CN108867341A - 一种gfrp管-混凝土-型钢组合柱脚节点及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GFRP管‑混凝土‑型钢组合柱脚节点及其施工方法，该节点包括GFRP管、圆钢管十字T形组合型钢、自密实混凝土和箱梁；型钢嵌套在GFRP管中部，其下端相对于GFRP管具有伸出段；型钢和GFRP管之间浇筑自密实混凝土；型钢的下端焊接在箱梁上，并在伸出段焊接剪力钉；在箱梁以上、基础承台表面以下这一区段，GFRP管‑混凝土‑型钢组合柱外表面包裹两外套半圆钢管；本发明采用外套钢管方式，并在外套钢管内侧焊接有剪力钉，提高柱底部混凝土的强度，并能有效传递柱的轴力、弯矩到基础。本发明采用的柱脚节点形式，既可以传递轴力，又可以抵抗较大倾覆力矩，可以满足GFRP管‑混凝土‑型钢组合柱的受力、变形和抗震要求。

Description

一种GFRP管-混凝土-型钢组合柱脚节点及其施工方法

技术领域

本发明属于FRP、混凝土、钢组合结构领域，尤其涉及一种GFRP管-混凝土-型钢组合柱脚节点及其施工方法。

背景技术

桥墩是桥梁结构是最基本、最重要的承重构件，在国内外近年来发生的几次破坏性地震中，如1989年Loma Prieta地震，1994年Northridge地震，1995年Kobe地震，1999年中国台湾集集地震，2008年汶川地震，2010年玉树地震和2013年雅安地震，大量的钢筋混凝土桥梁由于桥墩的缺陷而破坏，并由此造成了大量的人员伤亡和巨大的经济损失。更为重要的是，作为生命补给线的道路由于桥梁的破坏而被切断，极大的影响了营救工作的开展。在汶川地震中，毁坏桥梁达到5560座，以震中汶川为例，震后所有从成都通往汶川的路面交通全部中断，在较长一段时间内，汶川处于一种孤城的状态，导致人员伤亡和经济损失进一步加剧。大量实践表明，桥墩的缺陷是桥梁震害的主要原因之一，只有拥有足够的强度和延性以及可靠的基础和节点才能保证桥墩在强震过程中正常工作。

另一方面，桥梁的腐蚀也是一个世界性的难题。据2012年美国联邦公路局发布的《美国桥梁恶化现状》报告，从2002年开始的十年间，美国平均每年用于公路桥梁腐蚀防治的直接费用约为83亿美元，而间接费用更是高达直接费用的10倍以上。在中国，随着沿海地区经济高速发展，一座座跨海大桥矗立而起，包括于2008年启用的世界第三长的杭州湾大桥，于2016 年9月主体桥面全线贯通的世界最长的跨海大桥——珠港澳大桥，它们都经受着非常恶劣的海洋环境的影响，在钢筋腐蚀和动载双重作用下，其抗震性能显著降低。特别当地震发生时，在地震荷载作用下，钢筋的锈蚀将急剧加速混凝土裂纹的扩展，将导致桥墩柱过早破坏，严重影响了桥梁的安全。为了克服这一问题，近年来各国学者对具有优越耐腐蚀性的树脂基纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer,即FRP)在新建结构中的应用展开了大量的研究，而其中一个极具潜力的方向是将FRP材料和传统的建筑材料(如混凝土和钢材)优化组合，建成经济而且耐腐蚀的组合结构

GFRP管-混凝土-型钢组合柱由外层的GFRP管，内层的型钢，以及中间的混凝土三部分组成。作为FRP材料、混凝土和钢材组合构件的一种形式，该组合柱具有以下优点：(1)施工方便：外层GFRP管可作为中间混凝土浇筑的模板，减去了混凝土结构传统施工工艺中安装和拆除模板的工序；(2)耐腐蚀性能好：外层GFRP管具有优良的耐腐蚀性，并将中间的混凝土和内层的型钢与周围环境隔绝开来；GFRP管在制作过程中还可以在外表面涂刷一层紫外线吸收剂，构件的耐久性能将进一步得到提高；④抗震性能好：外层GFRP管和内层钢管为中间的混凝土提供有效的约束，从而提高了构件的延性；同时，外层GFRP管主要具有环向刚度，不存在屈曲的问题；内部的钢管则因受混凝土的作用而屈曲被延迟或者不屈曲。

