CN114809295B - 一种多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件及其制作方法 - Google Patents

一种多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件，包括至少两个压力成型钢管混凝土芯柱、箍筋和外围混凝土；所述压力成型钢管混凝土芯柱包括钢管、浇筑于钢管内部的压力成型混凝土、包覆于钢管外的纤维复合材料，所述压力成型混凝土在混凝土养护过程中对混凝土施加压力；所述箍筋绑扎于所述至少两个压力成型钢管混凝土芯柱的外围；所述外围混凝土浇筑于绑扎后的压力成型钢管混凝土芯柱外部对其进行包裹。本发明的多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件承载力较强、成型质量好、耐火性能佳、施工难度低。

Description

一种多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件及其制作方法
技术领域
本发明属于钢管混凝土技术领域，具体涉及一种多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件及其制作方法。
背景技术
钢管混凝土充分利用了钢和混凝土材料各自的优点，具有承载力高、塑性和韧性好、制作施工方便等特点，广泛应用于工业厂房，高层、大跨建筑，桥梁和地下结构中。
现有的钢管混凝土构件由于养护过程中混凝土的收缩，钢管-混凝土界面常常出现脱空的现象，影响了钢管混凝土构件的受力性能。同时作为不易检测的隐蔽工程，存在较大安全隐患。此外，钢管混凝土组合构件由于钢外壳的存在，节点区域的处理一直是影响其大范围推广的应用痛点。
中国专利CN203905298公开了一种FRP管钢筋混凝土-钢管混凝土叠合构件，包括钢管和箍筋，钢管内填充有混凝土，钢管外包裹有钢筋混凝土，钢筋混凝土内设置有若干钢筋，箍筋箍扎在钢筋外侧，所述钢筋包括若干纵向设置的钢筋和若干横向设置的钢筋，钢筋混凝土外侧设置有FRP管。该构件在钢筋混凝土中设置纵向的钢筋和横向的钢筋，能够增强钢管混凝土叠合构件的承载能力，在钢筋混凝土外侧设置有FRP(纤维增强塑料)管，能够避免钢筋和钢管暴露在空气中，从而增强钢管混凝土叠合构件的抗腐蚀性，同时FRP管还能增强钢管混凝土叠合构件的抗震性，并能简化施工安装工艺、减少施工用地并缩短工期。但是该结构还是存在以下缺点：1)FRP管耐火性能较差，置于构件外部时极易受到损坏，影响构件整体性能；2)在叠合构件与其他构件交汇的节点位置，FRP管必须断开以方便钢筋通过，从而削弱了节点位置的力学性能，不符合强节点、弱构件的设计理念。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种承载力较强、成型质量好、耐火性能佳、施工难度低的多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件及其制作方法。
本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
一种多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件，包括至少两个压力成型钢管混凝土芯柱、箍筋和外围混凝土；所述压力成型钢管混凝土芯柱包括钢管、浇筑于钢管内部的压力成型混凝土、包覆于钢管外的纤维复合材料，所述压力成型混凝土在混凝土养护过程中对混凝土施加压力；所述箍筋绑扎于所述至少两个压力成型钢管混凝土芯柱的外围；所述外围混凝土浇筑于绑扎后的压力成型钢管混凝土芯柱外部对其进行包裹。
上述方案中，多个压力成型钢管混凝土芯柱呈中心对称布置。
上述方案中，所述箍筋包括两个相对设置的U型圆弧箍筋和两个直连接钢筋套筒，两个U型圆弧箍筋对接的接头位置分别通过所述直连接钢筋套筒固定。
上述方案中，所述U型圆弧箍筋的弯曲半径与所述钢管半径适配，每对U型圆弧箍筋对接后形成一个封闭箍筋环，环内可约束若干数量的压力成型钢管混凝土芯柱，所述若干数量为等于或小于压力成型钢管混凝土芯柱的数量。
上述方案中，若干封闭箍筋环形成一组复合箍筋，沿叠合构件全长进行间隔布置，同时确保所述直连接钢筋套筒的位置在同一轴向上交错布置。
