CN105297708A - 碳纤维与钢管复合再生混凝土桩 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维与钢管复合再生混凝土桩，主要由碳纤维布、圆形钢管、圆形钢筋笼骨架和再生混凝土制成；碳纤维布环绕外包圆形钢管，圆形钢筋笼骨架置于圆形钢管内，三者同心布置；圆形钢管内浇筑再生混凝土。其中，碳纤维布作为一种耐腐蚀、轻质高强耐腐蚀材料，缠绕钢管周围，有效地阻止了地下有害物质对钢管的侵蚀，提高桩体耐久性；钢管和碳纤维布双重约束再生混凝土材料，改善再生混凝土受力性能，提高桩体承载力和抗变形能力；利用再生混凝土填充钢管，实现了建筑垃圾资源化，起到保护环境的作用。

Description

碳纤维与钢管复合再生混凝土桩

技术领域

本发明属于建筑基础工程中的桩基工程领域，尤其涉及一种碳纤维与钢管复合再生混凝土桩。

背景技术

对于服役于海洋、港口、盐碱地区、地下水或者土壤中侵蚀性介质浓度较高的内陆地区的钢筋混凝土桩而言，桩体将长期遭受腐蚀性物质的侵蚀，如氯离子渗透、硫酸盐腐蚀、冻融循环等，桩基耐久性问题非常突出。加之桩体深埋于地下，难以进行可视性检查。桩体在侵蚀性介质的作用下，钢筋锈蚀，混凝土成分变化、体积膨胀，最终开裂剥落，桩体丧失承载力。因此，桩的腐蚀性问题一直是工程建设中急需解决的一个难题。

外置钢管混凝土桩虽刚度大、承载力高、抗弯抗剪能力强，但在缺少相应防腐措施的情况下，钢管极易锈蚀，导致桩体承载力下降，使用寿命缩减。目前，已有人提出在桩体外包塑料管套的新型桩，在一定的工程背景和地质环境下取得了较好的工程效果，但作为普通的塑料套管混凝土桩，其承载能力有限，抵抗横向变形的能力较差，在软土地区、桥梁码头、海洋工程等需要高承载力、超长桩的工程还难以适用。而预应力钢筋混凝土管桩虽桩身质量可靠、承载力高、不易断桩，但是造价昂贵，且不能在施工现场制作。

在沿海及内地湖泊软土地区的工程建设中，经常由于土质孔隙比大、含水量高、压缩性高、土层分布复杂等原因，出现地基承载力失效或者地基沉降大等问题。采用传统的地基处理方法虽然能在一定程度上加固地基，但都具有一定的局限性，例如预压法处理时间长，强夯法对周围影响大。

随着世界经济的迅猛发展，钢筋混凝土结构进入了高速发展的时期，新建建筑物的施工和旧建筑物的拆除都会产生大量的废弃混凝土。利用废弃混凝土配制而成的再生骨料混凝土可减少对天然骨料的开采，达到节约天然砂石资源，保护环境的目的。由于老砂浆的存在，再生粗骨料的性能和天然粗骨料相比有很大差异，这导致再生混凝土在物理、力学和耐久性能等不如普通混凝土，要想将再生骨料应用到桩基础中，必须采用新的施工工艺来提高桩体的承载力和耐久性。

综上所述，地基环境对桩体材料的耐久性影响较大，防腐蚀混凝土造价较高，普通塑料套管混凝土桩承载力较低，抗变形能力较差。因此，为满足复杂工程地质环境下桩基础承载力和耐久性的要求，充分利用建筑工程产生的废弃混凝土，急需发明一种抗腐蚀、承载力高的再生混凝土复合桩。

碳纤维布作为一种新型材料，具有强度高、密度小、厚度薄等特点，基本不增加加固构件自重及截面尺寸，具有较高耐久性。而且，由于不会生锈，非常适合高酸、碱、盐及大气腐蚀环境中使用，并广泛适用于建筑物桥梁隧道等各种结构类型、结构形状的加固修复和抗震加固及节点的结构加固等。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种桩基耐久性好、桩体承载力和抗变形能力强的碳纤维与钢管复合再生混凝土桩。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：碳纤维与钢管复合再生混凝土桩，主要由碳纤维布、圆形钢管、圆形钢筋笼骨架和再生混凝土制成；碳纤维布环绕外包圆形钢管，圆形钢筋笼骨架置于圆形钢管内，三者同心布置；圆形钢管内浇筑再生混凝土。

