CN107905215A - 一种用于海洋环境的纤维复合桩及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海洋工程中的桩基础结构,具体涉及一种用于海洋环境的纤维复合桩及其制备方法;该复合桩包括桩身和桩尖,复合桩内设置有FRP筋笼,所述FRP筋笼包括桩身FRP筋笼和桩尖FRP筋笼,飞溅区黏贴有2层FRP布,FRP布与桩身纵向轴线呈0~90°角;本发明还提供一种用于海洋环境的纤维复合桩制备方法,首先制作纤维复合桩模板,绑扎FRP筋笼,然后浇筑混凝土,养护,接着打磨飞溅区,涂刷底层树脂,找平处理,涂抹漫渍树脂,并在FRP布上涂抹黏结树脂,最后黏贴FRP布;本发明中的纤维复合桩具有延展性好、耐久性能好,自重轻等优点,可应用于桥梁、港口工程中。
Description
技术领域
本发明涉及一种海洋工程中的桩基础结构,具体涉及一种用于海洋环境的纤维复合桩及其制备方法。
技术背景
随着我国经济的快速发展,我国先后建设了多座跨海大桥,对当地的经济和社会发展具有深远的意义。但是在海洋环境下,因为腐蚀造成的混凝土裂缝和钢筋的锈蚀会对结构的安全造成巨大的威胁。海水中含有大量的氯盐,氯离子是造成钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀的主要原因。同时混凝土的碳化也会造成钢筋的锈蚀。混凝土是由水泥和粗骨料拌和而成,在海洋环境下,混凝土经受冻融循环破坏,会造成表面的开裂和剥落。桩基础在海洋环境下,按照腐蚀环境的不同,可以分为海洋大气区、飞溅区(或飞沫区)、潮差区、全浸区和海底土壤区五部分。飞溅区因为受到海水波浪的冲击,同时空气中氧气含量充足,在干湿交替和离子腐蚀各种因素的综合作用下,腐蚀最严重。
目前提高跨海大桥桩基础耐久性的方法主要有:①使用高性能混凝土,添加优质掺合料;②合理的钢筋保护层,保护层越厚,氯离子扩散到钢筋的距离就越远,但是影响结构力学性能的发挥;③在钢筋表面喷涂环氧涂层,隔绝氯离子。但是喷涂环氧涂层的钢筋在施工中极易发生损伤,对施工条件要求较高;④使用钢筋阻锈剂,提高对钢筋的保护能力;⑤外加电流阴极防护,采用了外加电流阴极防护系统,提高钢筋的耐久性。
另外在海洋环境下的桩基础,既要承担上部结构传递下来的竖向荷载,又要承载海水波浪冲击带来的水平荷载,因此需要一种既能提高竖向承载力,又能提高抗弯刚度,增加水平承载的桩基础。
发明内容
鉴于现有技术的不足,本发明提供一种用于海洋环境的纤维复合桩及其制备方法。本发明根据FRP材料高强度、耐腐蚀的特性,使用FRP受力筋代替钢筋,同时在飞溅区包裹FRP布,来弥补FRP受力筋弹性模量低以及在荷载作用下挠度过大的缺点。
本发明提供一种用于海洋环境的纤维复合桩,包括桩身和桩尖,所述复合桩内设置有FRP筋笼,所述FRP筋笼包括桩身FRP筋笼和桩尖FRP筋笼,所述桩身FRP筋笼包括直径为20~25mm的FRP受力筋和直径为6~10mm的FRP箍筋,所述桩尖FRP筋笼包括直径为16mm的FRP受力筋和直径为6~10mm的FRP箍筋,飞溅区黏贴有2层FRP布,所述FRP布与桩身纵向轴线呈0~90°角。
进一步地,所述桩身和桩尖的基体材料为混凝土。
进一步地,所述FRP受力筋为表面带有螺纹的FRP棒材。
进一步地,所述FRP筋笼内还布设有桩顶FRP加密筋笼,所述桩顶FRP加密筋笼由直径8mm、“ㄇ”形FRP加密筋垂直交叉布设形成。
本发明还提供一种用于海洋环境下的纤维复合桩的制备方法,包括以下步骤:
步骤1:制作纤维复合桩模板;
