CN115822175A - 一种复材管-竹编笼复式约束混凝土叠合柱及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复材管‑竹编笼复式约束混凝土叠合柱，包括从外向内依次设置的预制复合材料管、中间混凝土层、竹条编织骨架笼和柱心混凝土层，竹条编织骨架笼由若干竖向竹条和环向缠绕竹篾条编织而成。本发明还涉及一种复材管‑竹编笼复式约束混凝土叠合柱的制备方法。本发明生产成本低、拼装整体性好，抗压、抗弯和抗震承载能力高，绿色低碳，属于建筑结构技术领域。

Description

一种复材管-竹编笼复式约束混凝土叠合柱及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑结构技术领域，具体涉及一种复材管-竹编笼复式约束混凝土叠合柱及其制备方法。

背景技术

竹胶板管包裹约束混凝土或再生混凝土叠合柱技术，对推广竹胶板和竹材在土木工程领域的应用具有重大意义和工程价值。为解决竹胶板管和混凝土间的受力变形不协调等技术问题，竹胶板管约束混凝土叠合柱通常需要附设横向约束拉杆增强约束套箍效应，制造工艺难度增大，且约束拉杆之间的竹胶板局部开胶破坏严重。为解决竹胶板管约束混凝土叠合柱的长期耐久性问题，外包复合材料是可行的方案，但复合材料管直接包裹竹胶板的方式存在局部受力不均、径向约束难以形成良好的梯度套箍效果等技术缺陷，且对复合材料管厚度要求增大、截面尺寸精度要求高、复合材料管标准成品适应性低。竹胶板为多层编织竹席或竹帘热压成型的板材，属于高能耗建材产品，将竹胶板二次加工制造为竹胶板约束管，既损失了竹材原有的抗拉强度等力学性能，又损失了原生竹材的绿色低碳效果，竹胶板管约束混凝土叠合柱的生产成本难以降低，碳排减量有限。有必要利用原竹直接编织具有径向约束套箍作用的竹编笼，代替竹胶板管生产“以竹代钢”的生态型叠合柱，并简化叠合柱构型和制造工艺。

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：提供一种生产成本低，抗压、抗弯和抗震承载能力高的复材管-竹编笼复式约束混凝土叠合柱。

本发明的另一个目的是：提供一种生产效率高的复材管-竹编笼复式约束混凝土叠合柱的制备方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种复材管-竹编笼复式约束混凝土叠合柱，包括从外向内依次设置的预制复合材料管、中间混凝土层、竹条编织骨架笼和柱心混凝土层，竹条编织骨架笼由若干竖向竹条和环向缠绕竹篾条编织而成。

作为一种优选，若干竖向竹条相对于每一个环向缠绕竹篾条垂直设置，若干竖向竹条周向均匀分布在每一个环向缠绕竹篾条上，相邻的两个竖向竹条分别与同一个环向缠绕竹篾条的内侧面和外侧面相接触；若干环向缠绕竹篾条沿每一个竖向竹条轴向方向依次排列分布，相邻的两个环向缠绕竹篾条分别与同一个竖向竹条的内侧面和外侧面相接触。

作为一种优选，环向缠绕竹篾条的内侧穿插有径向竹篾条。

作为一种优选，预制复合材料管为树脂聚合物复合细竹篾编织管、薄壁钢丝网细石混凝土预制管、耐久性塑料管和纤维增强复合材料管中的任意一种。

作为一种优选，中间混凝土层采用普通混凝土和含固废物的再生混凝土中的任意一种制备。

作为一种优选，预制复合材料管、中间混凝土层和竹条编织骨架笼构成叠合柱的外模部件，外模部件的横截面为圆形或方形，外模部件空腔的横截面为圆形或方形。

一种复材管-竹编笼复式约束混凝土叠合柱的制备方法，包括以下步骤：S1：根据所需叠合柱的承载力要求，计算确定叠合柱的截面形状、计算叠合柱所需材料的截面含量，计算确定预制复合材料管和竹条编织骨架笼；S2：根据所需叠合柱中混凝土的抗压要求，配比设计混凝土或再生混凝土强度；S3：将预制复合材料管套住竹条编织骨架笼，再灌入步骤S2的混凝土，通过常温养护形成半装配式复材管-竹编笼复式约束混凝土叠合柱。

作为一种优选，步骤S1中预制复合材料管为钢丝网细石混凝土预制管时，预制复合材料管、中间混凝土层和竹条编织骨架笼整体制备成型，形成叠合柱的外模部件，外模部件的空腔内再灌入混凝土形成叠合柱。

