CN206408838U - 一种纤维‑竹材复合管混凝土组合柱 - Google Patents

一种纤维‑竹材复合管混凝土组合柱 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种纤维‑竹材复合管混凝土组合柱,其特征在于该结构包括核心混凝土(1)、纤维‑竹材复合管(2),其中,纤维‑竹材复合管(2)由内向外依次由隔离层(21)、竹材增强层(22)、纤维增强层(23)组成,竹材增强层(22)由纵向竹纤维层(221)、横向竹纤维层(222)或二者复合构成,纵向竹纤维层(221)和横向竹纤维层(222)由复合竹材或原竹分层缠绕制作而成,纤维增强层(23)缠绕于竹材增强层(22)的外表面,核心混凝土(1)填充于纤维‑竹材复合管(2)的内部,其为自密实微膨胀混凝土,膨胀率为0.01%~0.04%。本实用新型结构具有承载力高、延性好、耐久性好等优点,充分利用了混凝土、竹材、纤维等多种材料的优势特点,采用的竹材复合材料符合低碳、环保、节能、可持续发展的优势。

Description

一种纤维-竹材复合管混凝土组合柱
技术领域
本实用新型属于土木建筑结构技术领域,具体涉及一种混凝土组合柱,尤其是一种纤维-竹材复合管混凝土组合柱。
背景技术
由于钢筋混凝土结构具有可模型好、耐久性好、造价低等优点,经常作为工程结构中的主要受力构件,对于钢筋混凝土竖向承载构件,如桥塔、桥墩、立柱、桩基础等,其受力性能对保障结构的安全使用及地震等偶然荷载下的屹立不倒具有决定性的作用。普通钢筋混凝土竖向构件的极限破坏常常呈现出不期望的脆性特征,而不同的管约束混凝土竖向结构经常具有施工方便、承载力高、延性好、抗震性能好等优点,常用的管约束混凝土有钢管混凝土结构、FRP管混凝土结构。
以钢管混凝土为例,在钢管中填充混凝土形成钢管混凝土后,其受力性能优于这两种材料性能的简单叠加,随着轴心受压荷载的增大,两者之间产生了渐增的相互作用力,使得核心混凝土处于三向受压状态,延缓了受压时的纵向开裂,从而使钢管混凝土具有很高的承载力,核心混凝土在钢管的约束下,不但在使用阶段改善了它的弹性性质,而且在破坏时具有很大的塑性变形。然而,钢管混凝土结构虽刚度大、承载力高,但在缺少相应防腐措施的情况下,外部钢管极易锈蚀,导致结构承载力下降,使用寿命缩减,养护成本高。目前,已经有研究人员提出纤维增强塑料(FRP)管混凝土结构,由于FRP材料具有很高的抗拉强度,在FRP管中内填混凝土可起到与钢管混凝土同样的效果,尤其是FRP材料具有轻质、耐腐蚀和可设计性强等特性,近些年来在土木工程中得到了越来越多的关注,FRP管混凝土结构的出现为桥墩、桩基、公路高架标识等结构的耐久性问题提出了有效的解决方案,使其在土木工程领域具有广泛的应用前景。然而,普通FRP管采用主要原料为高能耗的纤维,产品及废料不可回收、不环保,消耗着大量的矿产资源,资源不可再生。因此,为满足工程需要,急需发明一种自然、生态、抗腐蚀、承载能力高的混凝土组合柱。
在自然界中,竹材具有优良的力学性能,尤其是抗拉强度可到达140MPa以上,被认为是自然界中效能最高的材料之一,竹子优异的力学性能主要来源于竹纤维,竹纤维天然中空,具有较高的长径比、强重比,同时生长快速,可自然降解,价格低廉。竹材作为结构材料已经在土木工程领域成功应用,如原竹、竹材集成材等,但如果竹材与混凝土等材料组合,可 望发挥出更加突出的效益。
发明内容
本实用新型提供一种纤维-竹材复合管混凝土组合柱,作为传统钢管混凝土结构、FRP管混凝土结构某些应用场合下的替代,克服传统结构的缺陷,满足工程的可持续发展及应用需要。
本实用新型的技术方案为:一种纤维-竹材复合管混凝土组合柱,该结构包括核心混凝土、纤维-竹材复合管,其中,纤维-竹材复合管由内向外依次由隔离层、竹材增强层、纤维增强层组成,竹材增强层由纵向竹纤维层、横向竹纤维层或二者复合构成,纵向竹纤维层和横向竹纤维层由复合竹材或原竹分层缠绕制作而成,其采用的复合竹材或原竹的单层厚度为0.2~2.0mm,宽度为10~150mm,纤维增强层缠绕于竹材增强层的外表面,纤维增强层为竹材提供耐环境侵蚀保护的同时,与竹材增强层共同约束核心混凝土,纤维增强层的环向拉伸断裂应变大于等于横向竹纤维层的环向拉伸断裂应变,纤维增强层在竹材增强层断裂时,为荷载突降起到延缓的作用,隔离层、纵向竹纤维层、横向竹纤维层和纤维增强层相互之间通过胶黏剂粘结,核心混凝土填充于纤维-竹材复合管的内部,其为自密实微膨胀混凝土,膨胀率为0.01%~0.04%。
