CN107165338A - 纤维增强钢管混凝土柱、及其组合柱与制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纤维增强钢管混凝土柱(10)、及其组合柱与制造方法。所述纤维增强钢管混凝土柱(10)包括：纤维增强复合材料管(1)，位于所述纤维增强钢管混凝土柱(10)的最外侧；钢管(3)，位于所述纤维增强钢管混凝土柱(10)的内部并且在所述纤维增强钢管混凝土柱(10)的纵向方向上贯穿所述纤维增强钢管混凝土柱(10)；混凝土(2)，填充于所述纤维增强复合材料管(1)与所述钢管(3)之间；其中，在纵向方向上，所述纤维增强复合材料管(1)的长度小于所述钢管(3)的长度；并且所述钢管(3)的两端的截面尺寸设置为使得截面尺寸较小的一端能够嵌入连接至截面尺寸较大的一端内。

Description

纤维增强钢管混凝土柱、及其组合柱与制造方法

技术领域

本发明涉及建筑结构技术领域，具体涉及纤维增强钢管混凝土柱、及其组合柱与制造方法。

背景技术

当前的城市建筑施工建设面临的主要挑战之一就是在保证建筑结构整体安全和耐久以外，还需要尽可能减少在施工过程中所花费的时间，减少对周围环境的干扰，降低其施工成本以及由于施工所产生的噪音，粉尘等。于是快速装配式组合柱，如纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，FRP)管-钢管-混凝土组合柱正是基于此类大背景下所产生的。应用快速装配式组合柱可以为城市的发展，高速，安全，耐久提供更好的建筑解决方案。

此外，在市中心等地如果临时采取混凝土浇筑成混凝土柱会受到温度、风速、时间、噪音的各个方面的制约，如有采取事前在工厂中进行构件预制，现场工作时采取快速装配方式来进行安装，不仅方便快捷，还会产生更好的经济和环境效益。

基于纤维增强复合材料管-钢管-混凝土组合柱的优势，纤维增强复合材料约束混凝土得到了广泛的研究，其特点在于力-位移曲线成双线性，即截面屈服之后承载力继续上升，因此这种柱截面具有更为优越的承载能力。

传统的纤维增强复合材料管-钢管-混凝土组合柱的截面形式为内部圆钢管、外部缠绕纤维增强复合材料、纤维增强复合材料与圆钢管之间的夹层灌入混凝土。这种柱截面尽管在承载力和延性方面都得到了很大的改善，但是在实际工程施工中，不利于梁柱节点连接，施工困难较大。如何改善纤维增强复合材料、钢管、混凝土组合的新型柱的结构，成为建筑领域亟待解决的一个重要课题。

发明内容

为解决上述问题，本发明一方面提供一种纤维增强钢管混凝土柱，包括：纤维增强复合材料管，位于所述纤维增强钢管混凝土柱的最外侧，所述纤维增强复合材料管在所述纤维增强钢管混凝土柱的纵向方向上延伸并限定所述纤维增强钢管混凝土柱的外周边；钢管，位于所述纤维增强钢管混凝土柱的内部并且在所述纤维增强钢管混凝土柱的纵向方向上贯穿所述纤维增强钢管混凝土柱；混凝土，填充于所述纤维增强复合材料管与所述钢管之间；其中：在所述纵向方向上，所述纤维增强复合材料管的长度小于所述钢管的长度；并且所述钢管的两端的截面尺寸设置为使得截面尺寸较小的一端能够嵌入连接至截面尺寸较大的一端内。

进一步地，在所述纤维增强钢管混凝土柱的端部处，所述混凝土与所述纤维增强复合材料管的端部齐平而形成所述纤维增强钢管混凝土柱的端表面，并且所述钢管的至少一端突出于所述纤维增强钢管混凝土柱的一端的端表面。

进一步地，所述钢管的截面尺寸较小的一端突出于所述端表面。

进一步地，所述钢管的截面尺寸较大的一端突出于所述纤维增强钢管混凝土柱的另一端的端表面。

本发明又一方面提供一种纤维增强钢管混凝土组合柱，包括前面所述的纤维增强钢管混凝土柱，其中：所述纤维增强钢管混凝土组合柱通过至少两个所述纤维增强钢管混凝土柱在所述纵向方向上连接而成。

