CN116145531A - 一种集簇式连接的装配式frp-uhpc组合结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种集簇式连接的装配式FRP‑UHPC组合结构及施工方法，包括UHPC预制板，UHPC预制板上等间距开设有若干剪力槽，UHPC预制板底部通过增强粘结防护器安装有FRP梁，FRP梁顶面等间距安装有若干集簇式连接组件，集簇式连接组件与增强粘结防护器相适配，连接组件位于剪力槽内。本发明能够充分利用FRP和UHPC材料的特性及优点，使构件具有较高的安全性、耐久性和经济性的同时，解决了锈蚀的风险，提高了结构的耐久性，用于沿海工程或岛礁工程效果更为突出。

Description

一种集簇式连接的装配式FRP-UHPC组合结构及施工方法

技术领域

本发明属于结构工程技术领域，尤其涉及一种集簇式连接的装配式FRP-UHPC组合结构及施工方法。

背景技术

近年来，在环保和人力成本压力不断加大、城镇化及房地产产业发展的推动下，装配式建筑进入高速发展及创新期，这时需要发展大量的新型装配式构件以及新型的施工方法以提高装配式建筑的施工效率，促进装配式建筑的推广并提高其安全适用性。

装配式型钢-混凝土组合结构具有承载力高、刚度较大的性能优势，在桥梁工程中应用广泛。其中连接钢螺栓剪力件具有稳定可靠的性能，较高的抗剪能力以及较大的抗剪刚度(特别是高强螺栓)，使得其具有较大的应用空间。此外，螺栓的特殊结构形式使其能满足装配化施工的各项要求，被广泛应用于快速化桥梁施工领域，并且有利于老旧结构物的更换，因此在欧美等发达国家应用较为广泛。随着我国对城市桥梁快速化施工的需求日益旺盛，该类剪力件的社会效益以及经济价值日益浮现，并受到越来越多的关注。然而，采用传统的均布式螺栓连接钢-混凝土组合结构，由于适用于单螺栓的预留孔道较小，且存在制作误差，容易导致组合结构现场安装困难、精度要求高的问题。因而，采用预留槽的方式替换预留孔，通过模块化的螺栓群连接，有效降低螺栓孔对接施工精度要求。

另一方面，钢材在海洋湿热环境下，容易造成锈蚀和性能退化。作为新兴建筑材料，纤维增强复合材料(Fibre-reinforcedpolymer，简称FRP)具有耐腐蚀性强、轻质高强、可设计性优等材性优势。因此，将具有优越力学性能性的FRP材料代替钢材运用于沿海/海洋基础设施的建设，不仅可以提升结构的耐久性，还可以与丰富的海水海砂资源结合利用，提高经济效益。而且在预制FRP梁与混凝土板组合结构中，螺栓剪力件的使用很好地解决了在FRP梁上无法焊接的问题。

高抗拉强度的FRP材料组合超高性能混凝土(Ultra-highperformance concrete，简称UHPC)，能有效提高材料利用效率，发展成高性能组合结构。UHPC是一种具有耐久性好、抗压、拉强度及弹性模量高等特点的工程材料。UHPC的出现能使构件很大程度地轻量化以便于运输安装，且使得土木工程应对各种严苛环境的新型结构得以实现。

因此，探索和研究一种抗腐耐用、施工便利且能有效发挥FRP-UHPC材料优势的预制组合结构，具有显著的工程价值和研究意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种集簇式连接的装配式FRP-UHPC组合结构及施工方法，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：本发明提供一种集簇式连接的装配式FRP-UHPC组合结构及施工方法，包括UHPC预制板，所述UHPC预制板上等间距开设有若干剪力槽，所述UHPC预制板底部通过增强粘结防护器安装有FRP梁，所述FRP梁顶面等间距安装有若干集簇式连接组件，所述集簇式连接组件与所述增强粘结防护器相适配，所述连接组件位于所述剪力槽内。

优选的，所述集簇式连接组件包括与所述FRP梁顶面可拆卸连接的若干抗剪高强螺栓，所述抗剪高强螺栓位于所述剪力槽内，所述增强粘结防护器套设在所述高强螺栓外侧且底部与所述FRP梁抵接。

