CN115012398B - 一种大直径钢管混凝土构造及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种大直径钢管混凝土构造及施工方法，包括若干组拼装钢管，每组拼装钢管外壁周向上固定设置有第一材料层，拼装钢管内壁周向上固定设置有第二材料层；拼装钢管内侧中部轴线上设置有若干组圆筒，若干组圆筒外壁上固定连接有加劲连接件，加劲连接件远离圆筒的一端与拼装钢管内壁固定连接；圆筒内部填充有相变降温材料；每相邻两组钢管的连接处内部填充有用于接缝连接的UHPC层。本发明利用新构造、新材料来解决当前大直径钢管混凝土水化热损伤严重、耐久性能病害严重的问题；所有构件均采用在工厂标准化预制生产，在施工现场进行定位与拼装连接，实现在工程现场的快速拼装施工，最大程度降低对施工环境的影响。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程技术领域，特别是涉及一种大直径钢管混凝土构造及施工方法。
背景技术
钢管混凝土作为一种组合结构，可充分发挥钢材与混凝土的性能优势，相比于单一材料具备更高的承载力、稳定性和经济性，因此大量应用于大型结构中。但钢管混凝土施工中普遍面临界面脱粘、脱空的问题，极大地影响二者协同作用，危害结构安全。钢管混凝土的脱粘、脱空原因众多，包括轴压作用、混凝土自身收缩徐变以及内外温度变化等。根据工程经验，大部分钢管混凝土结构在施工期结束后即出现了界面脱空现象，说明施工期混凝土的收缩是引起脱空的重要原因。钢管内的核心混凝土一般强度等级较高，在早期水化过程中经历剧烈的温升温降，其内外变形不均会引起表面混凝土的收缩脱粘，后期混凝土温降收缩和自收缩的叠加作用也会加剧脱空现象。而随着建设跨径的不断增加以及钢管混凝土的应用不断推广，大直径钢管混凝土必然会普遍使用。对于如何实现超大直径钢管混凝土的抗脱粘与抗裂，是工程界关心也急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种大直径钢管混凝土构造及施工方法，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种大直径钢管混凝土构造，包括若干组拼装钢管，每组所述拼装钢管外壁周向上固定设置有第一材料层，所述拼装钢管内壁周向上固定设置有第二材料层；所述拼装钢管内侧中部轴线上设置有若干组圆筒，若干组所述圆筒外壁上固定连接有加劲连接件，所述加劲连接件远离所述圆筒的一端与所述拼装钢管内壁固定连接；所述圆筒内部填充有相变降温材料；
每相邻两组拼装钢管的连接处内部填充有用于接缝连接的UHPC层。
优选的，所述第一材料层为外贴式聚氨酯弹性材料层，所述第二材料层为内贴式聚氨酯弹性材料层；每组所述拼装钢管外部固定设置有一组第一材料层，每组所述拼装钢管内部设置有四组第二材料层，每相邻两组所述第二材料层之间留有缝隙。
优选的，所述圆筒为钢质，所述圆筒呈圆柱形，所述圆筒内部开设有空腔，所述相变降温材料填充于空腔内部。
优选的，所述加劲连接件包括用于连接若干组圆筒的竖板，所述竖板设置有若干组，所述圆筒周向上的所述竖板的外侧固定设置有横杆，所述横杆位于所述拼装钢管内壁与所述圆筒外壁之间，所述横杆远离所述圆筒的一端与相邻两组第二材料层之间的缝隙固定连接。
优选的，每组所述第二材料层位于两组所述竖板之间，所述第二材料层的中部呈弧形，所述第二材料层的上部和最上侧所述圆筒的顶部平齐，所述第二材料层的底部和最下侧所述圆筒的底部平齐。
优选的，最上侧的所述圆筒的顶面与所述拼装钢管的顶面之间留有用于放置UHPC层的间距，最下侧的所述圆筒的底面与所述拼装钢管的底面之间也留有用于放置UHPC层的间距。
优选的，所述圆筒与所述第二材料层之间填充有混凝土。
一种大直径钢管混凝土构造的施工方法，包括以下步骤：
S1、根据实际工程需求确定拼装钢管、第一材料层、第二材料层、圆筒、加劲连接件的尺寸与数目；
S2、在圆筒中配置相变降温材料；
S3、将预制的标准构件运输到现场，利用高强螺栓、弹性塑胶、环氧树脂和弹性润滑材料实现对接与拼装连接；
S4、浇筑底层超高性能混凝土UHPC，再浇筑填充用普通混凝土；
S5、拼接下一级拼装式钢管，用超高性能混凝土UHPC填充接缝区域后，浇筑下一层填充用普通混凝土；
S6、往复上述S2-S5的操作，直至施工完成。本发明公开了以下技术效果：
(1)本发明采用全工厂化预制标准构件，可根据工程实际情况与项目需求修改形状尺寸与布置数目，并大幅提升现场施工的速度，降低现场施工难度；
(2)本发明充分利用新型土木工程材料聚氨酯弹性体作为传统拼装式钢管的内外贴层，在保护钢管内外壁在浇筑、服役过程中完好的同时，降低拼装式钢管的有效内径尺寸，减小内部混凝土的水化热作用；
