CN113089933A - 带ecc增强保护层及frp约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱及其建造方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及带ECC增强保护层及FRP约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱,包括从外向内依次设置的ECC层、钢管层、混凝土层、FRP管层、核心混凝土芯柱;混凝土层的材料为普通混凝土、高强混凝土、膨胀混凝土、粉煤灰混凝土、轻骨料混凝土等;核心混凝土芯柱的材料为普通混凝土、高强混凝土、膨胀混凝土、粉煤灰混凝土、轻骨料混凝土等。还涉及带ECC增强保护层及FRP约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱的建造方法,带ECC增强保护层及FRP约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱的应用。本发明可提高受力性能、耐火性能、耐久性,属于建筑结构技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及建筑结构,具体涉及一种带ECC增强保护层及FRP约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱,还涉及一种带ECC增强保护层及FRP约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱的建造方法,还涉及带一种ECC增强保护层及FRP约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱的应用。
背景技术
近年来,钢管混凝土结构以其承载力高、自重轻、施工方便等优点被广泛应用于工程实践当中。然而,当钢管径厚比较大时,尤其当钢管截面为非圆形时,钢管对内部核心混凝土的约束能力相对较弱。针对此不足,有学者提出将钢管混凝土柱与FRP约束混凝土柱相结合,形成带FRP约束芯柱的钢管混凝柱,利用FRP约束芯柱优越的受压承载力及变形能力,提升钢管混凝土柱的受压性能。然而,上述带FRP约束芯柱钢管混凝柱依然存在如下不足:钢管容易发生局部屈曲破坏;此外,由于钢管外露,其耐腐蚀性能及耐火性能存在不足。
ECC(Engineered Cementitious Composite)是近几十年快速发展的纤维增韧水泥基复合材料之一,具有超强的裂缝控制能力、抗弯韧性、抗疲劳性及耐久性。目前,ECC已经成功应用到世界各国的多个工程实践当中并取得了较好的效果。由于材料中含有短切纤维,能够起到很好的桥联作用,不仅提供了超高的拉伸应变能力,还保证了材料的整体传力性能不被削弱。除此之外,研究还表明,ECC中的PVA纤维在火灾高温下逐渐熔融形成联通孔隙,有利于内部水蒸汽压力的释放,使材料不易发生爆裂,保持其完整性。因此,ECC的使用不但能增强结构的安全性,还能增强结构的耐久性及耐火性能。此外,配制ECC所需要的材料中大量使用了工业废料,因此ECC是一种绿色、环保的建筑材料。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题,本发明的目的是:提供一种提高受力性能、耐火性能、耐久性的带ECC增强保护层及FRP约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱及其建造方法和应用。
为了达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
带ECC增强保护层及FRP约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱,包括从外向内依次设置的ECC层、钢管层、混凝土层、FRP管层、核心混凝土芯柱。优选的,ECC层的厚度为5-50mm,钢管层的厚度为2-30mm,混凝土层的厚度为20-200mm,FRP管层的厚度为1-20mm,核心混凝土芯柱的外径为50-1000mm。
作为一种优选,ECC层通过浇筑的方式设置在钢管层的外侧,混凝土层通过浇筑的方式设置在钢管层和FRP管层之间,核心混凝土芯柱通过浇筑的方式设置在FRP管层的内侧。
作为一种优选,ECC层内设置增强网格;增强网格为纤维编织网、FRP(Fiberreinforced polymer)网格、钢丝网中的一种或者多种组合。
作为一种优选,钢管层的外侧固定焊钉,焊钉成矩形阵列排列,焊钉之间的距离为增强网格的格间距的整数倍;增强网格通过铁丝绑在焊钉上。
作为一种优选,ECC层等厚度的包裹在钢管层的外侧,或ECC层变厚度的包裹在钢管层的外侧。
作为一种优选,钢管层的横截面为圆形、椭圆形、长方形或正多边形;FRP管层的横截面为圆形、椭圆形、长方形或正多边形。
作为一种优选,ECC层、钢管层、FRP管层的横截面的几何形心重合。
带ECC增强保护层及FRP约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱的建造方法,包括如下步骤,第一步,将FRP管层和钢管层定位,浇筑FRP管层内的核心混凝土芯柱,浇筑FRP管层与钢管层之间的混凝土层;第二步,在钢管层的外侧固定焊钉;第三步,将增强网格固定在焊钉上;第四步,在钢管层外侧设置模板并临时固定;第五步,将ECC层浇筑在钢管层与模板之间;第六步,脱模。
带ECC增强保护层及FRP约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱应用在桥梁结构、建筑结构、水工结构、滨海结构或海洋结构中。