优选的，所述剪力槽内固接有FRP筋网，所述FRP筋网位于任意两个所述抗剪高强螺栓之间。

优选的，所述FRP梁为一体式结构，所述FRP梁顶部开设有若干圆孔，所述圆孔与所述抗剪高强螺栓相适配。

优选的，所述抗剪高强螺栓上安装有紧固组件，所述紧固组件位于所述圆孔两侧，所述紧固组件和所述圆孔之间抵接有高强FRP垫片，所述紧固组件包括位于所述圆孔顶部的高强FRP螺母和底部的高强FRP螺纹套筒。

优选的，所述增强粘结防护器内侧为弹性橡胶层，外侧为FRP层。

优选的，所述FRP梁的数量不少于一组。

优选的，所述FRP梁的横截面可根据情况设计为工字形、T字型、Π型、箱型或者梯形。

优选的，一种集簇式连接的装配式FRP-UHPC组合结构的施工方法，包括以下步骤：

S1：将FRP梁放置于对应位置安装固定；

S2：按照设计间距安装抗剪高强螺栓；

S3：将增强粘结防护器安装在抗剪高强螺栓上；

S4：将UHPC预制板通过增强粘结防护器放置于对应位置；

S5：UHPC浇筑剪力槽。

优选的，相邻两组所述FRP梁采用凹凸槽套接灌胶并外粘纵向纤维布的方式进行连接。

本发明公开了以下技术效果：

1.本发明提供的一种集簇式连接的装配式FRP-UHPC组合结构及施工方法，能够充分利用FRP、UHPC和高强螺栓材料的特性及优点，使构件具有较高的安全性、轻量化和经济性的同时，解决了锈蚀的风险，提高了结构的耐久性，用于沿海工程或岛礁工程效果更为突出；

2.与常规预制组合结构相比，本发明通过采用剪力槽替换螺栓孔，由于模块化的螺栓群连接，极大程度降低了装配式建筑对施工精度的要求和极大程度提高了施工效率，有利于推广装配式建筑的使用；

3.与常规预制组合结构相比，本发明通过在高强螺栓外设置增强粘结防护器，减少吊车施工过程中的安全隐患，也能起到保护连接组件在吊装过程中不被磕碰的作用；同时保护钢材螺栓的海洋环境腐蚀，且增强FRP与UHPC界面粘结性能，增强组合结构协同工作，提高力学性能；

4.与常规预制组合结构相比，本发明通过采用连接组件，当UHPC预制板或FRP梁受损破坏时，可通过拆除板间湿接缝处混凝土FRP梁上的安装螺母实现构件分离和可更换破坏的部分，实现构件节能再利用，极大程度降低了维护成本，能够促进装配式建筑的推广应用。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的横向剖面图；

图3为本发明的纵向剖面图；

图4为本发明FRP梁的结构示意图；

图5为本发明抗剪高强螺栓的结构示意图；

图6为本发明UHPC预制板的结构示意图；

图7为本发明增强粘结防护器的结构示意图；

图8为本发明增强粘结防护器的剖面图；

图9为本发明FRP梁和UHPC预制板的装配图；

图10为本发明FRP梁凸侧连接的结构示意图；

图11为本发明FRP梁凹侧连接的结构示意图；

图12为本发明FRP梁凸侧连接的主视图；

图13为本发明FRP梁凹侧连接的主视图；

图14为本发明实施例二的结构示意图；

图15为本发明实施例二纵肋板的结构示意图；

图16为本发明实施例三的结构示意图；

图17为本发明实施例三FRP箱梁的结构示意图；

图中：1、FRP梁；2、UHPC预制板；3、抗剪高强螺栓；4、增强粘结防护器；4-1、弹性橡胶层；4-2、FRP层；5、剪力槽；6、FRP筋网。

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。

实施例1

参照图1-6所示，本实施例提供一种集簇式连接的装配式FRP-UHPC组合结构及施工方法，包括UHPC预制板2，UHPC预制板2上等间距开设有若干剪力槽5，UHPC预制板2底部通过增强粘结防护器4安装有FRP梁1，FRP梁1顶面等间距安装有若干集簇式连接组件，集簇式连接组件与增强粘结防护器4相适配，连接组件位于剪力槽5内。