进一步地，第一段纤维增强钢管混凝土柱的所述钢管的截面尺寸较小的一端与第二段纤维增强钢管混凝土柱的所述钢管的截面尺寸较大的一端是嵌入式连接。

进一步地，在所述纤维增强钢管混凝土组合柱的端部处，所述纤维增强钢管混凝土柱的所述钢管与所述纤维增强钢管混凝土柱的端表面齐平。

进一步地，所述纤维增强钢管混凝土柱的所述钢管之间的连接处缠绕有纤维增强复合材料布并且周围填充有混凝土。

本发明再一方面提供纤维增强钢管混凝土组合柱的现场制造方法，其特征在于，包括如下步骤：将所述纤维增强复合材料管套在钢管外，使得所述钢管的长度延伸出所述纤维增强复合材料管的端部外；在所述纤维增强复合材料管和所述钢管之间填充混凝土，组装完成第一段纤维增强钢管混凝土柱；将第二段纤维增强钢管混凝土柱的钢管设置在所述第一段纤维增强钢管混凝土柱的钢管上，使第一段纤维增强钢管混凝土柱的钢管的截面尺寸较小的一端与第二段纤维增强钢管混凝土柱的钢管的截面尺寸较大的一端进行嵌入式连接；将所述第二段纤维增强钢管混凝土柱的纤维增强复合材料管套在所述第二段纤维增强钢管混凝土柱的钢管外；在所述第二段纤维增强钢管混凝土柱的纤维增强复合材料管和钢管之间填充混凝土，组装完成所述第二段纤维增强钢管混凝土柱。

本发明再一方面提供纤维增强钢管混凝土组合柱的制造方法，其特征在于，其特征在于，包括如下步骤：将所述纤维增强复合材料管套在钢管外，使得所述钢管的长度延伸出所述纤维增强复合材料管的端部外；在所述纤维增强复合材料管和所述钢管之间填充混凝土，组装完成一段纤维增强钢管混凝土柱；重复上述步骤制造出多段纤维增强钢管混凝土柱；将第二段纤维增强钢管混凝土柱的钢管设置在第一段纤维增强钢管混凝土柱的钢管上，使第一段纤维增强钢管混凝土柱的钢管的截面尺寸较小的一端与第二段纤维增强钢管混凝土柱的钢管的截面尺寸较大的一端进行嵌入式连接；在所述第一段纤维增强钢管混凝土柱和第二段纤维增强钢管混凝土柱的钢管连接处缠绕纤维增强复合材料布并且填充混凝土。

纤维增强钢管混凝土组合柱通常需要设置多个柱段。本发明一方面的有益效果在于，使得纤维增强钢管混凝土组合柱在多段连接时的连接方式变得简单可靠。

由于仅仅通过钢管进行连接处的连接，本发明另一方面的有益效果在于，每段柱的钢管和纤维增强复合材料管的几何中心可重合设置，可保证整体结构对称、性能稳定，且方便快速地应用工程结构的设计、计算。

本发明的又一方面的有益效果在于，利用环境友好型混凝土，如再生混凝土，将建筑废弃商品混凝土回收再利用，经过适当的加工处理后运用到纤维增强钢管混凝土组合柱中，在能降低废弃商品混凝土对自然环境的影响的同时，又能很好地保护天然资源，这样对于建筑垃圾的处理、社会的可持续发展以及居住环境的改善都具有非常重要的意义。同时也降低了成本，提高了经济效益。

本发明的再一方面的有益效果在于，提供一种便捷的纤维增强钢管混凝土组合柱的制造方法，其可实施性强，能缩短工时并且运用了新型可发展再生能源来节约成本并能获得较高性能的构件，为未来建筑行业的绿色可持续发展提供了新的途径。

附图说明

图1是本发明的纤维增强钢管混凝土柱的横截面示意图。

图2是本发明的纤维增强钢管混凝土柱的在纵向方向上的截面示意图。

图3是本发明的纤维增强钢管混凝土组合柱的在纵向方向上的截面示意图。

在所附图中，以相同参考标号表示等同或相似的构件。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。

参考图1和图2，示出了整体以参考标号10表示的一段纤维增强钢管混凝土柱。

纤维增强钢管混凝土柱

纤维增强钢管混凝土柱10包括纤维增强复合材料管1，位于纤维增强钢管混凝土柱10的最外侧，纤维增强复合材料管1在纤维增强钢管混凝土柱10的纵向方向上延伸并限定纤维增强钢管混凝土柱10的外周边；钢管3，位于纤维增强钢管混凝土柱10的内部并且在纤维增强钢管混凝土柱10的纵向方向上贯穿纤维增强钢管混凝土柱10；混凝土2，填充于纤维增强复合材料管1与钢管3之间。

