CN110056118B - Frp空间桁架海砂混凝土板结构 - Google Patents

Frp空间桁架海砂混凝土板结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种FRP空间桁架海砂混凝土板结构，该结构包括FRP下弦杆、FRP上弦杆、FRP支撑腹杆、FRP螺纹套筒球节点、海砂混凝土。本实用型板结构采用空间桁架结构形式使板结构正交双向受力承受荷载，能够充分发挥FRP材料轻质，高强，耐腐蚀性好等特性和海砂混凝土可就地取材的优势，使本结构具有运输便宜、结构形式标准化、现场安装方便、施工周期短的优点，同时具有耐腐蚀性、承载力、抗侧刚度、抗弯刚度、抗疲劳、抗震性能强等特点，能够适应恶劣的海洋环境下结构工程板结构的需要，适于推广使用。

Description

FRP空间桁架海砂混凝土板结构
技术领域
本发明涉及结构工程新材料与组合结构应用技术领域，具体是指一种FRP空间桁架海砂混凝土板结构。
背景技术
在沿海和远海岛礁等地区，海洋恶劣环境中富含大量的氯离子，会造成传统钢筋混凝土结构出现严重的钢筋锈蚀、混凝土开裂等现象，使建筑物维修周期缩短，严重影响海洋环境下建筑结构的安全性和耐久性；其次海洋工程及海洋环境下工程建设地处沿海或远离大陆，缺少河砂、石和淡水资源，采用普通钢筋混凝土结构就需要耗费大量人力物力运输水泥、河砂、粗骨料等建材；再次海洋工程及海环境下工程建设一般缺少大量的人力资源以及大型施工机械设备，结构体系不能过于复杂，同时需要快速施工成型。
近年来FRP材料以轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳等特点已作为新型建筑材料在工程建设领域得到广泛应用。其中以FRP-混凝土组合结构形式的应用尤其突出，FRP材料在FRP-混凝土组合构件中一般作为承受拉力构件使用，具有明显的优势，但FRP材料相比于传统钢筋材料弹性模量不高，使得组合结构的刚度成为组合结构设计中的首要目标，而且FRP材料与混凝土材料界面的粘结性能薄弱，会使组合结构的工作性能降低，大多已有结构均以粘贴FRP剪力键或预留孔增设螺栓剪力键等方式去解决FRP材料与混凝土材料间界面问题，但这些做法同时会增加额外的粘结剂界面耐久问题和螺栓剪力键锈蚀耐久问题等，且大部分FRP混凝土组合板多采用单向受力模式，不利于结构承载力提高和平面稳定性。
由此可以看出传统的钢筋混凝土结构已无法满足海洋环境下的需求，而采用FRP-混凝土组合结构是一种有效结构形式，但是仍然需要解决现有FRP-混凝土组合板结构存在的问题，亟需开发一种力学性能、耐久性能和经济性更为优越以及施工更为方便的FRP-混凝土结构板形式。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种FRP空间桁架海砂混凝土板结构，来解决以上力学性能差、耐久性差、资源匮乏、施工周期长等问题。
为实现上述目的，本发明提供的FRP空间桁架海砂混凝土板结构，其特征在于：包括FRP空间桁架，所述FRP空间桁架包括多个FRP下弦杆、多个FRP上弦杆、多个FRP支撑腹杆、多个FRP螺纹套筒球节点和海砂混凝土；
所述FRP下弦杆、FRP上弦杆和FRP支撑腹杆均一次性预制成型，且FRP下弦杆、FRP上弦杆和FRP支撑腹杆的两端部分均做螺纹处理；
所述FRP螺纹套筒球节点包括节点球体和3—8个节点外伸套筒；所述节点外伸套筒的内径及内螺纹均与所述FRP下弦杆、FRP上弦杆、FRP支撑腹杆两端部分的螺纹相匹配以保证连接稳定性；
所述多个FRP下弦杆、多个FRP上弦杆和多个FRP支撑腹杆均通过多个FRP螺纹套筒球节点上的节点外伸套筒，按照空间桁架布置进行连接形成FRP空间桁架；
