CN112982137B - 一种采用填充自密实ecc混凝土的石墨烯管制成的拱肋 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用填充自密实ECC混凝土的石墨烯管制成的拱肋，包括石墨烯管以及密实填充在石墨烯管内的自密实ECC混凝土，其中：所述石墨烯管采用密度为2.25g/cm³的石墨烯材料制成；其中：所述自密实ECC混凝土的密度为2.3g/cm³‑2.4g/cm³；本发明提供的一种采用填充自密实ECC混凝土的石墨烯管制成的拱肋，即用石墨烯管自密实ECC混凝土组合材料代替传统钢管混凝土组合材料作为桥梁的拱肋结构，石墨烯材料耐腐蚀、密度小重量轻、强度高，从而避免了钢管结构易腐蚀生锈的缺点，对于解决钢管混凝土拱桥的拱肋结构耐久性差等问题具有较强的工程实际价值和研究意义。

Description

一种采用填充自密实ECC混凝土的石墨烯管制成的拱肋

技术领域

本发明涉及桥梁结构技术领域，特别涉及一种采用填充自密实ECC混凝土的石墨烯管制成的拱肋。

背景技术

我国在钢管混凝土拱桥的设计、施工养护方面取得了举世瞩目的成绩，但钢管混凝土拱桥的发展仍存在较大的问题，即设计理论与养护等方面的研究成果仍无法满足钢管拱桥的建设。自 1990 年我国首座钢管混凝土拱桥在四川旺苍建成以来，钢管混凝土拱桥在我国迅速发展起来，据不完全统计，全国已建和在建的钢管混凝土拱桥有上百座，但是钢管混凝土拱桥后期养护设计理论与技术发展相对滞后，随着桥梁日益老化，环境的腐蚀以及车辆增多，钢管拱桥的病害事故不断发生。

钢管混凝土拱桥由于钢管约束核心混凝土从而使核心混凝土处于三向受压状态，使其承载力大大提高，同时，钢管的套箍作用大大地提高了混凝土的塑性性能，使得高强混凝土的脆性弱点得以克服，同时由于管内混凝土的存在，也提高了薄壁钢管的局部稳定性，使其强度可以充分发挥，由于钢管混凝土具有很高的承载能力，可以减少桥梁的自重，从而很大程度上改善大跨度拱桥的抗风能力和抗震能力。在不易搭设桥下支架的山区施工时，由于钢管自重轻、刚度和强度大的特点，当采用钢管混凝土桥型时，可以先合龙钢管骨架，再浇筑管内混凝土，形成主拱肋，利于山区施工。

钢管混凝土拱桥由于其受力合理、施工便捷、外观优美等特点而被广泛采用，但是钢材的耐久性问题一直是此类桥型的难点，通常需要定期除锈并涂刷防腐油漆来减缓钢管的腐蚀，尤其在经常采用此类桥型的山区，常年多阴雨天气，对钢管的防锈提出了更高的要求。

钢管锈蚀会导致钢管能够承受荷载的截面减小，其承载能力会随之减小，因此构件的安全性会变小。钢管混凝土组合结构中由于对混凝土的套箍效应使得该组合结构的承载力得到很大的增强，这一组合作用得到很多实验和工程的证实，钢管的锈蚀程度会严重影响到套箍作用，其承载力的降低是显而易见的，而且钢结构的抗拉、抗弯、抗剪能力远远大于混凝土结构，由于钢结构的锈蚀，拱肋的抗拉、抗弯、抗剪能力将大幅度降低，而以往混凝土拱桥的损坏往往都是这三种作用造成的，因此钢管的锈蚀直接危害着钢管拱桥的安全性。

虽然钢管混凝土拱桥在使用时会采用一定的防护措施对钢管外壁进行保护，但随着使用年限的增长，锈蚀仍然不可避免，图1为三门健跳大桥切开防腐涂装的钢管锈蚀情况，当桥梁在湿度大的海洋环境、工业环境和湿度较大的环境中时，锈蚀速率更快。

钢管混凝土拱桥中主要采用喷涂式防护体系，虽然涂层能够在一定时间内对金属起到保护作用，但随着钢管混凝土拱桥运营时间增长，涂层会逐渐失效，主要表现为涂层粉化、渗色、变色、起泡、剥落、开裂等，图2为钢管混凝土拱桥涂层失效的照片。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种采用填充自密实ECC混凝土的石墨烯管制成的拱肋，即用石墨烯管自密实ECC混凝土组合材料代替传统钢管混凝土组合材料作为桥梁的拱肋结构，石墨烯材料耐腐蚀、密度小重量轻、强度高，从而避免了钢管结构易腐蚀生锈的缺点，对于解决钢管混凝土拱桥的拱肋结构耐久性差等问题具有较强的工程实际价值和研究意义。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种采用填充自密实ECC混凝土的石墨烯管制成的拱肋，其特征在于：包括石墨烯管以及密实填充在石墨烯管内的自密实ECC混凝土，其中：所述石墨烯管采用密度为2.25g/cm³的石墨烯材料制成；所述自密实ECC混凝土的密度为2.3g/cm³-2.4g/cm³。

