CN1936206A - 钢-连续纤维复合筋增强混凝土抗震结构 - Google Patents

钢-连续纤维复合筋增强混凝土抗震结构 Download PDF

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CN1936206A CN 200610097218 CN200610097218A CN1936206A CN 1936206 A CN1936206 A CN 1936206A CN 200610097218 CN200610097218 CN 200610097218 CN 200610097218 A CN200610097218 A CN 200610097218A CN 1936206 A CN1936206 A CN 1936206A
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钢-连续纤维复合筋增强混凝土抗震结构是一种钢-连续纤维复合筋及其增强混凝土抗震结构在土建、交通工程中的应用,在各类混凝土结构中采用钢-连续纤维复合筋(3)与普通钢筋(4)作为主筋混合使用,钢-连续纤维复合筋采用混杂FRP(1)外包覆层包覆在钢筋内芯(2)外复合而成,钢-连续纤维复合筋混凝土抗震结构的柱、节点、框架由混凝土结构的柱、节点、框架主体、钢-连续纤维复合筋和箍筋(5)组成;钢-连续纤维复合筋位于现浇混凝土结构保护层内,箍筋沿环向四周包围钢-连续纤维复合筋,两者之间通过绑扎或焊接的方法形成骨架;钢-连续纤维复合筋预制完成后,然后对钢-连续纤维复合筋的混杂FRP外包覆层的外表面进行粘结控制处理,最后浇筑在混凝土结构主体内。

Description

钢-连续纤维复合筋增强混凝土抗震结构
技术领域
本发明是一种钢-连续纤维复合筋(SFCB)及其增强混凝土抗震结构在土建、交通工程中的应用,属于新材料结构的技术领域。
背景技术
目前,我国现行抗震规范采用“三水准设防、两阶段设计”方法。三水准中,“小震不坏”和“大震不倒”具有量化的参数,便于在实际设计中应用。但对于“中震可修”,规范只是给出了定性描述,对其也只是通过构造措施来保证,故很难在实际设计中得到体现,也就不能真正实现“中震可修”。其次,随着材料和地震工程技术的发展,重要结构从“大震不倒”到“大震可修”设防思想的转变也将成为国际上结构抗震研究的新领域。
传统钢筋混凝土结构中,结构屈服以后变形增加急剧,而承载力提高有限,故其二次刚度接近于零,该阶段结构损伤快,残余塑性变形大,震后修复困难,较难实现“中震可修”的设防水准。而现在,结构的可修复性越来越受到重视,日本建筑学会提出结构的可修复性应该在设计阶段就加以考虑,最近,日本家村浩和等学者提出了结构“二次刚度”的概念,并基于此,开发了新生代高性能混凝土桥墩,使其在中震作用下有高的刚度,好的恢复性能,小的残余变形。可见,使混凝土结构具有良好二次刚度的研究将成为今后国际工程抗震领域一个新的发展方向。
FRP筋代替钢筋可延长混凝土结构的使用寿命,但使用阶段性能差,相同荷载下的挠度和裂缝宽度有时是RC梁的3倍以上,对FRP施加预应力后增强混凝土结构,可以提高其使用阶段性能和极限承载力,但延性却大大降低了。70年代林毅首先发现了混杂纤维复合材料所特有的混杂效应现象,之后,各国学者进行了大量研究。混杂的概念在结构工程中也得到了应用。吴智深等人较早地进行了混杂FRP(Fibre-reinforced polymer纤维增强复合物)增强混凝土结构的研究,并提出了从材料到结构实现二次刚度设计的可能性和必要性,国内,熊光晶、方志等人也作了这方面的研究。但由于现在可供混杂用的各种FRP性能较为接近,要得到好的效果,对混杂设计等要求很高,故有时效果也不理想。