还设有连接用FRP上弦杆用以FRP空间桁架与其他FRP空间桁架的FRP螺纹套筒球节点之间辅助连接；在所述FRP空间桁架倒置后形成的上部槽中浇筑海砂混凝土即形成FRP空间桁架海砂混凝土板结构。
作为优选方案，所述FRP空间桁架结构形式为四角锥桁架、三角锥桁架、六角锥桁架或平面桁架系组成的空间桁架结构中的任一种；所述FRP空间桁架层数为单层、多层或局部混合使用。
进一步地，所FRP下弦杆和FRP上弦杆均为杆件形式、板形式或杆板混合形式；所述FRP下弦杆、FRP上弦杆和FRP支撑腹杆形状均为实心形状或空心形状；所述实心形状为实心圆形、实心椭圆形、实心方形、实心矩形或实心多边形中任一种；所述空心形状为空心圆形、空心椭圆形、空心方形、空心矩形或空心多边形中任一种；所述FRP下弦杆、FRP上弦杆和FRP支撑腹杆为实心形状时，所述FRP下弦杆、FRP上弦杆和FRP支撑腹杆的杆直径范围为8mm—25mm；所述FRP下弦杆、FRP上弦杆和FRP支撑腹杆为空心形状时，所述FRP下弦杆、FRP上弦杆和FRP支撑腹杆的FRP外套管壁厚范围为4mm-12mm。
更进一步地，所述海砂混凝土为普通混凝土、自密实混凝土、再生骨料混凝土、纤维混凝土或高性能混凝土中任一种；所述上部槽中灌注的海砂混凝土厚度为H，所述H取值满足如下条件：所述H≥40mm且H≥h，h＝FRP螺纹套筒球节点直径+15mm。
更进一步地，所述海砂混凝土为普通混凝土、自密实混凝土、再生骨料混凝土、纤维混凝土或高性能混凝土中任一种；所述上部槽中灌注的海砂混凝土厚度为H，所述H取值满足如下条件：所述H≥40mm且H≥h，h＝FRP螺纹套筒球节点直径+15mm。
更进一步地，所述FRP下弦杆和FRP上弦杆采用板形式时，所述FRP下弦杆与FRP螺纹套筒球节点形成一体化螺纹套筒半球节点FRP下弦板；所述FRP上弦杆与FRP螺纹套筒球节点形成一体化螺纹套筒半球节点FRP上弦板；所述一体化螺纹套筒半球节点FRP下弦板与一体化螺纹套筒半球节点FRP上弦板均为在工厂一次性预制成型。
本发明的优点及有益效果如下：本发明的方案提出了利用海砂、海水等海洋环境材料，配以快硬水泥形成速凝海砂混凝土，并以具有轻质，高强，耐腐蚀等特性的FRP材料代替传统的钢筋、钢管等易腐蚀材料，通过节点连接，形成组合板的空间桁架体系，这种结构将海砂混凝土和FRP材料结合，充分发挥FRP轻质高强及海砂混凝土易得的优势，通过标准化设计和工业化生产，形成一种FRP空间桁架海砂混凝土板结构。
本发明结构形式简单，可设计性强，取材方便，经济效益突出，承载力好，抗变形能力好，尤其是在大跨板结构应用中具有更明显的优势；耐腐蚀性好，能延长结构服役寿命；各个构件成品均为标准化预制完成，运输方便，现场组合使用，施工简便，可大大缩短施工周期；质量减轻，结构抗震性能和抗疲劳性能大大提高。正交受力模式设计使得结构能够双向承担荷载，受力更为合理，能有效抑制变形和控制裂缝。避免已有FRP混凝土组合板结构中存在的FRP板材与混凝土间协同工作的界面问题。
附图说明
图1为本发明立体剖切示意图。
图2为本发明横截面剖切示意图。
图3为本发明FRP空间桁架结构立体示意图。
图4为本发明FRP空间桁架结构三面示意图。
图5为本发明FRP螺纹套筒球节点示意图。
图6为本发明实施例二中另一种FRP空间桁架结构横截面示意图。
图7为本发明实施例二中一体化螺纹套筒半球节点FRP下弦板示意图。
图8为本发明实施例三中另一种FRP空间桁架结构横截面示意图。
图9为本发明实施例三中一体化螺纹套筒半球节点FRP上弦板示意图。
图10为本发明实施例四中另一种FRP空间桁架结构横截面示意图。