作为本发明的进一步的优选方案，所述自密实ECC混凝土材料包括高强度高弹模的短纤维物质，所述短纤维物质的体积不超过自密实ECC混凝土材料的体积的3%。

作为本发明的进一步的优选方案，所述拱肋之间采用石墨烯连接管套箍连接，所述石墨烯连接管的内壁与石墨烯管的外壁之间均涂油胶水。

作为本发明的进一步的优选方案，所述石墨烯管的内壁为螺纹状。

作为本发明的进一步的优选方案，所述石墨烯管的内部设有抗剪件。

作为本发明的进一步的优选方案，所述拱肋的横截面为哑铃形，在所述哑铃形拱肋中，石墨烯管与石墨烯管之间通过热熔方式固定连接。

作为本发明的进一步的优选方案，所述拱肋的横截面为格构形，所述格构形的拱肋包括三根及三根以上的石墨烯管，所述石墨烯管之间通过缀条方式连接。

本发明具有如下有益效果：

该结构形式充分利用了石墨烯材料的抗裂能力和耐腐蚀性以及自密实ECC混凝土材料的超高韧性，能够有效地预防现有钢管混凝土拱桥施工与运营过程中出现的钢管拱肋因锈蚀而承载力下降的问题，与普通的钢管混凝土拱肋相比，本发明包括以下优势：

1）由于石墨烯材料具有优越的耐腐蚀性能，拱肋结构的使用寿命和结构耐久性得到了重要保障；

2）石墨烯管密度小重量轻、强度高，该组合结构中的石墨烯管自身作为模板使用时，由于石墨烯材料较钢材更轻，在运输吊装过程中更为方便，在相同起重条件下，可以一次吊装更大体积的石墨烯管，从而可以减少因吊装能力不足而设置的拼接缝，整体性好；

3）该拱肋结构的外侧石墨烯管表面光洁且绿色环保，吻合美学要求，不需要涂刷油漆即可长时间保持优美的外观，节约了粉饰装修造价。

附图说明

图1a和图1b是三门健跳大桥切开防腐涂装的钢管锈蚀情况；

图2a和图2b为钢管混凝土拱桥涂层失效图；

图3是下承式石墨烯管混凝土拱桥立面图；

图4是上承式石墨烯管混凝土拱桥立面图；

图5a是横截面为圆形的拱肋结构示意图；

图5b是横截面为哑铃形的拱肋结构示意图；

图6a是石墨烯管的内壁设为光滑的示意图；

图6b是石墨烯管的内壁设为螺纹状的示意图；

图6c是石墨烯管的内壁设置抗剪件的示意图；

图7是本发明中石墨烯管连接方式；

图8是运用本发明的拱肋，现场吊装施工示意图。

其中有：1.石墨烯管自密实ECC混凝土拱肋；2.石墨烯管；3.自密实ECC混凝土；4.石墨烯连接管。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如图1a、图1b、图2a、图2b所示，为了解决钢管混凝土拱桥的拱肋钢材涂层剥落以及钢管腐蚀生锈等问题，本发明提供了一种采用填充自密实ECC混凝土3的石墨烯管2制成的拱肋，用以取代传统的钢管混凝土拱桥的拱肋部分，可适用于下承式、上承式、中承式拱桥，以及拱脚无水平推力的系杆拱桥等。

一种采用填充自密实ECC混凝土3的石墨烯管2制成的拱肋，包括石墨烯管2以及密实填充在石墨烯管2内的自密实ECC混凝土3，所述石墨烯管2采用密度为2.25g/cm³的石墨烯材料制成；所述自密实ECC混凝土3的密度为2.3g/cm³-2.4g/cm³。

石墨烯是已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，且可以弯曲，石墨烯的理论杨氏模量达1.0TPa，固有的拉伸强度为130GPa。而利用氢等离子改性的还原石墨烯也具有非常好的强度，平均模量可达0.25TPa。

自密实ECC混凝土3材料是以水泥、砂、水、矿物掺合料和化学外加剂构成，当高强度高弹模的短纤维作为增韧材料，添加在自密实ECC混凝土3材料中，且短纤维的体积低于自密实ECC混凝土3材料的体积的3% 时，此时自密实ECC混凝土3材料具有基于微观物理力学原理优化设计的应变硬化和多重稳定开裂特征，此时自密实ECC混凝土3材料的应变能力最高可达到6%，且其耗能能力是常规纤维混凝土的数倍，其抗压强度在高强混凝土范围之内。