如果要将GFRP管-混凝土-型钢组合柱应用到有抗震要求的桥梁中，该组合柱与桥梁中的其它钢筋混凝土构件如上部盖梁、下部桩排架(或基础)连接节点非常重要，因为在地震作用下，节点传递桥墩和盖梁中的剪力，其核心区剪力很大，因而往往产生剪切脆性破坏。但迄今为止，对于GFRP管-混凝土-型钢组合柱与钢筋混凝土盖梁和桩排架(或基础)连接节点在国内外尚属空白。因此，发展性能可靠、结构简易、施工简单、传力清晰的节点势在必行。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种GFRP管-混凝土-型钢组合柱脚节点及其施工方法。

本发明的目地是通过以下技术方案来实现的：一种GFRP管-混凝土-型钢组合柱脚节点，包括GFRP管、圆钢管十字T形组合型钢、自密实混凝土和箱梁；

所述圆钢管十字T形组合型钢嵌套在GFRP管中部，其下端相对于GFRP管具有伸出段；所述GFRP管开有注浆孔和出浆孔，并在内部分别设置与注浆孔连通的注浆管，及与出浆孔连通的出浆管；所述圆钢管十字T形组合型钢和GFRP管之间浇筑自密实混凝土形成预制GFRP管-混凝土-型钢组合柱，插于基础承台；所述注浆管和出浆管均伸出GFRP管和圆钢管十字T形组合型钢之间的自密实混凝土底部；

所述圆钢管十字T形组合型钢的下端焊接在箱梁上，并在伸出段焊接剪力钉；

在箱梁以上、基础承台表面以下这一区段，GFRP管-混凝土-型钢组合柱外表面包裹钢管，该钢管由两外套半圆钢管组成，两外套半圆钢管通过侧耳板固定连接，并在连接部位加置与侧耳板尺寸相同的橡胶垫；两外套半圆钢管通过底部环形耳板与箱梁连接，并在连接部位加置环形橡胶垫；所述底部环形耳板上焊接若干加劲竖向肋板；

所述箱梁由顶板、底板、腹板、横向加劲肋、纵向加劲肋和预埋钢筋组成，所述顶板和底板分别与腹板焊接，在腹板上焊接纵向加劲肋和横向加劲肋，在底板下部焊接预埋钢筋。

进一步地，所述GFRP管-混凝土-型钢组合柱在工厂预制加工，所述GFRP管为空心管，采用GFRP材料，采用拉挤成型，形状为圆形、矩形或椭圆形。

进一步地，所述圆钢管十字T形组合型钢的中间为圆钢管，圆钢管外表面对称焊接有四个T形钢。

进一步地，所述外套半圆钢管的高度为GFRP管外径的1～2倍，厚度为20～30mm，材料为Q235B或Q345B，外套半圆钢管的内壁下侧焊接有剪力钉。

进一步地，所述GFRP管的注浆孔和出浆孔的位置位于外套半圆钢管上部，所述注浆管和出浆管均由水平PVC管和竖直PVC管组成，形成的预埋流浆通道为倒L形。

进一步地，所述箱梁为钢箱梁，其顶板上开有长椭圆形螺栓孔，能够方便地与外套半圆钢管的底部环形耳板连接，留有螺栓施工空间。

一种GFRP管-混凝土-型钢组合柱脚节点的施工方法，该施工方法包括以下步骤：

步骤一：在工厂内将开有注浆孔和出浆孔的GFRP管、圆钢管十字T形组合型钢固定，并固定注浆管和出浆管，制作临时底模板，并对GFRP管进行防侧倒固定，浇筑自密实混凝土形成GFRP管-混凝土-型钢组合柱；

步骤二：在工厂加工制作箱梁，并将箱梁的底板预埋于基础承台；

步骤三：在工厂对硬化后的GFRP管-混凝土-型钢组合柱中圆钢管十字T形组合型钢伸出段焊接剪力钉，同时制作外表面包裹的两外套半圆钢管；

步骤四：将步骤三加工后的预制GFRP管-混凝土-型钢组合柱运到现场，圆钢管十字T 形组合型钢的下端焊接于箱梁的顶板，利用橡胶垫调节外套半圆钢管的尺寸，使其与GFRP 管的外壁贴合；

