CN108086594A - 一种纤维复合钢空腹式角钢海洋骨料混凝土方柱及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及承重构件技术领域，具有是一种纤维复合钢空腹式角钢海洋骨料混凝土方柱及其制作方法，包括箍筋、角钢骨架、海洋骨料混凝土及模具，所述箍筋设有纵筋，所述箍筋与所述纵筋构成一钢筋笼体，所述角钢骨架位于所述钢筋笼体截面形心位置，所述角钢骨架包括角钢及型钢腹板，两角钢之间通过所述型钢腹板连接，箍筋、纵筋、角钢及型钢腹板包裹有FRP纤维布，模具用于对构件进行所述海洋骨料混凝土浇筑定型，本发明还揭示了一种纤维复合钢空腹式角钢海洋骨料混凝土方柱的制作方法。本发明能够适用于临海区、海洋岛礁区等海洋腐蚀性环境区域及适用于对构件强度高、抗震性能较好的地区，而且有耐蚀性高及承载力大的优点。

Description

一种纤维复合钢空腹式角钢海洋骨料混凝土方柱及其制作 方法

技术领域

本发明涉及承重构件技术领域，具有是一种纤维复合钢空腹式角钢海洋骨料混凝土方柱及其制作方法。

背景技术

随当今我国社会的不断高速发展，以及建筑工程领域技术的不断革新，土木建筑行业发展越来越迅速，随之而来的是对新材料开发的极度需求。近年来，海洋开发及海洋权益的争夺逐渐白热化，包括军事防护在内的海洋工程建设日益增多，混凝土作为结构的组成部分，对工程建设起着不可或缺的作用，大量的河沙石块被开采，资源日益短缺，我们急需找到更多代替材料来改善我们现存的问题。相比于传统河沙石子，海洋骨料具有存储量大、分布范围广等优点，且在岛礁建设中，利用传统建设材料运输成本非常昂贵，故进行海洋骨料混凝土的研究和开发，可以实现就地取材、降低成本、缩短工期，这对我国海洋工程的进一步建设有重要意义。

型钢混凝土结构最早起源于欧美，随后在日本得到大力发展，但是在我国还属于新型结构体系，它能充分发挥钢材与混凝土两种材料优点，具有承载力高、刚度大、延性和耗能性能好等优势，近年来多用于大跨重载结构或高层、超高层建筑中。将型钢混凝土结构与新材料结合，可有效减小构件截面尺寸、节约材料成本、提高劳动生产率，可以取得良好的经济效益和社会效益。

FRP(Fiber Reinforced Polymer,简称FRP)是一种新型纤维增强复合材料，由碳纤维材料和树脂基体材料按一定比例混合形成的高性能材料，具有轻质、高强、绝缘、耐腐蚀等优点，但也存在脆性大、抗火性能略差等缺点。现有FRP材料在达到抗拉强度几乎没有塑性变形产生，受拉时应力-应变曲线呈直线上升直至断裂，故FRP复合材料与混凝土协同工作时，大部分破坏都是由于FRP与混凝土相接界面处强度不足而导致的界面剥离破坏。由于海水中的氯离子含量较高，构件置于海水时，容易出现锈蚀。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种纤维复合钢空腹式角钢海洋骨料混凝土方柱及其制作方法，能够适用于临海区、海洋岛礁区等海洋腐蚀性环境区域及适用于对构件强度高、抗震性能较好的地区，而且有耐蚀性高及承载力大的优点。

为了实现上述目的，本发明的采用的技术方案为：

一种纤维复合钢空腹式角钢海洋骨料混凝土方柱，包括箍筋、角钢骨架及海洋骨料混凝土，所述箍筋为双肢箍并设有纵筋，所述箍筋与所述纵筋构成一钢筋笼体，所述角钢骨架位于所述钢筋笼体截面形心处，所述角钢骨架包括角钢及型钢腹板，两所述角钢之间通过所述型钢腹板连接，所述箍筋、所述纵筋、所述角钢及所述型钢腹板包裹有若干层FRP纤维布，所述海洋骨料混凝土浇筑在所述箍筋、所述纵筋及所述角钢骨架上。

