CN107178180A - 一种frp管与钢管复合的混凝土柱 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种FRP管与钢管复合的混凝土柱，包括FRP管、钢管以及混凝土层。其中，所述钢管为高强度钢管；所述FRP管作为外壁设置在所述混凝土柱的外侧，所述钢管作为内壁设置在所述混凝土柱的内侧，所述FRP管与所述钢管之间，以及所述钢管的内部填充所述混凝土层，构成所述混凝土柱。填充在所述FRP管与所述钢管之间、以及所述钢管的内部的混凝土层，可以有效地减少所述钢管的屈曲、提高所述钢管的强度。此外，利用所述FRP管的高强度及耐腐蚀等性能，可显著地提高所述混凝土柱的强度和使用寿命。

Description

一种FRP管与钢管复合的混凝土柱

技术领域

本发明涉及新建结构工程技术领域，特别涉及一种FRP管与钢管复合的混凝土柱。

背景技术

我国是一个地震频发国家，地震也是造成我国人员死亡最多的自然灾害。20世纪后半叶中国大陆不同自然灾害中，死亡人数最高的是地震，占54％。地震破坏力强，尤其对于建筑物的破坏最为严重。建筑物的破坏或倒塌将导致人身安全的严重伤害和财产的巨大损失。作为技术人员以及研究专家，一个重要的使命就是研发具有较好抗震性能的建筑物，从而保护人民的人身安全和财产安全。

发明内容

本发明的目的在于提供一种FRP管与钢管复合的混凝土柱，其强度高、抗震性好，且有效解决了FRP管截面中部附近混凝土层约束不足以及钢管屈曲造成钢材强度不能充分发挥的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种FRP管与钢管复合的混凝土柱，包括FRP管、钢管以及混凝土层；所述钢管为高强度钢管；所述FRP管为所述混凝土柱的外壁，所述钢管为所述混凝土柱的内壁，所述FRP管与所述钢管间以及所述钢管内部填充所述混凝土层。

优选的，所述FRP管为方形管，所述钢管为圆钢管，所述FRP管与所述钢管两管同心。

优选的，所述FRP管为矩形管，所述钢管为椭圆形钢管，所述FRP管与所述钢管两管同心。

优选的，所述混凝土层具体为回收骨料混凝土、高强混凝土以及自密实混凝土。

优选的，所述FRP管内径等于所述钢管外径。

优选的，所述FRP管内径大于所述钢管外径。

优选的，所述FRP管内部纤维方向为水平方向，以便增加所述FRP管水平方向的约束力。

优选的，所述混凝土柱具体为桥墩或芯柱。

相比于现有技术，对于内壁高强度钢管，其内部及外部均填充有混凝土层，由于受到混凝土层的约束作用，一方面，钢管内部填充的混凝土层抵抗了钢管向内的屈曲作用力、外部填充的混凝土层抵抗了钢管向外的屈曲作用力，有效地解决了内壁钢管的屈曲问题；另一方面，可以使钢管与其约束的混凝土共同作用而达到屈服强度甚至极限强度，极大地提高了钢管的使用效率，进而增加了混凝土柱的使用寿命。此外，由于FRP管为耐腐蚀材料，可以很好地保护内壁钢管，进一步提高了钢管的使用寿命，并可保证混凝土柱在腐蚀环境下正常工作，并且外方FRP管还可以作为现场浇筑的模板，进而减少了施工的人力和物力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的FRP管与钢管复合的混凝土柱的一种具体实施方式的结构示意图；

图2为本发明所提供的FRP管与钢管复合的混凝土柱的另一种具体实施方式的结构示意图；

图3为本发明所提供的FRP管约束混凝土层时的有效约束区域；

图4为本发明所提供的FRP管与钢管复合的混凝土柱的有效约束区域。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种FRP管与钢管复合的混凝土柱，其解决了FRP管截面中部附近混凝土约束不足的问题以及由钢管屈曲而造成钢材强度不能充分发挥的问题。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

FRP为英文：Fiber Reinforced Polymer/Plastic的简称，其中文名为：纤维增强复合材料。

FRP是由纤维材料与基体材料按一定的比例混合后形成的高性能型材料。由于其体积小、重量轻、强度高、抗腐蚀性好、疲劳性强和施工方便等优点，被广泛应用于混凝土结构加固和新建工程中。利用FRP约束可以提高混凝土的强度和延性，从而大大地提高建筑物的抗震性能和疲劳性能。在现有的应用中，FRP作为加固材料和新建建筑物材料，发挥了纤维增强复合材料强度高的性能，这些优异性能为结构工程提供了应用新型构件的可能性。

FRP在新建结构中的应用得不到较快的发展的一种重要原因就是它价格高昂。但是，新的城市发展产生了对高性能材料(例如高强度、高延性)更为迫切的需求，FRP在新建结构中的应用也具有很大的潜力。日前，中国复合材料学会宣布，中国企业继在成功达产低成本T700级碳纤维基础上，经过一年刻苦攻关，再次突破低成本T800级碳纤维生产技术。目前生产的T800级碳纤维成本仅为350元/公斤，该技术不仅打破了部分国家在高性能碳纤维领域对我国实施的贸易封锁，更将生产成本降到国际价格的三分之一。碳纤维的技术突破极大地降低了碳纤维的生产成本，大大地提高了在加固和新建建筑结构中使用碳纤维的可能性。