其中：FRP下弦杆1，FRP上弦杆2，FRP支撑腹杆3，FRP螺纹套筒球节点4，海砂混凝土5，连接用FRP上弦杆6，节点球体7，节点外伸套筒8，一体化螺纹套筒半球节点FRP下弦板9,一体化螺纹套筒半球节点FRP上弦板10。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对对本发明作进一步地地详细说明：
实施例一：
如图所示的FRP空间桁架海砂混凝土板结构，包括FRP空间桁架，FRP空间桁架包括多个FRP下弦杆1、多个FRP上弦杆2、多个FRP支撑腹杆3、多个FRP螺纹套筒球节点4和海砂混凝土5；FRP下弦杆1、FRP上弦杆2和FRP支撑腹杆3均一次性预制成型，且FRP下弦杆1、FRP上弦杆2和FRP支撑腹杆3的两端部分均做螺纹处理；FRP螺纹套筒球节点4包括节点球体7和3—8个节点外伸套筒8；节点外伸套筒8的内径及内螺纹均与FRP下弦杆1、FRP上弦杆2、FRP支撑腹杆3两端部分的螺纹相匹配以保证连接稳定性；多个FRP下弦杆1、多个FRP上弦杆2和多个FRP支撑腹杆3均通过多个FRP螺纹套筒球节点4上的节点外伸套筒8，按照空间桁架布置进行连接形成FRP空间桁架；
还设有连接用FRP上弦杆6用以FRP空间桁架与其他FRP空间桁架的FRP螺纹套筒球节点4之间辅助连接；在FRP空间桁架倒置后形成的上部槽中浇筑海砂混凝土5即形成FRP空间桁架海砂混凝土板结构。
FRP空间桁架结构形式为四角锥桁架、三角锥桁架、六角锥桁架或平面桁架系组成的空间桁架结构中的任一种；FRP空间桁架层数为单层、多层或局部混合使用。
所FRP下弦杆1和FRP上弦杆2均为杆件形式、板形式或杆板混合形式；FRP下弦杆1、FRP上弦杆2和FRP支撑腹杆3形状均为实心形状或空心形状；实心形状为实心圆形、实心椭圆形、实心方形、实心矩形或实心多边形中任一种；空心形状为空心圆形、空心椭圆形、空心方形、空心矩形或空心多边形中任一种；FRP下弦杆1、FRP上弦杆2和FRP支撑腹杆3为实心形状时，FRP下弦杆1、FRP上弦杆2和FRP支撑腹杆3的杆直径范围为8mm—25mm；FRP下弦杆1、FRP上弦杆2和FRP支撑腹杆3为空心形状时，FRP下弦杆1、FRP上弦杆2和FRP支撑腹杆3的FRP外套管壁厚范围为4mm-12mm。
海砂混凝土5为普通混凝土、自密实混凝土、再生骨料混凝土、纤维混凝土或高性能混凝土中任一种；上部槽中灌注的海砂混凝土5厚度为H，H取值满足如下条件：H≥40mm且H≥h，h＝FRP螺纹套筒球节点4直径+15mm。
海砂混凝土5为普通混凝土、自密实混凝土、再生骨料混凝土、纤维混凝土或高性能混凝土中任一种；上部槽中灌注的海砂混凝土5厚度为H，H取值满足如下条件：H≥40mm且H≥h，h＝FRP螺纹套筒球节点4直径+15mm。
FRP下弦杆1和FRP上弦杆2采用板形式时，FRP下弦杆1与FRP螺纹套筒球节点4形成一体化螺纹套筒半球节点FRP下弦板9；FRP上弦杆2与FRP螺纹套筒球节点4形成一体化螺纹套筒半球节点FRP上弦板10；一体化螺纹套筒半球节点FRP下弦板9与一体化螺纹套筒半球节点FRP上弦板10均为在工厂一次性预制成型。
首先FRP下弦杆1、FRP上弦杆2、FRP支撑腹杆3需在工厂一次性预制成型，并在杆件两端部分做螺纹处理；FRP螺纹套筒球节点4主体需在工厂一次成型，节点外伸套筒8内径及内螺纹需和连接的FRP杆件(1、2、3)匹配，以保证连接稳定性，参见图5；将FRP下弦杆1、FRP上弦杆2、FRP支撑腹杆3、预制螺纹套筒球节点4标准化成品运至现场，并将FRP下弦杆1、FRP上弦杆2、FRP支撑腹杆3按照设计标准通过预制FRP螺纹套筒球节点4连接形成FRP空间桁架，如图3、图4所示；为便于后期装配FRP空间桁架海砂混凝土板，将连接用FRP上弦杆6预留出混凝土预浇筑部分；将FRP空间桁架倒置并浇筑海砂混凝土5即形成FRP空间桁架海砂混凝土板结构。