进一步地，所述型钢腹板包括水平腹杆及斜腹板，所述水平腹杆及所述斜腹板两端分别与两所述角钢以焊接固定。

进一步地，所述FRP纤维布通过环氧树脂系胶结剂与所述箍筋、所述纵筋及所述角钢骨架粘接。

进一步地，所述FRP纤维布之间通过环氧树脂系胶结剂粘接。

进一步地，还包括模具，所述箍筋、所述纵筋及所述角钢骨架置于所述模具内，所述模具用于对构件进行浇筑定型。

进一步地，所述海洋骨料混凝土由硫酸镁水泥、粗骨料、细骨料、矿渣、粉煤灰、海水及减水剂混合而成。

进一步地，其制作方法包括下述步骤，

1)通过所述环氧树脂系胶结剂将所述FRP纤维布逐层粘接在所述箍筋、所述纵筋、所述角钢及所述型钢腹板上，所述FRP纤维布间通过环氧树脂系胶结剂进行粘接；

2)将经步骤1)处理的所述箍筋及所述纵筋固定绑扎成钢筋笼体，将经步骤1)处理的角钢及型钢腹板焊接成所述角钢骨架；

3)将步骤2)的所述钢筋笼体及所述角钢骨架置于所述模具内，所述角钢骨架位于所述钢筋笼体的形心，将由所述硫酸镁水泥、所述粗骨料、所述细骨料、所述海水及所述减水剂搅拌制得的所述海洋骨料混凝土浇筑入所述模具内，浇筑成型后带所述模具采用海水养护，构件强度达75％-80％以上拆卸所述模具。

进一步地，在所述FRP纤维布粘接所述箍筋、所述纵筋、所述角钢及型钢腹板之前，对所述箍筋、所述纵筋、所述角钢及型钢腹板表面进行污渍清理，然后用砂纸将所述箍筋、所述纵筋、所述角钢及型钢腹板的表面进行打磨。

进一步地，所述硫酸镁水泥、所述粗骨料、所述细骨料、所述矿渣、所述粉煤灰及所述海水的质量比为：371-413:1019-1078:660-738：0-165：0-73:143-175，在每一立方的所述硫酸镁水泥、所述粗骨料、所述细骨料、所述矿渣、所述粉煤灰及所述海水混合物中添加11.0-11.8kg的减水剂。

本发明有益效果是，本发明的结构使角钢骨架位于构件截面形心处，大大增加了构件承载能力，同时也增加了钢材对混凝土的约束能力；由于构件包裹有FRP纤维布，FRP材料特性会使钢材和混凝土之间粘结效果大大降低，在构件受力过程中，由于FRP与海洋骨料混凝土相接界面处强度不足而导致的界面剥离破坏，而在角钢骨架约束了核心海洋骨料混凝土，保证极限状态下能满足基本承载力需求，从而降低上述情况发生带来的不利影响；水平腹杆和斜腹杆能够提高制作阶段角钢的稳定性，结构受力时能承担一定的剪力，而且能够提高角钢与海洋骨料混凝土的粘结力；箍筋及纵筋主要用约束海洋骨科混凝土，同时也会参与少量的受力工作，进一步保障构件的承载力和稳定性；采用FRP纤维布包裹钢材，有效减小海洋骨料混凝土中氯离子对钢材的锈蚀程度，大大延长了构件使用年限；而钢材的延性也弥补了FRP材料强度高但脆性大的不足，二者共同作用下，有效提高构件承载能力与抗腐蚀能力。环氧树脂系胶结剂不但起到粘接FRP纤维布的作用，而且还能够保护构件，在酸碱或氯盐潮湿环境中长期使用，有效防止钢筋锈蚀，增大承载力，增强材料抗疲劳性能。

附图说明

图1是本发明一较佳实施方式的纤维复合钢空腹式角钢海洋骨料混凝土方柱的结构示意图。

图2是本发明一较佳实施方式的纤维复合钢空腹式角钢海洋骨料混凝土方柱的角钢骨架结构示意图。

图中，1-箍筋，2-纵筋，3-角钢骨架，31-角钢，32-型钢腹板，4-海洋骨料混凝土，5-模具。

具体实施方式

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。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

请参见图1，本发明的一种纤维复合钢空腹式角钢海洋骨料混凝土方柱包括箍筋1、纵筋2、角钢骨架3、海洋骨料混凝土4及模具5。

箍筋1为双肢箍并设有纵筋2，箍筋1与纵筋2构成一钢筋笼体，在本实施例中，纵筋2设有4支并分别沿纵向箍筋1长度方向均匀固定绑接于箍筋1上。箍筋1及纵筋2主要起到约束混凝土的作用，并参与少量的受力工作。

角钢骨架3位于钢筋笼体截面形心处，角钢骨架3包括角钢31及型钢腹板32，在本实施例中，角钢31设有4个，两角钢31之间通过型钢腹板32连接。角钢骨架3作为构件的主要受力承担者，型钢腹板32在满足承载力要求的同时减小构建截面尺寸，节约建筑成本。