所述的纵向竹纤维层的竹材纤维方向沿着纤维-竹材复合管的轴线方向,提供纤维-竹材复合管混凝土组合柱的纵向抗弯、抗拉承载力,横向竹纤维层的竹材纤维方向沿着纤维-竹材复合管的环向方向,提供纤维-竹材复合管混凝土组合柱的环向约束力,纵向竹纤维层和横向竹纤维层的缠绕层数不受限制,可分别为0层、1层或1层以上。
所述的胶黏剂为环氧树脂、乙烯基树脂、聚氨酯树脂或环氧砂浆其中的一种。
所述的隔离层为竹纤维毡、玻璃纤维毡、玄武岩纤维毡或竹纤维无纺布其中的一种,为竹材与混凝土界面提供保护,减小竹材增强层的吸水率。
所述的于纤维增强层的纤维增强体为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维或聚酯纤维中的一种或是其中的几种混杂而成。
所述的核心混凝土的内部可根据需要设置纵向钢筋和箍筋。
本实用新型充分利用了我国可持续发展的竹子资源,最大限度地发挥竹材韧性好、纵向拉伸强度高的材性优势,弥补了混凝土结构容易脆性破坏的劣势,制作过程低碳环保,节能减排,极大地拓展了竹产品应用的范围和领域。本发明结构具有承载力高、延性好、耐久性好等优点,同时,结构具有较低的造价,施工可操作性强、耗能低、环境污染小、废弃材料可回收。具体有益效果分析如下:
(1)承载力高。在纤维-竹材复合管中填充混凝土后,纤维-竹材复合管约束了核心混凝土,可延缓其受压时的纵向开裂;而核心混凝土却可以延缓或避免纤维-竹材复合管过早地发生局部屈曲。同时纤维-竹材复合管外壁缠绕的纤维增强层具有很高的抗拉强度,当纤维-竹材复合管受到核心混凝土的径向作用和由于自身的作用而径向产生变形时,纤维增强层可以通过对其环向的约束作用抑制其径向变形,从而达到约束核心混凝土的目的,增加了核心混凝土的抗压强度。三种材料相互弥补了彼此的弱点,充分发挥了各自的长处,从而使一种纤维-竹材复合管混凝土组合柱具有很高的承载能力。
(2)延性好。一种纤维-竹材复合管混凝土组合柱本身具有塑性和延性好的优点,混凝土的脆性相对较大,对于高强度混凝土更是如此。将核心混凝土灌入纤维-竹材复合管中形成一种纤维-竹材复合管混凝土组合柱,核心混凝土在纤维-竹材复合管的约束下,不但在使用阶段改善了它的弹性回复能力,而且在破坏时也增强了其延性变形的能力。此外,这种结构在承受冲击荷载和振动荷载时,同样具有很大的韧性。由于本发明结构具有良好的延性和韧性,因而抗震性能好。
(3)耐久性好。一种纤维-竹材复合管混凝土组合柱有良好的耐腐蚀及耐久性能,可以抗拒建筑物经常遇到的各种酸、碱、盐对结构的腐蚀。使用纤维增强层对结构进行处理后,不需要定期维护,节省了大笔维修费用,而且其本身也可以为竹材增强层、核心混凝土等提供了保护作用。
(4)造价低。充分利用了可持续发展原料——竹子,竹子为环保、低能耗的可再生资源,获得较高性能的同时,具有较低的成本,且对农业资源进行了开发利用,推动了可持续发展。
本实用新型结构,充分利用了混凝土、竹材、纤维等多种材料的优势特点,取得了较好的综合性能。
附图说明:
图1为缠绕一层纵向竹纤维层的一种纤维-竹材复合管混凝土组合柱的横截面示意图;
图2为缠绕一层横向竹纤维层的一种纤维-竹材复合管混凝土组合柱的横截面示意图;
图3为缠绕一层纵向竹纤维层、一层横向竹纤维层的一种纤维-竹材复合管混凝土组合柱的横截面示意图;
图4为核心混凝土内部根据需要设计了纵向钢筋和箍筋的一种纤维-竹材复合管混凝土组合柱的横截面示意图;
在附图1~附图4,1为核心混凝土、2为纤维-竹材复合管、11为纵向钢筋、12为箍筋、 21为隔离层、22为竹材增强层、23为纤维增强层、221为纵向竹纤维层、222为横向竹纤维层。
具体实施方式:
