CN109826331B - 一种装配式frp加强型配筋钢管内填木材组合支撑及作法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种装配式FRP加强型配筋钢管内填木材组合支撑及作法，属于结构工程技术领域；本发明采用的装配式FRP加强型配筋钢管内填木材组合支撑及作法符合多、高层建筑抗侧力、消能减震构件的发展；FRP布加强的带纵肋轻质钢管内填木材并使用高强砂浆填充空隙，该组合作为支撑中抗压体系。无粘结FRP筋为支撑中主要抗拉体系。新型支撑的受力体系更加合理，承载力高，耗能能力好。同时装配化程度高，施工精度得到提升。使用木材及新型高性能材料极大地降低了构件重量，同时做到了绿色节能环保。

Description

一种装配式FRP加强型配筋钢管内填木材组合支撑及作法

技术领域

本发明涉及一种装配式FRP加强型配筋钢管内填木材组合支撑及作法，属于结构工程技术领域。

背景技术

随着工程抗震技术的发展，消能减震装置应运而生并发展成为解决高层建筑结构动力响应控制问题的主要方式。防屈曲支撑作为一种高效、合理的消能减震装置在世界各国得到广泛应用。与此同时，我国的高层建筑如北京银泰中心、台北101大厦等大量采用了防屈曲支撑来解决风荷载及地震作用下结构动力响应超限的问题。可见结构抗震支撑拥有广阔的应用与发展空间。

目前，应用最为广泛的防屈曲支撑包括钢筋混凝土约束型防屈曲支撑、钢管混凝土组合约束型防屈曲支撑以及纯钢约束型防屈曲支撑。钢筋混凝土约束型与钢管混凝土约束型防屈曲支撑自重大，造成支撑构件自身的地震反应较大。同时，这两种支撑需要在施工现场进行湿作业，因而施工难度高、施工精度低。纯钢型防屈曲支撑虽然避免了前两种支撑湿作业的缺点，但其自重仍未得到明显减轻。纯钢型支撑核心部件因摩擦力的存在，使得应力分布更加不均匀，低周疲劳强度低。这些因素都影响了防屈曲支撑的承载能力及耗能性能。因此，亟待发展自重轻、受力合理、承载力高、绿色环保、装配化程度高的支撑构件来满足现代高层结构的需求。

木材在我国建筑工程中应用历史悠久。因其顺纹抗压强度高，且密度远低于钢材及混凝土材料而受到工程界青睐。已有研究表明，对木材施加环向约束后其顺纹抗压承载力提升明显。因此，对木材进行一定加固处理后作为轴向抗压构件可以提供稳定的承载能力。且木材作为可再生资源应用于建筑工程，可以缓解资源短缺问题有利于环境保护。构件质量的减轻对于建筑装配化也有重要的意义。

近年来，高性能材料(如FRP材料)已经广泛应用于建筑工程领域。其中，FRP布与FRP筋使用量大。研究表明：FRP纤维的抗拉强度>3500MPa，抗拉模量>230GPa，密度仅为1.76～1.94g/cm²，具有轻质高强的物理特性，单位质量下的承载效率远高于钢材和混凝土材料。使用FRP布对钢管进行约束加固可以抑制钢管侧壁屈曲，使用FRP筋作为抗拉材料则可以有效减小构件中抗拉部件的截面面积，同时获得较大的抗拉能力。

传统防屈曲支撑存在构件自重大、施工困难以及不易实现装配化等缺点，且传统支撑核心部件受到拉力和压力的双重作用因而疲劳强度低。基于此，本发明提出了一种装配式FRP加强型配筋钢管内填木材组合支撑及作法。该新型支撑主体采用钢管-木材-高强砂浆组合构造作为抗压体系，因钢管内核心填充物主要为木材，支撑整体重量明显减轻；使用无粘结FRP筋作为抗拉体系，可以充分利用FRP材料的抗拉性能，有效约束所支撑框架的侧向位移；同时钢管外部使用FRP布进行约束，可以较好地抑制钢管屈曲，提高整体稳定。新型支撑抗拉与抗压核心部件分离，传力路径明确、受力体系合理。所有构造均可工厂预制，工地现场拼装从而提高装配效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有自重轻、承载力高、受力合理、耗能能力好、可装配式施工、绿色环保等优点的装配式FRP加强型配筋钢管内填木材组合支撑，以便有效解决传统支撑自重大、施工复杂、受力不合理、不易实现装配式施工等问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种装配式FRP加强型配筋钢管内填木材组合支撑，该组合支撑包括内填木材1、高强砂浆2、肋板3、薄壁钢管4、FRP布5、FRP筋6、FRP筋锚固螺栓7、无粘结套筒8和锚固端板9；如图1、图2所示。内填木材1、高强砂浆2、肋板3、薄壁钢管4组成支撑中抗压体系；FRP筋材6、FRP筋锚固螺栓7、无粘结套筒8组成抗拉承载体系；锚固端板9为传力体系；FRP布5为约束材料。如图1、图2、图3与图4所示。

