CN108360749A - 一种frp-钢夹层复合管混凝土柱及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种FRP‑钢夹层复合管混凝土柱及其制备方法，它属于一种土木工程结构构件，具体涉及一种FRP‑钢夹层复合管混凝土柱及其制备方法。本发明的目的是要解决现有钢管混凝土柱和FRP‑钢复合管混凝土柱存在承载力差，FRP管容易破坏的问题。一种FRP‑钢夹层复合管混凝土柱由外至内依次由FRP管、夹层材料、钢管和混凝土四层组成。制备方法：一、制备钢管；二、制备FRP管；三、组利用定位板将FRP管固定在钢管上；四、在FRP管与钢管之间的浇筑夹层灌浆料制备夹层材料；五、在钢管顶部灌入或从底部泵送混凝土，得到FRP‑钢夹层复合管混凝土柱。本发明主要用于制备FRP‑钢夹层复合管混凝土柱。
Description
技术领域
本发明属于一种土木工程结构构件，具体涉及一种FRP-钢夹层复合管混凝土柱及其制备方法。
背景技术
传统的钢管混凝土柱因抗压承载力高、施工方便、抗震性能好等优点在高层建筑、大跨桥梁、地下结构中具有广泛的应用。然而，由于钢管混凝土中的外围钢管直接暴露于使用环境中，在海水、土壤以及湿气较重的大气等恶劣环境下容易锈蚀，钢管混凝土的应用受到了一定的限制。
针对该问题，申请号为201010552899.X的中国发明专利提出了一种FRP-钢复合管混凝土柱，该种构件由FRP-钢复合管和灌入管内的混凝土组成。复合管通过在钢管外表面缠绕FRP并采用树脂胶粘结形成。该种构件的外围FRP能够有效地解决钢材腐蚀问题，同时还能进一步约束混凝土的侧向变形，提高构件的抗压承载力。然而，当外围FRP管直接承担竖向荷载时，树脂基体容易先于纤维发生破坏，影响构件的受力性能和正常使用性能；同时FRP管的制作较为不便，若采用人工缠绕，费时费力，缠绕效果无法保证；若采用机械缠绕，配套模具加工困难，造价较高。
发明内容
本发明的目的是要解决现有钢管混凝土柱和FRP-钢复合管混凝土柱存在承载力差，FRP管容易破坏的问题，而提供一种FRP-钢夹层复合管混凝土柱及其制备方法。
一种FRP-钢夹层复合管混凝土柱，它由外至内依次由FRP管、夹层材料、钢管和混凝土四层组成，且FRP管和夹层材料的高度低于钢管和混凝土的高度。
一种FRP-钢夹层复合管混凝土柱的制备方法，具体是按以下步骤完成的：
一、制备钢管：采用焊接方法制备钢管，并在车床上车平钢管两端，保证钢管端部与管壁垂直；
二、制备FRP管：采用连续纤维纱缠绕工艺将纤维增强塑料沿环向缠绕在模具上，固化后从模具中脱出，即得到FRP管；所述纤维增强塑料为玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料、玄武岩纤维增强塑料或芳纶纤维增强塑料中的一种或几种；
三、组装：将FRP管套在钢管外，将两块定位板从钢管两端套在钢管，并利用定位板将FRP管固定在钢管上，保证FRP管截面的中心点与钢管截面的中心点重合，FRP管的高度低于钢管的高度，保证FRP管顶端与钢管顶端的距离为1cm～2cm，FRP管底端与钢管底端的距离为1cm～2cm，且顶部的定位板上设有浇筑口和排气口；
四、浇筑夹层材料：从定位板的浇筑口将浇筑夹层灌浆料浇筑于FRP管与钢管之间的间隙内，待FRP管与钢管之间的浇筑夹层灌浆料养护完成后拆除定位板，即完成在FRP管与钢管制备夹层材料，得到FRP-钢夹层复合管；所述夹层灌浆料为灌浆料、细石混凝土或轻混凝土；
五、将FRP-钢夹层复合管运至施工现场，FRP-钢夹层复合管竖直放置，从顶部灌入或从底部泵送混凝土，充分振捣，待FRP-钢夹层复合管内混凝土养护25～30天，即得到FRP-钢夹层复合管混凝土柱；所述混凝土为普通混凝土或高强混凝土。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
一、本发明是由FRP管、夹层材料、钢管和混凝土四种材料组成的，可以充分发挥组成材料的性能优势；核心混凝土受到钢管和FRP管的双重约束，处于三向受压状态，大大提高了构件的承载能力；核心混凝土能够避免钢管发生向内屈曲。
二、FRP管可以增强对核心混凝土的约束作用，从而避免采用大直径、厚壁的钢管，同时也可以起到对夹层材料和钢管的防腐保护作用，提高构件的耐久性。