碳纤维布的长度大于桩体设计深度3cm～5cm，碳纤维布层数为1层到5层。

圆形钢筋笼骨架由纵向普通钢筋和螺旋箍筋焊接而成，纵向普通钢筋沿圆形钢管圆周均匀布置。

再生混凝土由新砂浆和再生粗骨料组成，再生粗骨料粒径范围为5mm～40mm，强度等级为C25～C50。

该再生混凝土桩的桩底设环氧树脂防护的预制桩尖，桩顶设防腐蚀混凝土浇筑的桩帽。

针对目前混凝土管桩存在的问题，发明人充分发挥碳纤维布的优点，将碳纤维布和外置钢管混凝土桩相结合，设计制作了一种全新的组合构件——碳纤维与钢管复合再生混凝土桩，主要由碳纤维布、圆形钢管、圆形钢筋笼骨架和再生混凝土制成；碳纤维布环绕外包圆形钢管，圆形钢筋笼骨架置于圆形钢管内，三者同心布置；圆形钢管内浇筑再生混凝土。其中，碳纤维布作为一种耐腐蚀、轻质高强耐腐蚀材料，缠绕钢管周围，有效地阻止了地下有害物质对钢管的侵蚀，提高桩体耐久性；钢管和碳纤维布双重约束再生混凝土材料，改善再生混凝土受力性能，提高桩体承载力和抗变形能力；利用再生混凝土填充钢管，实现了建筑垃圾资源化，起到保护环境的作用。

相对于传统混凝土管桩，本发明具有以下突出优点：

1.桩体外包耐腐蚀、轻质高强的碳纤维布，桩底设环氧树脂防护的桩尖，可以有效阻止腐蚀性介质侵蚀桩体，防止桩体劣化，解决了腐蚀环境下桩基的耐久性问题；

2.钢管约束再生混凝土，改善了再生混凝土受力性能，提高桩身强度，消除了人们对再生混凝土性能的质疑；

3.外包碳纤维布与螺旋箍筋联合约束内部再生混凝土，改善再生混凝土受力性能，提高管桩的抗压能力和抗变形能力，在满足承载力要求的前期下，可以减少钢材使用，降低造价；

4.碳纤维布和钢管可以作为浇筑混凝土的施工模板，可保证成桩质量，施工速度快，经济效益高；

5.外包碳纤维布有效保护内在混凝土，可以减小保护层厚度，在满足承载力要求的前期下，可以减少桩体尺寸，节省材料，降低造价；

6.充分利用建筑垃圾作为再生骨料，有利于再生混凝土在建筑基础工程、地基处理工程中推广应用，扩大了再生混凝土的应用范围。

附图说明

图1是本发明碳纤维与钢管复合再生混凝土桩的结构示意图。

图2是图1再生混凝土桩沿A-A切割线的桩体横截面图。

图3是单桩承载力随核心混凝土直径的变化(单位：N)曲线图。

图4是单桩承载力随碳纤维布厚度的变化(单位：N)曲线图。

图中：1碳纤维布；2纵向普通钢筋；3再生混凝土；4圆形钢管；5环氧树脂；6桩帽双向受力筋；7碳纤维布连接套管；8桩帽；9预制桩尖；10沉管连接凹槽；11螺旋箍筋。

具体实施方式

如图1和2所示，本发明碳纤维与钢管复合再生混凝土桩(外径为500mm，桩长为25m)，主要由碳纤维布、圆形钢管(外径499mm，采用Q345钢，钢管厚度5mm)、圆形钢筋笼骨架和再生混凝土制成；碳纤维布环绕外包圆形钢管，圆形钢筋笼骨架置于圆形钢管内，三者同心布置；圆形钢管内浇筑再生混凝土。其中，

