CN111119409B

CN111119409B - 一种预应力钢管约束型钢混凝土柱及其制备方法

Info

Publication number: CN111119409B
Application number: CN201911387542.8A
Authority: CN
Inventors: 杨洋; 邢翔
Original assignee: Yangzhou University
Current assignee: Yangzhou University
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2019-12-30
Publication date: 2022-03-04
Anticipated expiration: 2039-12-30
Also published as: CN111119409A

Abstract

本发明涉及一种预应力钢管约束型钢混凝土柱及其制备方法，包括钢管、型钢和混凝土，钢管为预应力钢管；所述型钢的质心与钢管的圆心重合，钢管与型钢之间浇筑混凝土，且混凝土为早强混凝土，所述钢管内壁喷涂有砂浆层；所述钢管的横截面为圆形；钢管通过电热法进行预应力处理，钢管通过电热法使其热胀冷缩获得预应力效果；且在钢管内壁设有横向条肋，用于增强钢管与砂浆层之间的粘结性能。通过本发明，利用电热法对钢管进行预热，使得钢管产生预应力，有效约束混凝土，提高柱的刚度、抗压性能、抗疲劳性能，同时其简便的施工操作有效克服在狭小环境、高原环境等复杂环境中施工不利等条件困难。

Description

一种预应力钢管约束型钢混凝土柱及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种预应力钢管约束型钢混凝土柱及其制备方法，属于土木工程应用领域。

背景技术

预应力施加分为先张法和后张法。先张法即指先张拉钢筋后浇注混凝土.其主要张拉程序为:在台座上按设计要求将钢筋张拉到控制应力→用锚具临时固定→浇注混凝土→待混凝土达到设计强度75%以上切断放松钢筋，其传力途径是依靠钢筋与混凝土的粘结力阻止钢筋的弹性回弹,使截面混凝土获得预压应力。后张法分为有粘结预应力和无粘结预应力，两者做法有相似之处，先浇混凝土,待混凝土达到设计强度75%以上,再张拉钢筋(钢筋束).其主要张拉程序为:埋管制孔→浇混凝土→抽管→养护穿筋张拉→锚固→灌浆(防止钢筋生锈).其传力途径是依靠锚具阻止钢筋的弹性回弹，使截面混凝土获得预压应力。预应力的特点和优势有：

提高构件的抗裂性；

改善和提高结构构件的受力性能；

提高构件的抗剪性能；

提高构件的抗疲劳强度，有利于结构承受动荷载；

可以充分利用高强材料节约钢材、减轻结构自重，克服了钢筋混凝土的重要缺点。

但是现如今对于预应力筋大多是需要进行冷拉处理，而冷拉处理的张拉机需要对场地有极高的要求。对于高原环境和狭小的空间环境等复杂的施工环境，张拉机受限场地条件无法发挥其作用，而对于这些场地需要有预应力要求的结构便无法进行制备。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题，提供一种效益高、施工简便的预应力钢管约束型钢混凝土柱及其制备方法，此方法能够显著提高混凝土的抗裂能力、受力性能及抗疲劳性能等，同时解决在狭小环境、高原环境等复杂环境中预应力不便施加的问题，电热法张拉设备简单,张拉方便灵活,特别是一些装配式构筑物在场地限制或机械张拉不方便时，更能体现出其优越性。

本发明的目的是这样实现的，一种预应力钢管约束型钢混凝土柱，其特征在于，包括钢管、型钢和混凝土，钢管为预应力钢管；所述型钢的质心与钢管的圆心重合，钢管与型钢之间浇筑混凝土，且混凝土为早强混凝土，所述钢管内壁喷涂有砂浆层；

所述钢管的横截面为圆形；钢管通过电热法进行预应力处理，钢管通过电热法使其热胀冷缩获得预应力效果；且在钢管内壁设有横向条肋，用于增强钢管与砂浆层之间的粘结性能。

所述型钢为宽翼缘工字型钢、格构结构、箱型钢、槽钢、方钢、圆钢、扁钢、角钢或U型钢。

所述砂浆层为憎水性膨胀珍珠岩隔热砂浆。

所述混凝土中掺入有短束纤维材料，以提高混凝土的强度，短束纤维材料掺入量为4kg/m³；混凝土中的纤维为钢纤维、碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、PVA纤维或芳纶纤维；混凝土两端端面相平。