为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解,现对照附图说明本发明的具体实施方式。本发明提供一种纤维-竹材复合管混凝土组合柱,沿纤维-竹材复合管混凝土组合柱内径方向,由内到外依次为核心混凝土1、纤维-竹材复合管2,其中,纤维-竹材复合管2由内向外依次由隔离层21、竹材增强层22、纤维增强层23组成,竹材增强层22由纵向竹纤维层221、横向竹纤维层222或二者复合构成,纵向竹纤维层221和横向竹纤维层222由复合竹材或原竹分层缠绕制作而成,其采用的复合竹材或原竹的单层厚度为0.2~2.0mm,宽度为10~150mm,纤维增强层23缠绕于竹材增强层22的外表面,隔离层21、纵向竹纤维层221、横向竹纤维层222和纤维增强层23相互之间通过胶黏剂粘结,纤维增强层23的环向拉伸断裂应变大于等于横向竹纤维层222的环向拉伸断裂应变,核心混凝土1填充于纤维-竹材复合管2的内部,其为自密实微膨胀混凝土,膨胀率为0.01%~0.04%。
纵向竹纤维层221的竹材纤维方向沿着纤维-竹材复合管2的轴线方向,横向竹纤维层222的竹材纤维方向沿着纤维-竹材复合管2的环向方向,纵向竹纤维层221和横向竹纤维层222的缠绕层数不受限制,可分别为0层、1层或1层以上。
胶黏剂为环氧树脂、乙烯基树脂、聚氨酯树脂或环氧砂浆其中的一种。
隔离层21为竹纤维毡、玻璃纤维毡、玄武岩纤维毡或竹纤维无纺布其中的一种。
纤维增强层23的纤维增强体为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维或聚酯纤维中的一种或是其中的几种混杂而成。
核心混凝土1的内部可根据需要设置纵向钢筋11和箍筋12。
具体实施中,隔离层21为竹纤维毡、玻璃纤维毡或竹纤维无纺布中的一种通过胶黏剂在模具上缠绕而成,随后,确定竹材增强层22中纵向竹纤维层221和横向竹纤维层222的缠绕间距和层数,竹材增强层22是由纵向竹纤维层221、横向竹纤维层222或二者复合构成,采用平面缠绕的组合形式缠绕而成,缠绕过程中始终保持对竹纤维层的拉力大小不变,并涂刷、浸渍环氧树脂、乙烯基树脂、聚氨酯树脂或环氧砂浆实现与隔离层21的粘结,按此程序,缠绕各层纵向竹纤维层221、横向竹纤维层222或二者,随后,根据设计的纤维增强层23的缠绕间距、角度和层数缠绕纤维增强体,并浸渍环氧树脂、乙烯基树脂、聚氨酯树脂或环氧砂浆,形成外层的纤维增强层23,即完成纤维-竹材复合管的制作。最后,在纤维-竹材复合管内部填充核心混凝土即可形成一种纤维-竹材复合管混凝土组合柱。
如图1所示,缠绕一层纵向竹纤维层的一种纤维-竹材复合管混凝土组合柱的横截面示意图,包括核心混凝土1、纤维-竹材复合管2;其中,纤维-竹材复合管2由内向外依次由隔离层21、竹材增强层22、纤维增强层23组成;隔离层21为竹纤维毡、玻璃纤维毡或竹纤维无纺布通过胶黏剂缠绕而成,该实例中的竹材增强层22是由纵向竹纤维层221缠绕一层构成,纤维增强层23缠绕于竹材增强层22的外表面,纵向竹纤维层221的竹材纤维方向沿着纤维-竹材复合管2的轴线方向,核心混凝土1填充于纤维-竹材复合管2的内部。
实施例二:
如图2所示,缠绕一层横向竹纤维层的一种纤维-竹材复合管混凝土组合柱的横截面示意图,包括核心混凝土1、纤维-竹材复合管2;其中,纤维-竹材复合管2由内向外依次由隔离层21、竹材增强层22、纤维增强层23组成;隔离层21为竹纤维毡、玻璃纤维毡或竹纤维无纺布通过胶黏剂缠绕而成,该实例中的竹材增强层22是由横向竹纤维层222缠绕一层而成,纤维增强层23缠绕于竹材增强层22的外表面,横向竹纤维层222的竹材纤维方向沿着纤维-竹材复合管2的环向方向,核心混凝土1填充于纤维-竹材复合管2的内部。
实施例三:
如图3所示,缠绕一层纵向竹纤维层、一层横向竹纤维层的一种纤维-竹材复合管混凝土组合柱的横截面示意图,包括核心混凝土1、纤维-竹材复合管2;其中,纤维-竹材复合管2由内向外依次由隔离层21、竹材增强层22、纤维增强层23组成;隔离层21为竹纤维毡、玻璃纤维毡或竹纤维无纺布通过胶黏剂缠绕而成,该实例中的竹材增强层22是先缠绕一层纵向竹纤维层221,接着缠绕一层横向竹纤维层222,纤维增强层23缠绕于竹材增强层22的外表面,核心混凝土1填充于纤维-竹材复合管2的内部。
实施例四:
如图4所示,在核心混凝土内部根据需要设计了纵向钢筋和箍筋的一种纤维-竹材复合管混凝土组合柱的横截面示意图,其纤维-竹材复合管2制作方式同实施例三,当纤维-竹材复合管2制作完成后,在纤维-竹材复合管2内部设置好纵向钢筋11和箍筋12,最后浇筑核心混凝土1。
应当理解,此处所描述的具体实例仅仅用于解释本发明,并不用于限定本发明。本发明施工简便,耐腐蚀、耐久性能好,结构具有较低的造价,所采用的竹材具有低碳、环保、节能、可持续发展的优势。