作为一种优选，步骤S2中竹条编织骨架笼穿插有径向竹篾条。

作为一种优选，步骤S3中预制复合材料管的内侧与竹条编织骨架笼的外侧间隔设置。

本发明的原理是：采用预制复合材料管和原生态竹条编织骨架笼约束混凝土，利用混凝土的微膨胀形成二次梯度约束套箍效应，基于各部件的相互作用更好地解决不同材料物理拼合界面黏结强度不够、变形不协调的技术问题。同时，预制复合材料管解决竹材和再生混凝土长期耐久性欠缺的问题，竹条编织骨架笼以竹代钢提供轴向和环向拉力，籍此生产的叠合柱获得较好的套箍约束效果，拼装整体性好，抗压、抗弯和抗震承载能力高，绿色低碳，生产成本低廉。

总的说来，本发明具有如下优点：

1.本发明的叠合柱不但可作为乡村城镇多层竹(木)-混凝土混合结构建筑、室内装饰装修等工程结构领域的竖向承载构件，而且可广泛用于古木建筑维护、防洪救灾、抗震救灾、地铁隧道、市政交通、基坑支护、光伏板支撑柱等大量需要承载工程材料的领域。

2.本发明的叠合柱通过设计各构成部件的横截面含量以及布置方位，利用混凝土的微膨胀形成二次梯度约束套箍效应，很好地解决了不同材料物理拼合界面黏结强度欠缺的技术问题，实现良好的拼合组合效果，获得叠合构型结构更稳定的抗压和抗弯承载力。

3.本发明的竹条编织骨架笼由竖向竹条和环向缠绕竹篾条编织而成，可制备为多种形状的骨架笼，外模部件的截面外形和内腔设计形状可灵活多变。与截面尺寸受竹管大小和形状制约、因轴向受压而径向出现胀裂破坏的原竹管柱或竹管约束混凝土柱相比，本发明的叠合柱截面形状、截面尺寸、径向约束效应均可自主设计，环向缠绕竹篾条可提供较大的径向弹性形变能力，满足不同承载能力和截面尺寸要求，功能适应性非常强。

4.本发明通过原生态竹材直接加工成竹条和竹篾，编织成竹条编织骨架笼，代替型钢或钢筋在叠合柱中提供轴向和环向拉力。摒弃了钢材的使用，竹材使用量高，减小高能耗的混凝土用量，能充分发挥竹材弹性变形能力大、抗拉和抗震性能优异的特点。原生态的竹骨架笼相对于用较高能耗的竹胶板二次加工制造形成的竹胶板约束管，竹骨架笼既减少了竹材原有的抗拉强度等力学性能的损失，相应地提高了竹材的利用效率，绿色低碳，制备成本低廉。

5.叠合柱外层预制复合材料管采用树脂聚合物复合细竹篾编织管、薄壁钢丝网细石混凝土预制管、耐久性塑料管、各类纤维增强复合材料管中的任意一种，长期耐久性有充分的保障，可提高内部竹材和混凝土的使用寿命，扩展应用领域。

6.预制复合材料管、中间混凝土层、竹条编织骨架笼整体制备成型，可形成半预制装配式叠合柱的外模部件。预制复合材料管内侧与竹条编织骨架笼外侧保持一定的间距填灌混凝土，既提高复合材料管、竹条编织骨架笼与混凝土的粘结强度，形成梯度约束套箍效应，又便于容纳两种套管安装的施工误差，修正或补偿误差简便，预制或半预制装配化工业化生产适用性强。

附图说明

图1为叠合柱的立体图。

图2为叠合柱的半剖结构示意图。

图3为叠合柱横截面外形为圆形的结构示意图，其中图3a为竹条编织骨架笼空腔是圆形的示意图，图3b为竹条编织骨架笼空腔是方形的示意图。

图4为叠合柱横截面外形为方形的结构示意图，其中图4a为竹条编织骨架笼空腔是圆形的示意图，图4b为竹条编织骨架笼空腔是方形的示意图。

图5为叠合柱的竹条编织骨架笼结构立面示意图。

其中，1-预制复合材料管，2-中间混凝土层，3-竹条编织骨架笼，4-径向竹篾条，5-柱心混凝土层，6-竖向竹条，7-环向缠绕竹篾条。

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

本实施例中，一种复材管-竹编笼复式约束混凝土叠合柱，包括从外向内依次设置的预制复合材料管、中间混凝土层、竹条编织骨架笼和柱心混凝土层，竹条编织骨架笼由若干竖向竹条和环向缠绕竹篾条编织而成。

本实施例中，叠合柱为圆柱形结构，叠合柱的横截面直径为250mm，预制复合材料管采用玻璃纤维复合材料管(GFRP管)，中间混凝土层采用再生混凝土浇筑而成，竹条编织骨架笼为圆筒形结构，柱心混凝土层采用再生混凝土浇筑而成。其中，GFRP管壁厚2～4mm，中间混凝土层的厚度为10～20mm，竖向竹条的厚度为8～12mm，宽为20～40mm；环向缠绕竹篾条的厚度为3～5mm，宽度为10～20mm；柱心混凝土层为圆柱形结构，柱心混凝土层的直径为200-220mm。

