CN114837297B - 一种海洋工程结构及其施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型海洋工程结构及其施工方法，包括RPC预制管及连接组件，所述RPC预制管内同轴设置有预制钢筋笼，所述连接组件包括连接套筒，所述连接套筒底部与顶部分别盖设有下连接板与上连接板，所述下连接板下端与上连接板上端均经预制钢筋笼与不同的RPC预制管连接，所述下连接板与上连接板中心均同轴开设有供橄榄形钢板‑钢筋笼安装的通孔，所述橄榄形钢板‑钢筋笼包括两对称设置的弧形钢板，该弧形钢板均贯穿通孔且均焊接在上连接板上，所述两弧形钢板之间均经不锈钢连接筋连接，所述RPC预制管与连接组件内均浇筑有海水海砂混凝土，所述连接组件外端对称固连有两横向延伸且呈工字型的一体化不锈钢筋‑RPC梁板，该新型海洋工程结构施工方便、抗震性能性能好、耐久性高。

Description

一种海洋工程结构及其施工方法
技术领域
本发明涉及一种海洋工程结构及其施工方法。
背景技术
目前，海洋工程结构包括钢结构、钢管混凝土结构、钢筋混凝土结构等，主要存在如下瓶颈问题：
1）耐久性差，受腐蚀性环境影响，近海和海洋工程无论采用钢结构、钢筋混凝土结构还是组合结构，都存在钢材锈蚀或混凝土涨裂等耐久性问题，稍有不慎将引起灾难性事故；
2）我国海域处于多发地震的太平洋板块和亚欧板块交界处，因此对于结构的抗震性能要求较高，而钢筋混凝土结构的抗震性能较差；
3）传统的CFRP环向加固可以提高柱子的承载力、变形能力和耐久性，但是CFRP很难包裹到梁柱节点区，因此节点区域的承载力、变形能力和耐久性并没有得到相应改善，容易形成“弱节点强柱”的不利于抗震的情况，所以CFRP环向加固框架柱反而有可能降低钢筋混凝土结构的抗震性能；
4）维护成本高，研究表明沿海地区桥梁的累积修复成本为初始建设成本的4~6倍；
5）工业化程度较低，施工速度慢；
6）传统的建材如河砂即将枯竭，运输淡水、河砂、石子等材料到滨海地区需花费大量运输成本。
综上所述，提出一种施工方便、抗震性能性能好、耐久性高、节约运费以及环保经济的建筑结构体系，同时考虑安装工艺以满足实际需求。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种海洋工程结构及其施工方法，可用于海洋和近海工程中，如：码头、油井平台、海岛工程、沿海工程。不仅结构合理，而且耐久性好。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种海洋工程结构，包括RPC预制管及连接组件，所述RPC预制管内同轴设置有预制钢筋笼，所述连接组件包括连接套筒，所述连接套筒底部与顶部分别盖设有下连接板与上连接板，所述下连接板下端与上连接板上端均经预制钢筋笼与不同的RPC预制管连接，所述下连接板与上连接板中心均同轴开设有供橄榄形钢板-钢筋笼安装的通孔，所述橄榄形钢板-钢筋笼包括两对称设置的弧形钢板，该弧形钢板均贯穿通孔且均焊接在上连接板上，所述两弧形钢板之间均经不锈钢连接筋连接，所述RPC预制管与连接组件内均浇筑有海水海砂混凝土，所述连接组件外端对称固连有两横向延伸且呈工字型的一体化梁板。
进一步的，所述预制钢筋笼包括沿RPC预制管内周间隔设置并竖向延伸的不锈钢纵筋，不锈钢纵筋与环形的不锈钢箍筋固连，且不锈钢箍筋沿不锈钢纵筋延伸方向均匀布置，所述不锈钢纵筋均凸出RPC预制管并穿入连接组件经螺帽锚固，所述不锈钢纵筋与不锈钢连接筋均选用QN1803不锈钢，以形成QN1803不锈钢筋笼。
进一步的，所述上连接板与下连接板上均开设有供不锈钢纵筋穿入的预制孔洞。
进一步的，所述弧形钢板沿其外周固设有加劲肋，所述加劲肋下端均承接在下连接板上。