一种预应力钢管约束型钢混凝土柱的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）、准备混凝土，混凝土为早强混凝土，为42.5R磷酸盐防火耐热混凝土；

步骤2）、准备砂浆层的砂浆材料，砂浆层的砂浆材料为憎水性膨胀珍珠岩砂浆，采用闭孔珍珠岩，其导热系数为0.0245~0.048W/(m•K)，使用温度为-200℃~800℃；同时在砂浆材料中添加外加剂，外加剂为引气剂和/或可再分散乳胶粉和/或憎水剂，进一步减小砂浆的导热系数，极大增强砂浆的粘结强度、可塑性、抗裂性能、柔韧性、防水性能；

步骤3）、在钢管内壁喷涂砂浆层；使用水泥砂浆喷涂灌浆机将经步骤2）准备的砂浆材料喷涂在钢管内壁，喷射厚度控制在3~5mm，在钢管内壁形成砂浆层；

步骤4）、钢管预应力处理；将内壁喷涂有砂浆层的钢管进行电热法张拉，以获得预应力钢管；

步骤5）、混凝土的浇筑与养护：混凝土为早强混凝土，在钢管通电之前，将型钢从端头放在钢管的中心位置，型钢的质心与钢管的圆心重合；采用高抛法在钢管内浇筑早强混凝土，将浇筑好的混凝土柱组合构件进行保湿养护，得到预应力钢管约束型钢混凝土柱。

步骤4）中，在电热法施加应力之前，首先对钢管的伸长量和功率进行计算，计算所需要施加的电压、电流、电阻，得出加热的时间和温度；

准备电热机具，对钢管表面进行除锈；

对钢管以外的连接设备进行绝缘处理，涂上绝缘热塑材料或垫上酚醛纸板；

使用紫铜材质的环形箍状夹具，对钢管两端施加夹具；利用绝缘软铜丝绞线作为导线连接夹具、电热变压器或电弧焊机、电源；

接下来进行通电，将电压稳定在380V-400V之间，逐步升温，将张拉温度控制在150℃-200℃，加热时间为3~20分钟，待到伸长到所需伸长距离时，浇筑磷酸盐混凝土，此时不用立即断电，持续通电，振捣混凝土，待到混凝土达到设计强度的75%时再断电；等待钢管自然冷却后，此时冷却的钢管收缩会将环向的应力施加在混凝土柱上。

步骤3）中的钢管，钢管的横截面为圆形；在钢管内壁设有横向条肋，用于增强钢管与砂浆层之间的粘结性能。

步骤5）中，所述型钢为宽翼缘工字型钢、格构结构、箱型钢、槽钢、方钢、圆钢、扁钢、角钢或U型钢。

步骤5）中，所述混凝土中掺入有短束纤维材料，以提高混凝土的强度，短束纤维材料掺入量为4kg/m³；混凝土中的纤维为钢纤维、碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、PVA纤维或芳纶纤维；混凝土两端端面相平。

本发明结构合理、方法先进科学，通过本发明，提供的一种预应力钢管约束型钢混凝土柱及其制备方法，电热法预应力钢管约束型钢混凝土柱包括预应力钢管、隔热砂浆层、早强混凝土和型钢，型钢设置在预应力钢管内，型钢的质心与钢管圆心重合，砂浆层紧密喷涂于钢管内壁，预应力钢管与型钢之间浇筑混凝土。制备方法时：通过电热法对钢管进行通电升温，钢管的升温范围为200^OC-250^OC，根据物理热胀冷缩性质，钢管沿横向和纵向方向均有伸长。

优选的，所述预应力钢管的横截面为圆形，圆形的约束效果最好。预应力钢管的内部喷涂有一层隔热砂浆，用于阻隔预应力钢管与混凝土之间的热传递。所述的隔热砂浆为憎水性膨胀珍珠岩砂浆。所述隔热砂浆中膨胀珍珠岩为新型闭口珍珠岩且在砂浆中添加各种新型的外加剂，例如：引气剂、可再分散乳胶粉、憎水剂等，用以减小砂浆的导热系数；极大增强砂浆的粘结强度、可塑性、抗裂性能、柔韧性；防水性能等。所述预应力钢管内壁设有横向条肋，用于增强预应力钢管与砂浆之间的粘结性能。所述型钢包括但不局限于工字型钢，但不局限于工字型钢，可替换为格构结构、箱型钢、槽钢、方钢、圆钢、扁钢、角钢、U型钢等。所述混凝土为早强混凝土且其中掺入短束纤维材料。所述短束纤维材料掺入量为4kg/m³,短束纤维包括但不局限于钢纤维、碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、PVA纤维、芳纶纤维等。所述混凝土两端端面相平。

