CN107060215A - 一种具有减压槽的纤维－钢复合管混凝土结构制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有减压槽的纤维‑钢复合管混凝土结构制作方法，预先制作冲压模具系统，包括下凹模和上凸模，以下凹模作为冲压时底板支撑，上凸模作为冲压模具，将钢板水平放置于下凹模与上凸模之间，冲压机械施力于上凸模，在钢板表面冲压出一条或一条以上间隔布置的深度小于钢板厚度的减压槽；将钢板沿侧边方向卷制并焊接成钢管，减压槽朝向钢管的内部凹陷；在减压槽内嵌入填充条，在钢管外表面粘结纤维增强复合材料，形成纤维‑钢复合管，将纤维‑钢复合管立于基础中，在钢管内表面涂抹界面层并浇筑核心混凝土。本发明通过预制的冲压模具系统，一次性在钢板上冲压出一条或一条以上间隔布置的减压槽，并进一步在钢管外表面粘结纤维增强复合材料，进一步加强对核心混凝土的约束并提供耐腐蚀保护。本发明适用于新建结构中的桩、柱、桥墩等以受竖向荷载为主的结构构件。

Description

一种具有减压槽的纤维-钢复合管混凝土结构制作方法
技术领域
本发明涉及一种具有减压槽的纤维-钢复合管混凝土结构制作方法，应用于各类桥梁、建筑的柱型结构，属于土木工程领域。
背景技术
纤维增强复合材料(FRP)是由纤维材料与树脂基体组成，具有很强的耐腐蚀能力，同时还有轻质、高强、成型方便等优点，它可与传统材料(混凝土、钢材、木材等)通过合理的组合形式共同受力。
钢管混凝土结构具有很高的强度和良好的塑性，这主要得益于外部的钢管对核心混凝土变形的约束作用。但是钢管混凝土柱的钢管不但要约束混凝土，而且还要承受竖向压力，竖向压力的存在降低了钢管能够对混凝土结构提供的约束能力。
传统的钢管混凝土结构倾向于加强钢管与混凝土的整体性，例如通过剪力钉增强钢管与核心混凝土的粘结或在钢管内部焊接螺纹钢筋条提高钢管和混凝土的粘结力，这些技术都使得钢管更加侧重于发挥竖向承载的作用，而不是环向约束作用。
钢套混凝土结构是将钢管的端部截断或者开孔，形成薄弱截面，以减小钢管承受的竖向压力，但由于钢套管截断或者开孔以后，浇筑混凝土时会出现漏浆，增加了施工难度，直接影响工程的应用效果，而且简单地在钢管表面开孔，钢管由于其与核心混凝土的粘结与摩擦作用，其仍然承受很大的竖向应力，且开槽处的钢管无疑会提前屈曲，形成薄弱面。为此，如中国专利第“201220153717.6”号，公开了一种“切槽式钢套管混凝土柱”，它是在钢管混凝土柱的钢管外壁上加工出多条圆形或螺旋形的凹槽后形成的一种承压为主的结构构件，但该结构是通过在钢管外壁切槽来增强对核心混凝土的约束作用，被切槽处的钢管局部约束也会变小，且钢管切槽加工难度大，不能一次性成型，导致成本费用高，加工效率低，不适宜工程实践。
为克服上述不足，本发明提出一种具有减压槽的纤维-钢复合管混凝土结构制作方法，充分利用了钢管良好的延展性，通过预制的冲压模具系统，一次性在钢板上冲压出一条或一条以上间隔布置的减压槽，并进一步在钢管外表面粘结纤维增强复合材料，进一步加强对核心混凝土的约束并提供耐腐蚀保护。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有减压槽的纤维-钢复合管混凝土结构制作方法，通过施工工艺的创新，一次性在钢板上冲压出一条或一条以上间隔布置的深度小于钢板厚度的减压槽，提高了工作效率，降低了建造成本，可作为浇筑混凝土的模板；通过构造的创新，提高了纤维-钢复合管对核心混凝土的横向膨胀约束作用，提高了构件的整体承载性。
本发明的技术方案为：一种具有减压槽的纤维-钢复合管混凝土结构制作方法，预先制作冲压模具系统，包括下凹模和上凸模，以下凹模作为冲压时底板支撑，上凸模作为冲压模具，将钢板水平放置于下凹模与上凸模之间，冲压机械施力于上凸模，在钢板表面冲压出一条或一条以上间隔布置的深度小于钢板厚度的减压槽；将钢板沿侧边方向卷制并焊接成钢管，减压槽朝向钢管的内部凹陷；在减压槽内嵌入填充条，在钢管外表面粘结纤维增强复合材料，形成纤维-钢复合管，将纤维-钢复合管立于基础中，在钢管内表面涂抹界面层并浇筑核心混凝土；其特征在于其施工步骤如下：