碳纤维布的长度大于桩体设计深度3cm～5cm，外径为500mm，管厚5mm，碳纤维布层数为1层到5层。

圆形钢筋笼骨架由纵向普通钢筋(型号8C20)和螺旋箍筋焊接而成，纵向普通钢筋沿圆形钢管圆周均匀布置。加密区螺旋箍筋为B645，非加密区螺旋箍筋为B680。

再生混凝土由新砂浆和再生粗骨料组成，再生粗骨料粒径范围为5mm～40mm，强度等级为C40。

该再生混凝土桩的桩底设环氧树脂防护的预制桩尖，桩顶设防腐蚀混凝土浇筑的桩帽。桩尖采用普通混凝土预制，混凝土强度等级为C40，底面为高100mm的圆柱，顶面为圆锥形，与竖向中心线的夹角为45。。预设直径为500mm的碳纤维布连接管套，埋入深度150mm。在碳纤维布套外围根据打桩机沉管尺寸设置横向沉管连接凹槽。桩帽尺寸为直径800mm、高度300mm，桩体纵筋仲入桩帽200mm，另布置4根C20竖向插筋，插入桩体2m。桩帽双向受力筋都为C20100。

制作方法

1.预制桩尖，焊接圆形钢筋笼骨架，准备碳纤维布和圆形钢管。因桩长较长，本例的碳纤维布分5段用碳纤维布套连接，每段5m，在连接处用碳纤维粘结剂粘牢。

2.平整施工场地、放线布置桩位、桩机就位。

3.将碳纤维布与在桩尖上预埋的碳纤维布连接套管进行连接，确保连接处连接稳固，同时用密封胶带或碳纤维粘结剂对连接部位进行密封处理，防止漏水而影响成桩质量。将钢管与在桩尖上预埋的钢管连接套管进行连接，确保连接处连接稳固。

4.将连接好的桩尖、碳纤维布和钢管起吊从打桩机的沉管底部由打桩机的牵引索牵引进入沉管，连接沉管与桩尖。

5.打桩机调整好位置后，将桩尖与桩位对准，将桩尖、沉管、碳纤维布以及内侧钢管同时打至设计深度。

6.打至设计深度后，在沉管与碳纤维布之间的空间内注水，注水量达到1/2桩长时，将打桩机沉管拔出，边拔边注水。桩尖、碳纤维布和内侧钢管则留在桩孔中。沉管拔出后将桩孔内的水抽净。

7.检查桩孔深度，确认深度满足要求后，将钢筋笼吊入圆形钢管内，碳纤维布、钢筋笼、钢管同心放置。

8.钢管内浇筑混凝土完成后，每浇筑1m就用专用振动棒振捣密实，直至浇满至设计标高，形成外包碳纤维布钢管的再生混凝土组合桩桩体。

9.根据桩帽尺寸在浇筑好的桩体顶部支设桩帽模板，绑扎桩帽竖向插筋和桩帽双向受力钢筋，用防腐蚀混凝土浇筑桩帽。

实践中，可根据桩基设计结果调整纵向钢筋数量和螺旋箍筋间距，使之满足承载力的要求。通过理论模型建立复合桩承载力的理论公式，碳纤维与钢管复合再生混凝土桩轴心受压承载力计算公式为：

N_z＝A_ccσ_cc+A_seσ_se+A_slσ_sl(1)

式(1)中Acc、Ase、Asl分别表示核心混凝土、钢管、纵向钢筋的横截面积，σ_cc、σ_se、σ_s1分别表示核心混凝土、钢管、纵向钢筋的应力。式(1)中

σ_cc＝f_c+k(σ_psl+σ_pse+σ_pce)(2)

式(2)中fc表示混凝土轴心抗压强度设计值，k表示混凝土受环向约束强度提高系数，σ_psl、σ_pse、σ_pce分别表示由箍筋、钢管和碳纤维布提供的环向约束应力，其方向指向圆柱的轴心。式(2)中

$k=\frac{1+\sin \mathrm{\θ}}{1-\sin \mathrm{\θ}}---\left(3\right)$

式(3)中θ为混凝土的内摩擦角，取值为0.19～0.21之间。

式(2)中

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{psl}}=2\frac{f_{\mathrm{yv}}{A}_{\mathrm{ssl}}}{(d_{\mathrm{cor}}-d_{\mathrm{yv}})s}---\left(4\right)$

