CN113175258A - 一种frp管-frp抗剪型材-混凝土组合构件及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于建筑结构相关技术领域，其公开了一种FRP管‑FRP抗剪型材‑混凝土组合构件及其应用，外部FRP管以及设于所述外部FRP管内部的FRP型材，所述FRP型材上设有至少一个FRP螺旋筋，所述外部FRP管内部以及FRP螺旋筋内部设有混凝土，其中，所述FRP型材与所述FRP螺旋筋沿所述外部FRP管的长度方向布置。本申请FRP管、FRP型材和FRP螺旋筋提高了混凝土的强度和延性，FRP型材、FRP螺旋筋与混凝土形成抗剪连接体保证了型材与混凝土的粘结性能，FRP型材的局部屈曲被有效抑制。本申请承载力高、抗震性能强、耐久性能优异、综合成本低，十分适合用于恶劣环境。
Description
技术领域
本发明属于建筑结构相关技术领域，更具体地，涉及一种FRP管-FRP抗剪型材-混凝土组合构件及其应用。
背景技术
钢筋混凝土结构由于其自身强度不足，不耐腐蚀不能用于沿海或海洋等恶劣环境，另外天然河沙日益减少，使得海砂成为了有效替代，但采用海水海砂混凝土会导致严重的钢腐蚀，从而限制了传统了钢-混凝土结构中的应用。
针对以上问题现有技术中提出了一种纤维增强复合材料(Fiber ReinforcedPolymer，FRP)，其因具有轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳、比模量大的优点在土木工程中得到越来越多的关注。中国专利CN102425268A提供了一种钢管-FRP管-钢骨-混凝土组合柱，其虽然能够提供结构的静力性能，抗震性能和抗火性能，但其钢管和钢骨不耐腐蚀，只能用于干燥环境下的工业建筑和民用建筑；中国专利CN208934260U提供了一种外FRP管-内FRP管-再生混凝土空心柱，空心柱是由内部圆截面FRP管，套接在内部圆截面FRP管外部的外部圆截面FRP管以及固结在内部圆截面FRP管和外部圆截面FRP管之间的环形再生混凝土组成的空心组合柱。以上技术均存在FRP型材与混凝土之间粘结性能不足，而FRP型材与混凝土之间粘结直接决定FRP-混凝土-FRP型材结合构建的性能，仅通过FRP型材和混凝土之间的自然粘结力和摩擦力进行抗剪连接时，这种抗剪连接容易受到破坏，且一旦破坏就不可恢复，使构件的性能大大减低，传统的钢-混凝土组合构件中常使用钢上焊接剪切钉的方法来解决两种材料的滑移问题，而FRP型材表面难以进行焊接操作，若使用结构胶固定剪力钉其抗剪强度会大幅降低；同时构件局部强度和延性不足，在承受较大弯矩时受压侧由混凝土和FRP型材提供承载力，此承载力需要较厚的外层FRP管对核心混凝土提供足够的约束作用，但这会导致构建截面小发生构建失稳破坏；再者FRP型材局部屈曲，FRP型材在受压过程中存在纤维屈曲现象，需要较厚的外层FRP管约束核心混凝土从而防止FRP型材局部屈曲，导致成本大幅提高。因此亟需设计一种全新的FRP管-混凝土-FRP管组合结构以解决以上问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种FRP管-FRP抗剪型材-混凝土组合构件及其应用，使用FRP管、FRP型材和FRP螺旋筋提高了混凝土的强度和延性，FRP型材、FRP螺旋筋与混凝土形成抗剪连接体保证了型材与混凝土的粘结性能，FRP型材的局部屈曲被有效抑制。本申请承载力高、抗震性能强、耐久性能优异、综合成本低，十分适合用于恶劣环境、沿海/海洋环境的基础设施，以及海水海砂混凝土结构中。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种FRP管-FRP抗剪型材-混凝土组合构件，所述组合构件包括：外部FRP管以及设于所述外部FRP管内部的FRP型材，所述FRP型材上设有至少一个FRP螺旋筋，所述外部FRP管内部以及FRP螺旋筋内部设有混凝土，其中，所述FRP型材与所述FRP螺旋筋沿所述外部FRP管的长度方向布置。
优选地，所述FRP型材的形状为工字形、交叉工字形、管形、加筋管形。