上述方案中，所述多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件还包括设置于所述压力成型钢管混凝土芯柱间隙的抗裂纵筋，所述抗裂纵筋沿多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件的外围布置。
上述方案中，所述多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件与其他构件交汇的节点区域，其他构件的纵筋从多个压力成型钢管混凝土芯柱之间的间隙穿过，无法从间隙穿过的纵筋通过钢筋搭接板连接于压力成型钢管混凝土芯柱上。
本发明还提出上述多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件的制作方法，包括以下步骤：
S1、先使用纤维复合材料缠绕钢管，然后浇筑钢管内部的压力成型混凝土，形成压力成型钢管混凝土芯柱；压力成型钢管混凝土芯柱在制作时，需要在混凝土养护过程中对混凝土施加压力；
S2、将所需数量的压力成型钢管混凝土芯柱定位安装，垂直于压力成型钢管混凝土芯柱轴线方向绑扎箍筋；
S3、最后浇筑外围混凝土。
上述方法中，步骤S1中，在压力成型混凝土初凝硬化之前通过加压装置对其进行加压养护，养护压力的选取根据下式：
其中，P为养护压力，D为钢管外径，t为钢管壁厚，fy为钢材屈服强度；
压力养护1～7天后拆除加压装置。
上述方法中，在压力成型钢管混凝土芯柱定位安装完成后，沿叠合构件的外围，根据需要在压力成型钢管混凝土芯柱的间隙设置抗裂纵筋，然后再开展外围箍筋的绑扎。
本发明的有益效果在于：
1、本发明一种多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件中，构件的承载能力主要由内部若干钢管混凝土芯柱提供，芯柱的外围应用了轻质高强的纤维复合材料，具备较强的承载能力。同时芯柱的混凝土在成型过程中施加了一定的压力，使混凝土更加密实，从而进一步提高了叠合构件的承载力。因此，本发明的承载能力较强。
2、本发明一种多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件中，钢管混凝土芯柱在成型过程中加压，使钢管膨胀变形，后期混凝土收缩时钢管仍保持与混凝土紧密贴合状态。合理控制压力水平，可以使混凝土成型后仍处于多向受压状态，增强钢管与混凝土的协同效果。同时，发挥主要承载作用的钢管混凝土芯柱可实现在工厂中预制成型，在现场只需要进行外围混凝土的浇筑，整体试件的成型质量更为可控。因此，本发明的成型质量更好。
3、本发明一种多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件中，FRP、钢材等不耐火材料均置于构件内部，受外围混凝土包裹保护。火灾作用下可延缓温度传递速度，避免整体构件承载力瞬间降低，提升了构件在高温环境下的力学性能。因此，本发明的耐火性能更佳。
4、本发明一种多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件中，钢管混凝土芯柱在叠合构件内部可以根据受力需要分散布置，简化了构件中水平箍筋的布置方式。同时，在与其他构件交汇的节点区域，其他构件的钢筋可以合理的避让芯柱，尽可能地穿过叠合构件，避免了钢筋在节点区域截断堆积，影响节点区域混凝土浇筑质量。因此，本发明的施工难度较低。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明第一实施例多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件的横截面示意图；
图2是图1所示多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件的箍筋的示意图；
图3是图1所示多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件与其他构件交汇的节点区域示意图；
图4是图1所示多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件进行轴向加载时的数据曲线，对比曲线为同尺寸同含钢率的钢骨混凝土构件计算曲线；
图5是本发明第二实施例多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件的横截面示意图；