式(4)中fyv为箍筋强度，Assl为螺旋箍筋的截面面积，dcor为从钢管内边缘算起的核心混凝土的直径，dyv为箍筋直径，s为箍筋间距。

式(2)中

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{pse}}=2\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{se}}{t}_{\mathrm{hse}}}{d_{\mathrm{cor}}}---\left(5\right)$

式(5)中σ_hse为钢管的环向拉应力，tse为钢管厚度，dcor含义同式(4)。

式(2)中

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{pce}}=2\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ce}}{t}_{\mathrm{ce}}}{d_{\mathrm{cor}}+t_{\mathrm{se}}}---\left(6\right)$

式(6)中σ_ce为碳纤维布的拉应力，tce为碳纤维布厚度，dcor含义同式(4)。

式(1)中，

A_cc＝1/4πd_cor ²(7)

A_se＝1/4πt_se(2d_se+t_se)(8)

A_sl＝1/4nπd_sl ²(9)

A_ssl＝1/4πd_yv ²(10)

将式(2)-(10)中代入到式(1)中得：

$\begin{array}{c}{N}_z=1/4\mathrm{\π}{d_{\mathrm{cor}}}^2(f_c+\frac{1+\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}{1-\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}(1/2\frac{f_{\mathrm{yv}}\mathrm{\π}{d_{\mathrm{yv}}}^2}{(d_{\mathrm{cor}}-d_{\mathrm{yv}})s}+2\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{hse}}{t}_{\mathrm{se}}}{d_{\mathrm{cor}}}+2\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ce}}{t}_{\mathrm{ce}}}{d_{\mathrm{cor}}+t_{\mathrm{se}}}))\\ +1/4\mathrm{\π}{t}_{\mathrm{se}}({2d}_{\mathrm{cor}}+t_{\mathrm{se}}){\mathrm{\σ}}_{\mathrm{se}}+1/4\mathrm{n\π}{d_{\mathrm{sl}}}^2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sl}}\end{array}----\left(11\right)$

令各参数如下：

d_cor＝500mm,f_c＝30MPa,θ＝0.2，f_yv＝235MPa，dyv＝8mm，tse＝5mm，

t_ce＝0.22mm,n＝5，s＝200，

σ_hse＝235MPa，σ_ce＝4100MPa，σ_se＝235σ_se，d_sl＝22mm，σ_sl＝235σ_se

则桩的轴心受压承载力为N_Z＝9.75·10⁶N。令其它参数保持不变，通过变化参数dcor和tce得到承载力随桩内核心混凝土直径和碳纤维布厚度的变化情况，如图3和图4所示。

Claims (5)

1.一种碳纤维与钢管复合再生混凝土桩，其特征在于主要由碳纤维布、圆形钢管、圆形钢筋笼骨架和再生混凝土制成；碳纤维布环绕外包圆形钢管，圆形钢筋笼骨架置于圆形钢管内，三者同心布置；圆形钢管内浇筑再生混凝土。

2.根据权利要求1所述的碳纤维与钢管复合再生混凝土桩，其特征在于：所述碳纤维布的长度大于桩体设计深度3cm～5cm，碳纤维布层数为1层到5层。

3.根据权利要求1所述的碳纤维与钢管复合再生混凝土桩，其特征在于：所述圆形钢筋笼骨架由纵向普通钢筋和螺旋箍筋焊接而成，纵向普通钢筋沿圆形钢管圆周均匀布置。

4.根据权利要求1所述的碳纤维与钢管复合再生混凝土桩，其特征在于：所述再生混凝土由新砂浆和再生粗骨料组成，再生粗骨料粒径范围为5mm～40mm，强度等级为C25～C50。

5.根据权利要求1所述的碳纤维与钢管复合再生混凝土桩，其特征在于该再生混凝土桩的桩底设环氧树脂防护的预制桩尖，桩顶设防腐蚀混凝土浇筑的桩帽。