三、钢管可以作为浇注夹层材料和核心混凝土的模板，能够节省模板的制作费用，缩短工期；同时由于构件两端钢管与夹层材料之间存在间隙，FRP-钢夹层复合管混凝土柱与其他构件连接时可采用焊接的方式，节点连接十分方便。
四、可根据使用目的来选择不同的夹层材料。当需要减少横向荷载冲击作用时可采用弹性较好的材料；当需要减少竖向变形时可采用微膨胀的材料，从而使FRP管提前产生约束力，提高试件刚度。夹层材料能够增强FRP-钢夹层复合管的刚度和承载力，避免内部钢管发生屈曲，同时也可以增强构件的耐火极限、降低内部钢管的锈蚀率。
五、FRP-钢夹层复合管具有较大的轴向刚度，因此既可以单独承担施工荷载，也可以作为浇筑核心混凝土的模板，并且能够实现工厂化预制，简化现场施工步骤。
附图说明
图1是FRP-钢夹层复合管混凝土柱的立体结构示意图，图中1表示混凝土，2表示钢管，3表示夹层材料，4表示FRP管；
图2是图1沿高度方向的剖视图，图中1表示混凝土，2表示钢管，3表示夹层材料，4表示FRP管；
图3是图1垂直轴向的截面放大示意图，图中1表示混凝土，2表示钢管，3表示夹层材料，4表示FRP管；
图4是具体实施方式九步骤三中组装后的结构示意图，图中2表示钢管，4表示FRP管，5表示定位板；
图5是图4的俯视图，图中2表示钢管，4表示FRP管，5表示定位板，5-1表示浇筑口，5-2表示排气口。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至3，本实施方式是一种FRP-钢夹层复合管混凝土柱，它由外至内依次由FRP管4、夹层材料3、钢管2和混凝土1四层组成，且FRP管4和夹层材料3的高度低于钢管2和混凝土1的高度。
具体实施方式二：结合图1至3，本实施方式与具体实施方式一的不同点是：所述夹层材料3的厚度为2cm～10cm。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1至3，本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：FRP管4顶端与钢管2顶端的距离为1cm～2cm，FRP管4底端与钢管2底端的距离为1cm～2cm。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1至3，本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：所述夹层材料3为灌浆料、细石混凝土或轻混凝土。其他与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：结合图1至3，本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：所述钢管2为圆管。其他与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：结合图1至3，本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：所述FRP管4为圆管。其他与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：结合图1至3，本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：所述混凝土1为普通混凝土或高强混凝土。其他与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：结合图1至3，本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：所述FRP管4由玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料、玄武岩纤维增强塑料或芳纶纤维增强塑料中的一种或几种环向缠绕而成。其他与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：结合图1至5，本实施方式是一种FRP-钢夹层复合管混凝土柱的制备方法具体是按以下步骤完成的：
一、制备钢管2：采用焊接方法制备钢管2，并在车床上车平钢管2两端，保证钢管2端部与管壁垂直；
