CN104775565A - 钢筋增强ecc-钢管混凝土组合柱 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱，属于土木工程技术领域。包括核心混凝土、钢管、外部ECC、纵筋和箍筋。外层钢筋增强ECC和内层钢管混凝土可分别采用圆形、方形、矩形、多边形、圆端形和椭圆形等截面形式。本发明具有普通钢管混凝土叠合柱承载力高、抗屈曲能力强的特点，同时由于外层ECC材料是一种具有应变硬化、细密多裂缝开裂机制的纤维增强水泥基复合材料，可大幅度提高构件的抗震能力和耐久性。本发明可以应用于高层结构、桥梁工程、海洋平台以及其他有关的高耸构筑物的柱构件。
Description
技术领域
本发明涉及一种建筑物承重混凝土构件，具体为一种钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱。
背景技术
近十几年以来，钢管混凝土以承载力高、自重轻、抗震性能好、施工便捷等优点，在高层建筑和桥梁工程中得到了广泛应用，并取得了良好的经济和社会效益。然而在在实际工程中，钢管混凝土仍存在易于局部屈曲、耐久性较差、抗火能力不足等缺陷。为了提升钢管混凝土结构的耐久性和抗火性能，有学者提出了钢管混凝土叠合柱结构，并在近几年得到了一定的应用和发展。钢管混凝土叠合柱由外部钢筋混凝土和内部钢管混凝土叠合而成，相比普通钢管混凝土，钢管混凝土叠合柱具有更好的抗屈曲能力和更高的承载力。然而，试验研究和工程实践表明，钢管混凝土叠合柱外层混凝土延性远小于中部钢管混凝土，两者协同变形能力较差，外层混凝土容易发生剥离,且核心钢管混凝土的峰值荷载滞后于外层钢筋混凝土，降低了叠合柱的极限承载力。同时，混凝土是一种准脆性材料，抗拉强度低，容易开裂。钢管混凝土叠合柱在地震水平反复荷载作用下，外层混凝土受拉易发生开裂，并引起其与钢筋和钢管的粘结强度的迅速退化而发生剥离破坏，降低了结构的抗震性能、耐久性和抗火性能，制约了钢管混凝土叠合柱在实际工程中的推广应用。
中国专利文献CN201627136U公开了一种PVC管钢筋混凝土-钢管混凝土叠合构件，构件外层采用PVC管,内层采用钢管,在内钢管内填充混凝土,外PVC管和内钢管之间为钢筋混凝土。该构件具有普通钢管混凝土叠合柱的优点,外层PVA管可提高构件的抗腐蚀性能和耐久性,但是该构件的抗火性能以及耐高温性能较差。
中国专利文献CN203905298U公开了一种FRP管钢筋混凝土-钢管混凝土叠合构件,该构件包括钢管和箍筋,钢管内填充有混凝土,钢管外包裹有钢筋混凝土,钢筋混凝土内设置有若干钢筋,箍筋绑扎在钢筋外侧,钢筋包括若干纵向设置的钢筋和若干横向设置的钢筋,钢筋混凝土外侧设置有FRP管。该构件可以提高构件的承载能力及耐久性，但同样也存在抗火性能和耐高温性能较差的缺点。
中国专利文献CN201635260U公开了一种中空钢管-钢筋混凝土叠合构件，该叠合构件由外钢筋混凝土包裹钢管构成,是在钢管中不填充混凝土的新型钢管混凝土叠合构件；外层采用钢筋混凝土,内层采用普通钢管。该构件具有较好的抗火性能，自重较轻，但仍存在外层混凝土与内层钢管协同性能较差、耐久性不足等缺点。
综上，现有的叠合柱的耐久性、抗震性能、抗火性能还有待提高，如何结合新材料全方面提高叠合柱的安全性、适用性和耐久性，这正是本发明的出发点所在。
发明内容
发明目的：为了克服现有叠合柱中存在的不足，本发明提出一种全面提高叠合柱耐久性、抗震性能、抗火性能的钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱，包括水泥基材料、钢管、纵筋和箍筋，所述纵筋和箍筋连接成钢筋笼，所述钢筋笼与水泥基材料形成柱体，所述水泥基材料包括核心混凝土和外部ECC，所述钢筋笼内穿设有钢管，所述核心混凝土填充于钢管内，所述外部ECC浇筑于钢管外及钢筋笼上。
作为优选，为了克服柱体中不同材料在集中受力时的相对变形，所述钢管的轴心与柱体的轴心相重合。
作为优选，所述钢管为圆钢管，所述柱体为圆柱或棱柱。
作为优选，所述钢管为方钢管，所述柱体为圆柱或棱柱。
作为优选，为了达到钢材的最佳利用率，所述钢管是外径与钢管壁厚比值为40-150的薄壁钢管。
作为优选，所述核心混凝土是具有自密实和微膨胀特性的高性能混凝土。
作为优选，所述钢管及核心混凝土与外部混凝土的端面相平齐。
作为优选，所述柱体的端面为圆形、方形、矩形、多边形或椭圆形，所述核心混凝土的端面为圆形、方形、矩形、多边形或椭圆形。
本发明所采用的ECC为高延性水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composite，ECC)是经系统的微观力学设计，在拉伸和剪切荷载下呈现高延展性的一种纤维增强水泥基复合材料。通常是以水泥加填料或者粒径不大于5mm的细集料作为基体，用纤维（如聚乙烯纤维做增强材料，在仅使用体积率小于2%纤维( 主要是合成纤维, 如，PVA,PE等 ）的掺量下便可获得3%以上拉应变能力, 且饱和状态的多点开裂裂缝宽度小于3mm宏观极限拉应变可达到3%以上，是普通混凝土的300 倍以上。
有益效果：本发明的有益效果为：