本发明的有益效果：

（1）本发明混凝土柱组合构件外部包裹钢管，减少混凝土与空气的接触的面积，提高组合构件的耐腐蚀性能。

（2）本发明使用预应力钢管环向约束混凝土，有效提高该组合构件的抗压性能和抵抗变形的能力。

（3）本发明使用型钢，能够增强组合构件的承载能力和刚度，克服了混凝土单独使用抗压能力差、承载动荷载能力不足的缺点。

（4）本发明在混凝土内掺入纤维材料，有效提高的混凝土的抗裂性能和延性。

综上，本发明提供的了预应力钢管约束型钢混凝土柱，包括预应力钢管、早强混凝土、型钢，型钢的质心与预应力钢管的圆心重合，型钢与预应力钢管之间浇筑早强混凝土。本发明利用电热法对钢管进行预热，使得钢管产生预应力，有效约束混凝土，提高柱的刚度、抗压性能、抗疲劳性能，同时其简便的施工操作有效克服在狭小环境、高原环境等复杂环境中施工不利等条件困难。

附图说明

图1是本发明截面示意图；

图2是本发明整体示意图；

图3是本发明钢管内壁喷涂砂浆示意图；

图4是本发明钢管施加电热法的示意图;

图5是本发明添加型钢的施工步骤示意图；

图6是本发明浇筑混凝土的施工步骤示意图。

图中：1钢管、2型钢、3混凝土、4砂浆层。

具体实施方式

以下结合附图以及附图说明对本发明作进一步的说明。

一种预应力钢管约束型钢混凝土柱，包括钢管1、型钢2和混凝土3，钢管1为预应力钢管；型钢2的质心与钢管1的圆心重合，钢管1与型钢2之间浇筑混凝土3，且混凝土3为早强混凝土，钢管1内壁喷涂有砂浆层4；钢管1的横截面为圆形；钢管1通过电热法进行预应力处理，钢管1通过电热法使其热胀冷缩获得预应力效果；且在钢管1内壁设有横向条肋，用于增强钢管1与砂浆层4之间的粘结性能。型钢2为宽翼缘工字型钢、格构结构、箱型钢、槽钢、方钢、圆钢、扁钢、角钢或U型钢。砂浆层4为憎水性膨胀珍珠岩隔热砂浆。混凝土3中掺入有短束纤维材料，以提高混凝土的强度，短束纤维材料掺入量为4kg/m³；混凝土3中的纤维为钢纤维、碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、PVA纤维或芳纶纤维；混凝土3两端端面相平。

一种预应力钢管约束型钢混凝土柱在制备时，包括以下步骤：

步骤1）、准备混凝土3，混凝土3为早强混凝土，为42.5R磷酸盐防火耐热混凝土；

步骤2）、准备砂浆层4的砂浆材料，砂浆层4的砂浆材料为憎水性膨胀珍珠岩砂浆，采用闭孔珍珠岩，其导热系数为0.0245~0.048W/(m•K)，使用温度为-200℃~800℃；同时在砂浆材料中添加外加剂，外加剂为引气剂和/或可再分散乳胶粉和/或憎水剂，进一步减小砂浆的导热系数，极大增强砂浆的粘结强度、可塑性、抗裂性能、柔韧性、防水性能；

步骤3）、在钢管1内壁喷涂砂浆层；使用水泥砂浆喷涂灌浆机将经步骤2）准备的砂浆材料喷涂在钢管1内壁，喷射厚度控制在3~5mm，在钢管1内壁形成砂浆层4；

步骤4）、钢管1预应力处理；将内壁喷涂有砂浆层4的钢管1进行电热法张拉，以获得预应力钢管；

步骤5）、混凝土3的浇筑与养护：混凝土3为早强混凝土，在钢管1通电之前，将型钢2从端头放在钢管1的中心位置，型钢2的质心与钢管1的圆心重合；采用高抛法在钢管1内浇筑早强混凝土，将浇筑好的混凝土柱组合构件进行保湿养护，得到预应力钢管约束型钢混凝土柱。