1)预先制作冲压模具系统，包括下凹模和上凸模，下凹模作为冲压时底板支撑，上凸模作为冲压模具，下凹模开设有一条或一条以上间隔布置的凹陷槽口，凹陷槽口的槽口朝上，上凸模布置有与下凹模的凹陷槽口的位置、尺寸及数量相对应的一条或一条以上凸棱条；
2)将钢板水平放置于下凹模的上表面，再将上凸模放置于钢板的上部，其凸棱条朝下，与下凹模的凹陷槽口相互对应，冲压机械施力于上凸模上表面，将钢板冲压出减压槽，减压槽与钢板的侧边l方向夹角呈0～60°，减压槽深度大于钢板厚度的80％且小于钢板厚度；
3)将具有一条或一条以上减压槽的钢板沿侧边l方向卷制焊接成钢管，减压槽朝向钢管的内部凹陷；
4)在减压槽内嵌入填充条，填充条充满减压槽，外表面与钢管的外表面齐平；
5)将钢管表面清理干净，采用手糊压层工艺或缠绕工艺粘结一层或一层以上的浸渍树脂的纤维增强复合材料，固化后形成纤维-钢复合管；
6)将纤维-钢复合管立于基础中，并将钢管的内表面清理干净，在钢管的内表面均匀涂抹界面层；
7)在钢管内部浇筑核心混凝土，养护成型，即形成一种具有减压槽的纤维-钢复合管混凝土结构。
所述的减压槽宽度c的总和不小于构件长度的2％，一条或一条以上减压槽间隔布置于钢管表面，一条以上减压槽相互平行，布置间距s宜均匀，其截面形式是倒梯形、矩形、U形、半圆形中的一种。
所述的界面层采用润滑油、聚四氟乙烯、石蜡、沥青、沥青砂浆中的一种。
所述的填充条为橡胶、沥青砂浆、纤维增强塑料中的一种。
所述的纤维增强复合材料为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维中一种或其中几种混杂而成，且纤维方向与构件轴线方向夹角介于0～90°之间。
所述的一种具有减压槽的纤维-钢复合管混凝土结构的截面形式是圆形、椭圆形、正方形、长方形、边数大于等于5的等边多边形中的一种，其截面棱角可作一种倒角变换，倒角半径R大于等于2mm。
所述的凸棱条、凹陷槽口的位置、尺寸及数量与减压槽的位置、尺寸与数量相一致。
所述的核心混凝土宜采用自密实微膨胀混凝土，膨胀率为0.01％～0.04％。
在本发明的一种具有减压槽的纤维-钢复合管混凝土结构制作方法中，通过预制的冲压模具系统，可一次性在钢板上冲压出一条或一条以上间隔布置的减压槽，简化了加工工艺，提高了加工效率，由于冲压模具系统可多次重复利用，降低了工程造价；由于采用了冲压工艺而不是切削工艺形成减压槽，减压槽的形成未削弱减压槽位置处的钢管材料，未减小减压槽处的环向约束效应。由于控制减压槽的深度小于钢管厚度，钢管在减压槽处没有被压断，因此在施工时不会漏浆，可直接作为施工现场预制混凝土构件的模板；间隔布置的减压槽隔断了竖向荷载在钢管的竖向传递，同时在钢管内表面涂抹界面层，使得钢管与核心混凝土之间的粘结与摩擦力大大减小，进一步避免或减小了钢管所承受的竖向荷载作用；减压槽内嵌入的填充条为单向材料，不会传递竖向应力。在本发明的一种具有减压槽的纤维-钢复合管混凝土结构中，减压槽宽度c的总和不小于构件长度的2％，为构件提供受压过程中足够的竖向变形空间；在钢管外表面粘结纤维增强复合材料，进一步加强对核心混凝土的约束并提供耐腐蚀保护。
本发明适用于新建结构中的桩、柱、桥墩等以受竖向荷载为主的结构构件。
本发明相对于现有技术，具有以下优点：
(1)加工工艺简单、效率高，工程造价低。
(2)消除了约束材料的竖向受力，避免了复合管过早的局部屈曲。
(3)材料发挥效率高，结构承载力高、延性好。
(4)最大程度的发挥了钢、复合材料、混凝土组合作用的综合性能。
附图说明：
图1是一种具有减压槽的纤维-钢复合管混凝土结构制作方法的工艺流程图；
图2是待冲压减压槽的钢板示意图；
图3是冲压模具系统示意图；
图4是采用冲压模具系统冲压钢板制作减压槽的示意图；
图5A是具有一条以上间隔布置的水平式减压槽钢板示意图；
图5B是具有一条以上间隔布置的倾斜式减压槽钢板示意图；
图6A是圆形截面具有一条以上间隔布置的水平式减压槽钢管示意图；
图6B是圆形截面具有一条以上间隔布置的倾斜式减压槽钢管示意图；
图7是减压槽内嵌入填充条后具有减压槽钢管的纵断面示意图；
图8是钢管外部粘结纤维增强复合材料形成具有减压槽的纤维-钢复合管的纵断面图；
图9是一种具有减压槽的纤维-钢复合管立于基础并涂抹界面层的纵断面示意图；
图10是浇筑核心混凝土并养护成型示意图；