步骤2:首先制作FRP筋笼:在直径为20~25mm的FRP受力筋上绑扎直径为6~10mm的FRP箍筋,制成桩身FRP筋笼,在直径为16mm的FRP受力筋上绑扎直径为6~10mm的FRP箍筋,制成桩尖FRP筋笼;然后在FRP筋笼外设置50~100mm的混凝土保护层;
步骤3:把FRP筋笼放到纤维复合桩模板中,然后浇筑混凝土;
步骤4:混凝土浇筑完成并养护28d后,去除飞溅区表面浮浆,并将飞溅区表面打磨平整;
步骤5:在飞溅区表面涂刷底层树脂;
步骤6:对飞溅区表面凹陷部位用找平材料填补平整;
步骤7:在飞溅区表面涂抹漫渍树脂;
步骤8:把黏结树脂均匀地涂抹到FRP布上,将涂好黏结树脂的FRP布按照与桩身纵向轴线呈0~90°角黏贴于飞溅区,并顺纤维方向平稳压实。
进一步地,步骤2中还包括将直径8mm、“ㄇ”形FRP加密筋垂直交叉布设形成桩顶FRP加密筋笼,然后将桩顶FRP加密筋笼布设在桩身FRP筋笼内。
进一步地,步骤4中混凝土浇筑完成并养护28d后,还包括在桩身两侧安置张拉器具,预先张拉FRP布;步骤8中还包括在FRP布和混凝土完全黏结之后,去掉桩身两侧的张拉器具。
进一步地,还包括飞溅区黏贴的FRP布为2层。
本发明与现有技术相比,取得以下改进技术效果:
1、在荷载作用下,桩身混凝土发生裂缝时,FRP布和防水的黏结层可以隔离开桩身混凝土和海水等极端环境,防止混凝土发生冻融循环破坏。另外FRP受力筋也具有良好的耐腐蚀效应。
2、在桩基础外围包裹FRP布,海水中离子向FRP布内部的扩散符合Fick第二定律。桩基础外围包裹单层的FRP布可以在30年内防止海水中的离子扩散到桩基础内部。目前我国跨海大桥的使用年限一般为100至120年,在桩身腐蚀最严重的飞溅区包裹双层FRP布,可以在60年内防止海水中的离子扩散到桩基础混凝土表面。再根据FRP复合桩的具体使用环境,按照《水工混凝土施工规范》设置合理的保护层厚度,完全可以达到要求的使用年限。
3、受到水平荷载时,纤维复合桩通过在桩身包裹的FRP布,实现FRP受力筋、FRP布和桩身混凝土三者共同受力,减小FRP受力筋承担的荷载,有效提高水平承载力。
4、本发明中FRP布与桩身纵向轴线的角度为0~90°,可以满足不同竖向承载力和水平承载力的需求,即使在FRP布与桩身纵向轴线的角度为0°或者90°时,因为FRP布的纤维走向与FRP布长度方向呈一定角度,也可以提供水平承载力或竖向承载力。
5、本发明通过FRP受力筋和FRP布的共同使用,克服了FRP材料弹性模量小,在荷载作用下,变形较大的缺点,提高FRP材料使用中的延性,充分发挥材料的性能。
6、纤维复合桩可以根据工程的质量要求和工程造价,灵活选用合适的纤维材料,如碳纤维聚合物(CFRP),玻璃纤维聚合物(GFRP),芳纶纤维聚合物(AFRP),玄武岩纤维聚合物(BFRP)。
7、通过张拉桩身包裹的FRP布形成预应力纤维复合桩,使纤维复合桩在受到荷载作用之前,就已经发挥其一部分的材料性能,最大限度地提高纤维复合桩的抗弯刚度,提高纤维复合桩的水平承载力。
附图说明
图1是纤维复合桩立面图。
图2是方形纤维复合桩飞溅区横截面图。
图3是方形纤维复合桩立面图。
图4是方形纤维复合桩桩顶FRP加密筋笼示意图。
图5是圆形纤维复合桩飞溅区横截面图。
图6是环形纤维复合桩飞溅区横截面图。
图7是纤维复合桩内FRP受力筋纵截面图。
图8是飞溅区FRP布黏贴示意图。