本发明具有如下优点:
1.对比于由内到外结构为水泥基材料、钢管、纵筋和箍筋的组合柱,及对比于由内到外结构为高强混凝土柱芯、钢管及外部ECC浇筑层的组合防撞桩,本发明的结构为从外向内依次设置的ECC层、钢管层、混凝土层、FRP管层、核心混凝土芯柱。本发明在钢管内布置了FRP管。FRP约束混凝土芯柱能提升混凝土芯柱的强度、变形能力;被FRP约束混凝土有一定的后期刚度,在地震时可以形成恢复力,因此FRP管可以使柱具有抗震韧性。布置FRP管还能够有效约束芯柱部分混凝土的横向膨胀,减轻ECC层的约束负担,减小ECC层的变形,使ECC的功能(如约束钢管、耐腐蚀、耐火性能)得到更加充分发挥;因此,FRR管与ECC层形成了功能的彼此支持,具有1+1>2的效果。此外,ECC层、钢管、FRP管对芯柱部分混凝土形成了三重约束,可极大增强上述部位混凝土的强度与变形能力,具有1+1+1>3的效果。上述的组合防撞桩和组合柱均无所述有利效果。
2.提升了带FRP约束芯柱的钢管混凝柱的受力性能。ECC层具有优越的变形能力及较大的抗弯刚度,能有效约束钢管混凝土向外变形,与钢管内侧的混凝土一起共同抑制钢管局部屈曲,使钢管的强度得到更加充分利用,提升其受力性能。
3.提高了带FRP约束芯柱的钢管混凝柱的耐火性能。ECC中的PVA纤维能够在高温下熔融形成联通孔隙,有利于ECC内部水蒸汽压力的释放,确保了ECC在高温下不会发生爆裂,ECC层起到了防火保护层的作用。
4.提高了带FRP约束芯柱的钢管混凝柱的耐久性。将ECC层外包于钢管外部,由于ECC材料的微裂缝(一般100微米以内)发展特征可以有效延缓大部分有害介质的侵蚀,延缓或避免了其与钢管的接触,提高了钢管的耐腐蚀性。
5.结构简单,制作方便,在桥梁结构、建筑结构、水工结构、滨海结构或海洋结构中有广泛的应用前景。
附图说明
图1为带ECC增强保护层及FRP约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱的截面示意图。
图2为带ECC增强保护层及FRP约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱的立体图。
图3a-3e为钢管或FRP管的截面示意图。
图4a-4g为带ECC增强保护层及FRP约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱的施工过程图。
图5为增强网格与焊钉连接的立体图。
图6为增强网格与焊钉连接的俯视图。
图7为增强网格与焊钉通过铁丝绑扎的局部放大图。
其中,1为ECC层,2为增强网格,3为钢管层,4为混凝土层,5为FRP管层,6为核心混凝土芯柱,7为焊钉,8为连接节点,9为铁丝。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
实施例一
带ECC增强保护层及FRP约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱,包括从外向内依次设置的ECC层、钢管层、混凝土层、FRP管层、核心混凝土芯柱。
ECC层的厚度为5-50mm,钢管层的厚度为2-30mm,混凝土层的厚度为20-200mm,FRP管层的厚度为1-20mm,核心混凝土芯柱的外径为50-1000mm。本实施例中,ECC层的厚度为25mm,钢管层的厚度为15mm,混凝土层的厚度为100mm,FRP管层的厚度为15mm,核心混凝土芯柱的外径为500mm。
混凝土层的材料为普通混凝土、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、橡胶混凝土或超高性能混凝土(UHPC);核心混凝土芯柱的材料为普通混凝土、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、橡胶混凝土或超高性能混凝土(UHPC)。本实施例中,混凝土层的材料为普通混凝土,核心混凝土芯柱的材料为普通混凝土。
ECC层通过浇筑的方式设置在钢管层的外侧,混凝土层通过浇筑的方式设置在钢管层和FRP管层之间,核心混凝土芯柱通过浇筑的方式设置在FRP管层的内侧。
ECC层内设置增强网格;增强网格为纤维编织网、FRP(Fiber reinforcedpolymer)网格、钢丝网中的一种或者多种组合。本实施例中,增强网格为纤维编织网。
钢管层的外侧固定焊钉,焊钉成矩形阵列排列,焊钉之间的距离为增强网格的格间距的整数倍;增强网格通过铁丝绑在焊钉上。增强网格的数量为多片,相邻增强网格的边缘相互搭接,搭接处通过铁丝绑扎;所有增强网格环绕钢管层设置并覆盖钢管层的外侧。本实施例中,焊钉之间的距离等于增强网格的格间距,相邻增强网格的边缘相互搭接,搭接长度为增强网格的格间距的2-3倍。
ECC层等厚度的包裹在钢管层的外侧,或ECC层变厚度的包裹在钢管层的外侧。本实施例中,ECC层等厚度的包裹在钢管层的外侧。
钢管层的横截面为圆形、椭圆形、长方形或正多边形;FRP管层的横截面为圆形、椭圆形、长方形或正多边形。本实施例中,钢管层的横截面为圆形,FRP管层的横截面为圆形。
ECC层、钢管层、FRP管层的横截面的几何形心重合。本实施例中,ECC层、钢管层、FRP管层的圆心重合。
本实施例中,带ECC增强保护层及FRP约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱的建造方法,包括如下步骤:
第一步,将FRP管层和钢管层定位,浇筑FRP管层内的核心混凝土芯柱,浇筑FRP管层与钢管层之间的混凝土层(参考图4a-4c)。
第二步,待步骤一的混凝土初凝后,在钢管层的外侧通过焊接的方式固定焊钉(参考图4d)。