本装置各组分连接关系如下：内填木材1、肋板3以及薄壁钢管4(肋板3与薄壁钢管4通过焊接相连)通过高强砂浆2胶结成为一个整体，从而构成了抗压体系；无粘结套筒8预埋在高强砂浆2中，FRP筋6穿过无粘结套筒8通过FRP筋锚固螺栓7与两端的锚固端板9连接，两端的锚固端板9榫头卡入高强砂浆2预制槽口内，FRP筋6与FRP筋锚固螺栓7构成抗拉体系；锚固端板9起到传递拉力和压力的作用，同时也是支撑装置与建筑结构的梁柱节点连接部位；FRP布5通过环氧树脂胶粘贴到薄壁钢管4上，提高支撑装置的整体稳定性。

所述内填木材1为使用整木加工的型材或胶合木材或小径木材填充物。内填木材1为薄壁钢管4内的主要填充物，内填木材1的截面为方形，宽度为100mm～150mm。内填木材1的长度视支撑长度而定，内填木材1比薄壁钢管4短，且位于薄壁钢管4内部，内填木材1两端比薄壁钢管4两端向内缩进80～100mm。内填木材1的重心和横截面形心均与薄壁钢管4重合。

所述高强砂浆2，为抗压强度>45Mpa的普通商用高强砂浆。高强砂浆2作用是填充薄壁钢管4的内空置部分，并起到连接内填木材1与薄壁钢管4的作用，使钢管与钢管内部组分连接成一个整体共同受力，并为内填木材提供侧向约束。

所述肋板3为钢板条。肋板3厚度为5mm，肋板3的长度与内填木材1的长度相同，肋板3的两端与内填木材1的两端对齐。肋板3的一侧焊接到薄壁钢管4的内壁宽度中心处，另一侧连接内填木材1的侧面。肋板3的宽度与内填木材1的侧面到钢管内壁距离相等。肋板3用以固定内填木材1的位置，以方便构件制作，还能够防止薄壁钢管4的侧壁屈曲失稳，提高薄壁钢管4的受压稳定性。

所述薄壁钢管4为冷弯薄壁型钢工厂预制成型。长度依据支撑长度确定，钢管厚度为5mm～10mm。采用方形截面，宽度为150mm～200mm。角部采用倒角设计，防止FRP布5在钢管角部处发生应力集中现象。

所述FRP布5为FRP纤维(碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维)丝织制而成，其抗拉强度>3500Mpa。FRP布5粘贴于薄壁钢管4的外侧，使用环氧树脂进行粘贴。粘贴层数为2～3层。FRP布搭接长度不小于150mm，防止搭接区域脱开。FRP布5可以约束薄壁钢管4受压屈曲失稳的发展，提高支撑整体的受压稳定性。FRP布5的两端距离钢管两端为30mm，防止FRP布5直接接触锚固端板9而受压。

所述FRP筋6为多股连续纤维(如玻璃纤维，碳纤维，芳纶纤维等)通过基底材料(如聚酰胺树脂，聚乙烯树脂，环氧树脂等)进行胶合后，经特制的模具挤压并拉拔成型的受拉筋材。FRP筋6的弹性模量>50Gpa，极限抗拉强度>1000Mpa。使用的FRP筋6的直径为12mm～16mm。FRP筋6的两端伸出钢管50mm～100mm，方便FRP筋6的端头锚固通过FRP筋锚固螺栓7在锚固端板9上。FRP筋6为构件整体提供较大的抗拉强度。