准备电热机具，对钢管1表面进行除锈；

对钢管1以外的连接设备进行绝缘处理，涂上绝缘热塑材料或垫上酚醛纸板；

使用紫铜材质的环形箍状夹具，对钢管1两端施加夹具；利用绝缘软铜丝绞线作为导线连接夹具、电热变压器或电弧焊机、电源；

接下来进行通电，将电压稳定在380V-400V之间，逐步升温，将张拉温度控制在150℃-200℃，加热时间为3~20分钟，待到伸长到所需伸长距离时，浇筑磷酸盐混凝土，此时不用立即断电，持续通电，振捣混凝土，待到混凝土达到设计强度的75%时再断电；等待钢管1自然冷却后，此时冷却的钢管1收缩会将环向的应力施加在混凝土柱上。

步骤3）中的钢管1，钢管1的横截面为圆形；在钢管1内壁设有横向条肋，用于增强钢管1与砂浆层4之间的粘结性能。

步骤5）中，所述型钢2为宽翼缘工字型钢、格构结构、箱型钢、槽钢、方钢、圆钢、扁钢、角钢或U型钢。

步骤5）中，所述混凝土3中掺入有短束纤维材料，以提高混凝土的强度，短束纤维材料掺入量为4kg/m³；混凝土3中的纤维为钢纤维、碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、PVA纤维或芳纶纤维；混凝土3两端端面相平。

参见图1-6，一种预应力钢管约束型钢混凝土柱，包括钢管1、型钢2、混凝土3，所述型钢2在钢管1内，型钢2的质心与钢管1的圆心重合，型钢2内壁喷涂有隔热砂浆层4，型钢2与砂浆层4之间浇筑混凝土3，钢管1的横截面为圆形；钢管1内壁设有横向条肋，用于增强预应力钢管1与砂浆层4之间的粘结性能；混凝土3为早强混凝土且其内掺入短束纤维材料，用于增强混凝土的抗压性能和延性；混凝土3两端端面相平。

本发明中，所述混凝土为早强混凝土，为42.5R磷酸盐防火耐热混凝土，所述混凝土的特点在于：较高的早期强度（1h强度>20MPa）;凝结时间可在大范围内调整（1min到1小时）；高的粘结强度，高的耐磨性和耐火性。其原因在于磷酸盐防火耐热混凝土的凝结硬化与一般的水泥型防火耐热混凝土不同,磷酸盐是作为结合剂而不是胶结材料,因为磷酸盐在常温下本身并不具有较凝性,而是在加热到一定温度时,磷酸盐发生分解-聚合反应。所述混凝土按照C40~C45强度进行配比，但不局限于上述强度进行配比，具体情况根据工程要求，灵活选择。

所述的砂浆层为憎水性膨胀珍珠岩砂浆，采用闭孔珍珠岩，其导热系数为0.0245~0.048W/(m•K)，使用温度为-200℃~800℃。同时在砂浆中添加新型的外加剂，例如：引气剂、可再分散乳胶粉、憎水剂等，进一步减小砂浆的导热系数；极大增强砂浆的粘结强度、可塑性、抗裂性能、柔韧性；防水性能等。憎水性膨胀珍珠岩砂浆的抗压强度为2.5Mp比其他保温隔热材料具有明显的抗压优势，且砂浆与后续浇筑的混凝土有更好的凝结效果。在制备中使用水泥砂浆喷涂灌浆机将所选砂浆喷涂在钢管内壁，喷射厚度控制在3~5mm之间。

将内壁喷涂有砂浆层的钢管进行电热法张拉，以获得预应力钢管。电热法施加应力之前，首先对伸长量和功率进行计算，计算所需要施加的电压、电流、电阻，得出加热的时间和温度。准备电热机具，对钢管表面进行除锈。对钢管以外的链接设备进行绝缘处理，例如涂上绝缘热塑材料或垫上酚醛纸板。使用紫铜材质的环形箍状夹具，对钢管两端施加夹具。利用绝缘软铜丝绞线作为导线连接夹具、电热变压器或电弧焊机、电源。接下来进行通电，将电压稳定在380V-400V之间，逐步升温，将张拉温度控制在150℃-200℃，加热时间为3~20分钟，待到伸长到所需伸长距离时，浇筑磷酸盐混凝土，此时不用立即断电，持续通电，振捣混凝土，待到混凝土达到设计强度的75%时再断电。等待钢管自然冷却后，此时冷却的钢管收缩会将环向的应力施加在混凝土柱上。

