CN107268893A - 一种拼接式预应力碳纤维板承重柱 - Google Patents

一种拼接式预应力碳纤维板承重柱 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种拼接式预应力碳纤维板承重柱，属于建筑领域承重体系，包括底座、柱身，其特征在于，柱身的一端与底座相连，所述柱身包括由均匀设置的至少四个支撑单元围合形成的中空柱体以及灌注在柱体中空部的混凝土柱，相邻支撑单元之间设置为榫铆插层结构，所述支撑单元的横截面呈圆弧形，所述支撑单元的两端设置有榫卯插层接口，支撑单元的外表面的两端设置有锚固肋，相邻支撑单元相近端的锚固肋相接触形成肋单元，相邻肋单元之间采用多层沿柱体圆周方向设置的碳纤维板进行锚固，纵向相邻的碳纤维板错位设置；具有承载力高、安装和运输方便、抗震性能强的优点。

Description

一种拼接式预应力碳纤维板承重柱
技术领域
本发明涉及建筑领域承重体系，具体涉及一种拼接式预应力碳纤维板承重柱。
背景技术
由于高层建筑的荷载比较大，对抗震性能要求比较高，因此对于高层建筑而言，承重柱的设计尤为重要，若承重柱设计不能符合上述要求，对高层建筑的消极影响非常大，因此，正确选择承重柱材料类型与性能直接影响到承重柱使用效果，尤其是荷载能力、强度的影响特别大。现有技术中最为常见的承重柱为型钢高强混凝土柱、钢管混凝土柱，其制作材料一般选择钢管、高强混凝土材料，因为钢管具有一定的韧性，而混凝土性能也比较突出，使用这两种类型的材料符合工程要求。但是该结构存在承载力和耐久性差、工程造价较高的问题，申请号为201410146798.0的中国发明专利申请公布了一种圆形截面轻钢-小径木材-碳纤维组合承重柱及作法，其芯部为由圆钢管和填充在圆钢管内的混凝土组成的钢管混凝土，通过把轻钢-小径木材-碳纤维进行优势组合，提高了柱结构的耐久性和承载能力，另外利用小径木材降低了工程造价。
上述承重柱虽然通过使用小径木材解决了工程造价高的技术问题，但是还存在下述问题：
1.所述承重柱的承重部分依靠其芯部设置的圆钢管及填充在圆钢管内的混凝土，由于圆钢管为一体式设置，钢管内部存在一定内应力，当遇到地震等情况发生时，承重柱很容易在内应力的作用下发生整体损毁，对大跨度结构、高层建筑结构以及抗震性不利；
2.一体式结构的钢管占用空间较大，运输非常不方便，运输成本高，施工难度大，由于采用了芯层为钢管混凝土柱、外部填充小径木材并用碳纤维材料包裹的结构，该结构承重柱的现场施工比较复杂，工期较长。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种承载力高、安装和运输方便、抗震性能强的拼接式预应力碳纤维板承重柱。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种拼接式预应力碳纤维板承重柱，包括底座、柱身，其特征在于，柱身的一端与底座相连，所述柱身包括由均匀设置的至少四个支撑单元围合形成的中空柱体以及灌注在柱体中空部的混凝土柱，相邻支撑单元之间设置为榫铆插层结构，所述支撑单元的横截面呈圆弧形，所述支撑单元的两端设置有榫卯插层接口，支撑单元的外表面的两端设置有锚固肋，相邻支撑单元相近端的锚固肋相接触形成肋单元，相邻肋单元之间采用多层沿柱体圆周方向设置的碳纤维板进行锚固，纵向相邻的碳纤维板错位设置。
进一步的，所述锚固肋中部设置有用于穿插碳纤维板的预留插孔，所述碳纤维板两端穿过肋单元并通过锚具与支撑单元连接固定。
进一步的，所述锚具中部沿垂直于碳纤维板的方向设置有预留螺栓孔，所述锚具通过高强度螺栓将碳纤维板和支撑单元固定。
进一步的，所述碳纤维板采用后张法无粘接预应力碳纤维板。
进一步的，相邻支撑单元之间无缝拼接。
进一步的，所述混凝土柱采用高流态自密实混凝土。
进一步的，所述高流态自密实混凝土为由水泥、粗细集料和随机分布的短切碳纤维组合而成的复合材料。
进一步的，所述高流态自密实混凝土的塌落度为20-22cm，高流态自密实混凝土的强度不低于C40。
进一步的，所述支撑单元和底座采用树脂基碳纤维复合材料RTM一体化成型工艺。
进一步的，所述底座和柱身通过法兰固定连接。