FRP梁1与UHPC预制板2通过增强粘结防护器4进行定位装配，并且FRP梁1为纤维方向为纵向的拉挤成型材料，且表面设有防腐涂料，具有很好的拉伸性能和耐腐蚀性能，可用于海洋工程中；UHPC预制板2包括全厚预制部分和剪力槽5，全厚预制部分由工厂加工，内设FRP网，剪力槽5位于UHPC预制板2与FRP梁1剪力连接件处，剪力槽5在现场FRP梁1、UHPC预制板2装配安装后浇筑UHPC，UHPC采用海水海砂和聚丙烯纤维组成。本发明通过连接组件和剪力槽5相结合，降低了传统高强螺栓施工过程中施工精度过高的问题，减少结构自重方便吊装的同时充分发挥出UHPC和FRP的材料优势；受压区材料使用UHPC，增强了抗压能力，受拉区使用拉挤成型的FRP梁1，发挥了FRP拉伸性能，提高了该组合结构的使用寿命。

与常规预制组合结构相比，本发明通过采用连接组件、剪力槽5和增强粘结防护器4极大程度降低了装配式建筑对施工精度的要求和极大程度提高了施工效率，减少吊车施工过程中的安全隐患，也能起到保护连接组件在吊装过程中不被磕碰的作用，增强组分材料界面性能，提高结构的安全性；通过采用连接组件和剪力槽5作为剪力连接件，当UHPC预制板2或FRP梁1受损破坏时，可更换破坏的部分，极大程度降低了维护成本，能够促进装配式建筑的推广应用。

进一步优化方案，集簇式连接组件包括与FRP梁1顶面可拆卸连接的若干抗剪高强螺栓3，抗剪高强螺栓3位于剪力槽5内，增强粘结防护器4套设在高强螺栓3外侧且底部与FRP梁1抵接。抗剪高强螺栓3均采用8.8级及以上的高强螺栓，且暴露在空气中的表面采用FRP垫片紧固的FRP螺纹套筒防护，使其具有良好的耐腐蚀性能，即使在海洋工程中也可应用。

进一步优化方案，剪力槽5内固接有FRP筋网6，FRP筋网6位于任意两个抗剪高强螺栓3之间。UHPC预制板2的制备方法为：先将FRP筋网6绑扎固定，FRP筋网6根据不同位置的受力特点布置相应的钢筋网，然后将FRP筋网6放置于浇筑模板内浇筑UHPC，剪力槽5内开设有通孔，钢筋穿过通孔且避开抗剪高强螺栓3的位置，待UHPC凝结硬化后拆模。

进一步优化方案，FRP梁1为一体式结构，FRP梁1顶部开设有若干圆孔，圆孔与抗剪高强螺栓3相适配。FRP梁1伸入圆孔内进行固定，便于和UHPC预制板2的组装以及后续的浇筑工作。

进一步优化方案，抗剪高强螺栓3上安装有紧固组件，紧固组件位于圆孔两侧，紧固组件和圆孔之间抵接有高强FRP垫片，紧固组件包括位于圆孔顶部的高强FRP螺母和底部的高强FRP螺纹套筒。通过高强FRP螺母对抗剪高强螺栓3在圆孔处进行固定，并且与高强FRP螺母配套使用的是高强FRP垫片，防止使用过程中发生松动。