型钢腹板32包括水平腹杆321及斜腹板322，水平腹杆321及斜腹板322两端分别与两角钢31固定连接。水平腹杆321及斜腹板322可以在制作阶段提高角钢31的稳定性，而且能够增加海洋骨料混凝土的粘结力。

箍筋1、纵筋2、角钢31及型钢腹板32包裹有若干层FRP纤维布，FRP纤维布与钢体结合能够有提高构件承载能力与抗腐蚀能力。FRP纤维布通过环氧树脂系胶结剂与箍筋1、纵筋2及角钢骨架3粘接。FRP纤维布之间通过环氧树脂系胶结剂粘接。环氧树脂系胶结剂不但起到粘接FRP纤维布的作用，而且还能够保护构件，在酸碱或氯盐潮湿环境中长期使用，有效防止钢筋锈蚀，增大承载力，增强材料抗疲劳性能。

由于构件包裹的FRP纤维布时，FRP材料特性会使钢材和混凝土之间粘结效果大大降低，而水平腹杆321及斜腹板322能够增加角钢31与海洋骨料混凝土4之间的粘结力。

在本实施例中，由于海洋骨料混凝土4的强度相对低一点，所以所采用的钢材的型号为Q345钢。增加构架的受力强度。

模具5用于对构件进行浇筑定型，箍筋1、纵筋2及角钢骨架3置于模具5内，从而进行浇筑。

海洋骨料混凝土4浇筑在箍筋1、纵筋2及角钢骨架3上。海洋骨料混凝土4由硫酸镁水泥、粗骨料、细骨料、矿渣、粉煤灰、海水及减水剂混合而成。粗骨料及细骨料可分为珊瑚骨料或海石海砂骨料两种，制作珊瑚骨料混凝土时选用破碎后的大粒径珊瑚为粗骨料，破碎筛分后的珊瑚砂为细骨料；制作海石海砂混凝土时选用破碎后的海底岩石为粗骨料，经过去黏土和杂质处理的纯净海砂为细骨料。

纤维复合钢空腹式角钢海洋骨料混凝土方柱的制作方法包括下述步骤，

1)通过环氧树脂系胶结剂将FRP纤维布粘接在箍筋1、纵筋2、角钢31及型钢腹板32上，在FRP纤维布的表面涂上环氧树脂系胶结剂，通过环氧树脂系胶结剂将FRP纤维布之间进行粘接。

在FRP纤维布粘接箍筋1、纵筋2、角钢31及型钢腹板32之前，对箍筋1、纵筋2、角钢31及型钢腹板32表面进行污渍清理，然后用砂纸将箍筋1、纵筋2、角钢31及型钢腹板32的表面进行打磨，避免了因构件表面的污渍导致FRP纤维布粘粘合不牢固。

2)将经步骤1)处理的箍筋1)及纵筋2固定绑扎成钢筋笼体，将经步骤1)处理的角钢31及型钢腹板32绑扎成角钢骨架3；

3)将步骤2)的钢筋笼体及角钢骨架3)置于模具5内，角钢骨架3位于钢筋笼体的形心，将由硫酸镁水泥、粗骨料、细骨料、海水及减水剂搅拌制得的海洋骨料混凝土4浇筑入模具内，采用海水养护，强度达到75％以上可脱模。

海洋骨料混凝土4中的硫酸镁水泥、粗骨料、细骨料、矿渣、粉煤灰及海水的质量比为：413:1019:738：0：73:175，在每一立方的硫酸镁水泥、粗骨料、细骨料、矿渣、粉煤灰及海水混合物中添加11.8kg的减水剂，其海洋骨料混凝土的强度等级为C60，水胶比为0.36。

实施例2

在本实施例中海洋骨料混凝土4中的硫酸镁水泥、粗骨料、细骨料、矿渣、粉煤灰及海水的质量比为：385:1078:718：165：0:143，在每一立方的硫酸镁水泥、粗骨料、细骨料、矿渣、粉煤灰及海水混合物中添加11.0kg的减水剂，其海洋骨料混凝土的强度等级为C80，水胶比为0.26。其他与实施例1相同。

实施例3

海洋骨料混凝土4中的硫酸镁水泥、粗骨料、细骨料、矿渣、粉煤灰及海水的质量比为：371:1076:660：138：62:143，在每一立方的硫酸镁水泥、粗骨料、细骨料、矿渣、粉煤灰及海水混合物中添加11.4kg的减水剂，其海洋骨料混凝土的强度等级为C80，水胶比为0.25。其他与实施1相同。