二、制备FRP管4：采用连续纤维纱缠绕工艺将纤维增强塑料沿环向缠绕在模具上，固化后从模具中脱出，即得到FRP管4；所述纤维增强塑料为玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料、玄武岩纤维增强塑料或芳纶纤维增强塑料中的一种或几种；
三、组装：将FRP管4套在钢管2外，将两块定位板5从钢管2两端套在钢管2，并利用定位板5将FRP管4固定在钢管2上，保证FRP管4截面的中心点与钢管2截面的中心点重合，FRP管4的高度低于钢管2的高度，保证FRP管4顶端与钢管2顶端的距离为1cm～2cm，FRP管4底端与钢管2底端的距离为1cm～2cm，且顶部的定位板5上设有浇筑口5-1和排气口5-2；
四、浇筑夹层材料3：从定位板5的浇筑口5-1将浇筑夹层灌浆料浇筑于FRP管4与钢管2之间的间隙内，待FRP管4与钢管2之间的浇筑夹层灌浆料养护完成后拆除定位板5，即完成在FRP管4与钢管2制备夹层材料3，得到FRP-钢夹层复合管；所述夹层灌浆料为灌浆料、细石混凝土或轻混凝土；
五、将FRP-钢夹层复合管运至施工现场，FRP-钢夹层复合管竖直放置，从顶部灌入或从底部泵送混凝土，充分振捣，待FRP-钢夹层复合管内混凝土养护25～30天，即得到FRP-钢夹层复合管混凝土柱；所述混凝土为普通混凝土或高强混凝土。
具体实施方式十：结合图1至5，本实施方式与具体实施方式九的不同点是：步骤一中利用焊管采用焊接方法制备钢管2。其他与具体实施方式九相同。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
采用下述试验验证本发明效果
实施例1：一种FRP-钢夹层复合管混凝土柱，它由外至内依次由FRP管4、夹层材料3、钢管2和混凝土1四层组成；所述钢管2为圆管，且钢管2的高度为540mm，外径为165mm，厚度为3mm；所述FRP管4为圆管，FRP管4的高度为500mm，外径为208mm，厚度为3mm；FRP管4顶端与钢管2顶端的距离为20mm，FRP管4底端与钢管2底端的距离为20mm。
本实施例所述夹层材料3的厚度为40mm。本实施例所述夹层材料3为灌浆料。
本实施例所述混凝土1为普通混凝土。
本实施例所述FRP管4由玻璃纤维增强塑料。
实施例2：如实施例1所述一种FRP-钢夹层复合管混凝土柱的制备方法，具体是按以下步骤完成的：
一、制备钢管2：利用焊管采用焊接方法制备钢管2，并在车床上车平钢管2两端，保证钢管2端部与管壁垂直，得到的钢管2为圆管，且钢管2的高度为540mm，外径为165mm，厚度为3mm，屈服强度368MPa；
二、制备FRP管4：采用连续纤维纱缠绕工艺将纤维增强塑料沿环向缠绕在模具上，固化后从模具中脱出，即得到FRP管4，所述FRP管4为圆管，FRP管4的高度为500mm，外径为208mm，厚度为3mm，极限拉伸强度1230MPa；所述纤维增强塑料为玻璃纤维增强塑料；
三、组装：将FRP管4套在钢管2外，将两块定位板5从钢管2两端套在钢管2，并利用定位板5将FRP管4固定在钢管2上，保证FRP管4截面的中心点与钢管2截面的中心点重合，保证FRP管4顶端与钢管2顶端的距离为20mm，FRP管4底端与钢管2底端的距离为20mm，且顶部的定位板5上设有浇筑口5-1和排气口5-2；
四、浇筑夹层材料3：从定位板5的浇筑口5-1将浇筑夹层灌浆料浇筑于FRP管4与钢管2之间的间隙内，待FRP管4与钢管2之间的浇筑夹层灌浆料养护完成后拆除定位板5，即完成在FRP管4与钢管2制备夹层材料3，得到FRP-钢夹层复合管；所述夹层灌浆料为HGM-3型灌浆料，HGM-3型灌浆料的立方体抗压强度为68.8MPa；
五、将FRP-钢夹层复合管运至施工现场，FRP-钢夹层复合管竖直放置，从顶部灌入或从底部泵送混凝土，充分振捣，待FRP-钢夹层复合管内混凝土养护25～30天，即得到FRP-钢夹层复合管混凝土柱；所述混凝土为普通混凝土，普通混凝土的立方体抗压强度为55.8MPa。
按照实施例2方法制备3个FRP-钢夹层复合管混凝土柱，采用中国已公开专利《一种FRP-钢复合管混凝土柱》(申请号：201010552899.X)提供的方法制备3个FRP-钢复合管混凝土柱，FRP-钢复合管混凝土柱的直径为171mm，高度为540mm，且FRP-钢复合管混凝土柱中FRP管与实施例2步骤二中FRP管4材质相同，钢管与实施例2步骤一中钢管2材质相同，混凝土与实施例2步骤五中普通混凝土材质相同。
