CN105821758A - 一种纤维增强复合材料缠绕的钢管自应力混凝土圆柱 - Google Patents

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Abstract

一种纤维增强复合材料缠绕的钢管自应力混凝土圆柱，包括钢管、自应力混凝土、纤维增强复合材料和环氧树脂。所述的钢管外表面挤压缠绕2～3层纤维增强复合材料布制成一种组合套管后内浇筑自应力混凝土，制得一种耐腐蚀性强、承载力高、延性良好的圆柱。本发明与现有的一般钢管混凝土圆柱相比有更高的承载力，无需占用额外的空间，且施工方便。

Description

一种纤维增强复合材料缠绕的钢管自应力混凝土圆柱
技术领域
本发明涉及一种公路交通领域桥梁结构的承重圆柱构件，特别涉及一种纤维增强复合材料与钢材复合的组合结构圆柱。
背景技术
目前，现有的钢管混凝土圆柱因为承载力高、塑性及韧性好、节约空间等优异性能被应用于各种桥梁墩柱，主要使用方法是将钢管作为模具，内浇灌混凝土整体养护成柱，使圆钢管与核心混凝土协同受力。但在实际工程使用中发现普通的钢管混凝土柱在施工中存在钢管内混凝土填充不密实以及浇筑后的混凝土易与钢管脱空等问题，影响钢管混凝土圆柱的整体受力。此外，钢管长期暴露在酸雨、海水等腐蚀性介质中容易锈蚀，导致钢管混凝土圆柱的承载力显著降低。
当前已出现用纤维增强复合材料制作的筒代替钢管，如玻璃纤维塑料筒代替钢管做成的混凝土柱，但纤维增强复合筒造价高，延性差，纤维增强复合材料制作的筒代替钢管做成的混凝土圆柱还存在塑性不足的问题，影响柱的抗震效果。
因此，急需开发出一种新型的复合材料组合结构的圆柱，提高核心混凝土与钢管内壁的粘结性，进一步增大圆柱的承载力和延性，并同时能提高圆柱的耐腐蚀性，满足公路交通领域桥梁工程的需要。
发明内容
针对上述传统的钢管混凝土圆柱和纤维增强复合材料管混凝土圆柱存在的缺陷，提供一种耐腐蚀性强、承载力高、延性良好的圆柱。
为了实现上述发明目的而采用的技术解决方案是这样的：
首先，钢管放置在平整的模板上，采用密封胶沿着钢管底部一周涂抹均匀防止浇筑时钢管底部漏浆。然后对钢管进行纤维复合材料制成的纤维布的缠绕，缠绕前对纤维布进行裁剪使纤维布宽度和圆柱的高度相同，由于钢管直径为d，对于两层的纤维布，需要的长度为(0.15+2πd)米。同理，三层的试件，需要纤维布的长度为(0.15+3πd)米。然后将环氧树脂在纤维布上涂抹均匀，逐层挤压缠绕。在缠绕完纤维布后，用具有0.2mm厚的塑料薄膜沿钢管中部环向缠绕一周，待环氧树脂胶凝固以后，再将薄膜撕下，保证表面平整，在端部用环氧树脂胶进行密封。最后，试件缠绕完灌注自应力混凝土，捣实后钢管一端用湿砂盖住钢管的端头，防止混凝土在凝结硬化时水分散失。
所述的钢管是厚度为2～5mm的焊接钢管或无缝钢管，外径为100～500mm，高度为0.5～10.0m；对钢管内表面进行轻度除锈，对外表面进行深度除锈，干净平整，钢管两端切削平整。
所述的自应力混凝土是用铝酸盐自应力水泥与普通砂、石材料按一定比例配置制作而成的混凝土，产生的自应力为1～10MPa，强度等级C30～C80。
所述的纤维增强复合材料是玻璃纤维增强复合材料、玄武岩纤维增强复合材料或碳纤维复合材料制成的纤维布，厚度为0.15～0.20mm，宽度为0.5～6m，宽度不足搭接时，搭接宽度大于20cm，挤压缠绕2～3层。