实施例二：
与实施例一过程相同，不同点在于FRP下弦杆1采用板形式，参见图6、图7，一体化螺纹套筒半球节点FRP下弦板9需在工厂一次性预制成型，作为下弦受拉构件。
实施例三：
与实施例一过程相同，不同点在于FRP上弦杆采用板形式，参见图8、图9，一体化螺纹套筒半球节点FRP上弦板10需在工厂一次性预制成型，预制板时可在板上开洞以增加后浇混凝土与FRP上弦杆2间连接性能。
实施例四：
与实施例一过程相同，不同点在于FRP空间桁架结构形式采用双层桁架形式，参见图10。

Claims (1)

1.一种FRP空间桁架海砂混凝土板结构，其特征在于：包括FRP空间桁架，所述FRP空间桁架包括多个FRP下弦杆（1）、多个FRP上弦杆（2）、多个FRP支撑腹杆（3）、多个FRP螺纹套筒球节点（4）和海砂混凝土（5）；
所述FRP下弦杆（1）、FRP上弦杆（2）和FRP支撑腹杆（3）均一次性预制成型，且FRP下弦杆（1）、FRP上弦杆（2）和FRP支撑腹杆（3）的两端部分均做螺纹处理；
所述FRP螺纹套筒球节点（4）包括节点球体（7）和3—8个节点外伸套筒（8）；所述节点外伸套筒（8）的内径及内螺纹均与所述FRP下弦杆（1）、FRP上弦杆（2）、FRP支撑腹杆（3）两端部分的螺纹相匹配以保证连接稳定性；
所述多个FRP下弦杆（1）、多个FRP上弦杆（2）和多个FRP支撑腹杆（3）均通过多个FRP螺纹套筒球节点（4）上的节点外伸套筒（8），按照空间桁架布置进行连接形成FRP空间桁架；
还设有连接用FRP上弦杆（6）用以FRP空间桁架与其他FRP空间桁架的FRP螺纹套筒球节点（4）之间辅助连接；在所述FRP空间桁架倒置后形成的上部槽中浇筑海砂混凝土（5）即形成FRP空间桁架海砂混凝土板结构；
所述FRP空间桁架结构形式为四角锥桁架、三角锥桁架、六角锥桁架或平面桁架系组成的空间桁架结构中的任一种；所述FRP空间桁架层数为单层、多层或局部混合使用；
所FRP下弦杆（1）和FRP上弦杆（2）均为杆件形式、板形式或杆板混合形式；所述FRP下弦杆（1）、FRP上弦杆（2）和FRP支撑腹杆（3）形状均为实心形状或空心形状；所述实心形状为实心圆形、实心椭圆形、实心方形、实心矩形或实心多边形中任一种；所述空心形状为空心圆形、空心椭圆形、空心方形、空心矩形或空心多边形中任一种；所述FRP下弦杆（1）、FRP上弦杆（2）和FRP支撑腹杆（3）为实心形状时，所述FRP下弦杆（1）、FRP上弦杆（2）和FRP支撑腹杆（3）的杆直径范围为8mm—25mm；所述FRP下弦杆（1）、FRP上弦杆（2）和FRP支撑腹杆（3）为空心形状时，所述FRP下弦杆（1）、FRP上弦杆（2）和FRP支撑腹杆（3）的FRP外套管壁厚范围为4mm-12mm；
所述海砂混凝土（5）为普通混凝土、自密实混凝土、再生骨料混凝土、纤维混凝土或高性能混凝土中任一种；所述上部槽中灌注的海砂混凝土（5）厚度为H，所述H取值满足如下条件：所述H≥40mm且H≥h，h=FRP螺纹套筒球节点（4）直径+15mm；
所述FRP下弦杆（1）和FRP上弦杆（2）采用板形式时，所述FRP下弦杆（1）与FRP螺纹套筒球节点（4）形成一体化螺纹套筒半球节点FRP下弦板（9）；所述FRP上弦杆（2）与FRP螺纹套筒球节点（4）形成一体化螺纹套筒半球节点FRP上弦板（10）；所述一体化螺纹套筒半球节点FRP下弦板（9）与一体化螺纹套筒半球节点FRP上弦板（10）均为在工厂一次性预制成型。
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