石墨烯管2混凝土拱桥通常是先架设空石墨烯管2形成裸拱，再在其内灌注混凝土形成石墨烯管2混凝土拱肋，但为了保证泵送管内混凝土施工时的稳定性，可采用如图6所示的转体施工方法，在施工现场架设塔架，施工缆索的地锚，鉴于石墨烯材料轻质高强的特点，地锚体积较传统钢管混凝土拱桥的小，且不必分成数个节段吊装，如果桥梁是跨越平地或河流，可直接将半拱石墨烯管2运输至现场，将缆索固定到石墨烯管2上，采用竖转法施工的形式，直接将半拱吊起到成桥位置。

本发明所设计的采用填充自密实ECC混凝土3的石墨烯管2制成的拱肋，旨在替代传统桥梁中的钢管混凝土拱肋，结构形式与常见的钢管混凝土拱桥基本一致，可以设计成常见的下承式拱桥，通过吊杆的拉力，将桥面的荷载传递到石墨烯管2混凝土拱肋上；也可以设计成上承式拱桥，通过立柱的压力，将桥面板的荷载传递到石墨烯管2混凝土拱肋上；也可以采用中承式，既有拉力作用于石墨烯管2混凝土拱肋上，也有压力作用其上，具体结构形式可以根据实际工程情况合理选用。

如图6a至图6c所示，为保证石墨烯管2与管内混凝土密实粘结，不脱空和不轴向滑移，优选的，将石墨烯管2的内壁为螺纹状，以增大摩阻及粘结，从而提供抗滑移能力，进一步的，还可根据需要在石墨烯管2内弧面熔塑若干剪力键，以增强机械咬合力。

由于石墨烯管2轻质的特点，如果桥梁跨境不大，在运输允许的条件下，可在工厂整体加工成型石墨烯管2拱肋，如果运输条件不允许，也可分段拼接而成，如图7所示的两段拱肋的拼接，并套箍直径稍大的石墨烯连接管4，要求严紧牢固、不渗水；由于拱肋以受压为主，要求两段拱肋石墨烯管2端头相接，并涂抹胶水粘结，外箍的石墨烯连接管4内壁也需涂抹胶水与拱肋粘结，也可以采用其他连接方式，根据实际需要采用。

由于石墨烯管2具有轻质高强的特点，在跨境不大时可直接吊装成拱，当跨径较大须分段吊装时，可按图8所示方法，在两岸架设临时塔架，通过缆索吊装石墨烯管2成拱。

在实际生产过程中，石墨烯管2可以根据现场的施工设计要求，在工厂预制成不同的形状，如图5a、图5b所示，横截面有常见的圆形、哑铃形；当然还有格构式拱肋形式，即三根或多跟圆形的石墨烯管2通过缀条连接在一起并内填混凝土组成拱肋，石墨烯管2直接通过缀条方式连接，此时的石墨烯管2结构具有更好的抗风抗震性能；其中，在所述哑铃形拱肋中，多个石墨烯管2之间通过热熔方式固定连接。

通过上述的说明内容，相关工作人员可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种采用填充自密实ECC混凝土的石墨烯管制成的拱肋，其特征在于：包括石墨烯管以及密实填充在石墨烯管内的自密实ECC混凝土，其中：

所述石墨烯管采用密度为2.25g/cm³的石墨烯材料制成；

所述自密实ECC混凝土的密度为2.3g/cm³-2.4g/cm³；

所述自密实ECC混凝土材料包括高强度高弹模的短纤维物质，所述短纤维物质的体积不超过自密实ECC混凝土材料的体积的3%。

2.根据权利要求1所述的采用填充自密实ECC混凝土的石墨烯管制成的拱肋，其特征在于：所述拱肋之间采用石墨烯连接管套箍连接，所述石墨烯连接管的内壁与石墨烯管的外壁之间均涂油胶水。

3.根据权利要求1所述的采用填充自密实ECC混凝土的石墨烯管制成的拱肋，其特征在于：所述石墨烯管的内壁为螺纹状。

4.根据权利要求1所述的采用填充自密实ECC混凝土的石墨烯管制成的拱肋，其特征在于：所述石墨烯管的内部设有抗剪件。

5.根据权利要求1所述的采用填充自密实ECC混凝土的石墨烯管制成的拱肋，其特征在于：所述拱肋的横截面为哑铃形，在所述哑铃形拱肋中，石墨烯管与石墨烯管之间通过热熔方式固定连接。

6.根据权利要求1所述的采用填充自密实ECC混凝土的石墨烯管制成的拱肋，其特征在于：所述拱肋的横截面为格构形，所述格构形的拱肋包括三根及三根以上的石墨烯管，所述石墨烯管之间通过缀条方式连接。

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