CN106013611A - 一种海洋工程组合柱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋工程组合柱，包括活性粉末混凝土套管(1)、箍筋(2)、纵筋(3)、混凝土柱(4)，箍筋(2)、纵筋(3)设置在活性粉末混凝土套管(1)内，其特征在于箍筋(2)、纵筋(3)分别为封闭的纤维增强塑料箍筋(2)和纤维增强塑料纵筋(3)，并在套管(1)的活性粉末混凝土中掺入了耐腐蚀的短纤维，活性粉末混凝土套管(1)的两端分别设置有套管相互连接的连接件(5)。本发明具有耐海洋环境腐蚀性能优异、可以采用预制施工、轴向承载力高、可以利用海水和海砂等现场材料、便于接长、经济性好等特点，能够满足海洋工程，特别是远洋岛礁工程建设需要的新型结构柱，也可替代海洋工程中的钢管桩。

Description

一种海洋工程组合柱

技术领域

本发明主要涉及到土木工程中的海洋工程和建筑结构领域，特指一种在海洋工程使用的组合柱。

背景技术

海洋具有丰富的自然资源，特别是能源和矿产资源，同时，海洋也为人类提供了耐以生存的空间环境。我国管辖的海洋面积十分宽广，这其中蕴藏着丰富的海洋自然资源，海洋资源的开发是具有重要战略意义的新兴领域，因此，21世纪也被称为“海洋世纪”。在我国广阔的领海中，有许多远洋岛礁，它们远离大陆，自然环境恶劣，资源匮乏，交通极为不便。但是，对于远洋岛礁的开发建设却具有十分重要的意义，是维护我国海洋权益和领土安全的前沿阵地，是我国维护海洋区域实际控制能力的重要体现，也是开发海洋资源的重要基地。远洋岛礁工程是土木工程中最具挑战性的领域，结构处于高温、高湿、高盐雾、高辐射的海洋环境，是腐蚀极为严重，主要特征包括：①海水中NaCl的含量约为3％，是对结构腐蚀速率最快的浓度；②处于浪溅区的构件腐蚀最为严重；③海洋大气环境中的盐分高，是各类大气环境腐蚀中最严重的区域之一；④海水中的生物对混凝土和金属的腐蚀也很严重。在海洋工程建设中，最最主要的结构形式是钢筋混凝土结构，有些跨海工程中也会用到钢管桩。现有资料表明，远洋岛礁工程结构在阳光照射、温差、海水冲蚀、盐雾及生物侵蚀等因素综合作用下，混凝土构件3年左右便出现开裂剥落、钢筋锈蚀外露，而金属构件仅1年左右就会出现严重腐蚀。因此，海洋环境下，结构的耐腐蚀性能特别重要，一般需要采取必要的防腐措施。无论是混凝土结构还是金属结构，通常采用防腐涂料进行表面喷涂。而对于混凝土结构，由于钢筋锈蚀引起的腐蚀问题特别突出，通过原材料的选择、外加剂的掺入等手段提高混凝土的密实性和抗渗性，以及对钢筋进行涂覆处理，也是常用的技术手段。但是，现有的海洋结构的防腐措施具有很明显的缺陷：

首先，表面防腐涂料的使用寿命有限，需要定期修补，后期维护成本高，考虑到远洋岛礁的特殊地理位置，这种维护成本会成倍上升。此外，对于现浇混凝土结构，由于海水、海砂中的氯离子对钢筋产生严重腐蚀，必须使用河砂、淡水拌制混凝土，大量原材料的运输对于远洋岛礁工程而言极为不便，费用高昂。

综上所述，采用耐腐蚀性能优异的高性能混凝土、提高结构的预制化程度，并且考虑就地取材拌制混凝土，对于海洋工程，特别是远洋岛礁工程建设，具有特别重大的意义。

活性粉末混凝土(简称RPC)是一种具有超高抗压强度、高耐久性以及高韧性的新型水泥基复合材料，其具有两个突出的特点，第一，具有超高的强度，无需特殊处理，抗压强度可达到200MPa，抗弯强度可达30～60MPa，有效克服了高性能混凝土的高脆性，性能卓越；第二，具有突出的耐腐蚀性，RPC孔隙小，且孔隙率极低，已有研究表明，RPC抵抗海水腐蚀的能力远远高于普通混凝土和高性能混凝土。此外，在生产工艺方面，由于RPC大量掺入了活性材料，这些材料的高活性必须在一定养护温度下才能快速、充分发挥，RPC构件在成型后一般需要进行热养护。因此，在现有条件下，RPC在土木工程领域的应用以预制构件的方式为主。