进一步的，所述连接套筒呈圆筒状，所述上连接板底部朝下凸出有锥形插头，所述连接套筒顶部沿其内壁朝内凸出有环形凸块，所述环形凸块上端与连接套筒间开设有呈锥状供锥形插头插接的插槽，所述连接套筒上下端分别经上连接板与下连接板盖设后焊接固连。
进一步的，所述一体化梁板包括上下平行设置的上翼缘楼板与梁下翼缘，上翼缘楼板与梁下翼缘间经梁腹板固连为一体，所述一体化梁板均采用不锈钢筋网和RPC制作，所述一体化梁板内置钢筋网均横向穿出并插设入连接套筒内经螺帽锚固，所述连接套筒上对应开设有若干供一体化梁板内置钢筋网插入的预留孔。
进一步的，所述RPC预制管外同轴套设有低弹性模量低弹模缓冲垫层，可延缓环向CFRP约束力的发生,所述低弹模缓冲垫层外包覆有环向CFRP布。基于实验结果和大量的有限元典型算例，本发明提供一种低弹模缓冲垫层厚度（t）计算方法：t=（2.873·X 2-0.0948·X+0.0042）·D，其中X=t FRP·f FRP/ D/ f c '，t FRP为纤维增强材料厚度，f FRP为纤维增强材料极限抗拉强度，D为RPC预制管外径，f c '为RPC预制管的圆柱体抗压强度环向CFRP布。
一种海洋工程结构的施工方法，按以下步骤进行：
S1:制作柱内预制钢筋笼，将纵向不锈钢筋和螺旋不锈钢筋点焊在一起形成预制钢筋笼，纵向不锈钢筋两端延伸出不锈钢筋笼并将其打上螺纹；制作一体化梁板内钢筋网，将交错设置的不锈钢筋点焊在一起形成不锈钢筋网，沿一体化梁板长度方向不锈钢筋延伸出一段锚固长度并将其打上螺纹；
S2:制作预制管时，将预制钢筋笼放置在密闭的、含有内外圆管模板的夹层中，向夹层内浇筑活性粉末混凝土（RPC），形成预制钢筋笼加强RPC管。制作一体化梁板时，将不锈钢筋网放入工字型模具并用活性粉末混凝土（RPC）浇筑；
S3: 预制钢筋笼加强RPC管养护后拆模，然后计算低弹模缓冲垫层厚度[t=（2.873·X 2-0.0948·X+0.0042）·D]，在预制钢筋笼加强RPC管外缠绕低弹模缓冲垫层，接着在低弹模缓冲垫层和构件端部外涂刷环氧树脂并包裹黏贴环向CFRP布；
S4:在工厂内加工好上下连接板以及连接套筒，在弧形钢板外焊接加劲肋、在弧形钢板内面焊接不锈钢连接筋，三者形成橄榄形钢板-钢筋笼后将其焊接在上连接板内，将连接套筒焊接在下连接板上，后将预制钢筋笼加强RPC管延伸出的螺纹钢筋插进上、下连接板的预留孔，同时用螺帽锚固；
S5:将各部件运至施工现场，将连接有下连接板并焊接连接套筒的RPC预置管先安装到指定位置，吊装一体化梁板将其延伸出的螺纹钢筋从侧向插进连接套筒的预制孔洞并用螺帽锚固，吊装焊接有上连接板和橄榄形钢板-钢筋笼的RPC预置管将锥形插头对接连接套筒的插槽，并于焊缝处进行焊接；
S6:将拌制好的海水海砂混凝土浇筑在预制钢筋笼加强RPC管内。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1）良好的稳定性、塑性和延性。以往一般使用CFRP布包裹来同时提高柱的承载力和变形能力，但是由于CFRP很难延伸到节点区，就容易形成“强柱弱节点”现象，这不利于结构整体抗震；所以本发明通过在CFRP布内设置低弹模缓冲垫层使得环向CFRP的约束作用延缓发生，达到仅提高构件延性，而不提高其极限承载力，保证CFRP-低弹模塑料垫层加固后该类组合结构仍满足“强节点弱构件”原则的目的；此外在节点连接区域使用钢管、橄榄形钢板-钢筋笼等构造措施，保证节点区域的承载力、延性和抗震性能均优于相连的梁、柱等构件；
2）耐久性好、免维护，CFRP可隔离外部氯离子和干湿环境，QN1803不锈钢钢筋笼又可抵抗内部海砂混凝土中有限氯离子的侵蚀，RPC材料具有超高抗压强度、高耐久性以及高韧性，以上所述的材料组合可满足沿海和海洋工程百年以上设计年限的要求；
