防火处理。

进一步的，所述步骤(2)包括打磨去除混凝土表面的浮浆，直到打磨至粗骨料裸露，去浮沉，干燥。

进一步的，在步骤(3)中，确保所述碳纤维布对混凝土柱本体提供的环向约束力与所述钢管对混凝土柱本体提供的环向约束力相等，且与满足如下关系式：

N_C＝f_ccA_c＝(f_c+4f_τ)A_c (1)

$f_{\mathrm{\τ}}=\frac{{2\mathrm{tf}}_y}{d_{\mathrm{cor}}}---\left(2\right)$

其中：N_C——受压承载力；

f_c——素混凝土抗压强度；

f_cc——约束混凝土抗压强度；

A_c——被约束混凝土的截面积；

d_cor——被约束混凝土的直径；

f_y——钢管或碳纤维布的抗拉强度；

t——钢管或所述碳纤维布的厚度t；

f_τ——钢管或碳纤维布提供的约束力。

进一步的，在步骤(1)中还包括在所述碳纤维布约束区设置纵筋及环向箍筋，再进行浇筑。

进一步的，所述底胶的厚度为0.05mm-0.2mm。

进一步的，所述结构胶的厚度为0.2mm-0.5mm。

下面对前述技术方案的原理、效果等进行说明：

上述碳纤维复合钢管混凝土柱通过钢管约束区和碳纤维布约束区对混凝土柱本体进行约束，位于混凝土柱本体端部的碳纤维布约束区对混凝土柱提供环向约束力，碳纤维布具有良好的抗拉、抗剪和抗震加固作用，但其不能受压，因此，所述碳纤维区阻断了轴力传递到钢管约束区，从而能够抑制压力对钢管的作用，提高钢管的受压能力。

上述碳纤维复合钢管混凝土柱可按照现有的钢管混凝土柱的建造方式进行施工，混凝土柱本体部分及钢管约束区可在浇筑时完成，之后再通过粘贴碳纤维布形成碳纤维布约束区，施工方便，且柔软的碳纤维布能够适应不同的形状，能够适应钢管混凝土柱节点结构复杂、施工困难等缺点。

附图说明

图1是本发明实施例所述的碳纤维复合钢管混凝土柱的结构示意图；

图2是图1中N-N处的剖视图；

图3是图1中M-M处的剖视图。

附图标记说明：

10、混凝土柱本体，12、碳纤维布，14、碳纤维布约束区，16、纵筋，18、环向箍筋，20、钢管，22、钢管约束区，24、梁。

具体实施方式

下面对本发明的实施例进行详细说明：

如图1至图3所示，一种碳纤维复合钢管混凝土柱，包括混凝土柱本体10，在所述混凝土柱本体10端部包覆有碳纤维布12形成碳纤维布约束区14，在所述混凝土柱本体10的外部还包覆有钢管20形成钢管约束区22，所述碳纤维布约束区14与所述钢管约束区22相邻。

通过所述钢管约束区22和碳纤维布约束区14均能有效约束混凝土柱本体10，钢管20并没有一直延伸至节点中，使用碳纤维布12替代一部分钢管，碳纤维布12具有较大的抗拉承载力，可使混凝土一直处于三轴受压状态，同时保证钢管不压屈；并且由于碳纤维布12是单向受力的柔性材料而无法承受压力，阻断了压力在钢管20中的传递，避免了钢管20的压屈。

如图1所示，在梁24的上下两个面分别设有所述混凝土柱本体10，所述碳纤维布约束区14设于所述混凝土柱本体10的下端端部和上端端部(即靠近所述梁24的区域)。如图2所示，在所述碳纤维布约束区14内设有纵筋16，并在所述纵筋16外部设有环向箍筋18，所述环向箍筋18位于所述纵筋16与所述碳纤维布12之间。在所述碳纤维布约束区14设置环向箍筋18用于弥补碳纤维布12的抗剪能力的不足，同时通过纵筋16应满足规范的锚固长度，保证拉力的有效传递，使得碳纤维布约束区14和钢管约束区22可按照普通混凝土结构进行整体浇注，从而避免现有的钢管混凝土柱复杂节点处理的难题。