在纵向方向上，纤维增强复合材料管1的长度小于钢管3的长度。在实施例中，在纤维增强钢管混凝土柱10的端部处，混凝土2与所述纤维增强复合材料管1的端部齐平而形成纤维增强钢管混凝土柱10的端表面11和12。其中，钢管3的上端21突出于纤维增强钢管混凝土柱10的上端表面11。钢管3的下端22与纤维增强钢管混凝土柱10的下端表面12齐平。然而，应当理解的是，钢管3的下端22也可突出于纤维增强钢管混凝土柱10的下端表面12。在特定位置处(如在纤维增强钢管混凝土组合柱的端部处)，钢管3的端部可与纤维增强钢管混凝土柱10的端表面齐平。

并且钢管3的两端的截面尺寸设置为使得截面尺寸较小的一端能够嵌入截面尺寸较大的一端内。如，钢管3一端的截面尺寸小于钢管3的另一端的截面尺寸。钢管3为在纵向方向上开口一端大而另一端小的形状。从而在纤维增强钢管混凝土组合柱的连接中，开口小的一端截面尺寸较小，适于与开口大的一端(截面尺寸较大)进行嵌入式连接。

尽管图1中示出的纤维增强钢管混凝土柱10、纤维增强复合材料管1和钢管3的横截面为圆形。然而，本发明不限于此，本发明可以采用任何合适的横截面形状而实现，如方形、椭圆形、多边形以及不规则的其他形状等。

本发明的混凝土2优选为环境友好型混凝土，如再生混凝土、再生骨料混凝土、建筑垃圾混凝土。然而，本发明不限于此，高强混凝土等其他类型的混凝土也适用于本发明。

本发明的钢管3优选为由热轧钢板弯曲、焊接而成的管件。然而，本发明不限于此。

纤维增强钢管混凝土组合柱

参考图3，其整体示出了纤维增强钢管混凝土组合柱。

纤维增强钢管混凝土组合柱包括至少两个纤维增强钢管混凝土柱10。该至少两个纤维增强钢管混凝土柱10在纵向方向上连接而成纤维增强钢管混凝土组合柱。

其中，第一段纤维增强钢管混凝土柱10的钢管3的截面尺寸较小的一端21与第二段纤维增强钢管混凝土柱10的钢管3的截面尺寸较大的一端22是嵌入式连接。

更具体地说，多段纤维增强钢管混凝土柱10在纵向方向上相互叠加设置，从而多个纤维增强复合材料管1在纵向方向上相互叠加，使得纤维增强钢管混凝土组合柱在纵向方向上延伸。优选的，纤维增强钢管混凝土组合柱的最上端和最下端处的钢管3与纤维增强钢管混凝土柱10的端表面齐平。

在两段纤维增强钢管混凝土柱10的钢管3的连接处可缠绕纤维增强复合材料布，并且周围有混凝土2填充。

下面，具体描述第一段纤维增强钢管混凝土柱10与第二段纤维增强钢管混凝土柱20之间的连接关系。

如图3所示，第一段纤维增强钢管混凝土柱10的钢管3的上端21为截面尺寸较小的一端，第二段纤维增强钢管混凝土柱20的钢管3的下端22为截面尺寸较大的一端。组装时，第一段纤维增强钢管混凝土柱10的钢管3的上端21嵌入连接至第二段纤维增强钢管混凝土柱20的钢管3的下端22内。同时，第一段纤维增强钢管混凝土柱10的上端表面11与第二段纤维增强钢管混凝土柱20的下端表面12相互抵靠。可替代地是，在两段纤维增强钢管混凝土柱10的钢管3的连接处可缠绕纤维增强复合材料布，并且周围有混凝土2填充。