附图中标号为:1为混凝土,2为桩顶FRP加密筋笼,21为FRP加密筋,3为FRP筋笼,31为FRP受力筋,32为FRP箍筋,33为FRP加密筋,4为FRP布,5为混凝土保护层,6为海洋大气区,7为飞溅区,8为潮差区,9为全浸区,10为海底土壤区。
具体实施方式:
下面结合附图1~8和具体实施方式对本发明进一步说明。
实施例1
一种方形纤维复合桩的制备,包括以下步骤:
步骤1:制作桩身长19.3m、桩尖长0.7m、桩身横截面为边长0.45m的正方形的纤维复合桩模板;
步骤2:首先制作FRP筋笼:使用8根直径为20mm的FRP受力筋作为桩身的受力筋,依次在8根FRP受力筋和复合桩立面中间4根FRP受力筋上绑扎直径为6~10mm的FRP箍筋,如图2所示,制成桩身FRP筋笼;在8根直径为16mm的FRP受力筋上绑扎直径为6mm的FRP箍筋,制成桩尖FRP筋笼;然后将直径8mm、“ㄇ”形FRP加密筋在桩顶垂直交叉布设形成桩顶FRP加密筋笼,如图3~4所示,FRP加密筋之间间距为40mm,FRP加密筋水平方向长360mm,垂直方向长280mm,将桩顶FRP加密筋笼布设在桩身FRP筋笼内,使其顶部与FRP受力筋处于同一平面;
如图3所示,桩身FRP筋笼的FRP受力筋上端560mm长的部分绑扎的FRP箍筋直径为10mm,间距为70mm,接着1000mm长的FRP受力筋上绑扎的FRP箍筋直径为8mm,间距为100mm,然后16800mm长的FRP受力筋上绑扎的FRP箍筋直径为8mm,间距为200mm,最下端1000mm长的FRP受力筋上绑扎的FRP箍筋直径为6mm,间距为100mm;桩尖FRP筋笼的FRP箍筋直径为6mm,间距为50mm;
然后在FRP筋笼外设置50mm混凝土保护层,使纤维桩的力学性能充分发挥;
步骤3:把FRP筋笼放到纤维复合桩模板中,然后浇筑混凝土;
步骤4:混凝土浇筑完成并养护28d后,对飞溅区表面进行处理,去除表面浮浆,并将表面打磨平整;
步骤5:用滚筒刷将底层树脂均匀地涂刷在飞溅区表面;
步骤6:对飞溅区表面凹陷部位用找平材料填补平整、无棱角;
步骤7:在飞溅区表面均匀涂抹漫渍树脂;
步骤8:把黏结树脂均匀地涂抹到FRP布上,将涂好黏结树脂的FRP布按照与桩身纵向轴线呈60°角黏贴于飞溅区,FRP布黏贴2层,用橡皮滚筒顺纤维方向平稳压实。
实施例2
一种圆形纤维复合桩的制备,包括以下步骤:
步骤1:制作桩身长19.3m、桩尖长0.7m、桩身横截面为直径0.6m的圆形的纤维复合桩模板;
步骤2:首先制作FRP筋笼:如图5所示,在8根直径为22mm的FRP受力筋上绑扎直径为6~10mm的FRP箍筋,制成桩身FRP筋笼;在8根直径为16mm的FRP受力筋上绑扎直径为6mm的FRP箍筋,制成桩尖FRP筋笼;
桩身FRP筋笼的FRP受力筋上端560mm长的部分绑扎的FRP箍筋直径为10mm,间距为70mm,接着1000mm长的FRP受力筋上绑扎的FRP箍筋直径为8mm,间距为100mm,然后16800mm长的FRP受力筋上绑扎的FRP箍筋直径为8mm,间距为200mm,最下端1000mm长的FRP受力筋上绑扎的FRP箍筋直径为6mm,间距为100mm;桩尖FRP筋笼的FRP箍筋直径为6mm,间距为50mm;
然后在FRP筋笼外设置50mm混凝土保护层,使纤维桩的力学性能充分发挥;
步骤3:把FRP筋笼放到纤维复合桩模板中,然后浇筑混凝土;
步骤4:混凝土浇筑完成并养护28d后,对飞溅区表面进行处理,去除表面浮浆,并将表面打磨平整;
步骤5:用滚筒刷将底层树脂均匀地涂刷在飞溅区表面;
步骤6:对飞溅区表面凹陷部位用找平材料填补平整、无棱角;
步骤7:在飞溅区表面均匀涂抹漫渍树脂;