为此,郑百林等人首先提出了GFRP包覆筋的概念,内芯由钢等高延性的材料组成,外层由围绕芯柱缠绕的连续纤维和树脂包裹而成,优点有:(1)是钢和FRP二者性能的优化,弹模、抗拉强度和极限应变等性能都更理想,且具有可设计和可控制性;(2)外侧纤维和树脂对内芯的钢筋可以起防锈蚀作用;(3)和钢筋相比,自重大为减轻,和FRP比,延性大大提高,且成本要低得多;(4)工艺简单。郑百林等人对其性能从微观力学上进行了试验和理论分析,但研究还刚起步,局限在材料层面以及钢与GFRP的复合上。
一般情况下,保证钢筋与混凝土良好粘结是必要的,但某些情况下,可通过合理地弱化钢与混凝土粘结性能来提高结构的延性,如Pandey等人提出可通过控制粘结来改善和提高混凝土桥墩抗震性能的观点,并进行了试验验证。
发明内容
技术问题:本发明的目的是提供一种钢-连续纤维复合筋增强混凝土抗震结构,该结构具有稳定可靠的二次刚度,可恢复性能好,震后易修复,能实现对损伤破坏的控制以及对“中震可修”设防水准的定量描述。该结构可用于混凝土柱、节点及框架等各类结构中。
技术方案:本发明解决其技术问题所采用的技术方案主要包括以下三部分的内容:1.)钢-连续纤维复合筋(SFCB)的制作;2.)具有稳定二次刚度的损伤可控型钢-连续纤维复合筋混凝土抗震结构的提出;3.)利用控制SFCB粘结强弱来改善结构抗震性能。
本发明的钢-连续纤维复合筋增强混凝土抗震结构在各类混凝土柱、节点以及框架中采用钢-连续纤维复合筋与普通钢筋作为主筋混合使用,并匀称布置;其中,钢-连续纤维复合筋采用混杂FRP外包履层包覆在钢筋内芯外复合而成,钢-连续纤维复合筋预制完成后,对钢-连续纤维复合筋的混杂FRP外包覆层的外表面进行粘结控制处理,钢-连续纤维复合筋混凝土抗震结构的柱、节点、框架由混凝土结构的柱、节点、框架主体、钢-连续纤维复合筋和箍筋组成;钢-连续纤维复合筋位于现浇混凝土结构保护层内,箍筋沿环向四周包围钢-连续纤维复合筋,两者之间通过绑扎或焊接的方法形成骨架,最后浇筑在混凝土结构主体内。在钢-连续纤维复合筋中,FRP外包覆层和钢筋内芯复合的结构形式分为直线型包裹和螺旋缠绕型包裹两种;直线型包裹即FRP沿钢筋纵向铺设,使FRP纤维走向与钢筋轴线方向一致;螺旋型缠绕一般采用±45°双向编织或缠绕,即FRP纤维走向与钢筋轴线方向成±45°。混杂的FRP外包覆层由高弹性模量的FRP和高延性的FRP混杂而成。用FRP外包覆层对钢筋内芯进行缠绕编织进行包覆,制成钢-连续纤维复合筋,在某些点处多次反复缠绕形成FRP包覆层的隆起,则此处的FRP隆起为钢-连续纤维复合筋现浇于混凝土内部后的锚固点。在钢-连续纤维复合筋的混杂FRP外包覆层外表面设有一层树脂,在树脂上附着一层矿物砂,形成外表面为矿物砂所覆盖的、具有较粗糙表面的钢-连续纤维复合筋。
1.钢-连续纤维复合筋(SFCB)
钢-连续纤维复合筋(SFCB)由混杂FRP外包覆层和钢筋内芯组成。在钢-连续纤维复合筋中,混杂FRP外包覆层和钢筋内芯复合的结构形式可以分为两种:直线型包裹和螺旋缠绕型包裹。直线型包裹即FRP沿钢筋纵向铺设,使FRP纤维走向与钢筋轴线方向一致。螺旋型缠绕一般采用±45°双向编织或缠绕,即FRP纤维走向与钢筋轴线方向成±45°。
采用线弹性的FRP(其应力-应变关系曲线为线性,如图4所示)和弹塑性的钢筋(其应力-应变关系曲线呈二折线型,如图5所示)进行理想的复合后的SFCB具有以下优点:(1)初始阶段钢筋内芯的作用将保证其具有较高的弹性模量;(2)钢筋屈服后,FRP外包覆层继续发挥作用,该阶段SFCB的应力-应变关系具有明显的刚度;(3)FRP外包覆层纤维断裂后,钢筋内芯继续发挥作用,甚至能进入强化段,可保证复合筋有良好的延性。综合而言,SFCB的应力-应变关系将呈现出良好的双线性或者三曲性(如图6所示)。
