CN112127512A - 一种内置复材约束混凝土柱的钢管混凝土束组合剪力墙 - Google Patents

一种内置复材约束混凝土柱的钢管混凝土束组合剪力墙 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种内置复材约束混凝土柱的钢管混凝土束组合剪力墙，包括由钢管束构成的组合剪力墙墙身，钢管束包括若干个钢管，位于组合剪力墙墙身的端部处的钢管内固定设置有纤维增强复合材料管，当组合剪力墙墙身有至少两个墙肢时，位于墙肢的交叉处的钢管内也固定设置有纤维增强复合材料管，每个钢管内和每个纤维增强复合材料管内均充填有混凝土。本发明基于纤维增强复合材料约束混凝土具有良好的变形性能和延性，同时具有明显后期刚度的特点，将其布置在钢管束组合剪力墙内变形或者受力较大部位(如墙端、两个墙肢交叉处、多个墙肢交叉处)的一处或者多处，并在纤维增强复合材料管内填充混凝土，具有承载能力高、延性好的特点。

Description

一种内置复材约束混凝土柱的钢管混凝土束组合剪力墙
技术领域
本发明涉及新型组合结构技术领域，具体涉及一种内置复材约束混凝土柱的钢管混凝土束组合剪力墙。
背景技术
剪力墙是房屋或构筑物中主要承受风荷载或地震作用引起的水平荷载和竖向荷载(重力)的墙体，防止结构剪切(受剪)破坏，一般用钢筋混凝土做成。现有的普通混凝土剪力墙存在抗震性能差及延性差的缺点，公开号为CN105507456A的发明专利虽然在混凝土墙体内部增设纤维增强复合材料管和钢筋等措施以加强其抗震性能，但仍然存在以下缺点：①其外部混凝土墙体依然容易出现较大裂缝及混凝土压碎；②纤维增强复合材料管和混凝土的性能并不能被充分利用；③必须通过现浇方式进行施工，施工工艺较复杂。
发明内容
本发明针对上述普通混凝土剪力墙的不足，提供一种内置复材约束混凝土柱的钢管混凝土束组合剪力墙，采用钢管束形成剪力墙，并且进一步在钢管中增加纤维增强复合材料管，然后在钢管内和纤维增强复合材料管中均填充混凝土，通过钢管和纤维增强复合材料管的双重约束，可以使内部的混凝土强度等性能得到加强，抑制内部混凝土裂缝发展并防止其被压碎。
本发明解决上述技术问题的方案是：一种内置复材约束混凝土柱的钢管混凝土束组合剪力墙，包括由钢管束构成的组合剪力墙墙身，所述钢管束包括若干个钢管，位于所述组合剪力墙墙身的端部处的钢管内固定设置有纤维增强复合材料管，当所述组合剪力墙墙身有至少两个墙肢时，位于墙肢的交叉处的钢管内也固定设置有所述纤维增强复合材料管，每个所述钢管内和每个所述纤维增强复合材料管内均充填有混凝土。
其中，单个钢管内的所述纤维增强复合材料管1的数量为1个或多个。
其中，所述纤维增强复合材料管可替换为环向箍筋、螺旋箍筋、不连续的环向条带、螺旋状条带中的任一种。所述环形箍筋、螺旋状箍筋、环向条带、螺旋条带的材料为纤维增强复合材料或钢材。
其中，所述钢管及纤维增强复合材料管填充混凝土为普通混凝土、高强混凝土、膨胀混凝土、粉煤灰混凝土、轻骨料混凝土、回收骨料混凝土、纤维混凝土、自密实混凝土、橡胶混凝土、ECC、UHPC中的一种；钢管与纤维增强复合材料管的夹层内填充的混凝土种类根据需要可以与纤维增强复合材料管内相同或不同。
其中，所述纤维增强复合材料管所用复合材料为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维中的一种，所述纤维增强复合材料管和所述钢管的截面形状可为圆形、椭圆形、正方形、长方形、多边形中的一种。
其中，所述组合剪力墙墙身中，位于端部处的钢管的内径大于位于其他位置的钢管的内径，定义此时位于端部处的钢管的为端柱。
其中，所述端柱内设置的纤维增强复合材料管的数量为1个或多个，且端柱内设置的纤维增强复合材料管的内径大于位于其他位置处的纤维增强复合材料管的内径。对端部处的钢管尺寸进行增大，可以进一步提高剪力墙的受力性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少如下：