步骤8:把黏结树脂均匀地涂抹到FRP布上,将涂好黏结树脂的FRP布按照与桩身纵向轴线呈45°角黏贴于飞溅区,FRP布黏贴2层,用橡皮滚筒顺纤维方向平稳压实。
实施例3
一种环形纤维复合桩的制备,包括以下步骤:
步骤1:制作桩身长19.3m、桩尖长0.7m、桩身横截面为环形的纤维复合桩模板,其中外环直径为0.6m,内环直径为0.3m;
步骤2:首先制作FRP筋笼:如图6所示,在8根直径为25mm的FRP受力筋上绑扎直径为6~10mm的FRP箍筋,制成桩身FRP筋笼;在8根直径为16mm的FRP受力筋上绑扎直径为6mm的FRP箍筋,制成桩尖FRP筋笼;
桩身FRP筋笼的FRP受力筋上端560mm长的部分绑扎的FRP箍筋直径为10mm,间距为70mm,接着1000mm长的FRP受力筋上绑扎的FRP箍筋直径为8mm,间距为100mm,然后16800mm长的FRP受力筋上绑扎的FRP箍筋直径为8mm,间距为200mm,最下端1000mm长的FRP受力筋上绑扎的FRP箍筋直径为6mm,间距为100mm;桩尖FRP筋笼的FRP箍筋直径为6mm,间距为50mm;
然后在FRP筋笼外设置50mm混凝土保护层,使纤维桩的力学性能充分发挥;
步骤3:把FRP筋笼放到纤维复合桩模板中,然后浇筑混凝土;
步骤4:混凝土浇筑完成并养护28d后,对飞溅区表面进行处理,去除表面浮浆,并将表面打磨平整;
步骤5:用滚筒刷将底层树脂均匀地涂刷在飞溅区表面;
步骤6:对飞溅区表面凹陷部位用找平材料填补平整、无棱角;
步骤7:在飞溅区表面均匀涂抹漫渍树脂;
步骤8:把黏结树脂均匀地涂抹到FRP布上,将涂好黏结树脂的FRP布按照与桩身纵向轴线呈90°角黏贴于飞溅区,FRP布黏贴2层,用橡皮滚筒顺纤维方向平稳压实。
实施例4
一种方形纤维复合桩的制备,制备过程中与实施例1不同之处在于:
步骤2中所述混凝土保护层为75mm;
步骤8中所述FRP布按照与桩身纵向轴线呈75°角黏贴于飞溅区;
其它均与实施例1均相同。
实施例5
一种方形纤维复合桩的制备,制备过程中与实施例1不同之处在于:
步骤2中所述混凝土保护层为100mm;
步骤8中所述FRP布按照与桩身纵向轴线呈75°角黏贴于飞溅区;
其它均与实施例1相同。
实施例6
一种预应力方形纤维复合桩的制备,制备过程中与实施例1不同之处在于:
步骤4中混凝土浇筑完成并养护28d后,还包括在桩身两侧安置张拉器具,预先张拉将要黏贴在飞溅区的FRP布;
步骤8中所述飞溅区黏贴1层FRP布,还包括在FRP布和桩身混凝土完全黏结之后,去掉桩身两侧的张拉器具。
FRP材料的弹性模量较低,当应变较大时,才能充分发挥其性能;预应力纤维复合桩通过预先给在桩身包裹的FRP布一个预加的应力,使FRP材料在纤维复合桩在受到荷载之前,已经产生一定的应变;当桩身受到荷载作用时,能够充分发挥材料的性能,并能最大限度的提高纤维复合桩的抗弯刚度;当设计的桩需要承担较大的水平荷载时,可以选择预应力纤维复合桩;
其它均与实施例1相同。
实施例7
一种预应力圆形纤维复合桩的制备,制备过程中与实施例2不同之处在于:
步骤4中混凝土浇筑完成并养护28d后,还包括在桩身两侧安置张拉器具,预先张拉将要黏贴在飞溅区的FRP布;
步骤8中还包括在FRP布和桩身混凝土完全黏结之后,去掉桩身两侧的张拉器具;
其它均与实施例2相同。
实施例8
一种预应力环形纤维复合桩的制备,制备过程中与实施例3不同之处在于:
步骤4中混凝土浇筑完成并养护28d后,还包括在桩身两侧安置张拉器具,预先张拉将要黏贴在飞溅区的FRP布;