SFCB的制作步骤如下:(i)打磨钢筋内芯,使其具有微小环向划痕(如图3所示),以增强芯材与周围缠绕材料的结合强度。(ii)用环氧树脂均匀涂刷于FRP。(iii)采用直线型缠绕时,将经环氧树脂充分浸渍的FRP沿钢筋内芯环向铺设,使FRP纤维走向与钢筋内芯轴线方向一致,如图1,2所示;采用螺旋缠绕型包裹时,将经环氧树脂充分浸渍的FRP用缠绕机按±45°缠绕在钢筋内芯上,如图3所示,缠绕时需施加一定的预拉力。
为进一步提高SFCB筋的性能,也可以在钢筋外侧的FRP包覆层中采用混杂。SFCB的材料混杂是利用具有一定强度以上的高弹性模量纤维(如碳纤维等)和高延性纤维(如玻璃纤维、玄武岩纤维等)的混合使用实现的。高弹性模量纤维的混杂保证SFCB具有足够的刚度,同时,高延性纤维的混杂是保证高强度纤维断裂后能量逐步释放,并通过高延性纤维传递到钢筋中。高弹性模量纤维和高延性纤维的比例可基于SFCB结构性能需求来进行设计,因为实际结构受力状况不同(弯、剪、扭等),性能目标不同(承载力、刚度、延性等),使用环境不同(高温、潮湿、火灾等),作用形式不同(疲劳荷载、静力荷载、地震作用),这些对SFCB的要求也不同,故具体的混杂比例应基于混合法则来进行选择。
混合法则:(1)初始阶段由于钢筋内芯的作用,SFCB筋具有较高的弹性模量;(2)钢筋屈服后,FRP外包覆层的高弹性模量纤维和高延性纤维继续发挥作用,该阶段SFCB筋的应力-应变关系具有明显的刚度;(3)FRP外包覆层的高弹性模量纤维断裂后,高强度纤维断裂后的能量逐步释放,并通过高延性纤维传递到钢筋中,高延性纤维和钢筋内芯继续发挥作用,其中钢筋进入强化段。为保证高强度纤维断裂后的能量能较稳定得释放到高延性纤维和钢筋中,避免由于释放的能量过快而导致高延性纤维和钢筋的立即断裂,可通过计算合理选取高弹性模量纤维和高延性纤维的用量和比例,这也就是纤维混杂的混合法则。
同时,以下几点能进一步保证复合的效果:(1)现有的可供选择的纤维材料众多,包括常见的碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维外,还有国内最近发展成熟的玄武岩纤维以及日本最近开发出的PBO纤维、Dyneema纤维。另外,可供选择的树脂也很多。(2)钢筋屈服平台的长短可以根据需要通过合理工艺来控制。巧妙合理的复合能利用钢筋内芯后期强化段来提高结构的性能。
2.钢-连续纤维复合筋(SFCB)增强混凝土抗震结构
钢-连续纤维复合筋(SFCB)在初期具有较高的弹性模量,钢筋屈服后,外侧单一或混杂纤维能继续线弹性地发挥作用,故SFCB具有良好稳定的二次刚度,而且其弹模、二次刚度、最大应力和极限应变都可以通过合理的设计进行控制。本发明中的损伤可控型钢-连续纤维复合筋(SFCB)增强混凝土抗震结构正是基于上述基本原理,该结构具有稳定的二次刚度,其优点有:(1)SFCB应力-应变关系是双曲线或三曲线的,从材性上根本保证了结构具有二次刚度,可达到“损伤可控”和“中震可修”的目标;(2)SFCB与混凝土的粘结强弱是可以控制的,且工艺简单,可利用此来提高结构抗震性能;(3)能在梁、柱、节点以及各种结构体系中得到应用;(4)施工简单,成本较低。
本发明钢-连续纤维复合筋(SFCB)增强混凝土抗震结构的思想运用于可用于各类混凝土柱、节点及框架等各类结构中,具有稳定可靠的二次刚度,可恢复性能好,震后易修复,能实现对损伤破坏的控制以及对“中震可修”设防水准的定量描述。
2.1钢-连续纤维复合筋混凝土柱
钢-连续纤维复合筋混凝土柱由混凝土柱主体、钢-连续纤维复合筋和箍筋组成。钢-连续纤维复合筋位于现浇混凝土柱柱身保护层内,箍筋沿环向四周包围钢-连续纤维复合筋,两者之间通过绑扎的方法形成骨架;钢-连续纤维复合筋预制完成后,然后对钢-连续纤维复合筋的混杂FRP1外包覆层的外表面进行粘结控制处理,最后浇筑在混凝土柱主体内,同时,可以根据不同的需要变换SFCB筋与砼的粘结方式控制其粘结强弱。
2.2钢-连续纤维复合筋混凝土节点