优选地，所述FRP型材的外表面设有多组孔以连接多个FRP螺旋筋，所述FRP螺旋筋穿插于所述孔中，通过所述孔与FRP型材连接，并使用结构胶将FRP螺旋筋与FRP型材固定。
优选地，连接于所述FRP型材的多个FRP螺旋筋通过FRP螺旋筋相互连接。
优选地，所述外部FRP管的内部设有肋板，所述肋板上设有孔，连接于所述FRP型材的FRP螺旋筋与所述通过所述肋板上的孔与所述外部FRP管直接连接或通过FRP螺旋筋连接。
优选地，所述FRP型材的轴线与所述外部FRP管的轴线平行。
优选地，所述FRP型材与所述FRP螺旋筋在所述外部FRP管内的包络体积大于所述外部FRP管内部体积的60％。
优选地，所述外部FRP管、FRP型材以及FRP螺旋筋的材料相同。
优选地，所述外部FRP管、FRP型材以及FRP螺旋筋的材料为碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维中的一种或多种组合。
按照本发明的另一个方面，提供了一种上述的FRP管-混凝土-FRP抗剪型材-混凝土组合构件的应用，所述组合结构应用于沿海或海洋环境下。所述组合结构应用于恶劣环境、沿海或海洋环境下以及海水海砂混凝土结构中。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的一种FRP管--FRP抗剪型材-混凝土组合构件及其应用具有如下有益效果：
1.外部FRP管内部设置FRP型材，FRP型材上设有至少一个FRP螺旋筋，可以提高构件的承受轴压荷载、偏压荷载以及弯矩作用，能灵活运用在结构中作为受压构件和受弯构件。
2.FRP型材上设有至少一个FRP螺旋筋，FRP螺旋筋内部和周围可以浇筑混凝土，可以显著提高FRP型材与混凝土的粘接特性，同时FRP螺旋筋又具有适度的弹性，可以随弯度的变化进行自适应变化，而不至于与混凝土产生刚性开裂。
3.FRP外管、FRP型材和FRP螺旋筋都可对混凝土产生约束作用，显著提高了整体和局部混凝土的抗压强度和延性，构件受力和抗震性能优越。
4.FRP型材和FRP螺旋筋约束混凝土可起到纵筋作用提供抗压和抗弯承载力，FRP型材局部失稳被双重约束的混凝土有效抑制。
5.通过对FRP型材进行开洞处理和设置贯穿FRP筋形成抗剪连接体，以提供了可靠的抗剪承载力，解决了由于FRP型材和混凝土不可靠不充分粘结导致结构性能大大降低的问题。
6.均采用FRP材料，非常适合用于恶劣环境、沿海/海洋环境的基础设施中，同时对混凝土的类型适应性广，具有十分重要的工业价值。
附图说明
图1示意性示出了本实施例中FRP型材为圆管状时的组合结构的截面示意图；
图2示意性示出了本实施例中FRP型材为圆管状且外部均匀加肋时的组合结构的截面示意图；
图3示意性示出了本实施例中FRP型材为圆管状且外部非均匀加肋时的组合结构的截面示意图；
图4示意性示出了本实施例中FRP型材为交叉工字形时的组合结构的截面示意图；
图5示意性示出了本实施例中FRP型材为矩形时的组合结构的截面示意图；
图6示意性示出了本实施例中FRP型材为圆管状且外部非均匀加肋时的另一组合结构的截面示意图；
图7示意性示出了本实施例中FRP型材为圆管状且外部加肋时的组合结构的立体图；
图8示意性示出了本实施例中FRP型材为圆管状且外部加肋时的另一组合结构的立体图；
图9示意性示出了本实施例中FRP型材为圆管状时结构的立体图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-外部FRP管；2-FRP型材；3-FRP螺旋筋；4-混凝土。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种FRP管--FRP抗剪型材-混凝土组合构件，该构件包括外部FRP管1、FRP型材2、FRP螺旋筋3以及混凝土4。
外部FRP管1的截面形状可以为矩形、带倒角的矩形、椭圆形、圆形或其他特殊形状，结构。其内表面可以带有肋板也可以不带有肋板。当其内表面设有肋板时，肋板上可以设置多个孔，孔内可以穿插FRP螺旋筋3。