(1)承载力较高。由于ECC极限变形能力强，可与钢管混凝土协同变形，两者几乎同时达到峰值荷载，钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱相比普通钢管混凝土叠合柱具有更高的承载力。
(2)防止钢管屈曲能力强。ECC可有效控制裂缝的扩展，外部配筋ECC对中部钢管混凝土约束作用比普通钢筋混凝土强，可避免或延缓钢管向外发生屈曲，提高了组合柱的极限承载力和延性。
(3)抗震性能优越。外层ECC的极限拉应变可达3%以上，在地震作用下，钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱的外层ECC可更好地控制裂缝的开展，避免外层ECC的剥落，使得组合柱具有更高的残余强度、刚度和变形能力，抗震性能优越。
(4)耐久性高。外层高延性ECC具有优越的控制裂缝的能力，裂缝宽度可控制在60微米以下，有害介质很难达到核心钢管表面引起其发生锈蚀。
(5)抗火性能好。ECC材料具有良好的抗火性能，基体中的PVA纤维在火灾高温下逐渐融熔为基体中高温高压气体向外释放提供通道，不易发生爆裂，残余强度较高，外包ECC可兼作组合柱的永久防火层，降低结构防火构造成本。
除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是图1的剖面图；
图3是本发明实施例2的结构示意图；
图4是图3的剖面图；
图5是本发明实施例3的结构示意图；
图6是图5的剖面图；
图7是本发明实施例4的结构示意图；
图8是图7的剖面图；
图9是本发明实施例5的结构示意图；
图10是图9的剖面图；
图11是本发明实施例6的结构示意图；
图12是图11的剖面图；
图13是本发明实施例7的结构示意图；
图14是图13的剖面图；
图15是本发明实施例8的结构示意图；
图16是图15的剖面图；
图17是本发明实施例9的结构示意图；
图18是图17的剖面图；
图19是本发明实施例10的结构示意图；
图20是图19的剖面图；
图21是本发明实施例11的结构示意图；
图22是图21的剖面图；
图中：1-核心混凝土；2-钢管； 3-外部ECC； 4-纵筋； 5-箍筋。
具体实施方式
实施例1：
本实施例的钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱如图1和图2所示，由外层钢筋增强ECC以及内层钢管混凝土而构成，内层钢管混凝土是在钢管2中填充核心混凝土1；外钢筋增强ECC是由纵筋4和圆形的箍筋5构成钢筋骨架，并浇筑外部ECC3组成。内钢管2采用普通圆形钢管，外钢筋增强ECC与内钢管混凝土端面相平，外钢筋增强ECC3形成的圆环形与内钢管混凝土的圆形截面的几何形心重合。
实施例2：
本实施例的钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱如图3和图4所示，由外层钢筋增强ECC以及内层钢管混凝土而构成，内层钢管混凝土是在钢管2中填充核心混凝土1；外钢筋增强ECC是由纵筋4和圆形的箍筋5构成钢筋骨架，并浇筑外部ECC3组成。内钢管2采用普通方形钢管，外钢筋增强ECC与内钢管混凝土端面相平，外钢筋增强ECC3形成的截面与内钢管混凝土的方形截面的几何形心重合。
实施例3：
本实施例的钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱如图5和图6所示，由外层钢筋增强ECC以及内层钢管混凝土而构成，内层钢管混凝土是在钢管2中填充核心混凝土1；外钢筋增强ECC是由纵筋4和圆形的箍筋5构成钢筋骨架，并浇筑外部ECC3组成。内钢管2采用普通矩形钢管，外钢筋增强ECC与内钢管混凝土端面相平，外钢筋增强ECC3形成的截面与内钢管混凝土的矩形截面的几何形心重合。
实施例4：
本实施例的钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱如图7和图8所示，由外层钢筋增强ECC以及内层钢管混凝土而构成，内层钢管混凝土是在钢管2中填充核心混凝土1；外钢筋增强ECC是由纵筋4和方形的箍筋5构成钢筋骨架，并浇筑外部ECC3组成。内钢管2采用普通圆形钢管，外钢筋增强ECC与内钢管混凝土端面相平，整个组合柱的轴心与内钢管的轴心重合。
实施例5：
本实施例的钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱如图9和图10所示，由外层钢筋增强ECC以及内层钢管混凝土而构成，内层钢管混凝土是在钢管2中填充核心混凝土1；外钢筋增强ECC是由纵筋4和方形的箍筋5构成钢筋骨架，并浇筑外部ECC3组成。内钢管2采用普通方形钢管，外钢筋增强ECC与内钢管混凝土端面相平，外钢筋增强ECC3形成的截面与内钢管混凝土的方形截面的几何形心重合。
实施例6：
本实施例的钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱如图11和图12所示，由外层钢筋增强ECC以及内层钢管混凝土而构成，内层钢管混凝土是在钢管2中填充核心混凝土1；外钢筋增强ECC是由纵筋4和方形的箍筋5构成钢筋骨架，并浇筑外部ECC3组成。内钢管2采用普通矩形钢管，外钢筋增强ECC与内钢管混凝土端面相平，外钢筋增强ECC3形成的截面与内钢管混凝土的矩形截面的几何形心重合。