图11A是矩形截面减压槽局部示意图；
图11B是倒梯形截面减压槽局部示意图；
图11C是U形截面减压槽局部示意图；
图11D是半圆形截面减压槽局部示意图；
图12是圆形截面的具有减压槽的纤维-钢复合管混凝土结构横断面示意图；
图13是椭圆形截面的具有减压槽的纤维-钢复合管混凝土结构横断面示意图；
图14是倒圆角正方形截面的具有减压槽的纤维-钢复合管混凝土结构横断面示意图；
图15是倒圆角长方形截面的具有减压槽的纤维-钢复合管混凝土结构横断面示意图；
图16是圆端形截面的具有减压槽的纤维-钢复合管混凝土结构横断面示意图；
图17是倒圆角多边形截面的具有减压槽的纤维-钢复合管混凝土结构横断面示意图。
在附图1～附图17中，1为钢管；2为界面层；3为核心混凝土；4为减压槽；5为纤维增强复合材料；6为纤维-钢复合管；7为冲压模具系统；8为钢板；41为填充条；71为下凹模；72为上凸模；711为凹陷槽口；721为凸棱条。
具体实施方式：
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。本发明提供一种具有减压槽的纤维-钢复合管混凝土结构制作方法，预先制作冲压模具系统，包括下凹模和上凸模，以下凹模作为冲压时底板支撑，上凸模作为冲压模具，将钢板水平放置于下凹模与上凸模之间，冲压机械施力于上凸模，在钢板表面冲压出一条或一条以上间隔布置的深度小于钢板厚度的减压槽；将钢板沿侧边方向卷制并焊接成钢管，减压槽朝向钢管的内部凹陷；在减压槽内嵌入填充条，在钢管外表面粘结纤维增强复合材料，形成纤维-钢复合管，将纤维-钢复合管立于基础中，在钢管内表面涂抹界面层并浇筑核心混凝土；其特征在于其施工步骤如下：
1)预先制作冲压模具系统7，如图3所示，包括下凹模71和上凸模72，下凹模71作为冲压时底板支撑，上凸模72作为冲压模具，下凹模71开设有一条或一条以上间隔布置的凹陷槽口711，凹陷槽口711的槽口朝上，上凸模72布置有与下凹模71的凹陷槽口711的位置、尺寸及数量相对应的一条或一条以上凸棱条721；
2)将钢板8水平放置于下凹模71的上表面，再将上凸模72放置于钢板8的上部，其凸棱条721朝下，与下凹模71的凹陷槽口711相互对应，如图4所示，冲压机械施力于上凸模72上表面，将钢板8冲压出减压槽4，减压槽4与钢板8的侧边l方向夹角呈0～60°，当减压槽4与钢板8的侧边l方向夹角呈0°时，如图5A所示，当减压槽4与钢板8的侧边l方向夹角呈30°时，如图5B所示；减压槽4深度大于钢板8厚度的80％且小于钢板8厚度；
3)将具有一条或一条以上减压槽4的钢板8沿侧边l方向卷制焊接成钢管1，减压槽4朝向钢管1的内部凹陷；
4)在减压槽4内嵌入填充条41，填充条41充满减压槽4，外表面与钢管1的外表面齐平；
5)将钢管1表面清理干净，采用手糊压层工艺或缠绕工艺粘结一层或一层以上的浸渍树脂的纤维增强复合材料5，固化后形成纤维-钢复合管6；
6)将纤维-钢复合管6立于基础中，并将钢管1的内表面清理干净，在钢管1的内表面均匀涂抹界面层2；
7)在钢管1内部浇筑核心混凝土3，养护成型，即形成一种具有减压槽的纤维-钢复合管混凝土结构。
所述的减压槽4宽度c的总和不小于构件长度的2％，一条或一条以上减压槽4间隔布置于钢管1表面，一条以上减压槽4相互平行，布置间距s宜均匀，其截面形式是倒梯形、矩形、U形、半圆形中的一种。
所述的界面层2采用润滑油、聚四氟乙烯、石蜡、沥青、沥青砂浆中的一种。
所述的填充条41为橡胶、沥青砂浆、纤维增强塑料中的一种。
所述的纤维增强复合材料5为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维中一种或其中几种混杂而成，且纤维方向与构件轴线方向夹角介于0～90°之间。
所述的一种具有减压槽的纤维-钢复合管混凝土结构的截面形式是圆形、椭圆形、正方形、长方形、边数大于等于5的等边多边形中的一种，其截面棱角可作一种倒角变换，倒角半径R大于等于25mm。
所述的凸棱条721、凹陷槽口711的位置、尺寸及数量与减压槽4的位置、尺寸与数量相一致。
所述的核心混凝土3宜采用自密实微膨胀混凝土，膨胀率为0.01％～0.04％。