进一步优化方案，增强粘结防护器4内侧为弹性橡胶层4-1，外侧为FRP层4-2。暴露于空气一侧为全FRP层4-2，FRP层4-2侧壁表面带喷砂增强粘结处理。

进一步优化方案，FRP梁1的数量不少于一组。可根据实际情况设置FRP梁1的组数，便于后续的安装。

进一步优化方案，FRP梁1的横截面可根据情况设计为工字形、T字型、Π型、箱型或者梯形。

如图7-9所示，一种集簇式连接的装配式FRP-UHPC组合结构的施工方法，包括以下步骤：

S1：通过吊车将FRP梁1构件放置于对应位置上，然后进行安装固定；

S2：按照要求安装抗剪高强螺栓3，并保证FRP梁1的两侧都配有对应强度的高强FRP螺母和高强FRP垫片；

S3：将增强粘结防护器4安装在抗剪高强螺栓3上，并在FRP梁1和UHPC预制板2的接触面以及抗剪高强螺栓3暴露在空气中的表面涂上防腐涂料；

S4：通过吊车将UHPC预制板2构件吊起，并通过增强粘结防护器4将其放置于对应位置；

S5：在剪力槽5处和预制板节点处浇筑UHPC，直至封顶。

如图10-13所示，相邻两组FRP梁1采用凹凸槽套接灌胶并外粘纵向纤维布的方式进行连接。凹凸槽连接的方式可以保证连接长度，并且便于安装。

实施例2

参照图14-15所示，本实施例的集簇式连接的装配式FRP-UHPC组合结构及施工方法与实施例1的区别仅在于，本实施例中使用纵肋板代替FRP梁1。

本实施例中采用纵肋板代替FRP梁1，提高了组合结构的稳定性，但这种结构仅适用于单向板结构。

实施例3

参照图16-17所示，本实施例的集簇式连接的装配式FRP-UHPC组合结构及施工方法与实施例1的区别仅在于，本实施例中使用梯形截面的FRP箱梁。

本实施例中使用梯形截面的FRP箱梁，其中箱梁仅需要纵向预应力，在箱梁内部设有加劲肋，延缓竖向和斜裂缝的发展，极大程度提高组合结构的抗剪性能；为结构失效提供了安全预警，在降低自重的同时增加结构稳定性。

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 (10)

1.一种集簇式连接的装配式FRP-UHPC组合结构，其特征在于：包括UHPC预制板(2)，所述UHPC预制板(2)上等间距开设有若干剪力槽(5)，所述UHPC预制板(2)底部通过增强粘结防护器(4)安装有FRP梁(1)，所述FRP梁(1)顶面等间距安装有若干集簇式连接组件，所述集簇式连接组件与所述增强粘结防护器(4)相适配，所述连接组件位于所述剪力槽(5)内。

2.根据权利要求1所述的集簇式连接的装配式FRP-UHPC组合结构，其特征在于：所述集簇式连接组件包括与所述FRP梁(1)顶面可拆卸连接的若干抗剪高强螺栓(3)，所述抗剪高强螺栓(3)位于所述剪力槽(5)内，所述增强粘结防护器(4)套设在所述高强螺栓(3)外侧且底部与所述FRP梁(1)抵接。

3.根据权利要求2所述的集簇式连接的装配式FRP-UHPC组合结构，其特征在于：所述剪力槽(5)内固接有FRP筋网(6)，所述FRP筋网(6)位于任意两个所述抗剪高强螺栓(3)之间。

4.根据权利要求2所述的集簇式连接的装配式FRP-UHPC组合结构，其特征在于：所述FRP梁(1)为一体式结构，所述FRP梁(1)顶部开设有若干圆孔，所述圆孔与所述抗剪高强螺栓(3)相适配。

5.根据权利要求4所述的集簇式连接的装配式FRP-UHPC组合结构，其特征在于：所述抗剪高强螺栓(3)上安装有紧固组件，所述紧固组件位于所述圆孔两侧，所述紧固组件和所述圆孔之间抵接有高强FRP垫片，所述紧固组件包括位于所述圆孔顶部的高强FRP螺母和底部的高强FRP螺纹套筒。

6.根据权利要求1所述的集簇式连接的装配式FRP-UHPC组合结构，其特征在于：所述增强粘结防护器(4)内侧为弹性橡胶层(4-1)，外侧为FRP层(4-2)。

7.根据权利要求1所述的集簇式连接的装配式FRP-UHPC组合结构，其特征在于：所述FRP梁(1)的数量不少于一组。

8.根据权利要求1所述的集簇式连接的装配式FRP-UHPC组合结构，其特征在于：所述FRP梁(1)的横截面可根据情况设计为工字形、T字型、Π型、箱型或者梯形。

9.一种集簇式连接的装配式FRP-UHPC组合结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将FRP梁(1)放置于对应位置安装固定；

S2：按照设计间距安装抗剪高强螺栓(3)；

S3：将增强粘结防护器(4)安装在抗剪高强螺栓(3)上；

S4：将UHPC预制板(2)通过增强粘结防护器(4)放置于对应位置；

S5：UHPC浇筑剪力槽。

10.根据权利要求9所述的集簇式连接的装配式FRP-UHPC组合结构的施工方法，其特征在于：相邻两组所述FRP梁(1)采用凹凸槽套接灌胶并外粘纵向纤维布的方式进行连接。

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