CN107503470A - 一种预应力frp套筒frp筋海砂海水膨胀混凝土组合柱 - Google Patents

一种预应力frp套筒frp筋海砂海水膨胀混凝土组合柱 Download PDF

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Abstract

本发明涉及建筑、桥梁及港口工程领域,一种预应力FRP套筒FRP筋海砂海水膨胀混凝土组合柱,包括外部的FRP套筒和内部的FRP筋海砂海水膨胀混凝土,所述FRP套筒将海砂海水膨胀混凝土包裹,由混凝土的膨胀和FRP的约束在FRP套筒和混凝土中产生自应力,在靠近海砂海水膨胀混凝土组合柱的周边安放有均匀分布的FRP纵筋,并贯穿于海砂海水膨胀混凝土的顶部至底部,再从外侧围绕着FRP纵筋沿组合柱顶部至底部按相同间隔与螺旋角度绑扎FRP螺旋箍筋。本发明通过膨胀混凝土的微膨胀来实现在FRP套筒产生预拉应力,有效提高组合柱的轴向极限承载力,再利用海砂替代河砂、海水替代淡水、FRP筋替代钢筋的方式,提高了组合柱的性能之余,还打破了海砂海水不适宜用于实际工程的局限,对保护生态环境起到积极的作用。

Description

一种预应力FRP套筒FRP筋海砂海水膨胀混凝土组合柱
技术领域
本发明涉及一种预应力FRP套筒FRP筋海砂海水膨胀混凝土组合柱,属于建筑、桥梁及港口工程领域。
背景技术
近年来全国各地城市化速度加快,河砂的过度开采已对河流、土壤、地下水等的生态环境造成了严重破坏。因此,利用海砂代替河砂作为建筑用砂生产混凝土成为了人们关注的话题,海砂海水混凝土的出现是充分利用海洋资源的契机,其应用可推动沿海地区的经济发展。由于海砂海水中含有会严重腐蚀钢筋的氯离子,可能造成结构整体承载力下降甚至导致房屋坍塌工程事故,这些原因制约着海砂海水不能得到进一步的资源化利用。
20世纪末,随着国际市场纤维价格的大幅度降低,纤维增强复合材料(FRP)逐渐引起土木工程学者们的关注。与传统材料相比,纤维材料具有抗拉强度高,抗腐蚀性和耐久性好,自重轻,施工便捷等优点,且热膨胀系数与混凝土相近,变形能力强。FRP筋由多股玄武岩纤维与树脂基体材料结合,经挤压、拉拔成型等形成,抗拉强度明显高于钢筋,且其粘结性、耐热性及抗腐蚀性等物理力学性能优越,可以用来代替混凝土结构中的普通钢筋。基于FRP 筋对氯离子环境的极不敏感的特性,可以显著地提高混凝土材料的耐腐蚀性能,从而极大改变了混凝土材料一直不能利用海砂作为骨料的局限。采用海砂替代河砂、海水替代淡水、FRP 筋替代钢筋的高性能FRP筋海砂海水混凝土材料及结构体系具有广阔的应用前景。
对于柱构件中箍筋的构造方式,若采用单片箍筋,其约束效应有限,每个箍筋末端的锚固弯钩或焊接点很容易在混凝土开裂后拉直崩开。单片箍筋的安装和弯曲是一个非常耗时的工作,这些工作占去最终工程成本的很大一部分。且单片箍筋多为人工绕制,往往会出现大量的尺寸偏差,这些偏差同样会造成钢筋的浪费。
对于普通钢管混凝土构件,如果直接利用海砂,海砂中的氯离子会对钢管产生腐蚀作用,影响构件的整体耐久性,因此考虑用FRP套筒代替钢管。而FRP套管对混凝土的作用是一种被动的约束,FRP套筒的约束作用只有在混凝土受压膨胀甚至产生微裂缝之后才能发挥出来, FRP套筒约束作用的滞后性无疑也限制了FRP套筒的使用。