(3)本发明拼装钢管的内部布置有钢铸空腔和加劲连接件，实现在减小填充用普通混凝土使用量的同时，加劲保证整个大直径钢管混凝土设计所需的承载能力等力学行为；
(4)本发明利用新型超高性能混凝土UHPC浇筑钢管的接缝区域，不仅可以提升接缝处钢管内填充混凝土在长期服役阶段的耐久性能，还可以分隔大体积填充用普通混凝土，使其分段产生水化热变形，降低水化变形的影响；
(5)本发明填充钢铸空腔的相变降温材料可以为大直径钢管中的混凝土水化过程提供一定的降温耗热源。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明大直径钢管混凝土内部三维剖面示意图；
图2为本发明大直径钢管混凝土内部结构示意图；
图3为本发明大直径钢管混凝土外部结构示意图。
其中：1、拼装钢管；2、第一材料层；3、第二材料层；4、圆筒；5、加劲连接件；6、混凝土；7、UHPC层；8、相变降温材料；9、横杆；10、竖板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1-3，本发明提供一种大直径钢管混凝土构造，包括若干组拼装钢管1，每组拼装钢管1外壁周向上固定设置有第一材料层2，拼装钢管1内壁周向上固定设置有第二材料层3；拼装钢管1内侧中部轴线上设置有若干组圆筒4，若干组圆筒4外壁上固定连接有加劲连接件5，加劲连接件5远离圆筒4的一端与拼装钢管1内壁固定连接；圆筒4内部填充有相变降温材料8；每相邻两组拼装钢管1的连接处内部填充有用于接缝连接的UHPC层7。该构造由拼装钢管1、内贴式聚氨酯弹性体材料层、外贴式聚氨酯弹性体材料层、钢铸空腔、加劲连接件5、填充用普通混凝土6和用于接缝处的超高性能混凝土UHPC层，这七部分共同组成。大直径钢管混凝土构造采用全工厂化预制标准构件，可根据工程实际情况与项目需求修改形状尺寸与布置数目，并大幅提升现场施工的速度，降低现场施工难度。
充分利用新型土木工程材料聚氨酯弹性体作为传统拼装钢管的内外贴层，在保护钢管内外壁在浇筑、服役过程中完好的同时，降低拼装式钢管的有效内径尺寸，减小内部混凝土6的水化热作用。另外，在钢铸空腔内配置有相变降温材料8，使得大直径钢管中浇筑的混凝土6在水化过程提供一定的降温耗热源。同时，拼装钢管1的内部布置有钢铸空腔和加劲连接件5，在减小填充用普通的混凝土6使用量的同时，加劲保证整个大直径钢管混凝土设计所需的承载能力等力学行为。最后，利用新型超高性能混凝土UHPC浇筑钢管的接缝区域，不仅可以提升接缝处拼装钢管1内填充混凝土6在长期服役阶段的耐久性能，还可以分隔大体积填充用普通的混凝土6，使其分段产生水化热变形，降低水化变形的影响。
第一材料层2为外贴式聚氨酯弹性材料层，第二材料层3为内贴式聚氨酯弹性材料层；每组钢管外部固定设置有一组第一材料层2，每组钢管内部设置有四组第二材料层3，每相邻两组第二材料层3之间留有缝隙。在常规的拼装钢管1的内侧贴有聚氨酯弹性体材料层，在浇筑过程中保护保护钢管内壁的完好无损；同时降低拼装式钢管的有效内径尺寸，减小内部混凝土6的水化热作用。在常规的拼装式钢管1的外侧贴有聚氨酯弹性体材料层，以最小的自重代价实现对于钢管外壁服役性能的保护，避免长期野外服役造成的钢管锈蚀、破损、变形等损伤。
圆筒4为钢质，圆筒4呈圆柱形，圆筒4内部开设有空腔，相变降温材料8填充于空腔内部。在常规的拼装式钢管中布置有钢铸空腔，其目的是减少钢管内混凝土6填充量，减小内部混凝土6的水化热作用。相变材料是指温度不变的情况下而改变物质状态并能提供潜热的物质，这时相变材料将吸收大量的潜热。这样能够为大直径钢管中的混凝土6水化过程提供一定的降温耗热源。
加劲连接件5包括用于连接若干组圆筒4的竖板10，竖板10设置有若干组，圆筒4周向上的竖板10的外侧固定设置有横杆9，横杆9位于拼装钢管1内壁与圆筒4外壁之间，横杆9远离所述圆筒4的一端与相邻两组第二材料层3之间的缝隙固定连接。常规的拼装式钢管与布置的钢铸空腔之间采用加劲连接件5进行连接，使得钢铸空腔的布置不会大幅影响钢管混凝土6构件的力学行为，在减小填充用普通混凝土6使用量的同时，加劲保证整个大直径钢管混凝土6设计所需的承载能力等力学行为。
每组第二材料层3位于两组竖板10之间，第二材料层3的中部呈弧形，第二材料层3的上部和最上侧圆筒4的顶部平齐，第二材料层3的底部和最下侧圆筒4的底部平齐。最上侧的圆筒4的顶面与拼装钢管1的顶面之间留有用于放置UHPC层7的间距，最下侧的圆筒4的底面与拼装钢管1的底面之间也留有用于放置UHPC层7的间距；圆筒4与第二材料层3之间填充有混凝土6。不同于常规的工程设计，拼装钢管1并不全部由普通的混凝土6进行填充，而是采用分层组合式浇筑的方式，拼装钢管1接缝处采用超高性能混凝土UHPC进行浇筑。超高性能混凝土UHPC拥有极优异的力学、耐久与收缩变形性能，在接缝处使用超高性能混凝土UHPC进行浇筑，不仅可以提升接缝处钢管内填充混凝土6在长期服役阶段的耐久性能，还可以分隔大体积填充用普通的混凝土6，使其分段产生水化热变形，降低水化变形的影响。