所述FRP筋锚固螺栓7为钢质套筒连接螺栓，锚固端板9能够将拉力通过FRP筋锚固螺栓7传递给FRP筋6，从而实现支撑的抗拉能力。

所述无粘结套筒8为塑料套筒，塑料套筒的内径大于FRP筋6的直径。塑料套筒的内部涂抹无粘结材料以消除FRP筋6与塑料套筒间的摩擦力。无粘结套筒8消除了FRP筋6与外部高强砂浆的摩擦力，保证FRP筋6只受拉不受压，提高FRP筋6的抗疲劳强度。

所述锚固端板9为钢质铸造或焊接部件，如图5、图6所示。

锚固端板9包括FRP筋锚固螺栓套筒、榫头、端板和FRP筋预留孔；FRP筋锚固螺栓套筒的内径大于锚固螺栓外径。FRP筋锚固螺栓套筒的高度高于FRP筋锚固螺栓7，保证FRP筋只受拉不受压。榫头将端板与支撑主体进行连接，榫头用于端板与支撑主体的固定，榫头做无粘结处理只传递压力不传递拉力。端板的截面为方形宽度为250mm，厚度为20mm～50mm。FRP筋预留孔的直径大于FRP筋直径。

所述的一种装配式FRP加强型配筋钢管内填木材组合支撑，其制作方法如下：

S1：S1.1制作锚固端板9。分别制作FRP筋锚固螺栓套筒、端板、榫头，将三者焊接。或直接冶炼、浇铸成型。S1.2制作薄壁钢管4，并在内部焊接肋板3。S1.3加工内填木材1，并通过肋板固定在钢管内相应位置。S1.4定位无粘结套筒8位置。

S1完成后构件如图7所示。

S2：定位好FRP筋无粘结套筒8后，暂时封堵FRP筋无粘结套筒8。在钢管内空置位置浇筑高强砂浆2。充分振捣，并在上下端使用模具开槽口，槽口尺寸与锚固端板榫头尺寸一致。此处应注意锚固端板榫头拼入槽口后，端板上的FRP筋预留孔与FRP筋无粘结套筒8对正，保证FRP筋6顺利穿过。

S3：静置养护。完成养护后，将钢管上下端混凝土模具拆下，疏通FRP筋无粘结套筒8。

S2、S3完成后构件如图8、图9所示。

S4：现场装配式安装。先将上下锚固端板榫头插入槽口，然后将FRP筋6穿过上下端锚固端板9以及无粘结套筒8。最后在两端安装FRP筋锚固螺栓7(可根据需要对FRP筋6施加一部分预应力)。在锚固端板与钢管接触处进行点焊，实现锚固端板9与薄壁钢管4的弱连接。即锚固端板9当受到较大拉力时会与钢管脱开，避免钢管受到较大的拉力。最后在薄壁钢管4表面粘贴FRP布5。

安装完成后构件如图10所示。支撑装置工作机理如图11所示。

附图说明

图1为支撑装置细部构造剖切示意图。

图2为支撑装置整体示意图。

图3为支撑装置两端未浇筑高强砂浆时内部构造示意图。

图4为支撑装置未浇筑高强砂浆时竖向剖切内部构造示意图。

图5为锚固端板俯视图。

图6为锚固端板仰视图。

图7为S1完成后装置示意图。

图8为S1、S2完成后装置示意图。

图9为S1、S2完成后装置剖切示意图。

图10为支撑装置拼装完成后示意图。

图11为支撑装置工作机制示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明：如图4所示，本发明的一种装配式FRP加强型配筋钢管内填木材组合支撑，主要由内填木材1、高强砂浆2、肋板3、薄壁钢管4、FRP布5、FRP筋材6、FRP筋锚固螺栓7、无粘结套筒8、锚固端板9组成。

其特征在于由FRP布包裹的带肋薄壁钢管内部填充木材，其余空置空间填充高强砂浆。并在高强砂浆中配置无粘结FRP筋。如图4所示。该新型支撑主要抗压体系：FRP布加强的钢管-木材-高强砂浆组合。当支撑受压时，两端端板通过端板下表面、榫头，向FRP布加强型内填木材带肋板钢管高强砂浆组合体系施加压力。混凝土、木材以及钢管直接受压，内部肋板、外部FRP布提高钢管及整个体系的稳定性。同时端板挤压支撑时，由于FRP筋固定螺栓距离端板套筒上端有一定自由距离，因此FRP筋亦不受端板挤压。主要抗拉体系：锚固端板-FRP筋固定螺栓-FRP筋。当支撑受拉时，锚固端板对两端的FRP筋固定螺栓施加等值反向的压力，因而中间FRP筋受到拉力作用。与此同时，锚固端板如钢管弱连接位置脱开，加之端板表面以及榫头涂抹有无粘结涂料，FRP布加强的钢管-木材-高强砂浆组合体系不受拉力影响。