本发明的有益效果是：设置的拼接式管状支撑由多片式支撑单元拼接而成，可以在安装现场拼装，减少了运输时占用的空间，运输方便，节省了运输成本；由于柱体拼接式结构无内应力，当有地震等情况发生时，支撑单元之间能够发生一定程度的交错，极大程度地减轻了柱体的损毁，抗震性能大大提高；碳纤维复合材料支撑单元和预应力碳纤维布上下交错锚固，提高了抗剪和抗拉强度，从而有效提高了支撑承重结构的承载力，强度和刚度更高，与一般管状及桁架结构相比，可抵抗更大的弯矩；同时支撑单元横向采用榫卯插层连接，无粘接预应力紧固，省去了焊接环节，施工方便快捷，有效缩短了生产安装周期，可在现场拼装，具有构造简单、生产、运输、吊装、安装方便的优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明柱身的横截面结构示意图；
图3是本发明的锚固展开示意图；
图4是本发明锚具的结构示意图。
图中：1.底座，2.柱身，3.支撑单元，4.混凝土柱，5.锚固肋，6.肋单元，7.碳纤维板，8.锚具，81.预留螺栓孔，82.高强度螺栓，9.千斤顶。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细描述，以便公众更好地掌握本发明的实施方法。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，“多个”、“多层”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结
合和组合。
如图1所示，本发明一种拼接式预应力碳纤维板承重柱，包括底座1、柱身2，柱身2的一端通过法兰与底座1固定连接；
如图2所示，柱身2包括由八个同规格的支撑单元3围合形成的中空柱体，柱体内灌注混凝土形成混凝土柱4加固，柱身2采用分片式的竖向支撑单元3来作为主要架构，作用是防止柱身2的柱状失衡，相邻支撑单元3之间设置为榫铆插层结构，所述支撑单元3的横截面呈圆弧形，所述支撑单元3的两端设置有榫卯插层接口，支撑单元3的外表面的两端设置有锚固肋5，相邻支撑单元3相近端的锚固肋5相接触形成肋单元6；
如图1和图3所示，相邻肋单元6之间采用多层沿柱体圆周方向设置的碳纤维板7进行锚固，纵向相邻的碳纤维板7错位设置，即上下碳纤维板7错位环绕锚固；本发明所述的锚固肋5中部设置有用于穿插碳纤维板7的预留插孔，所述碳纤维板7两端穿过肋单元6并通过锚具8与支撑单元3连接固定。
如图4所示，本发明所述的锚具8中部沿垂直于碳纤维板7的方向设置有预留螺栓孔81，所述锚具8通过高强度螺栓82将碳纤维板7和支撑单元3固定。
本发明所述的碳纤维板7采用后张法无粘接预应力碳纤维板。
本发明中相邻支撑单元3之间无缝拼接。
本发明所述的混凝土柱4采用高流态自密实混凝土。
本发明所述的高流态自密实混凝土为由水泥、粗细集料和随机分布的短切碳纤维组合而成的复合材料。
本发明所述的高流态自密实混凝土的塌落度为20-22cm，高流态自密实混凝土的强度不低于C40。
本发明所述的支撑单元3和底座1采用树脂基碳纤维复合材料RTM一体化成型工艺。
本发明所述的底座1和柱身2通过法兰固定连接。
本发明为克服背景技术的缺点，采用竖直状的碳纤维复合材料板构成的圆筒来代替原有的单纯的钢板结构的圆筒，以拼装的方式来进行安装，从左至右，片与片以及节与节之间用榫卯扣接，并采用无粘接预应力碳纤维板7后张法锚固，每节上有水平设置的碳纤维板7绕柱身做圆周上下交错缠绕（数量可根据需求选择）；单元拼接完成后内部注入高流态自密实混凝土灌实，与底座1形成结构柱体。预应力碳纤维板7的张拉和锚固如图3所示，根据设计尺寸裁剪预应力碳纤维板7，并将裁剪好的预应力碳纤维板7穿插入锚固肋5预留插孔，布置千斤顶9，逐级张拉千斤顶9至张拉控制应力，张拉完成后，用锚具8和预留螺栓孔81穿插高强度螺栓82固定，用扳手拧紧固定螺母，卸除千斤顶9。