随着技术的进步，一些高强的型钢也被作为钢骨应用到混凝土结构中。由于高强钢的屈服应变一般情况下可达0.4％左右(以屈服强度为760MPa的钢材为例)，而混凝土的受压破坏应变一般在0.25％-0.35％之间，钢骨混凝土柱容易发生屈服前屈曲。因此，限制受压钢杆件的屈曲是结构工程中的一个重要问题。同时，国内外许多学者通过研究发现，高轴压比下组合柱延性不理想，组合柱中各种材料相继大范围提前退出工作，抗震性能较差。

现有技术中，FRP与混凝土、钢材等传统建筑结构结合产生了一些新组合结构，并在建筑结构中发挥着各自的优势。常见的有：FRP管实心混凝土柱和FRP-混凝土-钢管双壁空心组合构件。然而，FRP约束方形截面混凝土实心柱的约束效果远不及FRP约束圆形截面混凝土实心柱的效果好，由于方柱截面边缘中部附近的混凝土几乎不能受到FRP的约束作用而提前破坏，截面平均强度得不到有效提高，即使方形截面柱子形状规则、利用率高，应用FRP以提高方形截面混凝土柱强度和延性也往往被认为经济合理性不强。再者，如果使用钢管混凝土柱或者FRP-混凝土-钢管双壁空心柱，钢材屈曲破坏也不能得到很好地限制。

请参考图1，图1为本发明所提供的FRP管与钢管复合的混凝土柱的一种具体实施方式的结构示意图。

FRP管-钢管复合的混凝土柱包括：FRP管1、钢管2以及混凝土层3。其中，FRP管1作为外壁设置在混凝土柱的外侧，钢管2作为内壁设置在FRP管1的内侧，FRP管1与钢管2之间、以及钢管2的内部填充混凝土层3，最终形成外FRP管-混凝土层-内钢管复合的混凝土柱。

其中，FRP管1为缠绕管，主要为内部的混凝土层3提供约束作用力，其外皮的形式有FRP预制管和FRP外包布两种形式。其中，FRP预制管分为FRP布环向缠绕预制和FRP丝螺旋缠绕预制两种方式；FRP外包布采用先用模具代替FRP外皮浇筑出混凝土-钢管实心柱，拆模后再外包FRP布。这两种形式所形成的混凝土柱受力模式相同，具体参考现有技术。

FRP管1内部材料为纤维材料，其纤维材料可以是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维以及PFT/PEN纤维等。FRP管1内部纤维主要承受的载荷为受拉载荷，能够充分发挥FRP管1内部纤维的强度，且不会出现纤维屈曲问题。FRP管1内部的纤维方向接近水平方向，以便增加FRP管1水平方向的约束力。FRP管1的边长及厚度等尺寸具体按照其承载力及承载要求来计算和设计，并在工厂预测。此外，FRP管1为耐腐蚀材料，可以有效地保护其内部的钢管2和混凝土层3，使混凝土柱在腐蚀环境下可以保持正常的工作状态。

钢管2为高强度钢管，具体为结构用钢管。本文所述的钢管2可为普通强度结构用钢管或高强度结构用钢管，应根据载荷大小等实际要求进行选择。钢管2的具体尺寸可以根据承载力及承载要求来计算和设计，并根据受力情况计算偏心位置。

混凝土层3为泵送混凝土层。混凝土层3由水泥、水、沙以及石块等材料按工程比例经振捣混合而形成，其所用骨料大小应满足混凝土柱角部尺寸，宜控制在10mm以内。混凝土层3具体可以为回收骨料混凝土、高强混凝土以及自密实混凝土等。

在一种具体实施方式中，FRP管1为方形管，其横截面为正方形，钢管2为圆钢管，其横截面为圆形。钢管2的外径等于或者略小于FRP管1的内径，且钢管2与FRP管1两管同心，形成稳定的对称结构，共同构成复合管。

其中，FRP管1为混凝土柱的外壁，起到约束混凝土层3、提高混凝土层3的强度和延性的作用，并可显著提高混凝土柱的强度、抗震性及其耐腐蚀性。钢管2为高强度钢管，作为混凝土柱的内壁，起到约束其内部混凝土层3、增加混凝土柱强度及稳定性的作用。

请参考图2，图2为本发明所提供的FRP管与钢管复合的混凝土柱的另一种具体实施方式的结构示意图。

FRP管1还可为矩形管，其截面为长方形，对应的，钢管2还可为椭圆形管，其截面为椭圆形。此时，FRP管1的长轴和短轴分别与钢管2的长轴和短轴相重合，且满足椭圆形钢管2的长轴与短轴的比例值不大于2，并且FRP管1与钢管2两管同心，形成稳定的对称结构。同样，铜管2的外径等于或者略小于FRP管1的内径，且钢管2与FRP管1两管同心，形成稳定的对称结构，共同构成复合管。