钢-连续纤维复合筋混凝土节点由混凝土节点主体、钢-连续纤维复合筋和箍筋组成。钢-连续纤维复合筋位于现浇混凝土柱柱身保护层内,箍筋沿环向四周包围钢-连续纤维复合筋,两者之间通过绑扎或焊接的方法形成骨架;钢-连续纤维复合筋预制完成后,然后对钢-连续纤维复合筋的混杂FRP1外包覆层的外表面进行粘结控制处理,最后浇筑在混凝土节点主体内。同样,结构内部SFCB与混凝土接触面的界面结合形式可以是无粘结或有粘结,也可以通过不同的粘结控制方法来控制界面粘结的强弱程度。在钢-连续纤维复合筋混凝土节点中,梁上SFCB主筋贯通梁柱相交处。
2.3钢-连续纤维混凝土框架
钢-连续纤维混凝土框架的构造设计如图13所示,由混凝土柱主体、钢-连续纤维复合筋和箍筋组成。钢-连续纤维混凝土框架的柱子、节点的构造分别与钢-连续纤维混凝土框架柱、钢-连续纤维混凝土节点的构造相似。
3.FRP筋与普通钢筋的混合使用
由于FRP为高强度的线弹性材料,而钢材为弹塑性材料,两者混合使用能使结构的延性得到提高。同钢-连续纤维复合筋(SFCB)增强混凝土抗震结构一样,FRP与普通钢筋的混合使用的思想可运用于各类混凝土柱、节点及框架等各类结构中。
以增强混凝土柱为例,如图7所示,图9示出FRP筋与普通钢筋的混合使用的增强混凝土柱截面A-A-2截面配筋图,图8示出纯SFCB增强混凝土柱截面A-A-1截面配筋图。FRP与普通钢筋的混合使用方法和原则是,在增强混凝土抗震结构中同时采用FRP和普通钢筋两种筋材,并进行合理设计和布置,以达到两者混合使用提高结构的延性的目的。
4.SFCB与混凝土粘结性能的控制
对于钢-连续纤维复合筋(SFCB)增强混凝土抗震结构,其构造中的SFCB与混凝土接触面的界面结合形式可以是无粘结或有粘结,也可以通过不同的粘结形式来控制界面粘结的强弱程度。
SFCB与混凝土的界面粘结方法主要有以下几种:自然粘结方法;;湿粘法;喷砂法以及间隔锚固法以及以上方式的综合应用。
自然粘结法。SFCB与混凝土接触面的自然粘结类似于钢筋与混凝土接触面的粘结,即对SFCB的混杂FRP外包覆层外表面不做特别的处理,现浇混凝土时SFCB与混凝土直接接触,即形成自然粘结。自然粘结的粘结力由三部分组成:(i)SFCB与混凝土接触面上的化学胶着力。化学胶着力是混凝土中水泥凝胶体与SFCB的混杂FRP外包覆层外表面产生的吸附胶着作用。(ii)SFCB与混凝土之间的摩擦力。摩擦力是由于混凝土硬化时的收缩对SFCB产生的握裹挤压作用产生的,挤压力越大,接触面上的粗糙程度越大,摩擦力也越大。(iii)SFCB与混凝土的机械咬合力。机械咬合力对SFCB筋,主要是由于表面凹凸不平产生的。
湿粘法。通过湿法粘结实现SFCB与现浇混凝土接触面的界面粘结。湿树脂法即为其中一种湿法粘结方法,施工时先绑扎SFCB至设计的位置成型,然后在FRP外包覆层的外表面刷上一层现场预拌的湿树脂,最后,现场浇入预定配合比的混凝土,混凝土成型后,即为湿树脂法实现的SFCB与现浇混凝土接触面的界面粘结。
喷砂法。一般地,喷砂清理是用由清洁压缩空气推动作高速运动的精细磨料冲击构件表面而对其进行表面处理。如图16所示,在本发明的对SFCB与混凝土接触面的粘结性能控制处理中,喷砂法的具体实施方法如下:在SFCB的混杂FRP外包覆层外表面直接刷上一层现场预拌的湿树脂后,向FRP外包覆层均匀喷洒矿物砂,直至其外表面为矿物砂所均匀附着。待湿树脂自然干结后,则形成外表面为矿物砂所覆盖的,具有较粗糙表面的SFCB筋,然后再用此制作构件。
间隔锚固法。如图17所示,在制作SFCB的过程中,用FRP对钢筋内芯进行缠绕编织时,在某些位置处多次反复缠绕形成FRP包覆层的隆起,则此处的FRP隆起视为SFCB现浇于混凝土后的局部锚固点。该局部锚固点将整长的SFCB划分成几个区间,当SFCB在某区间粘结破坏时,其余区间内SFCB与混凝土仍能良好粘结,从而提高了结构性能。