Claims (9)

1.一种纤维复合钢空腹式角钢海洋骨料混凝土方柱，其特征在于，包括箍筋(1)、角钢骨架(3)及海洋骨料混凝土(4)，所述箍筋(1)为双肢箍并设有纵筋(2)，所述箍筋(1)与所述纵筋(2)构成一钢筋笼体，所述角钢骨架(3)位于所述钢筋笼体截面形心处，所述角钢骨架(3)包括角钢(31)及型钢腹板(32)，两所述角钢(31)之间通过所述型钢腹板(32)连接，所述箍筋(1)、所述纵筋(2)、所述角钢(31)及所述型钢腹板(32)包裹有若干层FRP纤维布，所述海洋骨料混凝土(4)浇筑在所述箍筋(1)、所述纵筋(2)及所述角钢骨架(3)上。

2.根据权利要求1所述的一种纤维复合钢空腹式角钢海洋骨料混凝土方柱，其特征在于：所述型钢腹板(32)包括水平腹杆(321)及斜腹板(322)，所述水平腹杆(321)及所述斜腹板(322)两端分别与两所述角钢(31)以焊接固定。

3.根据权利要求1所述的一种纤维复合钢空腹式角钢海洋骨料混凝土方柱，其特征在于：所述FRP纤维布通过环氧树脂系胶结剂与所述箍筋(1)、所述纵筋(2)及所述角钢骨架(3)粘接。

4.根据权利要求1所述的一种纤维复合钢空腹式角钢海洋骨料混凝土方柱，其特征在于：所述FRP纤维布之间通过环氧树脂系胶结剂粘接。

5.根据权利要求1所述的一种纤维复合钢空腹式角钢海洋骨料混凝土方柱，其特征在于：还包括模具(5)，所述箍筋(1)、所述纵筋(2)及所述角钢骨架(3)置于所述模具(5)内，所述模具(5)用于对构件进行浇筑定型。

6.根据权利要求1所述的一种纤维复合钢空腹式角钢海洋骨料混凝土方柱，其特征在于：所述海洋骨料混凝土(4)由硫酸镁水泥、粗骨料、细骨料、矿渣、粉煤灰、海水及减水剂混合而成。

7.根据权利要求1-6任一所述的一种纤维复合钢空腹式角钢海洋骨料混凝土方柱，其特征在于：其制作方法包括下述步骤，

1)通过所述环氧树脂系胶结剂将所述FRP纤维布逐层粘接在所述箍筋(1)、所述纵筋(2)、所述角钢(31)及所述型钢腹板(32)上，所述FRP纤维布间通过环氧树脂系胶结剂进行粘接；

2)将经步骤1)处理的所述箍筋(1)及所述纵筋(2)固定绑扎成钢筋笼体，将经步骤1)处理的角钢(31)及型钢腹板(32)焊接成所述角钢骨架(3)；

3)将步骤2)的所述钢筋笼体及所述角钢骨架(3)置于所述模具(5)内，所述角钢骨架(3)位于所述钢筋笼体的形心，将由所述硫酸镁水泥、所述粗骨料、所述细骨料、所述海水及所述减水剂搅拌制得的所述海洋骨料混凝土(4)浇筑入所述模具内，浇筑成型后带所述模具(5)采用海水养护，构件强度达75％-80％以上拆卸所述模具(5)。

8.根据权利要求7所述的一种纤维复合钢空腹式角钢海洋骨料混凝土方柱，其特征在于：在所述FRP纤维布粘接所述箍筋(1)、所述纵筋(2)、所述角钢(31)及型钢腹板(32)之前，对所述箍筋(1)、所述纵筋(2)、所述角钢(31)及型钢腹板(32)表面进行污渍清理，然后用砂纸将所述箍筋(1)、所述纵筋(2)、所述角钢(31)及型钢腹板(32)的表面进行打磨。

9.根据权利要求7所述的一种纤维复合钢空腹式角钢海洋骨料混凝土方柱，其特征在于：所述硫酸镁水泥、所述粗骨料、所述细骨料、所述矿渣、所述粉煤灰及所述海水的质量比为：371-413:1019-1078:660-738：0-165：0-73:143-175，在每一立方的所述硫酸镁水泥、所述粗骨料、所述细骨料、所述矿渣、所述粉煤灰及所述海水混合物中添加11.0-11.8kg的减水剂。