图6是图5所示多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件的约束其中三个芯柱的箍筋示意图。
图中：10、压力成型钢管混凝土芯柱；11、钢管；12、压力成型混凝土；13、纤维复合材料；20、箍筋；21、U型圆弧箍筋；22、直连接钢筋套筒；30、抗裂纵筋；40、外围混凝土；
200、其他构件的纵筋。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，为本发明第一实施例提供的一种多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件，包括四个压力成型钢管混凝土芯柱10、箍筋20和外围混凝土40。压力成型钢管混凝土芯柱10包括钢管11、浇筑于钢管11内部的压力成型混凝土12、包覆于钢管11外表面的纤维复合材料13，压力成型混凝土12在混凝土养护过程中对混凝土施加压力，以使混凝土更为密实，从而提高钢管混凝土芯柱的轴向承载力。箍筋20绑扎于四个压力成型钢管混凝土芯柱10的外围，起到约束作用。外围混凝土40浇筑于绑扎后的压力成型钢管混凝土芯柱10外部对其进行包裹。多内芯压力成型混凝土12叠合构件还包括设置于压力成型钢管混凝土芯柱10间隙的抗裂纵筋30，抗裂纵筋30沿多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件的外围布置。
如图2所示，箍筋20包括两个相对设置的U型圆弧箍筋21和两个直连接钢筋套筒22，两个U型圆弧箍筋21对接的接头位置分别通过直连接钢筋套筒22固定。每个U型圆弧箍筋21的弯曲半径等于或略大于(取决于纤维复合材料13厚度及安装精度)钢管11半径。每对U型圆弧箍筋21对接后形成一个封闭箍筋环，环内可约束四个压力成型钢管混凝土芯柱10。多个封闭箍筋环形成一组复合箍筋，沿叠合构件全长进行间隔布置，同时确保直连接钢筋套筒22的位置在同一轴向上交错布置。
如图3所示，本发明与其他构件交汇的节点区域，其他构件的纵筋200可以合理避让芯柱，尽可能地穿过叠合构件，从多个压力成型钢管混凝土芯柱10之间的间隙穿过，其余无法从间隙穿过的纵筋可通过钢筋搭接板连接于压力成型钢管混凝土芯柱10上，避免了大量钢筋在节点区域截断堆积，影响浇筑质量和节点的传力效果。
如图4所示，对本发明多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件进行轴向加载时的数据曲线，受试验条件所限，只加载至10000t，试件未发生破坏。对比曲线为同尺寸同含钢率的钢骨混凝土构件计算曲线。由图可见，本发明叠合构件的承载力与轴向刚度都明显强于传统的钢骨混凝土构件。
进一步优化，多个压力成型钢管混凝土芯柱10呈中心对称布置。
进一步优化，钢管11的材料，优选为Q235、Q355及Q460钢。
进一步优化，钢管11内部的压力成型混凝土12，优选为标号C60及以上混凝土，以便提高承载力。
进一步优化，钢管11外围混凝土40，优选为C30～C60自密实混凝土，以便提高浇筑质量。
进一步优化，纤维复合材料13，优选为碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维复合材料13。
进一步优化，箍筋20，优选为直径25及以上HRB400螺纹钢筋，以便提高约束能力。
如图5所示，为本发明第二实施例提供的一种多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件，其整体结构与第一实施例基本相同，不同之处在于：包括九个压力成型钢管混凝土芯柱10，由于芯柱数量较多，箍筋20设计了两种尺寸，一种是约束其中三个芯柱的小尺寸箍筋(参见图6)，另一种是约束所有芯柱的大尺寸箍筋。不同规格、方向的封闭箍筋环形成一组复合箍筋，沿叠合构件全长进行间隔布置，同时确保直连接钢筋套筒22的位置在同一轴向上交错布置。
相应的，本发明还提出上述多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件的制作方法，包括以下步骤：
S1、先制作所需数量的钢管11，再在钢管11外表面沿全长缠绕纤维复合材料13，然后在钢管11内部灌注压力成型混凝土12，在混凝土初凝硬化之前通过加压装置对其进行加压养护，养护压力的选取根据下式：
其中，P为养护压力，D为钢管11外径，t为钢管11壁厚，fy为钢材屈服强度；
压力养护1～7天后拆除加压装置。