综上,海洋资源契机的利用无疑是不容易的,如何结合各材料的性能或构造方式的优势,把它们组合起来,这正是本发明的出发点所在。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:克服上述问题,提供一种可利用海砂海水作为拌合物,增加箍筋的约束效应,消除FRP套筒约束作用滞后性的混凝土柱结构。
为了实现上述目的,本发明提供一种预应力FRP套筒FRP筋海砂海水膨胀混凝土组合柱。所述的预应力FRP套筒与海砂海水膨胀混凝土,主要是想利用浇筑在FRP套筒里的海砂海水膨胀混凝土因体积膨胀产生的内压力,使得FRP套筒产生环向拉应力,从而使得FRP套筒在混凝土柱没有新增加外荷载的情况下就参加约束混凝土的工作。这样可以有效减少FRP套筒同约束混凝土之间的应变滞后值,从而使FRP套筒更早、更快、更好地约束核心混凝土,有效地发挥高强FRP的抗拉力学性能。
所述的海砂海水的采用是为了节约河砂资源,由于海砂海水中含有会严重腐蚀钢筋的氯离子,而FRP筋抗拉强度明显高于钢筋,且其粘结性、耐热性及抗腐蚀性等物理力学性能优越,有自重轻、施工便捷、热膨胀系数与混凝土相近、变形能力强等优点,因此采用FRP筋代替钢筋参与工作。FRP筋笼由FRP螺旋箍筋与FRP纵筋组成,FRP筋代替原来的钢筋,不仅使组合柱的性能更优越,而且打破了海砂海水不适宜用于实际工程的局限。
所述预应力FRP套筒FRP筋海砂海水膨胀混凝土组合柱截面选自圆形、矩形或正方形的一种。
所述预应力FRP套筒选自CFRP套筒、GFRP套筒、BFRP套筒或AFRP套筒的一种。
所述FRP筋即FRP纵筋与FRP螺旋箍筋选自CFRP筋、GFRP筋、BFRP筋或AFRP筋的一种。
所述FRP螺旋箍筋即从外侧围绕着FRP纵筋沿组合柱顶部至底部按相同间距与螺旋角度绑扎的旋转式的FRP筋,FRP螺旋箍筋与水平方向夹角限制在25°至45°之间,螺旋箍筋间距不应大于80mm及箍筋内表面核心截面直径的五分之一,且不宜小于40mm。
本发明的有益效果是:通过膨胀混凝土的微膨胀来实现在FRP套筒产生预拉应力,这样可使FRP套筒在补强混凝土柱时由通常的被动约束转变为主动约束,有效提高FRP套筒补强柱子轴向极限承载力的幅度,并且通过高压泵灌注膨胀混凝土的施工技术使预应力FRP套筒在加固工程中的应用成为可能,对提高FRP的利用率和实际工程的相关加固有一定的指导意义。利用FRP筋对氯离子环境的极不敏感的特性,采取海砂替代河砂、海水替代淡水、FRP 筋替代钢筋的办法,提高了组合柱的性能之余,还打破了海砂海水不适宜用于实际工程的局限,对海洋资源的充分利用、保护生态环境起到积极的作用。另外,箍筋采用螺旋箍筋的形式比单片箍筋减少大量锚固弯钩,节约箍筋量;螺旋箍筋可以用机械完成制作,这将减少大量的尺寸偏差以及节约单片箍筋安装和弯曲工序需要的大量人工;螺旋箍筋可以垂直斜裂缝布置,对于抗剪、抗扭效果明显优于单片箍筋,有利于约束斜裂缝的开展。
附图说明
图1是本发明横向截面示意图。
图2是本发明纵向截面大样图。
图中:1、FRP套筒,2、海砂海水膨胀混凝土,3、FRP纵筋,4、FRP螺旋箍筋。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示,一种预应力FRP套筒FRP筋海砂海水膨胀混凝土组合柱,包括外部的FRP 套筒1和内部的海砂海水膨胀混凝土2,所述FRP套筒1将海砂海水膨胀混凝土2包裹,由混凝土的膨胀和FRP的约束在FRP套筒和混凝土中产生预应力,所述预应力FRP套筒FRP 筋海砂海水膨胀混凝土组合柱的截面选自圆形、矩形或正方形中的一种,所述FRP套筒1选自CFRP套筒、GFRP套筒、BFRP套筒或AFRP套筒的一种。