(1)本发明的钢管束组合剪力墙之中，具有纤维增强复合材料管和钢管双重约束，使其内部的混凝土强度等性能得到加强，内部混凝土裂缝发展被抑制，能够进一步提高该组合剪力墙的极限承载能力和延性指数；钢管、混凝土和纤维增强复合材料管都发挥了它们的材料性能，表现出了它们的优势：纤维增强复合材料管高抗拉强度和钢管对内部混凝土的约束以及混凝土的抗压性能高的优点。钢管混凝土在增加了纤维增强复合材料管之后，它的截面惯性矩得到了显著的提高，所以该组合剪力墙的抗剪切能力也得到提高，从而对整个剪力墙的抗震性能的提高也有帮助。此外，该新发明通过在钢管内部设置纤维增强复合材料管及浇筑混凝土而形成的新型组合构件，钢管束中钢管与钢管之间焊接连接即可，具有批量作业、装配式施工的优点，可达到节约成本和提高施工效率的效果。与传统的混凝土剪力墙相比，本发明具有承载力高、抗震性能好、自重轻、施工快、易维修等技术优势。
(2)通过实施本发明，将纤维增强复合材料管布置于墙端、墙肢交叉处，旨在利用纤维增强复合材料管约束混凝土的高强、延性及自复位能力，能有效防止钢管混凝土束组合剪力墙在应力较大位置由于钢管局部屈曲及混凝土压碎导致的局部破坏，以及由所述局部破坏导致的墙体整体破坏。同时，实施本发明时，只需将纤维增强复合材料管或具有类似约束效果其他复材形式以适当方式临时固定在所需要的位置，然后浇筑混凝土，施工方便，也节省了施工费用。
(3)本发明将纤维增强复合材料管配置在混凝土中，还可以较好地规避复材防火性能差的问题。因此，实施本发明不仅能提升钢管束组合剪力墙的受力性能，还可促进高性能复合材料在土木工程中的高效应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明技术方案或实施例，下面将对描述技术方案或实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为端部内置纤维增强复合材料管的一字型钢管混凝土束组合剪力墙立体图。
图2为端部内置纤维增强复合材料管的一字型钢管混凝土束组合剪力墙平面示意图。
图3为内置多个纤维增强复合材料管的L形钢管混凝土束组合剪力墙平面示意图。
图4为内置多个纤维增强复合材料管的T形钢管混凝土束组合剪力墙平面示意图。
图5为扩大式端柱内置纤维增强复合材料管的一字形钢管混凝土束组合剪力墙平面示意图。
图6为扩大式端柱内置多个纤维增强复合材料管的一字形钢管混凝土束组合剪力墙平面示意图。
图7为端部内置多个纤维增强复合材料管的一字形钢管混凝土束组合剪力墙平面示意图。
图8为端部多个(个数n≥2)钢管腔内置纤维增强复合材料管的一字形钢管混凝土束组合剪力墙平面示意图。
图9为内置纤维增强复合材料管及钢管可能的截面形状示意图。
图10为纤维增强复合材料管立体示意图。
图11为螺旋式复材条带示意图。
图12为环状复材条带示意图。
图13为螺旋式复材筋示意图。
图14为环状复材筋示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合予以实施。
本发明提供一种内置复材约束混凝土柱的钢管混凝土束组合剪力墙，包括由钢管束构成的组合剪力墙墙身，钢管束包括若干个钢管3，位于组合剪力墙墙身的端部处的钢管3内固定设置有纤维增强复合材料管1，当组合剪力墙墙身有至少两个墙肢时，位于墙肢的交叉处的钢管3内也固定设置有纤维增强复合材料管1，每个钢管3内和每个纤维增强复合材料管1内均充填有混凝土。通过内含若干钢管的钢管束形成剪力墙，且剪力墙内设置纤维增强复合材料管，钢管与纤维增强复合材料管可以对内部的混凝土形成双重约束，从而可以有效抑制内部混凝土的裂缝发展，进而提高剪力墙的极限承载能力和延性指数。
详细地，在设置有纤维增强复合材料管1的钢管3内，每个钢管3中纤维增强复合材料管1的数量为1个或多个。