SFCB与混凝土的粘结性能除了在材料加工过程中进行控制外,还可以使SFCB-混凝土粘结强度接近钢筋-混凝土粘结强度,也可以比钢筋-混凝土差很多,而且控制工艺简单。另外,在构件制作过程中也可采用相应的措施来控制。如图18(a)采用的是全区间无粘结方式;18(b)采用的是全区间有粘结方式;18(c)是塑性饺区无粘结,其余区间有粘结,18(d)采用的是间隔锚固有粘结方式。不同的粘结方式可收到不同的抗震性能指标。
有了钢-连续纤维复合材料(SFCB)以及SFCb与混凝土粘结性能的控制方法,我们就能制作具有稳定二次刚度的损伤可控型SFCB增强混凝土抗震结构。以SFCB增强混凝土柱为例,其在地震作用下的荷载位移曲线如图13所示。
在钢筋屈服以前为“小震不坏”阶段,在钢筋屈服后,SFCB增强混凝土柱的荷载-位移曲线与普通钢筋混凝土柱不同,对普通钢筋混凝土柱,该阶段的结构几乎没有刚度,在曲线上表现出一条平直的直线,而SFCB增强混凝土柱,在钢筋屈服后仍然有较好的刚度,在曲线上表现出一条斜线。定义钢筋屈服后和FRP断裂前的阶段为“中震可修”阶段,而FRP断裂后,钢筋继续发挥作用的阶段定义为“大震不倒”阶段,从而实现了对SFCB增强混凝土结构“中震可修”的定量描述,进而对具有二次刚度特征的结构建立起相应的抗震设计理论,并将现有的设计思想由“三阶段设防,两阶段设计”合理地拓展为“三阶段设防,三阶段设计”。
由于SFCB应力-应变关系是双曲线或三曲线的,从材料上根本保证了结构具有稳定的二次刚度,可达到“损伤可控”和“中震可修”的目标,并带来设计方法由“三水准设防,两阶段设计”拓展为更加合理的“三水准设防,三阶段设计”。SFCB与混凝土的粘结强弱是可以控制的,且工艺简单,可利用此来提高结构抗震性能。SFCB增强混凝土结构不仅可以得到更优的抗震性能,而且可以减少结构的尺寸,带来良好的经济效益。SFCB增强混凝土结构能够在梁、柱、节点以及框架等各种体系中得到应用,而且施工简单,成本较低。
有益效果:损伤破坏可控型钢-连续纤维复合筋(SFCB)增强混凝土抗震新结构,该结构具有稳定的二次刚度,其优点有:
(1)SFCB应力-应变关系是双曲线或三曲线的,从材料上根本保证了结构具有稳定的二次刚度,可达到“损伤可控”和“中震可修”的目标,并带来设计方法由“三水准设防,两阶段设计”拓展为更加合理的“三水准设防,三阶段设计”,如图19所示。
(2)SFCB与混凝土的粘结强弱是可以控制的,且工艺简单,可利用此来提高结构抗震性能。以SFCB增强混凝土柱为例,如图14所示,图14示出无粘结、普通粘结、间隔锚固三种不同的粘结方式以及对应的荷载位移曲线。对无粘结方式,其初始刚度、屈服承载力及最大承载力小,但其延性最好;对间隔锚固粘结,其初始刚度、屈服承载力、最大承载力最大,但延性相对较差;而对普通粘结法,初始刚度、屈服承载力、最大承载力和延性都中等。
(3)SFCB增强混凝土结构不仅可以得到更优的抗震性能,而且可以减少结构的尺寸,带来良好的经济效益。以混凝土柱为例,如图15所示。图a对应的是小截面尺寸钢筋混凝土柱截面及对应的荷载-位移曲线。现要提高其承载力等抗震性能,必须增大截面尺寸和配筋,如图c所示。但这样处理后,结构的承载力得到了明显的提高,但钢筋屈服后,其刚度仍然是零,即没有二次刚度,也就是这一阶段的损伤破坏不可控,结构地震后很难确定,而用SFCB增强结构(b),虽然截面尺寸小,介于(a)和(c)之间,但由于其使用了SFCB材料,在钢筋屈服时,结构承载力小,但钢筋屈服后,结构仍然具有较好的二次刚度,也就是荷载仍能继续增加,甚至能超过大截面尺寸的普通钢筋混凝土柱(c)。而且,钢筋屈服后有良好的二次刚度,能做到“损伤可控”以及“中震可修”,能得到更好的抗震性能。
(4)能在梁、柱、节点以及框架等各种体系中得到应用。图22列出只在柱中使用SFCB材料的框架和梁、柱中均使用SFCB材料的框架在水平荷载作用下的荷载-位移曲线。可见,在梁、柱中均使用SFCB表现出更好的抗震性能。这也使在其他各种结构体系中合理应用SFCB并获得更优的抗震性能提供了思路。