该新型支撑核心填充物以木材为主，且积极应用高性能材料，整体质量大幅度减轻。同时将核心部件的受压与受拉体系分离，使支撑本身受力体系更加优化。该发明中各部件可以实现工厂预制，施工现场装配式组装，施工过程简化、精度提高、绿色环保适用于多、高层建筑体系。

以上是本发明的一个典型实施例，本发明的实施不限于此。

Claims (10)

1.一种装配式FRP加强型配筋钢管内填木材组合支撑，其特征在于：该组合支撑包括内填木材(1)、高强砂浆(2)、肋板(3)、薄壁钢管(4)、FRP布(5)、FRP筋(6)、FRP筋锚固螺栓(7)、无粘结套筒(8)和锚固端板(9)；内填木材(1)、高强砂浆(2)、肋板(3)、薄壁钢管(4)组成支撑中抗压体系；FRP筋(6)、FRP筋锚固螺栓(7)、无粘结套筒(8)组成抗拉承载体系；锚固端板(9)为传力体系；FRP布(5)为约束材料；

内填木材(1)、肋板(3)以及薄壁钢管(4)通过高强砂浆(2)胶结成为一个整体，从而构成了抗压体系；无粘结套筒(8)预埋在高强砂浆(2)中，FRP筋(6)穿过无粘结套筒(8)通过FRP筋锚固螺栓(7)与两端的锚固端板(9)连接，两端的锚固端板(9)榫头卡入高强砂浆(2)预制槽口内，FRP筋(6)与FRP筋锚固螺栓(7)构成抗拉体系；锚固端板(9)起到传递拉力和压力的作用，同时也是支撑装置与建筑结构的梁柱节点连接部位；FRP布(5)通过环氧树脂胶粘贴到薄壁钢管(4)上，提高支撑装置的整体稳定性。

2.根据权利要求1所述的一种装配式FRP加强型配筋钢管内填木材组合支撑，其特征在于：所述内填木材(1)为使用整木加工的型材或胶合木材或小径木材填充物；内填木材(1)为薄壁钢管(4)内的主要填充物，内填木材(1)的截面为方形，宽度为100mm～150mm；内填木材(1)的长度视支撑长度而定，内填木材(1)比薄壁钢管(4)短，且位于薄壁钢管(4)内部，内填木材(1)两端比薄壁钢管(4)两端向内缩进80～100mm；内填木材(1)的重心和横截面形心均与薄壁钢管(4)重合。

3.根据权利要求1所述的一种装配式FRP加强型配筋钢管内填木材组合支撑，其特征在于：所述高强砂浆(2)，为抗压强度>45Mpa的普通商用高强砂浆；高强砂浆(2)作用是填充薄壁钢管(4)的内空置部分，并起到连接内填木材(1)与薄壁钢管(4)的作用，使钢管与钢管内部组分连接成一个整体共同受力，并为内填木材提供侧向约束。

4.根据权利要求1所述的一种装配式FRP加强型配筋钢管内填木材组合支撑，其特征在于：所述肋板(3)为钢板条；肋板(3)厚度为5mm，肋板(3)的长度与内填木材(1)的长度相同，肋板(3)的两端与内填木材(1)的两端对齐；肋板(3)的一侧焊接到薄壁钢管(4)的内壁宽度中心处，另一侧连接内填木材(1)的侧面；肋板(3)的宽度与内填木材(1)的侧面到钢管内壁距离相等；肋板(3)用以固定内填木材(1)的位置，以方便构件制作，还能够防止薄壁钢管(4)的侧壁屈曲失稳，提高薄壁钢管(4)的受压稳定性。

5.根据权利要求1所述的一种装配式FRP加强型配筋钢管内填木材组合支撑，其特征在于：所述薄壁钢管(4)为冷弯薄壁型钢工厂预制成型；长度依据支撑长度确定，钢管厚度为5mm～10mm；采用方形截面，宽度为150mm～200mm；角部采用倒角设计，防止FRP布(5)在钢管角部处发生应力集中现象。