图12～图17分别是圆形截面、椭圆形截面、倒圆角正方形截面、倒圆角长方形截面、圆端形截面、倒圆角多边形截面的具有减压槽的纤维-钢复合管混凝土结构横断面示意图。

Claims (8)

1.一种具有减压槽的纤维-钢复合管混凝土结构制作方法，预先制作冲压模具系统，包括下凹模和上凸模，以下凹模作为冲压时底板支撑，上凸模作为冲压模具，将钢板水平放置于下凹模与上凸模之间，冲压机械施力于上凸模，在钢板表面冲压出一条或一条以上间隔布置的深度小于钢板厚度的减压槽；将钢板沿侧边方向卷制并焊接成钢管，减压槽朝向钢管的内部凹陷；在减压槽内嵌入填充条，在钢管外表面粘结纤维增强复合材料，形成纤维-钢复合管，将纤维-钢复合管立于基础中，在钢管内表面涂抹界面层并浇筑核心混凝土；其特征在于其施工步骤如下：
1)预先制作冲压模具系统(7)，包括下凹模(71)和上凸模(72)，下凹模(71)作为冲压时底板支撑，上凸模(72)作为冲压模具，下凹模(71)开设有一条或一条以上间隔布置的凹陷槽口(711)，凹陷槽口(711)的槽口朝上，上凸模(72)布置有与下凹模(71)的凹陷槽口(711)的位置、尺寸及数量相对应的一条或一条以上凸棱条(721)；
2)将钢板(8)水平放置于下凹模(71)的上表面，再将上凸模(72)放置于钢板(8)的上部，其凸棱条(721)朝下，与下凹模(71)的凹陷槽口(711)相互对应，冲压机械施力于上凸模(72)上表面，将钢板(8)冲压出减压槽(4)，减压槽(4)与钢板(8)的侧边l方向夹角呈0～60°，减压槽(4)深度大于钢板(8)厚度的80％且小于钢板(8)厚度；
3)将具有一条或一条以上减压槽(4)的钢板(8)沿侧边l方向卷制焊接成钢管(1)，减压槽(4)朝向钢管(1)的内部凹陷；
4)在减压槽(4)内嵌入填充条(41)，填充条(41)充满减压槽(4)，外表面与钢管(1)的外表面齐平；
5)将钢管(1)表面清理干净，采用手糊压层工艺或缠绕工艺粘结一层或一层以上的浸渍树脂的纤维增强复合材料(5)，固化后形成纤维-钢复合管(6)；
6)将纤维-钢复合管(6)立于基础中，并将钢管(1)的内表面清理干净，在钢管(1)的内表面均匀涂抹界面层(2)；
7)在钢管(1)内部浇筑核心混凝土(3)，养护成型。
2.根据权利要求1所述的一种具有减压槽的纤维-钢复合管混凝土结构制作方法，所述的减压槽(4)宽度c的总和不小于构件长度的2％，一条或一条以上减压槽(4)间隔布置于钢管(1)表面，一条以上减压槽(4)相互平行，布置间距s宜均匀，其截面形式是倒梯形、矩形、U形、半圆形中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种具有减压槽的纤维-钢复合管混凝土结构制作方法，所述的界面层(2)采用润滑油、聚四氟乙烯、石蜡、沥青、沥青砂浆中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种具有减压槽的纤维-钢复合管混凝土结构制作方法，所述的填充条(41)为橡胶、沥青砂浆、纤维增强塑料中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种具有减压槽的纤维-钢复合管混凝土结构制作方法，所述的纤维增强复合材料(5)为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维中一种或其中几种混杂而成，且纤维方向与构件轴线方向夹角介于0～90°之间。
6.根据权利要求1所述的一种具有减压槽的纤维-钢复合管混凝土结构制作方法，所述的一种具有减压槽的纤维-钢复合管混凝土结构的截面形式是圆形、椭圆形、正方形、长方形、边数大于等于5的等边多边形中的一种，其截面棱角可作一种倒角变换，倒角半径R大于等于25mm。
7.根据权利要求1所述的一种具有减压槽的纤维-钢复合管混凝土结构制作方法，所述的凸棱条(721)、凹陷槽口(711)的位置、尺寸及数量与减压槽(4)的位置、尺寸与数量相一致。
8.根据权利要求1所述的一种具有减压槽的纤维-钢复合管混凝土结构制作方法，所述的核心混凝土(3)宜采用自密实微膨胀混凝土，膨胀率为0.01％～0.04％。
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