(5)施工简单,成本较低。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的直线型包裹FRP的SFCB的剖面示意图。
图2是本发明的直线型包裹FRP的SFCB的断面示意图。
图3是本发明的±45°角缠绕纤维的SFCB的制作及成型过程示意图。
图4是本发明的SFCB的应力-应变理想曲线图。
图5是本发明的钢筋的应力-应变理想曲线图。
图6是本发明的SFCB的应力-应变理想曲线图。
图7是本发明的钢-连续纤维复合筋混凝土柱的构造图。
图8是本发明的钢-连续纤维复合筋混凝土柱的截面配筋图。
图9是本发明的混杂配筋的混凝土柱的截面配筋图。
图10是本发明的钢-连续纤维复合筋混凝土节点的构造图。
图11是本发明的钢-连续纤维复合筋混凝土节点的截面配筋图。
图12是本发明的混杂配筋的混凝土节点的截面配筋图。
图13是本发明的钢-连续纤维复合筋混凝土框架的构造图。
图14是本发明的钢-连续纤维复合筋混凝土框架的截面配筋图。
图15是本发明的混杂配筋的混凝土框架的截面配筋图。
图16是本发明的喷砂粘结控制方法的施工工艺示意图。
图17是本发明的间隔锚固粘结控制方法的施工工艺示意图。
图18是本发明的使用各种粘结控制方法的钢-连续纤维复合筋混凝土柱的示意图。
图19是本发明SFCB增强混凝土抗震结构的荷载-位移曲线。
图20是本发明的使用各种粘结控制方法的钢-连续纤维复合筋混凝土柱的荷载-位移曲线。
图21是本发明SFCB增强混凝土与普通钢筋混凝土柱的荷载-位移曲线图。
图22是本发明的不同构造的SFCB混凝土框架荷载-位移曲线图。
图中有:FRP(Fibre-reinforced polymer纤维增强复合物)1,钢筋内芯2,钢-连续纤维复合筋3,普通钢筋4,箍筋5,砂6,FRP外包覆层隆起7。
具体实施方式
(1)设计基本原则
以获得具有稳定二次刚和实现中震可修为目的,利用FRP与钢筋复合后得到的SFCB复合筋,并利用其增强混凝土抗震结构,并通过控制其与混凝土的粘结性能来提高抗震性能。
制造SFCB时,基于结构性能需求,运用经典层合理论和混杂理论,变化各种参数(纤维种类、树脂种类、钢筋类型、钢、纤维比例、表面处理、纤维缠绕角度和方式等)复合出不同性能的钢-连续纤维复合筋(SFCB),系统研究归纳其基本力学性能。
同时,通过若干有效控制SFCB与混凝土粘结性能的方法,和SFCB-混凝土粘结机理和荷载-滑移曲线,对相应的结构进行理论分析和设计。
以获得稳定二次刚度、损伤破坏可控为目的,对钢-连续纤维复合筋(SFCB)在柱、节点及框架等抗震结构中进行构造措施和关键技术的设计。
(2)原材料
SFCB的混杂FRP外包覆层的FRP可选择的纤维除碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、PBO纤维、Dyneema纤维、玄武岩纤维等,众多的纤维材料为混杂出高性能SFCB提供了保证。当采用材料混杂的SFCB时,应选择合适的高弹性模量的纤维以保证SFCB具有足够的刚度,如高弹性模量的碳纤维;选择合适的高延性纤维以保证SFCB具有足够的结构韧性。
SFCB混杂FRP外包覆层的基体树脂可选用环氧树脂或不饱和聚酯树脂,建议采用环氧树脂。
(3)制造方法
SFCB的制作步骤如下:(i)打磨钢筋内芯2,使其具有微小环向划痕(如图3所示),以增强芯材与周围缠绕材料的结合强度。(ii)用环氧树脂均匀涂刷于FRP1。(iii)采用直线型缠绕时,将经环氧树脂充分浸渍的FRP1沿钢筋内芯2环向铺设,使FRP1纤维走向与钢筋内芯2轴线方向一致,如图1,2所示;采用螺旋缠绕型包裹时,将经环氧树脂充分浸渍的FRP1用缠绕机按±45°缠绕在钢筋内芯2上,如图3所示,缠绕时需施加一定的预张拉。