此外，尽管本发明的具体实施方式示出的纤维增强钢管混凝土柱10没有配置其他增强物。然而，本发明不限于此，可以根据混凝土柱尺寸以及承受的荷载决定是否配加钢筋。

优选的，各段纤维增强钢管混凝土柱10的钢管3和纤维增强复合材料管1的几何中心重合。这样组合柱的整体结构对称、性能稳定，且方便快速地应用工程结构的设计、计算。

纤维增强钢管混凝土组合柱的制造方法

本发明的纤维增强钢管混凝土组合柱可在施工现场制造，也可在工厂预制成纤维增强钢管混凝土柱，然后在现场组装而成。

下面首先描述本发明的纤维增强钢管混凝土组合柱在施工现场的制造方法。

S1：准备钢管3和纤维增强复合材料管1；

S2：将纤维增强复合材料管1套设在钢管3之外，并使得钢管3的长度延伸出纤维增强复合材料管1的端部外；

S3：在纤维增强复合材料管1和钢管3之间填充混凝土2，组装完成第一段纤维增强钢管混凝土柱10；

S4：将第二段纤维增强钢管混凝土柱10的钢管3设置在第一段纤维增强钢管混凝土柱10的钢管3上，使第一段纤维增强钢管混凝土柱10的钢管3的截面尺寸较小的一端21与第二段纤维增强钢管混凝土柱10的钢管3的截面尺寸较大的一端22进行嵌入式连接；

S5：将第二段纤维增强钢管混凝土柱10的纤维增强复合材料管1套在所述第二段纤维增强钢管混凝土柱10的钢管3外；

S6：在第二段纤维增强钢管混凝土柱10的纤维增强复合材料管1和钢管3之间填充混凝土2，组装完成第二段纤维增强钢管混凝土柱10。

重复上述步骤直至完成所需要的纤维增强钢管混凝土组合柱。

本发明的纤维增强钢管混凝土柱及组合柱具有的优点在于，位于中心的钢管提供柱整体支撑，纤维增强复合材料外管保证结构的整体性，并承担部分剪力作用；内侧空心钢管可选用开口上小下大的钢管，以便不同柱段的钢管之间进行固定，可快速安装。

下面进一步描述，本发明的纤维增强钢管混凝土组合柱在工厂预制纤维增强钢管混凝土柱，并在现场组装成纤维增强钢管混凝土组合柱的方法。

S1：准备钢管3和纤维增强复合材料管1；

S2：将纤维增强复合材料管1套设在钢管3之外，并使得钢管3的长度延伸出纤维增强复合材料管1的端部外；

S3：在纤维增强复合材料管1和钢管3之间填充混凝土2，组装完成第一段纤维增强钢管混凝土柱10；

S4：重复上述步骤制造出多段纤维增强钢管混凝土柱10；

S5：将第二段纤维增强钢管混凝土柱10的钢管3设置在第一段纤维增强钢管混凝土柱10的钢管3上，使第一段纤维增强钢管混凝土柱10的钢管3的截面尺寸较小的一端21与第二段纤维增强钢管混凝土柱10的钢管3的截面尺寸较大的一端22进行嵌入式连接；

S6：在第一段纤维增强钢管混凝土柱10和第二段纤维增强钢管混凝土柱10的钢管3连接处缠绕纤维增强复合材料布并且填充混凝土。

重复上述步骤直至完成所需要的纤维增强钢管混凝土组合柱。

制造过程中，每灌入150mm混凝土后，振捣30秒，完成所需要的纤维增强钢管混凝土组合柱之后进行养护。

由于该纤维增强钢管混凝土柱可以提前在工厂预制，该纤维增强钢管混凝土柱相比较传统混凝土柱具有更好的结构强度，而且便于安装，能适应突发情况搭建。本发明的纤维增强钢管混凝土柱具备良好的延性、极限承载能力以及耐腐蚀性，且能大大减少工期，能够促进FRP材料加固砼柱在土木工程中的应用。

应当理解的是，本发明描述的方法的步骤仅仅是示例性的描述，对其先后进行的时间顺序没有特殊的要求，除非其本身有必然的先后顺序关系。

如上所示，本发明虽然已参照有限的实施例和附图进行了说明，但在本发明所属领域中具备通常知识的人均可以从此记载中进行各种修改和变形。由此，其他实施例及权利要求书与等同物均属于权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种纤维增强钢管混凝土柱(10)，包括：

纤维增强复合材料管(1)，位于所述纤维增强钢管混凝土柱(10)的最外侧，所述纤维增强复合材料管(1)在所述纤维增强钢管混凝土柱(10)的纵向方向上延伸并限定所述纤维增强钢管混凝土柱(10)的外周边；