步骤8中还包括在FRP布和桩身混凝土完全黏结之后,去掉桩身两侧的张拉器具;
其它均与实施例3相同。
实施例9
一种预应力方形纤维复合桩的制备,制备过程中与实施例6不同之处在于:
步骤8中所述FRP布按照与桩身纵向轴线呈0°角黏贴于飞溅区;
其它均与实施例6相同。
实施例10
一种预应力方形纤维复合桩的制备,制备过程中与实施例6不同之处在于:
步骤8中所述FRP布按照与桩身纵向轴线呈75°角黏贴于飞溅区,所述飞溅区黏贴2层FRP布;
其它均与实施例6相同。
以上所述之实施例,只是本发明的较佳实施例而已,仅仅用以解释本发明,并非限制本发明实施范围,对于本技术领域的技术人员来说,当然可根据本说明书中所公开的技术内容,通过置换或改变的方式轻易做出其它的实施方式,故凡在本发明的原理及工艺条件所做的变化和改进等,均应包括于本发明申请专利范围内。
Claims (8)
1.一种用于海洋环境的纤维复合桩,包括桩身和桩尖,其特征在于,所述复合桩内设置有FRP筋笼,所述FRP筋笼包括桩身FRP筋笼和桩尖FRP筋笼,所述桩身FRP筋笼包括直径为20~25mm的FRP受力筋和直径为6~10mm的FRP箍筋,所述桩尖FRP筋笼包括直径为16mm的FRP受力筋和直径为6~10mm的FRP箍筋,飞溅区黏贴有2层FRP布,所述FRP布与桩身纵向轴线呈0~90°角。
2.根据权利要求1所述的复合桩,其特征在于,所述桩身和桩尖的基体材料为混凝土。
3.根据权利要求1所述的复合桩,其特征在于,所述FRP受力筋为表面带有螺纹的FRP棒材。
4.根据权利要求1所述的复合桩,其特征在于,所述FRP筋笼内还布设有桩顶FRP加密筋笼,所述桩顶FRP加密筋笼由直径8mm、“ㄇ”形FRP加密筋垂直交叉布设形成。
5.一种用于海洋环境的纤维复合桩的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:制作纤维复合桩模板;
步骤2:首先制作FRP筋笼:在直径为20~25mm的FRP受力筋上绑扎直径为6~10mm的FRP箍筋,制成桩身FRP筋笼,在直径为16mm的FRP受力筋上绑扎直径为6~10mm的FRP箍筋,制成桩尖FRP筋笼;然后在FRP筋笼外设置50~100mm的混凝土保护层;
步骤3:把FRP筋笼放到纤维复合桩模板中,然后浇筑混凝土;
步骤4:混凝土浇筑完成并养护28d后,去除飞溅区表面浮浆,并将飞溅区表面打磨平整;
步骤5:在飞溅区表面涂刷底层树脂;
步骤6:对飞溅区表面凹陷部位用找平材料填补平整;
步骤7:在飞溅区表面涂抹漫渍树脂;
步骤8:把黏结树脂均匀地涂抹到FRP布上,将涂好黏结树脂的FRP布按照与桩身纵向轴线呈0~90°角黏贴于飞溅区,并顺纤维方向平稳压实。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,步骤2中还包括将直径8mm、“ㄇ”形FRP加密筋垂直交叉布设形成桩顶FRP加密筋笼,然后将桩顶FRP加密筋笼布设在桩身FRP筋笼内。
7.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,步骤4中混凝土浇筑完成并养护28d后,还包括在桩身两侧安置张拉器具,预先张拉FRP布;步骤8中还包括在FRP布和混凝土完全黏结之后,去掉桩身两侧的张拉器具。
8.根据权利要求5~7任一所述方法,其特征在于,还包括飞溅区黏贴的FRP布为2层。
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