步骤五：将两个外套半圆钢管紧固连接，将外套半圆钢管与箱梁紧固连接；

步骤六：在外套半圆钢管与GFRP管外壁上部连接端，喷涂密封胶；

步骤七：利用注浆孔浇筑自密实混凝土于外套半圆钢管内，浆体灌注直到另一侧的出浆孔有混凝土浆溢出为止，养护硬化，并封堵注浆孔和出浆孔；

步骤八：在杯口内浇筑基础混凝土，并养护。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、针对GFRP管外表光滑，难以与混凝土基础连接和锚固的问题，本发明采用外套钢管方式，并在外套钢管内侧焊接有剪力钉，使外套钢管与原有GFRP管-混凝土-型钢柱形成整体，通过外套钢管的约束，提高了柱底部混凝土的强度，并能有效传递柱的轴力、弯矩到基础，特别是由弯矩引起的拉力的传递，解决了GFRP管混凝土柱与基础的锚固问题。

2、本发明底部采用半圆形两外套钢管的形式，解决了型钢与基础底板无法焊接的困难，同时耳板之间的橡胶垫解决了外套钢管与GFRP管外壁的贴合问题。

3、本发明箱梁底板加设锚筋，可以承受较大水平荷载和倾覆力矩。

4、本发明采用的柱脚节点形式，既可以传递轴力，又可以抵抗较大倾覆力矩，可以满足 GFRP管-混凝土-型钢组合柱的受力、变形和抗震要求。

附图说明

图1为柱脚节点的平面图；

图2为图1的1-1剖面；

图3外套半圆钢管平面图；

图4外套半圆钢管立面图；

图5箱梁顶板平面图；

图6箱梁底板平面图；

图中，GFRP管1、圆钢管十字T形组合型钢2、自密实混凝土3、外套半圆钢管4、注浆管5、出浆管6、剪力钉7、箱梁8、环形橡胶垫9、预埋钢筋10、基础承台11、底部环形耳板12、第二螺栓孔13、加劲竖向肋板14、侧耳板15、第一螺栓孔16、橡胶垫17、顶板 18、底板19、腹板20、横向加劲肋21、纵向加劲肋22、第三螺栓孔23。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1-6所示，本发明提供的一种GFRP管-混凝土-型钢组合柱脚节点，包括GFRP管1、圆钢管十字T形组合型钢2、自密实混凝土3和箱梁8；

所述圆钢管十字T形组合型钢2嵌套在GFRP管1中部，其下端相对于GFRP管1具有伸出段；所述GFRP管1开有注浆孔和出浆孔，并在内部分别设置与注浆孔连通的注浆管5，及与出浆孔连通的出浆管6；所述圆钢管十字T形组合型钢2和GFRP管1之间浇筑自密实混凝土3形成预制GFRP管-混凝土-型钢组合柱，插于基础承台11；所述注浆管5和出浆管6 均伸出GFRP管1和圆钢管十字T形组合型钢2之间的自密实混凝土3底部；

所述圆钢管十字T形组合型钢2的下端焊接在箱梁8上，并在伸出段焊接剪力钉7，以增加圆钢管十字T形组合型钢2与后续灌注的混凝土浆体的整体能力；

在箱梁8以上、基础承台11表面以下这一区段，GFRP管-混凝土-型钢组合柱外表面包裹钢管，如图3、4所示，该钢管由两外套半圆钢管4组成，两外套半圆钢管4通过侧耳板 15和其上的若干第一螺栓孔16用螺栓连接，并在连接部位加置与侧耳板15尺寸相同的橡胶垫17，防止在灌浆时发生漏浆，并调节尺寸；两外套半圆钢管4通过底部环形耳板12和其上的若干第二螺栓孔13用螺栓与箱梁8连接，并在连接部位加置环形橡胶垫9，防止在灌浆时发生漏浆；所述底部环形耳板12上按一定间隔焊接加劲竖向肋板14，以增加底部环形耳板12的刚度；

所述箱梁8由顶板18、底板19、腹板20、横向加劲肋21、纵向加劲肋22和预埋钢筋10组成，如果5、6所示，所述顶板18上开有与外套半圆钢管4的底部环形耳板12上的第二螺栓孔13对应的第三螺栓孔23，所述顶板18和底板19与腹板20用剖口角焊缝焊接，在腹板20焊接有纵向加劲肋22和横向加劲肋21，在底板19下部焊接有预埋钢筋10。