竹条编织骨架笼包裹柱心混凝土层，柱心混凝土层凝固过程中以及受压过程中产生微膨胀，两者相互作用形成第一道被动径向约束；玻璃纤维复合材料管包裹中间混凝土层形成第二道被动径向约束。

若干竖向竹条相对于每一个环向缠绕竹篾条垂直设置，若干竖向竹条周向均匀分布在每一个环向缠绕竹篾条上，相邻的两个竖向竹条分别与同一个环向缠绕竹篾条的内侧面和外侧面相接触；若干环向缠绕竹篾条沿每一个竖向竹条轴向方向依次排列分布，相邻的两个环向缠绕竹篾条分别与同一个竖向竹条的内侧面和外侧面相接触。环向缠绕竹篾条缠绕竖向竹条编织形成具有径向套箍约束作用的圆柱形竹条编织骨架笼；竖向竹条承担竖向拉力，通过叠合柱的侧向抗弯需求计算确定截面含量；环向缠绕竹篾条承担环向拉力，通过叠合柱的径向张力需求计算确定截面含量。

环向缠绕竹篾条的内侧穿插有径向竹篾条。本实施例的径向竹篾条厚度为3～5mm，宽为10～20mm，绕过竖向竹条成对称放射状布置，沿叠合柱轴向布置间距为200～250mm。

本实施例的预制复合材料管为玻璃纤维复合材料管。

本实施例的中间混凝土层采用含固废物的再生混凝土浇筑而成。含固废物指的是含建筑垃圾或工业固废物。

预制复合材料管、中间混凝土层和竹条编织骨架笼构成叠合柱的外模部件，本实施例的外模部件的横截面为圆形，外模部件空腔的横截面为圆形。

本实施例中，竹条编织骨架笼通过竹编机械设备编织竖向竹条和环向缠绕竹篾条而成。竹条编织骨架笼在叠合柱中具备“以竹代钢”的承载骨架功能；竹条编织骨架笼的竖向竹条和环向缠绕竹篾条功能不同，竹条编织骨架笼的竖向竹条承担竖向拉力，可通过叠合柱的侧向抗弯能力需求计算确定其截面含量和布置的稀密程度；环向缠绕竹篾条承担环向拉力，可通过叠合柱的径向张拉力需求计算确定截面含量和布置的稀密程度，可适当穿插径向竹篾增强套箍约束效应。

本实施例中，预制复合材料管还可以采用碳纤维增强复合材料管(CFRP)、芳纶纤维增强复合材料管(AFRP)、玄武岩纤维增强复合材料管(BFRP)等中的任意一种。预制复合材料管为竹条编织骨架笼以及中间混凝土层提供径向套箍约束作用，提高叠合柱物理拼合界面的黏结强度，增强整体复合效应和受力稳定性；高耐久性复合材料管作为外部保护层可解决竹材、低品质含固废物再生混凝土长期耐久性欠缺的问题。

柱心混凝土层为含固废物的再生混凝土浇灌而成，可大量消纳固废物，固碳减排助力低碳生态建设。

预制复合材料管和竹条编织骨架笼包裹约束混凝土，形成二次梯度约束叠合柱构型，通过设计不同弹性模量功能性材料的截面比例，利用混凝土微膨胀形成径向约束套箍效应。该叠合柱利用竹条编织竹骨架笼代替钢管或钢筋获得承载柱的抗弯和抗震能力，利用预制复合材料管解决梯度约束问题和长期耐久性问题，绿色低碳、生产成本低，可半预制工业化制造。

实施例二

一种复材管-竹编笼复式约束混凝土叠合柱的制备方法，包括以下步骤：S1：根据所需叠合柱的承载力要求，计算确定叠合柱的截面形状、计算叠合柱所需材料的截面含量，计算确定预制复合材料管和竹条编织骨架笼；S2：根据所需叠合柱中混凝土的抗压要求，配比设计混凝土或再生混凝土强度；S3：将预制复合材料管套住竹条编织骨架笼，再灌入步骤S2的混凝土，通过常温养护形成半装配式复材管-竹编笼复式约束混凝土叠合柱。

步骤S1中预制复合材料管为钢丝网细石混凝土预制管时，预制复合材料管、中间混凝土层和竹条编织骨架笼整体制备成型，形成叠合柱的外模部件，外模部件的空腔内再灌入混凝土形成叠合柱。

步骤S2中竹条编织骨架笼可适当穿插径向竹篾条增强径向套箍约束效果；步骤S3中预制复合材料管(或钢丝网)内侧与竹条编织骨架笼的外侧保持一定间距(即间隔设置)，以满足复合材料管(或钢丝网)、竹条编织骨架笼与混凝土有足够的粘结强度。