通过轴压试验测试3个FRP-钢夹层复合管混凝土柱和3个FRP-钢复合管混凝土柱，3个FRP-钢夹层复合管混凝土柱的极限承载力分别为5408.40kN，5363.00kN，5343.40kN，极限轴向变形(荷载突降点处的变形)分别为28.52mm，28.37mm，28.24mm；而3个FRP-钢复合管混凝土柱得极限承载力分别为3959.00kN，4001.00kN，3950.00kN，极限轴向变形(荷载突降点处的变形)分别为22.77mm，23.07mm，23.64mm。由试验结果可知，与现有FRP-钢复合管混凝土柱相比，本发明得到的FRP-钢夹层复合管混凝土柱承载力提高35.3％，极限变形提高22.5％，具有较好的受力性能。
Claims (9)
1.一种FRP-钢夹层复合管混凝土柱，其特征在于一种FRP-钢夹层复合管混凝土柱由外至内依次由FRP管(4)、夹层材料(3)、钢管(2)和混凝土(1)四层组成，且FRP管(4)和夹层材料(3)的高度低于钢管(2)和混凝土(1)的高度。
2.根据权利要求1所述的一种FRP-钢夹层复合管混凝土柱，其特征在于所述夹层材料(3)的厚度为钢管(2)外径的1/10～1/20，且夹层材料(3)的厚度在2cm～10cm范围内。
3.根据权利要求2所述的一种FRP-钢夹层复合管混凝土柱，其特征在于FRP管(4)顶端与钢管(2)顶端的距离为1cm～2cm，FRP管(4)底端与钢管(2)底端的距离为1cm～2cm。
4.根据权利要求3所述的一种FRP-钢夹层复合管混凝土柱，其特征在于所述夹层材料(3)为灌浆料、细石混凝土或轻混凝土。
5.根据权利要求1或4所述的一种FRP-钢夹层复合管混凝土柱，其特征在于所述钢管(2)为圆管。
6.根据权利要求5所述的一种FRP-钢夹层复合管混凝土柱，其特征在于所述FRP管(4)为圆管。
7.根据权利要求6所述的一种FRP-钢夹层复合管混凝土柱，其特征在于所述混凝土(1)为普通混凝土或高强混凝土。
8.根据权利要求7所述的一种FRP-钢夹层复合管混凝土柱，其特征在于所述FRP管(4)由玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料、玄武岩纤维增强塑料或芳纶纤维增强塑料中的一种或几种环向缠绕而成。
9.如权利要求1所述一种FRP-钢夹层复合管混凝土柱的制备方法，其特征在于一种FRP-钢夹层复合管混凝土柱的制备方法是按以下步骤完成的：
一、制备钢管(2)：采用卷压、焊接钢板的方法或采用直接切割焊管或无缝钢管的方法制备钢管(2)，并在车床上车平钢管(2)两端，保证钢管(2)端部与管壁垂直；
二、制备FRP管(4)：采用连续纤维纱缠绕工艺将纤维增强塑料沿环向缠绕在模具上，固化后从模具中脱出，即得到FRP管(4)；所述纤维增强塑料为玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料、玄武岩纤维增强塑料或芳纶纤维增强塑料中的一种或几种；
三、组装：将FRP管(4)套在钢管(2)外，将两块定位板(5)从钢管(2)两端套在钢管(2)，并利用定位板(5)将FRP管(4)固定在钢管(2)上，保证FRP管(4)截面的中心点与钢管(2)截面的中心点重合，FRP管(4)的高度低于钢管(2)的高度，保证FRP管(4)顶端与钢管(2)顶端的距离为1cm～2cm，FRP管(4)底端与钢管(2)底端的距离为1cm～2cm，且顶部的定位板(5)上设有浇筑口(5-1)和排气口(5-2)；
四、浇筑夹层材料(3)：从定位板(5)的浇筑口(5-1)将浇筑夹层灌浆料浇筑于FRP管(4)与钢管(2)之间的间隙内，待FRP管(4)与钢管(2)之间的浇筑夹层灌浆料养护完成后拆除定位板(5)，即完成在FRP管(4)与钢管(2)制备夹层材料(3)，得到FRP-钢夹层复合管；所述夹层灌浆料为灌浆料、细石混凝土或轻混凝土；
五、将FRP-钢夹层复合管运至施工现场，FRP-钢夹层复合管竖直放置，从顶部灌入或从底部泵送混凝土，充分振捣，待FRP-钢夹层复合管内混凝土养护25～30天，即得到FRP-钢夹层复合管混凝土柱；所述混凝土为普通混凝土或高强混凝土。
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