3）施工工序少、施工方便、施工速度快，在部件上设置有不锈型钢连接件以及公锥形插口等装置用来定位固定，现场只需吊装预制预制钢筋笼加强RPC管，吊装一体化梁板，锚固螺栓并浇筑海水海砂混凝土即可，预计可节省50%的工期。
4）经济性好，海砂混凝土采用沿海地区廉价海水、珊瑚粗骨料和原状海砂制作而成；QN1803不锈钢在保证耐腐蚀性能的前提下，其强度比304不锈钢高30%，而价格却低20%；将梁与板用高强材料制作成一体化薄板，既保证了承载力，又减小了截面尺寸和RPC材料用量，该组合结构维护成本低、施工工序少，预计可节约30%的全寿命周期成本。
因此该建筑结构的应用可解决现有海洋和近海工程建设面临的延性差、耐久性差、建造及维护成本高等技术瓶颈。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
附图说明
图1为本发明实施例的构造示意图；
图2为本发明实施例的构造俯视图；
图3为本发明实施例的装配示意图；
图4为本发明实施例中一体化梁板的构造示意图；
图5为图4的侧视示意图；
图6为本发明实施例中橄榄形钢板-钢筋笼的构造示意图；
图7为图6的俯视示意图；
图8为本发明实施例中下连接板的结构示意图；
图9为本发明实施例中连接套筒的结构示意图。
图中：1-环向CFRP布，2-低弹模缓冲垫层，3-RPC预制管，4-海水海砂混凝土，5-不锈钢纵筋，6-不锈钢箍筋，7-连接套筒，8-橄榄形钢板-钢筋笼，9-预留孔洞，10-上连接板，11-下连接板，12-一体化梁板，13-塞焊焊缝，81-弧形钢板，82-加劲肋，83-不锈钢连接筋，71-锥槽，101-锥形插头，102-环形凸块，121-上翼缘楼板，122-梁腹板，123-梁下翼缘，124-不锈钢筋网，15-连接组件，17-通孔，18-预留孔。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。
如图1~9所示，一种海洋工程结构，包括RPC预制管3及连接组件15，所述RPC预制管内同轴设置有预制钢筋笼，所述连接组件包括连接套筒7，连接套筒由不锈钢制作，所述连接套筒底部与顶部分别盖设有下连接板11与上连接板10，所述下连接板下端与上连接板上端均经预制钢筋笼与不同的RPC预制管连接，所述下连接板与上连接板中心均同轴开设有供橄榄形钢板-钢筋笼安装的通孔17，所述橄榄形钢板-钢筋笼包括两对称设置的弧形钢板81，该弧形钢板均贯穿通孔且均焊接在上连接板上，所述两弧形钢板之间均经不锈钢连接筋83连接，所述RPC预制管与连接组件内均浇筑有海水海砂混凝土4，其材料可选用海水、海砂、、珊瑚礁粗骨料和水泥加工而成，所述连接组件外端对称固连有两横向延伸且呈工字型的一体化梁板12。
在本发明实施例中，橄榄形钢板-钢筋笼，整体材料采用不锈钢制作，在弧形钢板外焊接加劲肋82、在弧形钢板内面焊接不锈钢连接筋，三者形成橄榄形钢板-钢筋笼，其外弧边缘焊接在上连接板内，钢板截面形状为月牙形，沿长度方向为弧形，长度应取圆柱截面直径、柱净高的1/6和500mm三者的最大值；当连接组件插入RPC管内到达指定深度时，截面圆弧构成的圆形外径等于RPC管内径，此时加劲肋正好卡在管口，橄榄形钢板-钢筋笼发挥抗弯抗剪作用的同时，还起到定位作用。
在本发明实施例中，所述预制钢筋笼包括沿RPC预制管内周间隔设置并竖向延伸的不锈钢纵筋5，不锈钢纵筋与环形的不锈钢箍筋6固连，且不锈钢箍筋沿不锈钢纵筋延伸方向均匀布置，所述不锈钢纵筋均凸出RPC预制管并穿入连接组件经螺帽锚固，所述不锈钢纵筋与不锈钢连接筋均选用QN1803不锈钢，以形成QN1803不锈钢钢筋笼。
在本发明实施例中，所述RPC预制管应选用流动性好、强度高、耐久性好的活性粉末混凝土（RPC）材料制作，优选使用圆形截面构造，同时应控制其管厚不宜超过组合柱直径的10%