如图1和图2所示,在靠近海砂海水膨胀混凝土2的周边安放有均匀分布的FRP纵筋3,并贯穿于海砂海水膨胀混凝土2的顶部至底部,用于增强构件的抗弯能力。再从外侧围绕着 FRP纵筋3沿组合柱顶部至底部按相同间距与螺旋角度绑扎FRP螺旋箍筋4,FRP螺旋箍筋4与水平方向夹角限制在25°至45°之间,螺旋箍筋间距不应大于80mm及箍筋内表面核心截面直径的五分之一,且不宜小于40mm。
下面列举本发明的一个优选实施例。如图1和图2所示,在壁厚5mm、内径250mm及高1000mm的圆柱形BFRP套筒内浇筑海砂海水膨胀混凝土,组合柱的纵向受力筋配置8根Φ12的BFPR筋,箍筋采用6mm的BFRP螺旋箍筋,箍筋与水平方向夹角为30°,螺旋箍筋间距为40mm。在BFRP套筒内浇筑膨胀混凝土时,注意边浇筑边采用振捣棒振捣。为保证混凝土的密实度,避免出现空洞等缺陷,浇筑速度不宜太快,每次混凝土的抛落量在0.02m3,振捣时快插慢拔,插入点沿管平面呈三角形分布,插入时应超过前段已浇混凝土高度的三分之二,振捣时间不少于30s。在BFRP套筒的约束作用下,套筒对核心混凝土形成三维约束,核心混凝土在三向压应力作用下,强度、弹性模量提高,塑性、韧性也大大改善,而且随着侧向压力的增大,性能改善得更加明显;另外膨胀混凝土浇筑后自身的体积膨胀也会产生内压力,使得套筒产生环向拉应力,从而有效减少套筒和约束混凝土之间的应变滞后值,使套筒更早、更快、更好地约束核心混凝土,有效地发挥BFRP的抗拉力学性能。
以上所述仅为本发明的一个优选实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是在本发明的发明构思下,利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换,直接或间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种预应力FRP套筒FRP筋海砂海水膨胀混凝土组合柱,包括组合柱外部的FRP套筒以及内部的FRP筋和海砂海水膨胀混凝土,其特征在于:所述FRP套筒将海砂海水膨胀混凝土包裹,由混凝土的膨胀和FRP的约束在FRP套筒和膨胀混凝土中产生自应力,所述海砂海水膨胀混凝土中安放有贯穿于膨胀混凝土的顶部至底部均匀分布的FRP纵筋以及从外侧围绕着FRP纵筋沿组合柱顶部至底部按相同间距与螺旋角度绑扎的FRP螺旋箍筋,螺旋箍筋与水平方向夹角限制在25°至45°之间,螺旋箍筋间距不应大于80mm及箍筋内表面核心截面直径的五分之一,且不宜小于40mm。
2.根据权利要求1所述的一种预应力FRP套筒FRP筋海砂海水膨胀混凝土组合柱,其特征在于:所述预应力FRP套筒FRP筋海砂海水膨胀混凝土组合柱的截面形状选自圆形、矩形或正方形的一种。
3.根据权利要求1所述的一种预应力FRP套筒FRP筋海砂海水膨胀混凝土组合柱,其特征在于:所述预应力FRP套筒选自CFRP套筒、GFRP套筒、BFRP套筒或AFRP套筒的一种。
4.根据权利要求1所述的一种预应力FRP套筒FRP筋海砂海水膨胀混凝土组合柱,其特征在于:所述FRP筋即FRP纵筋与FRP螺旋箍筋选自CFRP筋、GFRP筋、BFRP筋或AFRP筋的一种。
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