所述碳纤维布12环向包裹所述混凝土柱本体10，绕混凝土柱本体10表面一整圈，碳纤维布12的长度不小于所述混凝土柱本体10的横截面周长。所述碳纤维布12的宽度h为80-150mm，本实施例优选h为100mm。在施工时，应使碳纤维布12的环向约束力与钢管20的环向约束力相当，保证混凝土柱全高度不存在约束薄弱区，碳纤维布12的厚度t可由以下计算式(1)、(2)算出。

N_C＝f_ccA_c＝(f_c+4f_τ)A_c (1)

$f_{\mathrm{\τ}}=\frac{{2\mathrm{tf}}_y}{d_{\mathrm{cor}}}---\left(2\right)$

其中：N_C——受压承载力；

f_c——素混凝土抗压强度；

f_cc——约束混凝土抗压强度；

A_c——被约束混凝土的截面积；

d_cor——被约束混凝土的直径；

f_y——钢管或碳纤维布的抗拉强度；

f_τ——钢管或碳纤维布提供的约束力。

由以上计算式可以看出，当所述碳纤维布对混凝土柱本体提供的环向约束力与所述钢管对混凝土柱本体提供的环向约束力相等，从而根据已知的钢管20的厚度计算得出碳纤维布12的厚度t。

一种碳纤维复合钢管混凝土柱的建造方法，该建造方法包括：

(1)在钢管约束区22以钢管20为模板，在碳纤维布约束区14支模，进行浇筑形成混凝土柱本体10；

(2)对混凝土柱本体10上碳纤维布约束区14对应的区域进行清理；

(3)对混凝土柱本体10上碳纤维布约束区14对应的区域涂底胶、涂结构胶，再粘贴碳纤维布形成碳纤维布约束区14。

碳纤维布约束区14能先按照普通钢筋混凝土节点进行施工，然后粘贴碳纤维布12，施工方便。碳纤维布12复合钢管20约束混凝土柱本体10，梁与柱连接方便、材料受力明确，约束效果好，钢管无屈曲问题，抗震性能优越，轴压比限值高。

还包括步骤(4)等待24h-48h后，在所述碳纤维布12上涂环氧树脂浸渍剂；并保证环氧树脂浸渍剂覆盖碳纤维布12的表面，确保充分侵润碳纤维布12的纤维中，进行养护至底胶及结构胶硬化达到规范规定的强度要求。

还包括步骤(5)对钢管进行防锈、防火处理。以提高钢管约束区22的防锈及防火性能，满足相关要求。

其中，在步骤(1)中，在进行浇筑混凝土柱本体10时，所述钢管约束区22可以不需要另外支模，利用钢管20作为其主要的支模；而碳纤维布约束区14此时还没有粘贴碳纤维布14，需要预留相应的区域作为碳纤维布约束区14，此区域需要支模，之后再进行整体浇筑，浇筑过程可参照现有的相关浇筑技术，此时，形成的混凝土柱本体10包含有钢管约束区22。

并且在进行浇筑工艺之前，在支模的区域设置纵筋16，纵筋16应满足规范的锚固长度，保证拉力的有效传递，并在纵筋16外设置环向箍筋18，在浇筑时，混凝土浇筑于环向箍筋18内，通过环向箍筋18弥补碳纤维布12的抗剪能力的不足。

在进行步骤(2)之前，可参照现有技术，选择适当的时间及相应技术对未设置碳纤维布12的碳纤维布约束区14(即未设置钢管20的区域)进行拆模，为进行步骤(2)做准备。

在步骤(2)中，对需要粘贴碳纤维布的碳纤维布约束区14的混凝土表面进行处理，具体包括：用打磨机磨去混凝土表面的浮浆，打磨直到粗骨料裸露，然后去除浮尘，干燥后待用。