基于以上特点，预制RPC结构符合海洋工程，特别是远洋岛礁工程的技术要求，具有良好的应用情景。

专利CN201120058871公开了一种套管钢筋混凝土柱，其特征在于钢筋混凝土柱的套管为预制活性粉末混凝土套管，其特征在于活性粉末混凝土套管内部配置有纵向钢筋和箍筋。通过采用预制活性粉末混凝土套管与内部的钢筋混凝土柱组成组合柱。在施工过程中，活性粉末混凝土套管是内部混凝土的模板，也是施工支持体系的一部分；在施工完成后，套管与内部混凝土共同承担轴向荷载，在活性粉末混凝土套管开裂前，套管与为核心区混凝土提供横向约束，成形约束混凝土。该发明与钢管混凝土柱比较，活性粉末混凝土套管柱具有自身的性能，如施工方便、成本低、轴向承载力高、抗震性能好、抗火性能突出、耐久性能优异等。在一些关键技术方面(如成本较高、抗火性能和耐久性能不足等)弥补了现有钢管混凝土柱的缺陷，同时充分发挥了活性粉末混凝土的材料性能，并从性能/费用效率方面克服了其成本较高的问题。

申请人的试验研究表明，活性粉末混凝土套管柱具有优良的力学性能，即使在套管开裂后，只要箍筋不出现断裂，套管能够为内部核心区混凝土提供有效的约束，从而极大提高了组合柱的承载力和延续。但采用这种活性粉末混凝土套管柱直接用于海洋工程建设，在性能方面存在以下技术缺陷：第一，目前，RPC中掺入的普通钢纤维或镀铜钢纤维并不能有效抵抗海洋环境的腐蚀，钢纤维的腐蚀不但影响构件的外观，而且使得腐蚀性介质沿着钢纤维形成的通道由构件表面向构件内部侵蚀，导致RPC构件被腐蚀破坏；第二，海洋环境中的氯离子渗透性强，一旦氯离子扩散到套管内的钢筋表面，钢筋就会生锈，进而导致套管开裂破坏；第三，RPC套管内现浇的钢筋混凝土柱，也不能使用海水和海砂作为原材料，不满足就地取材的要求；第四，RPC套管不能接长，施工不方便。

因此，提出一种新型耐腐蚀的预制RPC管柱，是解决RPC结构应用于海洋工程，特别是远洋岛礁工程建设的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海洋工程组合柱，具有耐海洋环境腐蚀性能优异、可以采用预制施工、轴向承载力高、可以利用海水和海砂等现场材料、便于接长、经济性好等特点，能够满足海洋工程，特别是远洋岛礁工程建设需要的新型结构柱，也可替代海洋工程中的钢管桩。

本发明的解决方案为一种海洋工程组合柱，包括活性粉末混凝土套管、箍筋、纵筋、混凝土柱，箍筋、纵筋设置在活性粉末混凝土套管内，其特征在于箍筋、纵筋分别为封闭的纤维增强塑料箍筋和纤维增强塑料纵筋，并在套管的活性粉末混凝土中掺入了耐腐蚀的短纤维，活性粉末混凝土套管的两端分别设置有套管相互连接的连接件；活性粉末混凝土套管内混凝土柱，为海水与海砂拌制的现浇混凝土柱。

与现有技术相比，本发明的优点就在于：

①海洋工程组合柱具有优异的耐腐蚀性。在活性粉末混凝土套管的原材料中，掺入不锈钢纤维和合成纤维取代普通钢纤维，有效避免了短纤维材料本身被海洋环境腐蚀的问题。采用纤维增强塑料(FRP)筋材制成封闭箍筋及纵筋取代钢筋，由于FRP材料本身不存生锈的问题，因而即使发生氯离子渗透的情况，也不会产生筋材锈蚀引起预制管开裂的问题，耐腐蚀性能优异。此外，本身是超高性能混凝土，渗透性极低，耐腐蚀性好。因此，本发明在海洋环境中具有极为突出的耐腐蚀性能。