在本发明实施例中，所述上连接板与下连接板上均开设有供不锈钢纵筋穿入的预制孔洞9。
在本发明实施例中，所述弧形钢板沿其外周固设有加劲肋，所述加劲肋下端均承接在下连接板上。
在本发明实施例中，所述连接套筒呈圆筒状，所述上连接板底部朝下凸出有锥形插头101，所述连接套筒顶部沿其内壁朝内凸出有环形凸块102，所述环形凸块上端与连接套筒间开设有呈锥状供锥形插头插接的插槽71，所述连接套筒上下端分别经上连接板与下连接板盖设后焊接固连。
在本发明实施例中，所述一体化梁板包括上下平行设置的上翼缘楼板121与梁下翼缘123，上翼缘楼板与梁下翼缘间经梁腹板122固连为一体，所述一体化梁板内置不锈钢筋网均横向穿出并插设入连接套筒内经螺帽锚固，所述一体化梁板均采用不锈钢筋网和RPC制作，所述连接套筒上对应开设有若干供一体化梁板内置钢筋网插入的预留孔18。
在本发明实施例中，所述RPC预制管外同轴套设有低弹模缓冲垫层2，所述低弹模缓冲垫层外包覆有环向CFRP布1，所述环向CFRP布应均匀包裹粘贴在柱表面且不留气泡、陷坑，在柱两端1/6高度范围内可包裹多层同时预留出搭接长度，CFRP布胶粘时使用碳纤维布浸渍胶；所述低弹模缓冲垫层为弹性和粘接性能较好的缠绕膜制作，根据实验结果其厚度取1mm-2mm左右为宜，在柱两端1/6高度范围内均匀缠绕。
一种海洋工程结构的施工方法，并按以下步骤进行：
S1:制作柱内预制钢筋笼，将纵向不锈钢筋和螺旋不锈钢筋点焊在一起形成预制钢筋笼，纵向不锈钢筋两端延伸出不锈钢筋笼并将其打上螺纹；制作一体化梁板内钢筋网，将交错设置的不锈钢筋点焊在一起形成不锈钢筋网124，沿一体化梁板长度方向不锈钢筋延伸出一段锚固长度并将其打上螺纹；
S2:制作预制管时，将预制不锈钢筋笼放置在密闭的、含有内外圆管模板的夹层中，向夹层内浇筑活性粉末混凝土（RPC），形成预制不锈钢筋笼加强RPC管。制作一体化梁板时，将不锈钢筋网放入工字型模具并用活性粉末混凝土（RPC）浇筑；
S3: 预制钢筋笼加强RPC管养护后拆模，然后计算低弹模缓冲垫层厚度[t=（2.873·X 2-0.0948·X+0.0042）·D]，在预制钢筋笼加强RPC管外缠绕低弹模缓冲垫层，接着在低弹模缓冲垫层和构件端部外涂刷环氧树脂并包裹黏贴环向CFRP布环向CFRP布；
S4:在工厂内加工好上下连接板以及连接套筒，确保各部件上的预留孔洞位置无误，在弧形钢板外焊接加劲肋、在弧形钢板内面焊接不锈钢连接筋，三者形成橄榄形钢板-钢筋笼后将其焊接在上连接板内，将连接套筒焊接在下连接板上，后将预制钢筋笼加强RPC管延伸出的螺纹钢筋插进上、下连接板的预留孔，同时用螺帽锚固；
S5:将各部件运至施工现场，将连接有下连接板并焊接连接套筒的RPC预置管先安装到指定位置，吊装一体化梁板将其延伸出的螺纹钢筋从侧向插进连接套筒的预制孔洞并用螺帽锚固，吊装焊接有上连接板和橄榄形钢板-钢筋笼的RPC预置管将锥形插头对接连接套筒的插槽，并于焊缝处进行塞焊；
S6:将拌制好的海水海砂混凝土浇筑在预制钢筋笼加强RPC管内。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可以得出其他各种形式的海洋工程结构及其施工方法。凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种海洋工程结构，其特征在于：包括RPC预制管及连接组件，所述RPC预制管内同轴设置有预制钢筋笼，所述连接组件包括连接套筒，所述连接套筒底部与顶部分别盖设有下连接板与上连接板，所述下连接板下端与上连接板上端均经预制钢筋笼与不同的RPC预制管连接，所述下连接板与上连接板中心均同轴开设有供橄榄形钢板-钢筋笼安装的通孔，所述橄榄形钢板-钢筋笼包括两对称设置的弧形钢板，该弧形钢板均贯穿通孔且均焊接在上连接板上，所述两弧形钢板之间均经不锈钢连接筋连接，所述RPC预制管与连接组件内均浇筑有海水海砂混凝土，所述连接组件外端对称固连有两横向延伸且呈工字型的一体化梁板。