详细地，纤维增强复合材料管1可替换为环向箍筋、螺旋箍筋、不连续的环向条带、螺旋状条带中的任一种。环形箍筋、螺旋状箍筋、环向条带、螺旋条带的材料为纤维增强复合材料或钢材。
实施时，先将纤维增强复合材料管1或可替换的其他复材形式以适当方式临时固定在钢管3内，如，可通过在钢管内壁顶部四周等分位置焊接四个螺栓头，四个螺栓另一端均预留两个圆形螺母，两个圆形螺母中间预留两个圆形薄钢片，拧紧两侧螺母使两个圆形钢片夹紧纤维增强复合材料管1的管壁端部，以固定纤维增强复合材料管1。
详细地，纤维增强复合材料管1内及钢管3内填充混凝土为普通混凝土、高强混凝土、膨胀混凝土、粉煤灰混凝土、轻骨料混凝土、再生骨料混凝土、纤维混凝土、自密实混凝土、橡胶混凝土、ECC混凝土和UHPC混凝土中的任一种。
详细地，钢管3与纤维增强复合材料管1夹层内填充的混凝土种类可以与纤维增强复合材料管1内相同或不同，例如，钢管和纤维增强复合材料管1的夹层填充高强混凝土，而纤维增强复合材料管1中填充普通强度混凝土，如此可以充分利用高强混凝土的性能，能够有效地利用钢管和纤维增强复合材料管1对混凝土提供地约束，最大限度地发挥普通强度混凝土和高强混凝土地性能，表现出更强的抗压性能。位于不同位置的纤维增强复合材料管1内及钢管3内填充的混凝土也可以相同或不同。
详细地，纤维增强复合材料管1中的纤维增强复合材料为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维中的任一种。
详细地，纤维增强复合材料管1和钢管3的截面形状为圆形、椭圆形、正方形、长方形、多边形中的任一种。如图9所示。
详细地，组合剪力墙墙身中，位于端部处的钢管3的内径大于位于其他位置的钢管3的内径，定义此时位于端部处的钢管3的为端柱。端柱内设置的纤维增强复合材料管1的数量为1个或多个，且端柱内设置的纤维增强复合材料管1的内径大于位于其他位置处的纤维增强复合材料管1的内径。
为便于理解，下面通过具体的实施例并结合附图进行具体说明。
实施例1
参见图1及图2，本实施例为内置纤维增强复合材料管的一字型钢管束组合剪力墙，钢管束中的多个钢管3依次相互焊接，呈一字型排布，在组合剪力墙墙身的墙端处的钢管3内布置一个纤维增强复合材料管1。其中，纤维增强复合材料管1可为碳纤维增强复合材料管(简称CFRP管)，玻璃纤维增强复合材料管(简称GFRP管)、芳纶纤维增强复合材料管(简称AFRP管)、玄武岩纤维管(简称BFRP管)中的任一种。
为进一步提高剪力墙的受力性能，在靠近两端部的钢管3内也设置有纤维增强复合材料管1。
实施例2
参见图3及图4，本实施例与实施例1不同之处在于：本实施例的若干个钢管3依次焊接，钢管束呈异形排布，如L型排布或T型排布，即具有两个墙肢。在位于端部处以及位于两墙肢交叉处的钢管3内均分别布置了一个纤维增强复合材料管1，其他细节同实施例1。
实施例3
参见图5，本实施例与实施例1不同的是，当荷载较大的时候，为满足受力需求，可以扩大位于剪力墙墙身的端部处的钢管3，使得位于此处的钢管3的尺寸即内径大于其他位置处的钢管3，定义此处的钢管3为端柱，设置在端柱内的纤维增强复合材料管1的尺寸即内径也比其他位置处较大。如此可以达到进一步增强钢管混凝土束组合剪力墙端部承载力及变形能力的效果，其他细节同实施例1。
实施例4
参见图6、7，本实施例与实施例1不同的是，考虑到钢管混凝土束组合剪力墙实际荷载情况，当荷载较大的时候，为受力满足需求，可以在墙端一个钢管3空腔内布置多个(钢管3的个数N不小于2)纤维增强复合材料管1，其他细节同实施例1。
实施例5
参见图8，本实施例与实施例一不同的是，当荷载较大时，为满足受力需求，可在墙端多个钢管(钢管3个数N不小于2)腔内布置纤维增强复合材料管1。
参见图11、12、13、14，上述实施例中，所述纤维增强复合材料管1可替换为不连续的环向螺旋复材条带5、环状复材条带6、螺旋复材筋7和环向复材筋8中的任一种。