采用线弹性的FRP1(如图4所示)和弹塑性的钢筋内芯2(如图5所示)进行复合后,钢-连续纤维复合筋3具有以下优点(如图6所示):(1)初始阶段钢筋内芯2的作用将保证其具有较高的弹性模量;(2)钢筋内芯2屈服后,FRP1外包覆层继续发挥作用,该阶段钢-连续纤维复合筋3的应力-应变关系具有明显的刚度;(3)FRP1外包覆层纤维断裂后,钢筋内芯2继续发挥作用,甚至能进入强化段,可保证复合筋有良好的延性。综合而言,钢-连续纤维复合筋3的应力应变关系将呈现出良好的双线性或者三曲性(如图6所示)。
如图7所示,钢-连续纤维复合筋混凝土柱由混凝土柱主体、钢-连续纤维复合筋3和箍筋5组成。钢-连续纤维复合筋3位于现浇混凝土柱柱身保护层内,箍筋5沿环向四周包围钢-连续纤维复合筋3,两者之间通过绑扎或焊接的方法形成骨架;钢-连续纤维复合筋3预制完成后,然后对钢-连续纤维复合筋3的混杂FRP1外包覆层的外表面进行粘结控制处理,最后浇筑在混凝土柱主体内。
如图7所示,当钢-连续纤维复合筋混凝土柱中采用FRP1和普通钢筋4混合使用时,将原来的纯钢-连续纤维复合筋3的钢-连续纤维复合筋混凝土柱(如图8所示)中的钢-连续纤维复合筋3用FRP1和普通钢筋4混合使用,适当替换即可(如图9所示)。
如10图所示,钢-连续纤维复合筋混凝土节点由混凝土节点主体、钢-连续纤维复合筋3和箍筋5组成。钢-连续纤维复合筋3位于现浇混凝土节点的保护层内,箍筋5沿环向四周包围钢-连续纤维复合筋3,两者之间通过绑扎或焊接的方法形成骨架;钢-连续纤维复合筋3预制完成后,然后对钢-连续纤维复合筋3的混杂FRP1外包覆层的外表面进行粘结控制处理,最后浇筑在混凝土柱主体内。同样,结构内部钢-连续纤维复合筋3与混凝土接触面的界面结合形式可以是无粘结或有粘结,也可以通过不同的粘结控制方法来控制界面粘结的强弱程度。在钢-连续纤维复合筋混凝土节点中,梁上SFCB钢-连续纤维复合筋3贯通梁柱相交处。
如图10所示,当钢-连续纤维复合筋混凝土节点的梁中FRP1和普通钢筋4混合使用时,将原来的纯钢-连续纤维复合筋3的钢-连续纤维复合筋混凝土柱(如图11所示)中的钢-连续纤维复合筋3用FRP1和普通钢筋4混合使用,适当替换即可(如图12所示)。
如图13所示,钢-连续纤维混凝土框架的构造设计由混凝土柱主体、钢-连续纤维复合筋3和箍筋5组成。钢-连续纤维混凝土框架的柱子、节点的构造分别与钢-连续纤维混凝土框架柱、钢-连续纤维混凝土节点的构造相似。FRP1与普通钢筋4混合使用的方法应用于钢-连续纤维复合筋混凝土框架时,其具体实施方法与应用于在钢-连续纤维复合筋混凝土柱和钢-连续纤维复合筋混凝土节点时相似。
由于FRP为高强度的线弹性材料,而钢材为弹塑性材料,两者混合使用能使结构的延性得到提高。同钢-连续纤维复合筋(SFCB)增强混凝土抗震结构一样,FRP1与普通钢筋4的混合使用的思想可运用于各类混凝土柱、节点及框架等各类结构中。
FRP1与普通钢筋4的混合使用方法和原则是,在增强混凝土抗震结构中同时采用FRP1和普通钢筋4两种筋材,并进行合理设计和布置,以达到两者混合使用提高结构的延性的目的。
下面给出几种有效控制SFCB与混凝土接触面的粘结性能的方法。
完全无粘结。如图18-a所示,对全区间的钢-连续纤维复合筋3作无粘结处理,只在两端用锚固装置锚固。
部分无粘结。如图18-c所示,对于SFCB混凝土抗震柱,只在其柱脚处容易出现塑性饺的区间对区间内的SFCB作无粘结处理,其余区间内的SFCB采用有粘结的粘结方式。
自然粘结法。如图18-b所示,SFCB与混凝土接触面的自然粘结类似于钢筋与混凝土接触面的粘结,即对SFCB的混杂FRP外包覆层外表面不做特别的处理,现浇混凝土时SFCB与混凝土直接接触,即形成自然粘结。
湿粘法。通过湿法粘结实现SFCB与现浇混凝土接触面的界面粘结。湿树脂法即为其中一种湿法粘结方法,施工时先绑扎SFCB至设计的位置成型,然后在FRP外包覆层的外表面刷上一层现场预拌的湿树脂,最后,现场浇入预定配合比的混凝土,混凝土成型后,即为湿树脂法实现的SFCB与现浇混凝土接触面的界面粘结。