所述的环氧树脂采用日本进口的纤维布结构加固专用胶，分为A组分和B组分，使用时，须将两种组分按2∶1的比例混合均匀。
一种纤维增强复合材料缠绕的钢管自应力混凝土圆柱的承载力计算公式：
N u = A c f c ′ ( 1 + 2 ξ s + 6 σ s s f c ′ + 2 ξ f )
Af是纤维布的截面面积，Af＝πdtf，d是圆钢管内径，tf是纤维布缠绕的厚度；
Ac是混凝土的截面面积，As＝πdts，ts是钢管壁厚；
ff是纤维布的极限抗拉强度，f′c是圆柱体试件混凝土轴心抗压强度，fy是钢管屈服强度，σss是纤维布产生的初始应力，由自应力混凝土膨胀受约束产生自应力为1～10MPa。
本发明与现有钢管混凝土圆柱或纤维复合材料管混凝土圆柱相比，具有以下有益效果：
1、本发明为一种纤维增强复合材料缠绕钢管外表面形成的一种组合套管，这种组合套管相比普通的钢管耐腐蚀性强，对填充混凝土的约束性更高，无需占用额外的空间，施工方便。
2、本发明采用自应力混凝土浇筑填充纤维增强复合材料布缠绕钢管形成的组合套管，提高了混凝土与钢管的粘结性，并对组合套管施加了预应力，提高了构件的整体受力性能，相比原有的一般钢管混凝土圆柱有更高的承载力，比纤维复合材料管混凝土圆柱有更好的延性。
3、本发明给出了该组合套管填充自应力混凝土下所制备的圆柱其轴心抗压承载力计算公式，对本发明的设计使用具有指导意义。
附图说明
图1为一种纤维增强复合材料缠绕的钢管自应力混凝土圆柱的构件示意图。
图2为图1的俯视图。
图中1-自应力混凝土；2-钢管；3-纤维增强复合材料层。
具体实施方式
下面结合具体实施例1，对本发明进行阐述。
试件钢管混凝土柱截面直径为165mm，柱高为500mm；自应力混凝土采用C30强度等级，纤维增强复合材料采用玄武岩纤维布。如图1所示，本实施例的一种纤维增强复合材料缠绕的钢管自应力混凝土圆柱，包括钢管、自应力混凝土、玄武岩纤维布和环氧树脂。
所述厚度为2mm的焊接钢管或无缝钢管，外径为165mm，高度为0.5m，屈服强度275MPa、弹性模量201.03GPa，钢管内表面进行轻度除锈，外表面深度除锈，干净平整，钢管两端切削平整。
所述自应力混凝土为用铝酸盐自应力水泥与普通砂、石材料按一定比例配置而成制作而成的混凝土，强度等级为C30，对纤维布产生的初始应力σss＝3MPa。
所述纤维增强复合材料为纤维布采用玄武岩纤维布，抗拉强度1526MPa、弹性模量71.35GPa、单层理论厚度为0.167mm、宽度为500mm。
所述环氧树脂采用进口的纤维布结构加固专用胶，分为A组分和B组分，使用时，须将两种组分按2∶1的比例混合均匀。
首先，钢管放置在平整的模板上，用密封胶沿着钢管底部一周涂抹均匀防止浇筑时钢管底部漏浆，对玄武岩纤维布进行裁剪，由于钢管直径为0.165米，周长为0.518米，对于缠绕两层玄武岩纤维布的试件，玄武岩纤维布裁剪的长度为1.2米。然后将环氧树脂在玄武岩纤维布上涂抹均匀，一层一层挤压缠绕。在缠绕完纤维布后，用具有0.2mm厚的塑料薄膜沿钢管中部环向缠绕一周，待环氧树脂胶凝固以后，再将薄膜撕下，保证表面平整。接着浇筑自应力混凝土，捣实后钢管一端用湿砂盖住钢管的端头，防止混凝土在凝结硬化时水分散失。
按推荐的公式，最后计算圆柱的轴心抗压承载力为1787kN，组合套管自应力混凝土圆柱比浇筑普通混凝土圆柱的承载力高出366kN。