②海洋工程组合柱可以直接使用海水和海砂拌制的混凝土。本发明中，活性粉末混凝土套管中配有FRP封闭箍筋，对内部现浇混凝土具有横向约束作用，可以显著提高内部混凝土的抗压强度，两者形成了组合柱。由于外围活性粉末混凝土套管耐腐蚀性能好，也没有配置钢筋，因此，内部现浇混凝土柱可以采用海水和海砂等远洋岛礁上的现场材料进行拌制，不会对组合柱的耐久性能产生影响，可以大大降低建设成本和维护成本。当然，现浇混凝土柱也可根据设计需要，配置FRP箍筋和FRP纵筋、FRP管材或FRP型材等。

③活性粉末混凝土套管便于接长。可以按设计要求预制定长的活性粉末混凝土套管，当长度不够时，可以将套管通过两端相互连接的连接件纵向接长，到达设计所要求的长度。

④活性粉末混凝土套管可以替代钢管桩。在海洋工程中，可以无需在内部现浇混凝土，直接代替钢管桩。与钢管桩相比，施工方式与现有钢管桩类似，无需定期表面喷涂防腐层，耐久性大大提高，维护成本显著降低。

附图说明

图1是海洋工程组合柱的横截面示意图；

图2是海洋工程组合柱的纵剖面示意图。

图例说明

1为活性粉末混凝土套管 2为封闭的纤维增强塑料箍筋

3为纤维增强塑料纵筋 4为混凝土柱

5 连接件

具体实施方式

本发明如附图所示，一种海洋工程组合柱，包括活性粉末混凝土套管(1)、箍筋(2)、纵筋(3)、混凝土柱(4)，箍筋(2)、纵筋(3)设置在活性粉末混凝土套管(1)内，其特征在于箍筋(2)、纵筋(3)分别为封闭的纤维增强塑料箍筋(2)和纤维增强塑料纵筋(3)，并在套管(1)的活性粉末混凝土中掺入了耐腐蚀的短纤维，活性粉末混凝土套管(1)的两端分别设置有套管相互连接的连接件(5)，如图1和图2所示。实施时，首先，按照设计要求，将封闭的纤维增强塑料箍筋(2)和纤维增强塑料纵筋(3)制成FRP筋笼，并放置在制作活性粉末混凝土套管(1)的模具内；采用不锈钢纤维和合成纤维拌制RPC，并浇筑在模具内，采用离心法进行生产；成型后的活性粉末混凝土套管(1)拆模，在热水或蒸汽中的养护48小时；将预制好的活性粉末混凝土套管(1)运至施工现场，吊装就位，或采用锤击的方法在海水中定位；如长度不够，继续吊装活性粉末混凝土套管(1)，并通过设置在套管两端的连接件(5)纵向接长；最后采用海水和海砂现场拌制混凝土，在活性粉末混凝土套管(1)内现浇混凝土柱(4)，完成海洋工程组合柱的施工。

Claims (5)

1.一种海洋工程组合柱，包括活性粉末混凝土套管(1)、箍筋(2)、纵筋(3)、混凝土柱(4)，箍筋(2)、纵筋(3)设置在活性粉末混凝土套管(1)内，其特征在于箍筋(2)、纵筋(3)分别为封闭的纤维增强塑料箍筋(2)和纤维增强塑料纵筋(3)，并在套管(1)的活性粉末混凝土中掺入了耐腐蚀的短纤维，活性粉末混凝土套管(1)的两端分别设置有套管相互连接的连接件(5)。

2.根据权利要求1所述的一种海洋工程组合柱，其特征在于所述的封闭的纤维增强塑料箍筋(2)和纤维增强塑料纵筋(3)为碳纤维增强塑料(CFRP)筋材、玻璃纤维增强塑料(GFRP)筋材、芳纶纤维增强塑料(AFRP)筋材、玄武岩纤维增强塑料(BFRP)筋材或者混杂纤维增强塑料(HFRP)筋材。

3.根据权利要求1所述的一种海洋工程组合柱，其特征在于所述的耐腐蚀短纤维为合成纤维，不锈钢纤维，或两者的混杂纤维。

4.根据权利要求1所述的活性粉末混凝土套管(1)，其特征在于所述的连接件(5)为公母槽、榫头榫套或者卡套。

5.根据权利要求1所述的一种海洋工程组合柱，其特征在于所述的混凝土柱(4)为海水与海砂拌制的现浇混凝土柱。