钢管(3)，位于所述纤维增强钢管混凝土柱(10)的内部并且在所述纤维增强钢管混凝土柱(10)的纵向方向上贯穿所述纤维增强钢管混凝土柱(10)；

混凝土(2)，填充于所述纤维增强复合材料管(1)与所述钢管(3)之间；

其特征在于：

在所述纵向方向上，所述纤维增强复合材料管(1)的长度小于所述钢管(3)的长度；并且

所述钢管(3)的两端的截面尺寸设置为使得截面尺寸较小的一端能够嵌入连接至截面尺寸较大的一端内。

2.根据权利要求1所述纤维增强钢管混凝土柱(10)，其特征在于：在所述纤维增强钢管混凝土柱(10)的端部处，所述混凝土(2)与所述纤维增强复合材料管(1)的端部齐平而形成所述纤维增强钢管混凝土柱(10)的端表面，并且所述钢管(3)的至少一端突出于所述端表面。

3.根据权利要求2所述纤维增强钢管混凝土柱(10)，其特征在于：所述钢管(3)的截面尺寸较小的一端(21)突出于所述纤维增强钢管混凝土柱(10)的一端的端表面(11)。

4.根据权利要求3所述纤维增强钢管混凝土柱(10)，其特征在于：所述钢管(3)的截面尺寸较大的一端(22)突出于所述纤维增强钢管混凝土柱(10)的另一端的端表面(12)。

5.一种纤维增强钢管混凝土组合柱，包括前述权利要求1至4中任一项所述的纤维增强钢管混凝土柱(10)，其特征在于：所述纤维增强钢管混凝土组合柱通过至少两个所述纤维增强钢管混凝土柱(10)在所述纵向方向上连接而成。

6.根据权利要求5所述的纤维增强钢管混凝土组合柱，其特征在于：第一段纤维增强钢管混凝土柱(10)的钢管(3)的截面尺寸较小的一端(21)与第二段纤维增强钢管混凝土柱(10)的钢管(3)的截面尺寸较大的一端(22)是嵌入式连接。

7.根据权利要求5所述的纤维增强钢管混凝土组合柱，其特征在于：在所述纤维增强钢管混凝土组合柱的端部处，所述纤维增强钢管混凝土柱(10)的所述钢管(3)与所述纤维增强钢管混凝土柱(10)的端表面齐平。

8.根据权利要求5-7中任一项所述的纤维增强钢管混凝土组合柱，其特征在于：所述纤维增强钢管混凝土柱(10)的所述钢管(3)之间的连接处缠绕有纤维增强复合材料布并且周围填充有混凝土。

9.根据权利要求5-8中任一项所述的纤维增强钢管混凝土组合柱的现场制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

将所述纤维增强复合材料管(1)套在钢管(3)外，使得所述钢管(3)的长度延伸出所述纤维增强复合材料管(1)的端部外；

在所述纤维增强复合材料管(1)和所述钢管(3)之间填充混凝土(2)，组装完成第一段纤维增强钢管混凝土柱(10)；

将第二段纤维增强钢管混凝土柱(10)的钢管(3)设置在所述第一段纤维增强钢管混凝土柱(10)的钢管(3)上，使第一段纤维增强钢管混凝土柱(10)的钢管(3)的截面尺寸较小的一端(21)与第二段纤维增强钢管混凝土柱(10)的钢管(3)的截面尺寸较大的一端(22)进行嵌入式连接；

将所述第二段纤维增强钢管混凝土柱(10)的纤维增强复合材料管(1)套在所述第二段纤维增强钢管混凝土柱(10)的钢管(3)外；

在所述第二段纤维增强钢管混凝土柱(10)的纤维增强复合材料管(1)和钢管(3)之间填充混凝土(2)，组装完成所述第二段纤维增强钢管混凝土柱(10)。

10.根据权利要求5-8中任一项所述的纤维增强钢管混凝土组合柱的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

将所述纤维增强复合材料管(1)套在钢管(3)外，使得所述钢管(3)的长度延伸出所述纤维增强复合材料管(1)的端部外；

在所述纤维增强复合材料管(1)和所述钢管(3)之间填充混凝土(2)，组装完成一段纤维增强钢管混凝土柱(10)；

重复上述步骤制造出多段纤维增强钢管混凝土柱(10)；

将第二段纤维增强钢管混凝土柱(10)的钢管(3)设置在第一段纤维增强钢管混凝土柱(10)的钢管(3)上，使第一段纤维增强钢管混凝土柱(10)的钢管(3)的截面尺寸较小的一端(21)与第二段纤维增强钢管混凝土柱(10)的钢管(3)的截面尺寸较大的一端(22)进行嵌入式连接；

在所述第一段纤维增强钢管混凝土柱(10)和第二段纤维增强钢管混凝土柱(10)的钢管(3)连接处缠绕纤维增强复合材料布并且填充混凝土。