S2、将若干根养护完成的压力成型钢管混凝土芯柱10根据一定的排布形式定位安装。沿叠合构件的外围，根据需要可在压力成型钢管混凝土芯柱10的间隙设置抗裂纵筋30。然后开展外围复合箍筋的安装，制作弯曲半径等同于(或略大于，取决于纤维材料厚度及安装精度)钢管11半径的U型圆弧箍筋21，两根成对的U型圆弧箍筋21利用直连接钢筋套筒22组合形成一个完整的箍筋环，固定在若干根压力成型钢管混凝土芯柱10的外侧，箍筋环与钢管11外壁的纤维复合材料13紧密贴合。
S3、最后根据叠合构件的外形支设外围混凝土40模板，进行外围混凝土40的浇筑与养护。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件，其特征在于，包括至少两个压力成型钢管混凝土芯柱、箍筋和外围混凝土；所述压力成型钢管混凝土芯柱包括钢管、浇筑于钢管内部的压力成型混凝土、包覆于钢管外的纤维复合材料，所述压力成型混凝土在混凝土养护过程中对混凝土施加压力；所述箍筋绑扎于所述至少两个压力成型钢管混凝土芯柱的外围；所述外围混凝土浇筑于绑扎后的压力成型钢管混凝土芯柱外部对其进行包裹；所述多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件与其他构件交汇的节点区域，其他构件的纵筋从多个压力成型钢管混凝土芯柱之间的间隙穿过，无法从间隙穿过的纵筋通过钢筋搭接板连接于压力成型钢管混凝土芯柱上。
2.根据权利要求1所述的多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件，其特征在于，多个压力成型钢管混凝土芯柱呈中心对称布置。
3.根据权利要求1所述的多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件，其特征在于，所述箍筋包括两个相对设置的U型圆弧箍筋和两个直连接钢筋套筒，两个U型圆弧箍筋对接的接头位置分别通过所述直连接钢筋套筒固定。
4.根据权利要求3所述的多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件，其特征在于，所述U型圆弧箍筋的弯曲半径与所述钢管半径适配，每对U型圆弧箍筋对接后形成一个封闭箍筋环，环内可约束若干数量的压力成型钢管混凝土芯柱，所述若干数量为等于或小于压力成型钢管混凝土芯柱的数量。
5.根据权利要求4所述的多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件，其特征在于，若干封闭箍筋环形成一组复合箍筋，沿叠合构件全长进行间隔布置，同时确保所述直连接钢筋套筒的位置在同一轴向上交错布置。
6.根据权利要求1所述的多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件，其特征在于，所述多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件还包括设置于所述压力成型钢管混凝土芯柱间隙的抗裂纵筋，所述抗裂纵筋沿多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件的外围布置。
7.根据权利要求1所述的多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、先使用纤维复合材料缠绕钢管，然后浇筑钢管内部的压力成型混凝土，形成压力成型钢管混凝土芯柱；压力成型钢管混凝土芯柱在制作时，需要在混凝土养护过程中对混凝土施加压力；
S2、将所需数量的压力成型钢管混凝土芯柱定位安装，垂直于压力成型钢管混凝土芯柱轴线方向绑扎箍筋；
S3、最后浇筑外围混凝土。
8.根据权利要求7所述的多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件的制作方法，其特征在于，步骤S1中，在压力成型混凝土初凝硬化之前通过加压装置对其进行加压养护，养护压力的选取根据下式：
其中，P为养护压力，D为钢管外径，t为钢管壁厚，fy为钢材屈服强度；
压力养护1～7天后拆除加压装置。
9.根据权利要求7所述的多内芯压力成型钢管混凝土叠合构件的制作方法，其特征在于，在压力成型钢管混凝土芯柱定位安装完成后，沿叠合构件的外围，根据需要在压力成型钢管混凝土芯柱的间隙设置抗裂纵筋，然后再开展外围箍筋的绑扎。
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