当然，FRP管1不仅限于方形管和矩形管，钢管2也不仅限于圆形管和椭圆形管，还可为其他满足强度、刚度等力学性能要求，并可提高混凝土柱的强度、延性、抗震性，降低钢管2屈曲等性能的其他形状的管体，则复合管可为各种形状的FRP管1与钢管2的组合。

通过泵输送等形式，在FRP管1和钢管2之间，以及钢管2中浇筑混凝土层3，于是，内部钢管的向内屈曲和向外屈曲分别被填充在钢管2内部的混凝土层3以及填充在FRP管1与钢管2之间的混凝土层3所限制，避免了钢管2向内或向外方向的屈服前屈曲。同时，FRP管1约束混凝土层3的极限应变可以达到2％以上，钢管2既不屈曲，也能与约束混凝土层3共同作用而达到屈服强度和极限强度，从而极大地提高了钢管2的利用效率，提高了混凝土柱的整体的力学性能。相比于现有技术中高强钢材与混凝土材料的结构，本发明所提供的FRP管与钢管复合的混凝土柱的强度和延性均有显著的提高，且具有良好的抗震性和抗腐蚀性。

请参考图3和图4，图3为本发明所提供的FRP管约束混凝土层时的有效约束区域；图4为本发明所提供的FRP管与钢管复合的混凝土柱的有效约束区域。

由图3可以看出，当混凝土层3仅由外部方形FPR管1约束时，方形FRP管1对其内部混凝土层3的有效约束区域23集中在FRP管1的中心区域和四角处，FRP管1截面边缘中部对其附近的混凝土层3的约束力较弱，而采用上述具体实施例中所提供的外方形FRP管1内圆钢管2的混凝土柱，方形FRP管1的截面边缘中部对其附近的混凝土层3的弱约束被钢管2的截面所取代，使得FRP管1截面边缘中部附近的弱约束得到加强，使得混凝土柱的有效约束区域23增加，进而提高了FRP管-钢管复合混凝土柱的强度和延性，且因延性的提高使得混凝土柱的抗震性能得到显著提高。与此同时，作为内壁的钢管2可以对其内部的混凝土层3提供均匀的约束力，从而提高FRP管与钢管复合的混凝土柱的抗弯、抗剪、抗压、抗拉、抗扭和抗震性能。

为减少施工的人力和物力，作为混凝土柱外壁的FRP管1可以作为现场浇筑的模板，并与内壁钢管2一起，在施工中固定，作为永久模板使用。

本发明所提供的FRP管与钢管复合的混凝土柱可以作为高层或超高层结构支撑、桥墩、芯柱等受压构件。此外，由于其具有突出的抗弯、抗剪、抗压、抗拉、抗扭和抗震等性能，亦可以作为抗弯、抗剪、抗拉或抗扭构件。例如，本发明所提供的FRP管与钢管复合的混凝土柱可作为一种组合梁使用，其内部的钢管2可以根据力学计算偏心放置，其余实施方式与本发明中FRP管与钢管复合的混凝土柱的实施方式一致。

以上对本发明所提供的一种FRP管与钢管复合的混凝土柱进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种FRP管与钢管复合的混凝土柱，其特征在于，包括FRP管(1)、钢管(2)以及混凝土层(3)；所述钢管(2)为高强度钢管；所述FRP管(1)为所述混凝土柱的外壁，所述钢管(2)为所述混凝土柱的内壁，所述FRP管(1)与所述钢管(2)间以及所述钢管(2)内部填充所述混凝土层(3)。

2.根据权利要求1所述的混凝土柱，其特征在于，所述FRP管(1)为方形管，所述钢管(2)为圆钢管，所述FRP管(1)与所述钢管(2)两管同心。

3.根据权利要求1所述的混凝土柱，其特征在于，所述FRP管(1)为矩形管，所述钢管(2)为椭圆形钢管，所述FRP管(1)与所述钢管(2)两管同心。

4.根据权利要求1所述的混凝土柱，其特征在于，所述混凝土层(3)具体为回收骨料混凝土、高强混凝土以及自密实混凝土。

5.根据权利要求2所述的混凝土柱，其特征在于，所述FRP管(1)内径等于所述钢管(2)外径。

6.根据权利要求2所述的混凝土柱，其特征在于，所述FRP管(1)内径大于所述钢管(2)外径。

7.根据权利要求3所述的混凝土柱，其特征在于，所述FRP管(1)内径等于所述钢管(2)外径。

8.根据权利要求3所述的混凝土柱，其特征在于，所述FRP管(1)内径大于所述钢管(2)外径。

9.根据权利要求1至8任意一项所述的混凝土柱，其特征在于，所述FRP管(1)内部纤维方向为水平方向，以便增加所述FRP管(1)水平方向的约束力。

10.根据权利要求9所述的混凝土柱，其特征在于，所述混凝土柱具体为桥墩或芯柱。