本发明基于纤维增强复合材料管约束混凝土具有良好的变形性能和延性，同时具有明显后期刚度的特点，将其布置在钢管束组合剪力墙内变形或者受力较大部位(如墙端、两个墙肢交叉处、多个墙肢交叉处)的一处或者多处，并在纤维增强复合材料管内填充混凝土。本发明所述组合剪力墙不仅具有承载能力高、延性好的特点，而且在大变形时具有明显的后期刚度，使所述组合剪力墙具有一定自复位功能，可以增强大震时的墙体的抗倒塌能力。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定，而不是由上述说明限定。因此，在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化将涵盖在本发明的权利要求范围内，而不应将实施例或权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种内置复材约束混凝土柱的钢管混凝土束组合剪力墙，其特征在于：包括由钢管束构成的组合剪力墙墙身，所述钢管束包括若干个钢管(3)，位于所述组合剪力墙墙身的端部处的钢管(3)内固定设置有纤维增强复合材料管(1)，当所述组合剪力墙墙身有至少两个墙肢时，位于墙肢的交叉处的钢管(3)内也固定设置有所述纤维增强复合材料管(1)，每个所述钢管(3)内和每个所述纤维增强复合材料管(1)内均充填有混凝土(2)。
2.根据权利要求1所述的一种内置复材约束混凝土柱的钢管混凝土束组合剪力墙，其特征在于：单个钢管(3)内的所述纤维增强复合材料管(1)的数量为1个或多个。
3.根据权利要求1所述的一种内置复材约束混凝土柱的钢管混凝土束组合剪力墙，其特征在于：所述纤维增强复合材料管(1)可替换为环向箍筋、螺旋箍筋、不连续的环向条带、螺旋状条带中的任一种。
4.根据权利要求3所述的一种内置复材约束混凝土柱的钢管混凝土束组合剪力墙，其特征在于：所述环形箍筋、螺旋状箍筋、环向条带、螺旋条带的材料为纤维增强复合材料或钢材。
5.根据权利要求1所述的一种内置复材约束混凝土柱的钢管混凝土束组合剪力墙，其特征在于：所述纤维增强复合材料管(1)内及钢管(3)内填充混凝土为普通混凝土、高强混凝土、膨胀混凝土、粉煤灰混凝土、轻骨料混凝土、再生骨料混凝土、纤维混凝土、自密实混凝土、橡胶混凝土、ECC和UHPC中的任一种。
6.根据权利要求1所述的一种内置复材约束混凝土柱的钢管混凝土束组合剪力墙，其特征在于：所述钢管(3)与纤维增强复合材料管(1)夹层内填充的混凝土种类可以与纤维增强复合材料管(1)内相同或不同；位于不同位置的纤维增强复合材料管(1)内及钢管(3)内填充的混凝土可以相同或不同。
7.根据权利要求1所述的一种内置复材约束混凝土柱的钢管混凝土束组合剪力墙，其特征在于：所述纤维增强复合材料管(1)中的纤维增强复合材料为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维中的任一种。
8.根据权利要求1所述的一种内置复材约束混凝土柱的钢管混凝土束组合剪力墙，其特征在于：所述纤维增强复合材料管(1)和所述钢管(3)的截面形状为圆形、椭圆形、正方形、长方形、多边形中的任一种。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种内置复材约束混凝土柱的钢管混凝土束组合剪力墙，其特征在于：所述组合剪力墙墙身中，位于端部处的钢管(3)的内径大于位于其他位置的钢管(3)的内径，定义此时位于端部处的钢管(3)的为端柱。
10.根据权利要求9所述的一种内置复材约束混凝土柱的钢管混凝土束组合剪力墙，其特征在于：所述端柱内设置的纤维增强复合材料管(1)的数量为1个或多个，且端柱内设置的纤维增强复合材料管(1)的内径大于位于其他位置处的纤维增强复合材料管(1)的内径。
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