步骤S1具体为：根据所需叠合柱的抗压、抗弯和抗剪等承载力和功能要求，设计横截面直径为250mm的圆形叠合柱；其中，根据抗弯能力需求计算确定竖向竹条的截面含量，根据第一道被动径向约束套箍效应需求计算确定环向缠绕竹篾条的截面含量，根据第二道被动径向约束套箍效应需求计算确定预制复合材料管截面含量。

步骤S2具体为：根据设计需求制备横截面直径为250mm圆形预制复合材料管、竹条编织骨架笼；考虑部分竹条编织骨架笼抗压和抗剪能力情况下，再根据抗压和抗剪能力需求计算确定混凝土强度和混凝土截面含量。

步骤S3具体为：预制复合材料管从外部套住竹条编织骨架笼，再灌入步骤S2的混凝土，养护形成复材管—竹编笼复式约束混凝土叠合柱。

本实施例未提及部分同实施例一。

实施例三

本实施例的叠合柱不设置径向竹篾条，预制复合材料管采用耐久性塑料管，中间混凝土层采用普通混凝土浇筑而成。

本实施例未提及部分同实施例一。

实施例四

本实施例的叠合柱的竹条编织骨架笼内腔形状为方形，预制复合材料管采用薄壁钢丝网细石混凝土预制管。

本实施例未提及部分同实施例一。

实施例五

本实施例的叠合柱的横截面外部形状为方形，预制复合材料管采用高分子树脂聚合物复合细竹篾编织管。

本实施例未提及部分同实施例一。

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 (10)

1.一种复材管-竹编笼复式约束混凝土叠合柱，其特征在于：包括从外向内依次设置的预制复合材料管、中间混凝土层、竹条编织骨架笼和柱心混凝土层，竹条编织骨架笼由若干竖向竹条和环向缠绕竹篾条编织而成。

2.按照权利要求1所述的一种复材管-竹编笼复式约束混凝土叠合柱，其特征在于：若干竖向竹条相对于每一个环向缠绕竹篾条垂直设置，若干竖向竹条周向均匀分布在每一个环向缠绕竹篾条上，相邻的两个竖向竹条分别与同一个环向缠绕竹篾条的内侧面和外侧面相接触；若干环向缠绕竹篾条沿每一个竖向竹条轴向方向依次排列分布，相邻的两个环向缠绕竹篾条分别与同一个竖向竹条的内侧面和外侧面相接触。

3.按照权利要求2所述的一种复材管-竹编笼复式约束混凝土叠合柱，其特征在于：环向缠绕竹篾条的内侧穿插有径向竹篾条。

4.按照权利要求1所述的一种复材管-竹编笼复式约束混凝土叠合柱，其特征在于：预制复合材料管为树脂聚合物复合细竹篾编织管、薄壁钢丝网细石混凝土预制管、耐久性塑料管和纤维增强复合材料管中的任意一种。

5.按照权利要求1所述的一种复材管-竹编笼复式约束混凝土叠合柱，其特征在于：中间混凝土层采用普通混凝土和含固废物的再生混凝土中的任意一种制备。

6.按照权利要求1所述的一种复材管-竹编笼复式约束混凝土叠合柱，其特征在于：预制复合材料管、中间混凝土层和竹条编织骨架笼构成叠合柱的外模部件，外模部件的横截面为圆形或方形，外模部件空腔的横截面为圆形或方形。

7.一种复材管-竹编笼复式约束混凝土叠合柱的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据所需叠合柱的承载力要求，计算确定叠合柱的截面形状、计算叠合柱所需材料的截面含量，计算确定预制复合材料管和竹条编织骨架笼；

S2：根据所需叠合柱中混凝土的抗压要求，配比设计混凝土或再生混凝土强度；

S3：将预制复合材料管套住竹条编织骨架笼，再灌入步骤S2的混凝土，通过常温养护形成半装配式复材管-竹编笼复式约束混凝土叠合柱。

8.按照权利要求7所述的一种复材管-竹编笼复式约束混凝土叠合柱的制备方法，其特征在于：步骤S1中预制复合材料管为钢丝网细石混凝土预制管时，预制复合材料管、中间混凝土层和竹条编织骨架笼整体制备成型，形成叠合柱的外模部件，外模部件的空腔内再灌入混凝土形成叠合柱。

9.按照权利要求7所述的一种复材管-竹编笼复式约束混凝土叠合柱的制备方法，其特征在于：步骤S2中竹条编织骨架笼穿插有径向竹篾条。

10.按照权利要求7所述的一种复材管-竹编笼复式约束混凝土叠合柱的制备方法，其特征在于：步骤S3中预制复合材料管的内侧与竹条编织骨架笼的外侧间隔设置。

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