在步骤(3)中，在干燥的尚未粘贴碳纤维布12的碳纤维布约束区14表面饱满、均匀地打上一层底胶，等底胶风干后再滚涂一层结构胶，然后粘贴碳纤维布12，粘贴时需要碳纤维布12环向包裹在混凝土柱本体10的表面一整圈，碳纤维布12的长度不小于混凝土柱本体10的周长。所述碳纤维布12的宽度为100mm。并且应确保碳纤维布12的环向约束力应与钢管20提供的环向约束力相当，保证柱全高度不存在约束薄弱区，碳纤维布厚度t的计算方法可参照上述计算方法，由计算式(1)、(2)算出。其中，所述底胶的涂覆厚度为0.05mm-0.2mm，所述结构胶的涂覆厚度为0.2mm-0.5mm。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种碳纤维复合钢管混凝土柱，其特征在于，包括混凝土柱本体，在所述混凝土柱本体端部包覆有碳纤维布形成碳纤维布约束区，在所述混凝土柱本体的外部还包覆有钢管形成钢管约束区，所述碳纤维布约束区与所述钢管约束区相邻；所述钢管或所述碳纤维布的厚度t，其满足如下公式：

N_C＝f_ccA_c＝(f_c+4f_τ)A_c (1)

$f_{\mathrm{\τ}}=\frac{2{\mathrm{tf}}_y}{d_{cor}}---\left(2\right)$

其中：N_C——受压承载力；

f_c——素混凝土抗压强度；

f_cc——约束混凝土抗压强度；

A_c——被约束混凝土的截面积；

d_cor——被约束混凝土的直径；

f_y——钢管或碳纤维布的抗拉强度；

f_τ——钢管或碳纤维布提供的约束力。

2.根据权利要求1所述的碳纤维复合钢管混凝土柱，其特征在于，在所述碳纤维布约束区内设有纵筋，并在所述纵筋外部设有环向箍筋，所述环向箍筋位于所述纵筋与所述碳纤维布之间。

3.根据权利要求1所述的碳纤维复合钢管混凝土柱，其特征在于，所述碳纤维布的长度不小于所述混凝土柱本体的横截面周长。

4.根据权利要求1所述的碳纤维复合钢管混凝土柱，其特征在于，所述碳纤维布的宽度为80-150mm。

5.一种如权利要求1至4任意一项所述的碳纤维复合钢管混凝土柱的建造方法，其特征在于，该建造方法包括：

(1)在钢管约束区以钢管为模板，在碳纤维布约束区支模，进行浇筑形成混凝土柱本体；

(2)对混凝土柱本体上碳纤维布约束区对应的区域进行清理；

(3)对混凝土柱本体上碳纤维布约束区对应的区域涂底胶、涂结构胶，再粘贴碳纤维布形成碳纤维布约束区。

6.根据权利要求5所述的碳纤维复合钢管混凝土柱的建造方法，其特征在于，还包括步骤(4)24h-48h后，在所述碳纤维布上涂环氧树脂浸渍剂。

7.根据权利要求5或6所述的碳纤维复合钢管混凝土柱的建造方法，其特征在于，还包括步骤(5)对钢管进行防锈、防火处理。

8.根据权利要求5所述的碳纤维复合钢管混凝土柱的建造方法，其特征在于，所述步骤(2)包括打磨去除混凝土表面的浮浆，直到打磨至粗骨料裸露，去浮尘，干燥。

9.根据权利要求5所述的碳纤维复合钢管混凝土柱的建造方法，其特征在于，在步骤(3)中，确保所述碳纤维布对混凝土柱本体提供的环向约束力与所述钢管对混凝土柱本体提供的环向约束力相等，且与满足如下关系式：

N_C＝f_ccA_c＝(f_c+4f_τ)A_c (1)

$f_{\mathrm{\τ}}=\frac{2{\mathrm{tf}}_y}{d_{cor}}---\left(2\right)$

其中：N_C——受压承载力；

f_c——素混凝土抗压强度；

f_cc——约束混凝土抗压强度；

A_c——被约束混凝土的截面积；

d_cor——被约束混凝土的直径；

f_y——钢管或碳纤维布的抗拉强度；

t——钢管或所述碳纤维布的厚度t；

f_τ——钢管或碳纤维布提供的约束力。

10.根据权利要求5所述的碳纤维复合钢管混凝土柱的建造方法，其特征在于，在步骤(1)中还包括在所述碳纤维布约束区设置纵筋及环向箍筋，再进行浇筑。

11.根据权利要求5所述的碳纤维复合钢管混凝土柱的建造方法，其特征在于，所述底胶的厚度为0.05mm-0.2mm。

12.根据权利要求5所述的碳纤维复合钢管混凝土柱的建造方法，其特征在于，所述结构胶的厚度为0.2mm-0.5mm。