下面结合具体实施例2，对本发明进行阐述。
试件钢管混凝土柱截面直径为165mm，柱高为500mm；自应力混凝土采用C30强度等级，纤维增强复合材料采用碳纤维布。如图1所示，本实施例的一种纤维增强复合材料缠绕的钢管自应力混凝土圆柱，包括钢管、自应力混凝土、碳纤维布和环氧树脂。
所述厚度为2mm的焊接钢管或无缝钢管，外径为165mm，高度为0.5m，屈服强度275MPa、弹性模量201.03GPa，钢管内表面进行轻度除锈，外表面深度除锈，干净平整，钢管两端切削平整。
所述自应力混凝土为用铝酸盐自应力水泥与普通砂、石材料按一定比例配置而成制作而成的混凝土，强度等级为C30，纤维布产生初始应力σss＝3MPa。
所述纤维增强复合材料为纤维布为碳纤维布，抗拉强度2878MPa、弹性模量244.32GPa、单层理论厚度为0.167mm、宽度为500mm。
所述环氧树脂采用日本进口的纤维布结构加固专用胶，分为A组分和B组分，使用时，须将两种组分按2∶1的比例混合均匀。
首先，钢管放置在平整的模板上，用密封胶沿着钢管底部一周涂抹均匀防止浇筑时钢管底部漏浆，对碳纤维布进行裁剪，对于缠绕两层玄武岩纤维布的试件，碳纤维布裁剪的长度为1.2m。然后将环氧树脂在碳纤维布上涂抹均匀，一层一层挤压缠绕。在缠绕完纤维布后，用具有0.2mm厚度的塑料薄膜沿钢管中部环向缠绕一周，待环氧树脂胶凝固以后，再将薄膜撕下，保证表面平整。接着浇筑自应力混凝土，捣实后钢管一端用湿砂盖住钢管的端头，防止混凝土在凝结硬化时水分散失。
按推荐的公式，计算圆柱的轴心抗压承载力为2315kN，组合套管自应力混凝土圆柱比浇筑普通混凝土圆柱承载力高出366kN。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，对于本领域的技术人员来说，可以根据以上描述的技术方案和构思，对本发明进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种纤维增强复合材料缠绕的钢管自应力混凝土圆柱，其特征在于：在钢管外表面挤压缠绕2～3层纤维增强复合材料布制成一种组合套管，并在组合套管内浇筑强度等级为C30～C80的铝酸盐自应力混凝土，对组合套管产生1～10MPa的预应力。
2.根据权利要求1所述的一种纤维增强复合材料缠绕的钢管自应力混凝土圆柱，其特征在于：纤维增强复合材料可以选用玻璃纤维增强复合材料，玄武岩纤维增强复合材料或碳纤维复合材料制成的纤维布，涂刷环氧树脂后沿钢管外表面挤压缠绕2～3层形成组合圆管。
3.根据权利要求1所述的一种纤维增强复合材料缠绕的钢管自应力混凝土圆柱，其特征在于：所用的钢管为厚度为2～5mm的焊接钢管或无缝钢管，外径为100～500mm，高度为0.5～10m。
4.根据权利要求1所述的一种纤维增强复合材料缠绕的钢管自应力混凝土圆柱，其特征在于：浇筑的自应力混凝土，是铝酸盐自应力水泥制作而成的混凝土，产生的自应力为1～10MPa。
5.根据权利要求1所述的一种纤维增强复合材料缠绕的钢管自应力混凝土圆柱，其特征在于：一种纤维增强复合材料缠绕的钢管自应力混凝土圆柱的承载力计算公式为
N u = A c f c ′ ( 1 + 2 ξ s + 6 σ s s f c ′ + 2 ξ f )
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