一种大直径钢管混凝土构造的施工方法，包括以下步骤：
S1、根据实际工程需求设计确定各部件的尺寸与数目；
S2、工厂化预制标准化拼装钢管1、第一材料层2、第二材料层3、圆筒4、加劲连接件5；
S3、在圆筒4中配置相变降温材料8；
S4、将预制的标准构件运输到现场，利用高强螺栓、弹性塑胶、环氧树脂和弹性润滑材料实现对接与拼装连接；
S5、浇筑底层超高性能混凝土UHPC，再浇筑填充用普通的混凝土6；
S6、拼接下一级拼装式钢管，用超高性能混凝土UHPC填充接缝区域后，浇筑下一层填充用普通混凝土；
S7、往复2-6的操作，直至施工完成。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，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，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种大直径钢管混凝土构造，其特征在于：包括若干组拼装钢管（1），每组所述拼装钢管（1）外壁周向上固定设置有第一材料层（2），所述拼装钢管（1）内壁周向上固定设置有第二材料层（3）；所述拼装钢管（1）内侧中部轴线上设置有若干组圆筒（4），若干组所述圆筒（4）外壁上固定连接有加劲连接件（5），所述加劲连接件（5）远离所述圆筒（4）的一端与所述拼装钢管（1）内壁固定连接；所述圆筒（4）内部填充有相变降温材料（8）；
每相邻两组钢管的连接处内部填充有用于接缝连接的UHPC层（7）；
所述第一材料层（2）为外贴式聚氨酯弹性材料层，所述第二材料层（3）为内贴式聚氨酯弹性材料层；每组所述拼装钢管（1）外部固定设置有一组第一材料层（2），每组所述拼装钢管（1）内部设置有四组第二材料层（3），每相邻两组所述第二材料层（3）之间留有缝隙。
2.根据权利要求1所述的一种大直径钢管混凝土构造，其特征在于：所述圆筒（4）为钢质，所述圆筒（4）呈圆柱形，所述圆筒（4）内部开设有空腔，所述相变降温材料（8）填充于空腔内部。
3.根据权利要求1所述的一种大直径钢管混凝土构造，其特征在于：所述加劲连接件（5）包括用于连接若干组圆筒（4）的竖板（10），所述竖板（10）设置有若干组；所述圆筒（4）周向上的所述竖板（10）的外侧固定设置有横杆（9），所述横杆（9）位于所述拼装钢管（1）（1）内壁与所述圆筒（4）外壁之间，所述横杆（9）远离所述圆筒（4）的一端与相邻两组第二材料层（3）之间的缝隙固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种大直径钢管混凝土构造，其特征在于：每组所述第二材料层（3）位于两组所述竖板（10）之间，所述第二材料层（3）的中部呈弧形，所述第二材料层（3）的上部和最上侧所述圆筒（4）的顶部平齐，所述第二材料层（3）的底部和最下侧所述圆筒（4）的底部平齐。
5.根据权利要求1所述的一种大直径钢管混凝土构造，其特征在于：最上侧的所述圆筒（4）的顶面与所述拼装钢管（1）的顶面之间留有用于放置UHPC层（7）的间距，最下侧的所述圆筒（4）的底面与所述拼装钢管（1）的底面之间也留有用于放置UHPC层（7）的间距。
6.根据权利要求1所述的一种大直径钢管混凝土构造，其特征在于：所述圆筒（4）与所述第二材料层（3）之间填充有混凝土（6）。
7.一种大直径钢管混凝土构造的施工方法，应用于制造权利要求1-6之一所述的一种大直径钢管混凝土构造，其特征在于：包括以下步骤：
S1、根据实际工程需求确定拼装钢管（1）、第一材料层（2）、第二材料层（3）、圆筒（4）、加劲连接件（5）的尺寸与数目；
S2、在圆筒（4）中配置相变降温材料（8）；
S3、将预制的标准构件运输到现场，利用高强螺栓、弹性塑胶、环氧树脂和弹性润滑材料实现对接与拼装连接；
S4、浇筑底层超高性能混凝土UHPC，再浇筑填充用普通混凝土；
S5、拼接下一级拼装式钢管，用超高性能混凝土UHPC填充接缝区域后，浇筑下一层填充用普通混凝土；
S6、往复上述S2-S5的操作，直至施工完成。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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