进一步地，所述GFRP管-混凝土-型钢组合柱在工厂预制加工，所述GFRP管1为空心管，采用GFRP材料，采用拉挤成型，形状为圆形、矩形或椭圆形。

进一步地，所述圆钢管十字T形组合型钢2的中间为圆钢管，圆钢管外表面对称焊接有四个T形钢，这种形状既可以有效承担压力，同时可以有效承担偏心拉力，能够满足柱在轴力、轴力和双向弯矩共同作用下的受力要求。

进一步地，所述外套半圆钢管4的高度为GFRP管1外径的1～2倍，厚度为20～30mm，材料为Q235B或Q345B，外套半圆钢管4的内壁下侧焊接有剪力钉7，增加外套半圆钢管4 与混凝土和中间型钢之间的连接和整体性。

进一步地，所述GFRP管1的注浆孔和出浆孔的位置位于外套半圆钢管4上部，所述注浆管5和出浆管6均由水平PVC管和竖直PVC管组成，形成的预埋流浆通道为倒L形。

进一步地，所述箱梁8为钢箱梁，为防止由施工误差引起的螺孔错位，其顶板18上开有的第三螺栓孔23为长椭圆形，可以方便地与外套半圆钢管4的底部环形耳板12连接，留有螺栓施工空间；所述腹板20、横向加劲肋21、纵向加劲肋22可增加箱梁8的整体刚度，帮助柱传递较大轴力和弯矩；所述底板19和焊接在其上的预埋钢筋10，可以有效传递弯矩引起的拉力。

一种GFRP管-混凝土-型钢组合柱脚节点的施工方法，该施工方法包括以下步骤：

步骤一：在工厂内将开有注浆孔和出浆孔的GFRP管1、圆钢管十字T形组合型钢2固定，并利用圆钢管十字T形组合型钢2上焊接的固定架固定注浆管5和出浆管6，制作临时底模板，并对GFRP管1进行防侧倒固定，浇筑自密实混凝土3形成GFRP管-混凝土-型钢组合柱；

步骤二：在工厂加工制作箱梁8，并将箱梁8的底板19预埋于基础承台11；

步骤三：在工厂对硬化后的GFRP管-混凝土-型钢组合柱中圆钢管十字T形组合型钢2 伸出段焊接剪力钉7，同时制作外表面包裹的两外套半圆钢管4；

步骤四：将步骤三加工后的预制GFRP管-混凝土-型钢组合柱运到现场，圆钢管十字T 形组合型钢2的下端利用角焊缝焊接于箱梁8的顶板18，利用橡胶垫17调节外套半圆钢管4 的尺寸，使其与GFRP管1的外壁贴合；

步骤五：拧紧外套半圆钢管4的侧耳板15和底部环形耳板12的螺栓，使外套半圆钢管 4本身以及外套半圆钢管4与箱梁8的顶板18紧固连接；

步骤六：在外套半圆钢管4与GFRP管1外壁上部连接端，喷涂密封胶，以防漏浆；

步骤七：利用注浆孔浇筑自密实混凝土于外套半圆钢管4内，浆体灌注直到另一侧的出浆孔有混凝土浆溢出为止，养护硬化，并封堵注浆孔和出浆孔；

步骤八：在杯口内浇筑基础混凝土，并养护。

上述实施例为本发明的一个优选实施方式，是对本发明内容及其应用的进一步说明，不应理解为本发明仅适用于上述实施例。凡基于本发明原理和发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

Claims (7)

1.一种GFRP管-混凝土-型钢组合柱脚节点，其特征在于，包括GFRP管(1)、圆钢管十字T形组合型钢(2)、自密实混凝土(3)和箱梁(8)；

所述圆钢管十字T形组合型钢(2)嵌套在GFRP管(1)中部，其下端相对于GFRP管(1)具有伸出段；所述GFRP管(1)开有注浆孔和出浆孔，并在内部分别设置与注浆孔连通的注浆管(5)，及与出浆孔连通的出浆管(6)；所述圆钢管十字T形组合型钢(2)和GFRP管(1)之间浇筑自密实混凝土(3)形成预制GFRP管-混凝土-型钢组合柱，插于基础承台(11)；所述注浆管(5)和出浆管(6)均伸出GFRP管(1)和圆钢管十字T形组合型钢(2)之间的自密实混凝土(3)底部；