FRP型材2设于上述外部FRP管1内部。FRP型材2的中心轴线优选为与外部FRP管1的轴线重合。如图1～图6所示，FRP型材2的形状为工字形、交叉工字形、管形、加筋管形、田字形或日字形等。如图7～图9所示，FRP型材2的外表面设有多组孔以连接多个FRP螺旋筋3，所述FRP螺旋筋3穿插于所述孔中，通过所述孔与FRP型材2连接，并通过结构胶固定。连接于所述FRP型材2的多个FRP螺旋筋3可以通过FRP螺旋筋3相互连接也可以不连接，相互独立。FRP螺旋筋通过旋转放置于FRP型材2的开孔处，使用结构胶将所述的FRP螺旋筋3与FRP型材2固定形成FRP抗剪型材；所述的FRP螺旋筋3直径、螺旋直径和间距根据延性和抗剪、抗弯、抗压承载力需要通过计算得到。
所述外部FRP管1的内部可以设有肋板，所述肋板上设有孔时，连接于所述FRP型材2的FRP螺旋筋3可以与所述通过所述肋板上的孔与所述外部FRP管1直接连接或通过FRP螺旋筋3连接。
以上孔的大小根据FRP螺旋筋3的直径和螺距进行设置。
为保证整个组合结构的性能，所述FRP型材2与所述FRP螺旋筋3在所述外部FRP管内的包络体积大于所述外部FRP管内部体积的60％。
所述外部FRP管1、FRP型材2以及FRP螺旋筋3的材料为碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维中的一种或多种组合，也可以是其他种类纤维单一或组合而成的FRP材料。所述外部FRP管1、FRP型材2以及FRP螺旋筋3的材料可以都相同也可以都不同。
外部FRP管1为工厂预制管。所述外部FRP管1纤维缠绕方向为环向或近似于环向。
混凝土4浇筑于所述外部FRP管1内部以及FRP螺旋筋3内部，当所述FRP型材2为管状时，FRP型材2的内部可以浇筑混凝土4也可以不浇筑混凝土4。混凝土4为普通混凝土、超高性能混凝土、海水海砂混凝土等。在浇筑过程中保证混凝土振捣密实，同时防止FRP型材2位置发生偏移。
本发明另一方面提供了一种上述的FRP管-混凝土-FRP管组合结构的应用，所述组合结构尤其适用于沿海或海洋环境、海水海砂混凝土结构或需要隔离电磁的结构中。
综上所述，外部FRP管内部设置FRP型材，FRP型材上设有至少一个FRP螺旋筋，可以提高构件的承受轴压荷载、偏压荷载以及弯矩作用，能灵活运用在结构中作为受压构件和受弯构件，具有十分重要的工业价值。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种FRP管-FRP抗剪型材-混凝土组合构件，其特征在于，所述组合构件包括：
外部FRP管以及设于所述外部FRP管内部的FRP型材，所述FRP型材上设有至少一个FRP螺旋筋，所述外部FRP管内部以及FRP螺旋筋内部设有混凝土，其中，所述FRP型材与所述FRP螺旋筋沿所述外部FRP管的长度方向布置。
2.根据权利要求1所述的组合构件，其特征在于，所述FRP型材的形状为工字形、交叉工字形、管形、加筋管形、田字形或日字形。
3.根据权利要求2所述的组合构件，其特征在于，所述FRP型材的外表面设有多组孔以连接多个FRP螺旋筋，所述FRP螺旋筋穿插于所述孔中，通过所述孔与FRP型材连接，并使用结构胶将FRP螺旋筋与FRP型材固定。
4.根据权利要求3所述的组合构件，其特征在于，连接于所述FRP型材的多个FRP螺旋筋通过FRP螺旋筋相互连接。
5.根据权利要求3所述的组合构件，其特征在于，所述外部FRP管的内部设有肋板，所述肋板上设有孔，连接于所述FRP型材的FRP螺旋筋通过所述肋板上的孔与所述外部FRP管直接连接或通过FRP螺旋筋连接。
6.根据权利要求1所述的组合构件，其特征在于，所述FRP型材的轴线与所述外部FRP管的轴线平行。
7.根据权利要求1所述的组合构件，其特征在于，所述FRP型材与所述FRP螺旋筋在所述外部FRP管内的包络体积大于所述外部FRP管内部体积的60％。
8.根据权利要求1所述的组合构件，其特征在于，所述外部FRP管、FRP型材以及FRP螺旋筋的材料为碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维等中的一种或多种组合。
9.一种权利要求1～8任意一种所述的FRP管-FRP抗剪型材-混凝土组合构件的应用，其特征在于，所述组合构件应用于沿海或海洋环境下、海水海砂混凝土结构或需要隔离电磁的结构中。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210727 |