Claims (6)

1.一种纤维-竹材复合管混凝土组合柱,其特征在于该结构包括核心混凝土(1)、纤维-竹材复合管(2),其中,纤维-竹材复合管(2)由内向外依次由隔离层(21)、竹材增强层(22)、纤维增强层(23)组成,竹材增强层(22)由纵向竹纤维层(221)、横向竹纤维层(222)或二者复合构成,纵向竹纤维层(221)和横向竹纤维层(222)由复合竹材或原竹分层缠绕制作而成,其采用的复合竹材或原竹的单层厚度为0.2~2.0mm,宽度为10~150mm,纤维增强层(23)缠绕于竹材增强层(22)的外表面,隔离层(21)、纵向竹纤维层(221)、横向竹纤维层(222)和纤维增强层(23)相互之间通过胶黏剂粘结,纤维增强层(23)的环向拉伸断裂应变大于等于横向竹纤维层(222)的环向拉伸断裂应变,核心混凝土(1)填充于纤维-竹材复合管(2)的内部,其为自密实微膨胀混凝土,膨胀率为0.01%~0.04%。
2.根据权利要求1所述的一种纤维-竹材复合管混凝土组合柱,其特征在于纵向竹纤维层(221)的竹材纤维方向沿着纤维-竹材复合管(2)的轴线方向,横向竹纤维层(222)的竹材纤维方向沿着纤维-竹材复合管(2)的环向方向,纵向竹纤维层(221)和横向竹纤维层(222)的缠绕层数不受限制,可分别为0层、1层或1层以上。
3.根据权利要求1所述的一种纤维-竹材复合管混凝土组合柱,其特征在于胶黏剂为环氧树脂、乙烯基树脂、聚氨酯树脂或环氧砂浆其中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种纤维-竹材复合管混凝土组合柱,其特征在于隔离层(21)为竹纤维毡、玻璃纤维毡、玄武岩纤维毡或竹纤维无纺布其中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种纤维-竹材复合管混凝土组合柱,其特征在于纤维增强层(23)的纤维增强体为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维或聚酯纤维中的一种或是其中的几种混杂而成。
6.根据权利要求1所述的一种纤维-竹材复合管混凝土组合柱,其特征在于核心混凝土(1)的内部可根据需要设置纵向钢筋(11)和箍筋(12)。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110700492A (zh) * 2019-10-23 2020-01-17 华南理工大学 一种含固废物再生混凝土的生态组合柱及其制作方法
CN112196184A (zh) * 2020-09-07 2021-01-08 佛山科学技术学院 一种陶瓷增强纤维基复合材料、陶瓷增强纤维基复合管及其制备方法

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GR01 Patent grant
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Assignee: Zhenjiang Heng An Civil Technology Co., Ltd.

Assignor: Nanjing Forestry University

Contract record no.: 2018320000206

Denomination of utility model: Fibre compound pipe concrete combination column of bamboo timber

Granted publication date: 20170815

License type: Common License

Record date: 20181018

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Assignee: Hefei Shuang Dao run Highway Engineering Co., Ltd.

Assignor: Nanjing Forestry University

Contract record no.: 2018320000292

Denomination of utility model: Fibre compound pipe concrete combination column of bamboo timber

Granted publication date: 20170815

License type: Common License

Record date: 20181102

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
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Assignee: Limited by Share Ltd Beijing nine road detection technology

Assignor: Nanjing Forestry University

Contract record no.: X2019320000056

Denomination of utility model: Fibre compound pipe concrete combination column of bamboo timber

Granted publication date: 20170815

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Record date: 20190912

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