所述圆钢管十字T形组合型钢(2)的下端焊接在箱梁(8)上，并在伸出段焊接剪力钉(7)；

在箱梁(8)以上、基础承台(11)表面以下这一区段，GFRP管-混凝土-型钢组合柱外表面包裹钢管，该钢管由两外套半圆钢管(4)组成，两外套半圆钢管(4)通过侧耳板(15)固定连接，并在连接部位加置与侧耳板(15)尺寸相同的橡胶垫(17)；两外套半圆钢管(4)通过底部环形耳板(12)与箱梁(8)连接，并在连接部位加置环形橡胶垫(9)；所述底部环形耳板(12)上焊接若干加劲竖向肋板(14)；

所述箱梁(8)由顶板(18)、底板(19)、腹板(20)、横向加劲肋(21)、纵向加劲肋(22)和预埋钢筋(10)组成，所述顶板(18)和底板(19)分别与腹板(20)焊接，在腹板(20)上焊接纵向加劲肋(22)和横向加劲肋(21)，在底板(19)下部焊接预埋钢筋(10)。

2.根据权利要求1所述的一种GFRP管-混凝土-型钢组合柱脚节点，其特征在于，所述GFRP管-混凝土-型钢组合柱在工厂预制加工，所述GFRP管(1)为空心管，采用GFRP材料，采用拉挤成型，形状为圆形、矩形或椭圆形。

3.根据权利要求1所述的一种GFRP管-混凝土-型钢组合柱脚节点，其特征在于，所述圆钢管十字T形组合型钢(2)的中间为圆钢管，圆钢管外表面对称焊接有四个T形钢。

4.根据权利要求1所述的一种GFRP管-混凝土-型钢组合柱脚节点，其特征在于，所述外套半圆钢管(4)的高度为GFRP管(1)外径的1～2倍，厚度为20～30mm，材料为Q235B或Q345B，外套半圆钢管(4)的内壁下侧焊接有剪力钉(7)。

5.根据权利要求1所述的一种GFRP管-混凝土-型钢组合柱脚节点，其特征在于，所述GFRP管(1)的注浆孔和出浆孔的位置位于外套半圆钢管(4)上部，所述注浆管(5)和出浆管(6)均由水平PVC管和竖直PVC管组成，形成的预埋流浆通道为倒L形。

6.根据权利要求1所述的一种GFRP管-混凝土-型钢组合柱脚节点，其特征在于，所述箱梁(8)为钢箱梁，其顶板(18)上开有长椭圆形螺栓孔，能够方便地与外套半圆钢管(4)的底部环形耳板(12)连接，留有螺栓施工空间。

7.一种GFRP管-混凝土-型钢组合柱脚节点的施工方法，其特征在于，该施工方法包括以下步骤：

步骤一：在工厂内将开有注浆孔和出浆孔的GFRP管(1)、圆钢管十字T形组合型钢(2)固定，并固定注浆管(5)和出浆管(6)，制作临时底模板，并对GFRP管(1)进行防侧倒固定，浇筑自密实混凝土(3)形成GFRP管-混凝土-型钢组合柱；

步骤二：在工厂加工制作箱梁(8)，并将箱梁(8)的底板(19)预埋于基础承台(11)；

步骤三：在工厂对硬化后的GFRP管-混凝土-型钢组合柱中圆钢管十字T形组合型钢(2)伸出段焊接剪力钉(7)，同时制作外表面包裹的两外套半圆钢管(4)；

步骤四：将步骤三加工后的预制GFRP管-混凝土-型钢组合柱运到现场，圆钢管十字T形组合型钢(2)的下端焊接于箱梁(8)的顶板(18)，利用橡胶垫(17)调节外套半圆钢管(4)的尺寸，使其与GFRP管(1)的外壁贴合；

步骤五：将两个外套半圆钢管(4)紧固连接，将外套半圆钢管(4)与箱梁(8)紧固连接；

步骤六：在外套半圆钢管(4)与GFRP管(1)外壁上部连接端喷涂密封胶；

步骤七：利用注浆孔浇筑自密实混凝土于外套半圆钢管(4)内，浆体灌注直到另一侧的出浆孔有混凝土浆溢出为止，养护硬化，并封堵注浆孔和出浆孔；

步骤八：在杯口内浇筑基础混凝土，并养护。