在钢管通电之前，将型钢从端头放在钢管的中心位置。采用高抛法在钢管内浇筑早强混凝土。将浇筑好的混凝土柱组合构件进行保湿养护。

Claims

1.一种预应力钢管约束型钢混凝土柱，其特征在于，包括钢管（1）、型钢（2）和混凝土（3），钢管（1）为预应力钢管；所述型钢（2）的质心与钢管（1）的圆心重合，钢管（1）与型钢（2）之间浇筑混凝土（3），且混凝土（3）为早强混凝土，所述钢管（1）内壁喷涂有砂浆层（4）；预应力钢管约束型钢混凝土柱在制备时，包括以下步骤：

步骤1）、准备混凝土（3），混凝土（3）为早强混凝土，为42.5R磷酸盐防火耐热混凝土；

步骤2）、准备砂浆层（4）的砂浆材料，砂浆层（4）的砂浆材料为憎水性膨胀珍珠岩砂浆，采用闭孔珍珠岩，其导热系数为0.0245~0.048W/(m•K)，使用温度为-200℃~800℃；同时在砂浆材料中添加外加剂，外加剂为引气剂和/或可再分散乳胶粉和/或憎水剂，进一步减小砂浆的导热系数，极大增强砂浆的粘结强度、可塑性、抗裂性能、柔韧性、防水性能；

步骤3）、在钢管（1）内壁喷涂砂浆层；使用水泥砂浆喷涂灌浆机将经步骤2）准备的砂浆材料喷涂在钢管（1）内壁，喷射厚度控制在3~5mm，在钢管（1）内壁形成砂浆层（4）；

步骤4）、钢管（1）预应力处理；将内壁喷涂有砂浆层（4）的钢管（1）进行电热法张拉，以获得预应力钢管；

步骤5）、混凝土（3）的浇筑与养护：混凝土（3）为早强混凝土，在钢管（1）通电之前，将型钢（2）从端头放在钢管（1）的中心位置，型钢（2）的质心与钢管（1）的圆心重合；采用高抛法在钢管（1）内浇筑早强混凝土，将浇筑好的混凝土柱组合构件进行保湿养护，得到预应力钢管约束型钢混凝土柱。

2.根据权利要求1所述的一种预应力钢管约束型钢混凝土柱，其特征在于，所述钢管（1）的横截面为圆形；钢管（1）通过电热法进行预应力处理，钢管（1）通过电热法使其热胀冷缩获得预应力效果；且在钢管（1）内壁设有横向条肋，用于增强钢管（1）与砂浆层（4）之间的粘结性能。

3.根据权利要求1所述的一种预应力钢管约束型钢混凝土柱，其特征在于，所述型钢（2）为工字型钢、格构结构、箱型钢、槽钢、方钢、圆钢、扁钢、角钢或U型钢。

4.根据权利要求1所述的一种预应力钢管约束型钢混凝土柱，其特征在于，所述砂浆层（4）为憎水性膨胀珍珠岩隔热砂浆。

5.根据权利要求1所述的一种预应力钢管约束型钢混凝土柱，其特征在于，所述混凝土（3）中掺入有短束纤维材料，以提高混凝土的强度，短束纤维材料掺入量为4kg/m³；混凝土（3）中的纤维为钢纤维、碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、PVA纤维或芳纶纤维；混凝土（3）两端端面相平。

6.根据权利要求1所述的一种预应力钢管约束型钢混凝土柱，其特征在于，步骤4）中，在电热法施加应力之前，首先对钢管的伸长量和功率进行计算，计算所需要施加的电压、电流、电阻，得出加热的时间和温度；

准备电热机具，对钢管（1）表面进行除锈；

对钢管（1）以外的连接设备进行绝缘处理，涂上绝缘热塑材料或垫上酚醛纸板；

使用紫铜材质的环形箍状夹具，对钢管（1）两端施加夹具；利用绝缘软铜丝绞线作为导线连接夹具、电热变压器或电弧焊机、电源；

接下来进行通电，将电压稳定在380V-400V之间，逐步升温，将张拉温度控制在150℃-200℃，加热时间为3~20分钟，待到伸长到所需伸长距离时，浇筑磷酸盐混凝土，此时不用立即断电，持续通电，振捣混凝土，待到混凝土达到设计强度的75%时再断电；等待钢管（1）自然冷却后，此时冷却的钢管（1）收缩会将环向的应力施加在混凝土柱上。