实施例7：
本实施例的钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱如图13和图14所示，由外层钢筋增强ECC以及内层钢管混凝土而构成，内层钢管混凝土是在钢管2中填充核心混凝土1；外钢筋增强ECC是由纵筋4和矩形的箍筋5构成钢筋骨架，并浇筑外部ECC3组成。内钢管2采用普通矩形钢管，外钢筋增强ECC与内钢管混凝土端面相平，外钢筋增强ECC3形成的截面与内钢管混凝土的矩形截面的几何形心重合。
实施例8：
本实施例的钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱如图15和图15所示，由外层钢筋增强ECC以及内层钢管混凝土而构成，内层钢管混凝土是在钢管2中填充核心混凝土1；外钢筋增强ECC是由纵筋4和六边形的箍筋5构成钢筋骨架，并浇筑外部ECC3组成。内钢管2采用普通六边形钢管，外钢筋增强ECC与内钢管混凝土端面相平，外钢筋增强ECC3形成的截面与内钢管混凝土的六边形截面的几何形心重合。
实施例9：
本实施例的钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱如图17和图18所示，由外层钢筋增强ECC以及内层钢管混凝土而构成，内层钢管混凝土是在钢管2中填充核心混凝土1；外钢筋增强ECC是由纵筋4和八边形的箍筋5构成钢筋骨架，并浇筑外部ECC3组成。内钢管2采用普通八边形钢管，外钢筋增强ECC与内钢管混凝土端面相平，外钢筋增强ECC3形成的截面与内钢管混凝土的八边形截面的几何形心重合。
实施例10：
本实施例的钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱如图19和图20所示，由外层钢筋增强ECC以及内层钢管混凝土而构成，内层钢管混凝土是在钢管2中填充核心混凝土1；外钢筋增强ECC是由纵筋4和带圆端的矩形的箍筋5构成钢筋骨架，并浇筑外部ECC3组成。内钢管2采用截面为带圆端的矩形的钢管，外钢筋增强ECC与内钢管混凝土端面相平，外钢筋增强ECC3形成的截面与内钢管混凝土的截面的几何形心重合。
实施例11：
本实施例的钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱如图21和图22所示，由外层钢筋增强ECC以及内层钢管混凝土而构成，内层钢管混凝土是在钢管2中填充核心混凝土1；外钢筋增强ECC是由纵筋4和椭圆形的箍筋5构成钢筋骨架，并浇筑外部ECC3组成。内钢管2采用椭圆形钢管，外钢筋增强ECC与内钢管混凝土端面相平，外钢筋增强ECC3形成的截面与内钢管混凝土的椭圆形截面的几何形心重合。
以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱，包括水泥基材料、钢管、纵筋和箍筋，所述纵筋和箍筋连接成钢筋笼，所述钢筋笼与水泥基材料形成柱体，其特征在于：所述水泥基材料包括核心混凝土和外部ECC，所述钢筋笼内穿设有钢管，所述核心混凝土填充于钢管内，所述外部ECC浇筑于钢管外及钢筋笼上。
2.根据权利要求1所述的钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱，其特征在于：所述钢管的轴心与柱体的轴心相重合。
3.根据权利要求2所述的钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱，其特征在于：所述钢管为圆钢管。
4.根据权利要求3所述的钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱，其特征在于：所述柱体为圆柱或棱柱。
5.根据权利要求1所述的钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱，其特征在于：所述钢管为方钢管。
6.根据权利要求5所述的钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱，其特征在于：所述柱体为圆柱或棱柱。
7.根据权利要求1所述的钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱，其特征在于：所述钢管是外径与钢管壁厚比值为40-150的薄壁钢管。
8.根据权利要求1所述的钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱，其特征在于：所述核心混凝土是具有自密实和微膨胀特性的高性能混凝土。
9.根据权利要求1所述的钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱，其特征在于：所述钢管及核心混凝土与外部混凝土的端面相平齐。
10.根据权利要求1所述的钢筋增强ECC-钢管混凝土组合柱，其特征在于：所述柱体的端面为圆形、方形、矩形、多边形或椭圆形，所述核心混凝土的端面为圆形、方形、矩形、多边形或椭圆形。
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