第三步,将增强网格放置在焊钉上,并使用细铁丝在连接节点处绑扎,从而将增强网格固定在焊钉上;每一层增强网格的搭接长度为L,搭接处亦使用细铁丝绑扎固定(参考图4e)。
第四步,在钢管层外侧设置模板并临时固定(参考图4f)。
第五步,将ECC层浇筑在钢管层与模板之间(参考图4g)。
第六步,待ECC层达到一定强度后脱模,结构制作完成。
本实施例中,带ECC增强保护层及FRP约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱可应用于桥梁结构、建筑结构、水工结构、滨海结构或海洋结构中。
本实施例中,ECC层能增强带FRP约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱,防止钢管局部屈曲从而提升柱的承载力,同时起到耐火及耐腐蚀保护层的作用。钢管层受外侧ECC层、内侧混凝土层的约束,其强度可以得到更充分利用。FRP管内约束芯柱部分混凝土,进一步提升柱整体的承载力及变形能力;被FRP约束混凝土有一定的后期刚度,在地震时可以形成恢复力,FRP管可以使柱具有抗震韧性;因此,布置FRP管还能够有效约束芯柱部分混凝土的横向膨胀,减轻ECC层的约束负担,减小ECC层的变形,使ECC的功能(如约束钢管、耐腐蚀、耐火性能)得到更加充分发挥。因此,FRR管与ECC层形成了功能的彼此支持,具有1+1>2的效果。此外,ECC层、钢管、FRP管对芯柱部分混凝土形成了三重约束,可极大增强上述部位混凝土的强度与变形能力,具有1+1+>3的效果。
实施例二
带ECC增强保护层及FRP约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱,包括从外向内依次设置的ECC层、钢管层、混凝土层、FRP管层、核心混凝土芯柱。
本实施例中,混凝土层的材料为普通混凝土,核心混凝土芯柱的材料为高强混凝土;增强网格为FRP(Fiber reinforced polymer)网格;焊钉之间的距离为增强网格的格间距的三倍,相邻增强网格的边缘相互搭接,搭接长度为增强网格的格间距的3-4倍;ECC层变厚度的包裹在钢管层的外侧;钢管层的横截面为正方形,FRP管层的横截面为圆形,ECC层的横截面为正方形,三者的几何形心重合。
本实施例未提及部分同实施例一。
本实施除了具有与实施例一类似的效果外,所述ECC层、钢管、FRP管对芯柱部分高强混凝土形成了三重约束,可极大增强上述部位混凝土的强度与变形能力,能正对性解决高强混凝土变形能力及延性不足的问题。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.带ECC增强保护层及FRP约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱,其特征在于:包括从外向内依次设置的ECC层、钢管层、混凝土层、FRP管层、核心混凝土芯柱。
2.按照权利要求1所述的带ECC增强保护层及FRP约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱,其特征在于:ECC层通过浇筑的方式设置在钢管层的外侧,混凝土层通过浇筑的方式设置在钢管层和FRP管层之间,核心混凝土芯柱通过浇筑的方式设置在FRP管层的内侧。
3.按照权利要求2所述的带ECC增强保护层及FRP约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱,其特征在于:ECC层内设置增强网格;增强网格为纤维编织网、FRP网格、钢丝网中的一种或者多种组合。
4.按照权利要求3所述的带ECC增强保护层及FRP约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱,其特征在于:钢管层的外侧固定焊钉,焊钉成矩形阵列排列,焊钉之间的距离为增强网格的格间距的整数倍;增强网格通过铁丝绑在焊钉上。
5.按照权利要求2所述的带ECC增强保护层及FRP约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱,其特征在于:ECC层等厚度的包裹在钢管层的外侧,或ECC层变厚度的包裹在钢管层的外侧。
6.按照权利要求2所述的带ECC增强保护层及FRP约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱,其特征在于:钢管层的横截面为圆形、椭圆形、长方形或正多边形;FRP管层的横截面为圆形、椭圆形、长方形或正多边形。
7.按照权利要求6所述的带ECC增强保护层及FRP约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱,其特征在于:ECC层、钢管层、FRP管层的横截面的几何形心重合。
8.按照权利要求1至7中任一项所述的带ECC增强保护层及FRP约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱的建造方法,其特征在于:包括如下步骤,
第一步,将FRP管层和钢管层定位,浇筑FRP管层内的核心混凝土芯柱,浇筑FRP管层与钢管层之间的混凝土层;
第二步,在钢管层的外侧固定焊钉;
第三步,将增强网格固定在焊钉上;
第四步,在钢管层外侧设置模板并临时固定;
第五步,将ECC层浇筑在钢管层与模板之间;
第六步,脱模。
9.按照权利要求1至7中任一项所述的带ECC增强保护层及FRP约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱的应用,其特征在于:应用在桥梁结构、建筑结构、水工结构、滨海结构或海洋结构中。
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