6.根据权利要求1所述的一种装配式FRP加强型配筋钢管内填木材组合支撑，其特征在于：所述FRP布(5)为FRP纤维丝织制而成，其抗拉强度>3500Mpa；FRP布(5)粘贴于薄壁钢管(4)的外侧，使用环氧树脂进行粘贴；粘贴层数为2～3层；FRP布搭接长度不小于150mm，防止搭接区域脱开；FRP布(5)可以约束薄壁钢管(4)受压屈曲失稳的发展，提高支撑整体的受压稳定性；FRP布(5)的两端距离钢管两端为30mm，防止FRP布(5)直接接触锚固端板(9)而受压。

7.根据权利要求1所述的一种装配式FRP加强型配筋钢管内填木材组合支撑，其特征在于：所述FRP筋(6)为多股连续纤维通过基底材料进行胶合后，经特制的模具挤压并拉拔成型的受拉筋材；FRP筋(6)的弹性模量>50Gpa，极限抗拉强度>1000Mpa；使用的FRP筋(6)的直径为12mm～16mm；FRP筋(6)的两端伸出钢管50mm～100mm，方便FRP筋(6)的端头通过FRP筋锚固螺栓(7)锚固在锚固端板(9)上；FRP筋(6)为构件整体提供较大的抗拉强度。

8.根据权利要求1所述的一种装配式FRP加强型配筋钢管内填木材组合支撑，其特征在于：所述FRP筋锚固螺栓(7)为钢质套筒连接螺栓，锚固端板(9)能够将拉力通过FRP筋锚固螺栓(7)传递给FRP筋(6)，从而实现支撑的抗拉能力；

所述无粘结套筒(8)为塑料套筒，塑料套筒的内径大于FRP筋(6)的直径；塑料套筒的内部涂抹无粘结材料以消除FRP筋(6)与塑料套筒间的摩擦力；无粘结套筒(8)消除了FRP筋(6)与外部高强砂浆的摩擦力，保证FRP筋(6)只受拉不受压，提高FRP筋(6)的抗疲劳强度。

9.根据权利要求1所述的一种装配式FRP加强型配筋钢管内填木材组合支撑，其特征在于：所述锚固端板(9)为钢质铸造或焊接部件；

锚固端板(9)包括FRP筋锚固螺栓套筒、榫头、端板和FRP筋预留孔；FRP筋锚固螺栓套筒的内径大于锚固螺栓外径；FRP筋锚固螺栓套筒的高度高于FRP筋锚固螺栓(7)，保证FRP筋只受拉不受压；榫头将端板与支撑主体进行连接，榫头用于端板与支撑主体的固定，榫头做无粘结处理只传递压力不传递拉力；端板的截面为方形宽度为250mm，厚度为20mm～50mm；FRP筋预留孔的直径大于FRP筋直径。

10.利用权利要求1所述组合支撑进行的制作方法，其特征在于：该方法包括如下步骤，

S1：S1.1制作锚固端板(9)；分别制作FRP筋锚固螺栓套筒、端板、榫头，将螺栓套筒、端板、榫头焊接；或直接冶炼、浇铸成型；

S1.2制作薄壁钢管(4)，并在内部焊接肋板(3)；S1.3加工内填木材(1)，并通过肋板固定在钢管内相应位置；S1.4定位无粘结套筒(8)位置；

S2：定位好FRP筋无粘结套筒(8)后，暂时封堵FRP筋无粘结套筒(8)；在钢管内空置位置浇筑高强砂浆(2)；充分振捣，并在上下端使用模具开槽口，槽口尺寸与锚固端板榫头尺寸一致；此处应注意锚固端板榫头拼入槽口后，端板上的FRP筋预留孔与FRP筋无粘结套筒(8)对正，保证FRP筋(6)顺利穿过；

S3：静置养护；完成养护后，将钢管上下端混凝土模具拆下，疏通FRP筋无粘结套筒(8)；

S4：现场装配式安装；先将上下锚固端板榫头插入槽口，然后将FRP筋(6)穿过上下端锚固端板(9)以及无粘结套筒(8)；然后在两端安装FRP筋锚固螺栓(7)，根据需要对FRP筋(6)施加一部分预应力；在锚固端板与钢管接触处进行点焊，实现锚固端板(9)与薄壁钢管(4)的弱连接；即锚固端板(9)当受到较大拉力时会与钢管脱开，避免钢管受到较大的拉力；在薄壁钢管(4)表面粘贴FRP布(5)。

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