2.根据权利要求1所述的一种海洋工程结构，其特征在于：所述预制钢筋笼包括沿RPC预制管内周间隔设置并竖向延伸的不锈钢纵筋，不锈钢纵筋均经环形的不锈钢箍筋套箍固连，且不锈钢箍筋沿不锈钢纵筋延伸方向均匀布置，所述不锈钢纵筋均凸出RPC预制管并穿入连接组件经螺帽锚固。
3.根据权利要求2所述的一种海洋工程结构，其特征在于：所述上连接板与下连接板上均开设有供不锈钢纵筋穿入的预制孔洞。
4.根据权利要求1所述的一种海洋工程结构，其特征在于：所述弧形钢板沿其外周焊接有加劲肋，所述加劲肋下端均承接在下连接板上。
5.根据权利要求1所述的一种海洋工程结构，其特征在于：所述连接套筒呈圆筒状，所述上连接板底部朝下凸出有锥形插头，所述连接套筒顶部沿其内壁朝内凸出有环形凸块，所述环形凸块上端与连接套筒间开设有呈锥状供锥形插头插接的插槽，所述连接套筒上下端分别经上连接板与下连接板盖设后焊接固连。
6.根据权利要求1所述的一种海洋工程结构，其特征在于：所述一体化梁板包括上下平行设置的上翼缘楼板与梁下翼缘，上翼缘楼板与梁下翼缘间经梁腹板固连为一体，所述一体化梁板内置钢筋网均横向穿出并插设入连接套筒内经螺帽锚固，所述连接套筒上对应开设有若干供一体化梁板内置钢筋网插入的预留孔。
7.根据权利要求1所述的一种海洋工程结构，其特征在于：所述RPC预制管外同轴套设有低弹模缓冲垫层，所述低弹模缓冲垫层外包覆有环向CFRP布。
8.根据权利要求7所述的一种海洋工程结构，其特征在于：所述低弹模缓冲垫层厚度（t）计算公式：t=（2.873·X 2-0.0948·X+0.0042）·D，其中X=t FRP·f FRP/ D/ f c '，t FRP为纤维增强材料厚度，f FRP为纤维增强材料极限抗拉强度，D为RPC预制管外径，f c '为RPC预制管的圆柱体抗压强度。
9.一种海洋工程结构的施工方法，其特征在于，采用如权利要求1-8所述的任一种海洋工程结构，并按以下步骤进行：
S1:制作柱内预制钢筋笼，将纵向不锈钢筋和螺旋不锈钢筋点焊在一起形成预制钢筋笼，纵向不锈钢筋两端延伸出不锈钢筋笼并将其打上螺纹；制作一体化梁板内钢筋网，将交错设置的不锈钢筋点焊在一起形成不锈钢筋网，沿一体化梁板长度方向不锈钢筋延伸出一段锚固长度并将其打上螺纹；
S2:制作预制管时，将预制钢筋笼放置在密闭的、含有内外圆管模板的夹层中，向夹层内浇筑活性粉末混凝土（RPC），形成预制钢筋笼加强RPC管；制作一体化梁板时，将不锈钢筋网放入工字型模具并用活性粉末混凝土（RPC）浇筑；
S3: 预制钢筋笼加强RPC管养护后拆模，然后计算低弹模缓冲垫层厚度[t=（2.873·X 2-0.0948·X+0.0042）·D]，在预制钢筋笼加强RPC管外缠绕低弹模缓冲垫层，接着在低弹模缓冲垫层和构件端部外涂刷环氧树脂并包裹黏贴环向CFRP布；
S4:在工厂内加工好上下连接板以及连接套筒，在弧形钢板外焊接加劲肋、在弧形钢板内面焊接不锈钢连接筋，三者形成橄榄形钢板-钢筋笼后将其焊接在上连接板内，将连接套筒焊接在下连接板上，后将预制钢筋笼加强RPC管延伸出的螺纹钢筋插进上、下连接板的预留孔，同时用螺帽锚固；
S5:将各部件运至施工现场，将连接有下连接板并焊接连接套筒的RPC预置管先安装到指定位置，吊装一体化梁板将其延伸出的螺纹钢筋从侧向插进连接套筒的预制孔洞并用螺帽锚固，吊装焊接有上连接板和橄榄形钢板-钢筋笼的RPC预置管将锥形插头对接连接套筒的插槽，并于焊缝处进行塞焊；
S6:将拌制好的海水海砂混凝土浇筑在预制钢筋笼加强RPC管内。
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