喷砂法。一般地,喷砂清理是用由清洁压缩空气推动作高速运动的精细磨料冲击构件表面而对其进行表面处理。如图16所示,在本发明的对SFCB与混凝土接触面的粘结性能控制处理中,喷砂法的具体实施方法如下:在SFCB的混杂FRP外包覆层外表面直接刷上一层现场预拌的湿树脂后,向FRP外包覆层均匀喷洒矿物砂,直至其外表面为矿物砂所均匀附着。待湿树脂自然干结后,则形成外表面为矿物砂所覆盖的,具有较粗糙表面的SFCB筋,然后再用此制作构件。
间隔锚固法。如图17所示,在制作SFCB的过程中,用FRP对钢筋内芯进行缠绕编织时,在某些位置处多次反复缠绕形成FRP包覆层的隆起,则此处的FRP隆起视为SFCB现浇于混凝土后的局部锚固点。该局部锚固点将整长的SFCB划分成几个区间,当SFCB在某区间粘结破坏时,其余区间内SFCB与混凝土仍能良好粘结,从而提高了结构性能。
如图18所示,SFCB应力-应变关系是双曲线或三曲线的,从材料上根本保证了结构具有稳定的二次刚度,可达到“损伤可控”和“中震可修”的目标,并带来设计方法由“三水准设防,两阶段设计”拓展为更加合理的“三水准设防,三阶段设计”。SFCB与混凝土的粘结强弱是可以控制的,且工艺简单,可利用此来提高结构抗震性能。以SFCB增强混凝土柱为例,如图19所示,图19示出无粘结、普通粘结、间隔锚固三种不同的粘结方式以及对应的荷载位移曲线。SFCB增强混凝土结构不仅可以得到更优的抗震性能,而且可以减少结构的尺寸,带来良好的经济效益。SFCB增强混凝土结构能够在梁、柱、节点以及框架等各种体系中得到应用。施工简单,成本较低。

Claims (5)

1.一种钢-连续纤维复合筋增强混凝土抗震结构,其特征是在各类混凝土柱、节点以及框架中采用钢-连续纤维复合筋(3)与普通钢筋(4)作为主筋混合使用,并匀称布置;其中,钢-连续纤维复合筋(3)采用混杂FRP(1)外包履层包覆在钢筋内芯(2)外复合而成,钢-连续纤维复合筋(3)预制完成后,对钢-连续纤维复合筋(3)的混杂FRP(1)外包覆层的外表面进行粘结控制处理,钢-连续纤维复合筋混凝土抗震结构的柱、节点、框架由混凝土结构的柱、节点、框架主体、钢-连续纤维复合筋(3)和箍筋(5)组成;钢-连续纤维复合筋(3)位于现浇混凝土结构保护层内,箍筋(5)沿环向四周包围钢-连续纤维复合筋(3),两者之间通过绑扎或焊接的方法形成骨架,最后浇筑在混凝土结构主体内。
2.根据权利要求1所述的钢-连续纤维复合筋增强混凝土抗震结构,其特征是在钢-连续纤维复合筋中(3),FRP(1)外包覆层和钢筋内芯复合的结构形式分为直线型包裹和螺旋缠绕型包裹两种;直线型包裹即FRP沿钢筋纵向铺设,使FRP纤维走向与钢筋轴线方向一致;螺旋型缠绕一般采用±45°双向编织或缠绕,即FRP纤维走向与钢筋轴线方向成±45°。
3.根据权利要求1或2所述的钢-连续纤维复合筋增强混凝土抗震结构,其特征是混杂的FRP(1)外包覆层由高弹性模量的FRP和高延性的FRP混杂而成。
4.根据权利要求1或2所述的钢-连续纤维复合筋增强混凝土抗震结构,其特征是用FRP(1)外包履层对钢筋内芯(2)进行缠绕编织进行包覆,制成钢-连续纤维复合筋(3),在某些点处多次反复缠绕形成FRP包覆层的隆起(7),则此处的FRP隆起(7)为钢-连续纤维复合筋(3)现浇于混凝土内部后的锚固点。
5.根据权利要求4所述的钢-连续纤维复合筋增强混凝土抗震结构,其特征是在钢-连续纤维复合筋(3)的混杂FRP(1)外包覆层外表面设有一层树脂,在树脂上附着一层矿物砂(6),形成外表面为矿物砂(6)所覆盖的、具有较粗糙表面的钢-连续纤维复合筋(3)。
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