本发明设置的拼接式管状支撑由多片式支撑单元拼接而成，可以在安装现场拼装，减少了运输时占用的空间，运输方便，节省了运输成本；由于柱体拼接式结构无内应力，当有地震等情况发生时，支撑单元之间能够发生一定程度的交错，形成支撑单元的部分损毁，从而极大程度地减轻了柱体的损毁，抗震性能大大提高；碳纤维复合材料支撑单元和预应力碳纤维布上下交错锚固，提高了抗剪和抗拉强度，从而有效提高了支撑承重结构的承载力，强度和刚度更高，与一般管状及桁架结构相比，可抵抗更大的弯矩；同时支撑单元横向采用榫卯插层连接，无粘接预应力紧固，省去了焊接环节，施工方便快捷，有效缩短了生产安装周期，可在现场拼装，具有构造简单、生产、运输、吊装、安装方便的优点。其中，支撑单元做成圆弧板形，其厚度、弧径可根据工程需要设计。
为验证本发明拼接式预应力碳纤维板承重柱的载荷能力，发明人进行了相关计算，并以现有技术钢管混凝土柱结构为对比例进行载荷能力的对比，演算过程如下：
采用ESI有限元模拟分析和实验结果对比的方法得到载荷结果。建立一个八节拼装模型样件，榫卯插层结构，每节沿径向用5个5mm厚碳纤维板圈做加强，施加的荷载只考虑径向的载荷压力和侧面风力。轴压测试数据见表1（表中D（B）表示柱截面直径，L表示柱长，e/r表示荷载偏心率）。
表1 轴压测试数据
实验对象:碳纤维板承重柱轴压试件
序号 D（B）（mm） L（mm） e/r 实验平均值N（KN） ESI模拟值N（KN） 备注
1 100 300 0 1475.5 1455 2组
2 200 600 0 4645 4511 2组
续表1 轴压测试数据
实验对象:钢管混凝土柱轴压试件
序号 D（B）（mm） L（mm） e/r 实验平均值N（KN） ESI模拟值N（KN） 备注
3 100 300 0 797 766 2组
4 200 600 0 2319.5 2214 2组
由表1数据可知，相对于现有技术钢管混凝土柱，本发明的拼接式预应力碳纤维板承重柱的载荷能力提高了约2倍，即载荷能力远大于现有技术的载荷能力，能够满足当前的建筑业需求，具有显著的创造性特征。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种拼接式预应力碳纤维板承重柱，包括底座（1）、柱身（2），其特征在于，柱身（2）的一端与底座（1）相连，所述柱身（2）包括由均匀设置的至少四个支撑单元（3）围合形成的中空柱体以及灌注在柱体中空部的混凝土柱（4），相邻支撑单元（3）之间设置为榫铆插层结构，所述支撑单元（3）的横截面呈圆弧形，所述支撑单元（3）的两端设置有榫卯插层接口，支撑单元（3）的外表面的两端设置有锚固肋（5），相邻支撑单元（3）相近端的锚固肋（5）相接触形成肋单元（6），相邻肋单元（6）之间采用多层沿柱体圆周方向设置的碳纤维板（7）进行锚固，纵向相邻的碳纤维板（7）错位设置。
2.根据权利要求1所述的拼接式预应力碳纤维板承重柱，其特征在于，所述锚固肋（5）中部设置有用于穿插碳纤维板（7）的预留插孔，所述碳纤维板（7）两端穿过肋单元（6）并通过锚具（8）与支撑单元（3）连接固定。
3.根据权利要求2所述的拼接式预应力碳纤维板承重柱，其特征在于，所述锚具（8）中部沿垂直于碳纤维板（7）的方向设置有预留螺栓孔（81），所述锚具（8）通过高强度螺栓（82）将碳纤维板（7）和支撑单元（3）固定。
4.根据权利要求1或2或3所述的拼接式预应力碳纤维板承重柱，其特征在于，所述碳纤维板（7）采用后张法无粘接预应力碳纤维板。
5.根据权利要求1所述的拼接式预应力碳纤维板承重柱，其特征在于，相邻支撑单元（3）之间无缝拼接。
6.根据权利要求1所述的拼接式预应力碳纤维板承重柱，其特征在于，所述混凝土柱（4）采用高流态自密实混凝土。
7.根据权利要求6所述的拼接式预应力碳纤维板承重柱，其特征在于，所述高流态自密实混凝土为由水泥、粗细集料和随机分布的短切碳纤维组合而成的复合材料。
8.根据权利要求6或7所述的拼接式预应力碳纤维板承重柱，其特征在于，所述高流态自密实混凝土的塌落度为20-22cm，高流态自密实混凝土的强度不低于C40。
9.根据权利要求1所述的拼接式预应力碳纤维板承重柱，其特征在于，所述支撑单元（3）和底座（1）采用树脂基碳纤维复合材料RTM一体化成型工艺。
10.根据权利要求1所述的拼接式预应力碳纤维板承重柱，其特征在于，所述底座（1）和柱身（2）通过法兰固定连接。
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