CN210976324U - 预应力复材-超高性能混凝土组合梁 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了预应力复材‑超高性能混凝土组合梁，其包括：复材拉挤型材梁、超高性能混凝土翼缘面板、剪力连接件和预应力组合件。复材拉挤型材梁通过剪力连接件与超高性能混凝土翼缘面板连接；预应力组合件通过粘结层与复材拉挤型材梁连接；预应力组合件包括：复材手糊矩形截面管、混凝土、预应力孔洞和预应力构件，超高性能混凝土填充于复材手糊矩形截面管内，混凝土中设有预应力孔洞，预应力构件设在预应力孔洞内。将复材与混凝土组合，形成上部混凝土受压、下部复材受拉的组合梁，可在提升梁构件刚度、承载力和变形能力的基础上，减轻梁自重，并获得更佳的耐腐蚀性能和施工便捷性。
Description
技术领域
本实用新型涉及土木建筑技术领域，具体而言，本实用新型涉及一种预应力复材-超高性能混凝土组合梁。
背景技术
自19世纪以来，钢筋混凝土结构在工业与民用建筑、桥梁及隧道工程等领域的应用迅猛发展，成为世界上应用最为广泛的结构形式。然而，近几十年，钢筋混凝土结构在全球范围内暴露出了一系列耐久性问题。其中，钢筋锈蚀问题最为突出，每年在全球范围内造成大量经济财产损失。在冬季泼洒除冰盐的寒冷地区或氯离子富集的近海、海岛等地区，钢筋锈蚀问题尤为严重。而新型高性能结构材料的应用可以从根本上解决这一问题。近年来，纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，FRP，简称复材)和超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete，简称UHPC)这两种高性能建筑材料受到了越来越多的关注。
纤维增强复合材料是由碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等高性能纤维与树脂基体混合，经过一定的加工工艺复合而成的非金属材料。其具有轻质、高强、抗疲劳、耐腐蚀、导热系数低、成型方便等优点，适合在侵蚀环境中服役，现在已经广泛应用于结构工程当中，显示了良好的力学性能和耐久性。复合材料的性能与成型工艺密切相关，在各种工艺中，“拉挤”是一种工业化程度很高的连续生产工艺，生产过程中，浸渍过树脂的纤维通过高温模具的挤压，树脂与纤维充分浸润、固化，生产出来的复材拉挤型材质地密实、性能稳定、纤维方向保持一致，单向受力性能好。随着拉挤工艺的发展，拉挤型材的截面形式、尺寸更灵活，可设计性强，能够满足工程应用的需求，因而正被越来越广泛地应用于工业厂房、空间结构、多层建筑以及桥梁结构。但是复材具有剪切强度低、耐磨性和抗冲击能力差等缺点，且复材拉挤型材的板件较薄，受压时板件容易发生局部失稳。因此，多数情况下，在建筑结构中单独使用复合材料拉挤型材作为受力构件并不是一个经济合理的选择。
超高性能混凝土是一种具有高强度、高抗拉、髙韧性、低孔隙率的水泥基复合材料。相比于传统混凝土，其抗碳化、抗氯离子侵入、抗化学腐蚀能力有数量级的提高。其显著特征是超高强度、韧性和耐久性，几乎没有冻害问题，并具有应变硬化行为。
因此，本实用新型将以上两种高性能材料进行组合，可以取长补短，有效规避复材剪切强度低、耐磨性和抗冲击能力差等缺点，充分发挥复材抗拉和超高性能混凝土抗压强度高的优点，达到“1+1>2”的效果。
实用新型内容
本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出一种预应力复材-超高性能混凝土组合梁。该预应力复材-超高性能混凝土组合梁通过将复材与超高性能混凝土组合，可以有效规避复材剪切强度低、耐磨性和抗冲击能力差等缺点，充分发挥复材抗拉强度高和混凝土抗压强度高的优点，形成上部混凝土受压、下部分复材受拉的组合梁，从而使该组合梁可以在提升梁构件刚度、承载力和变形能力的基础上，有效减轻梁自重，并获得更佳的耐腐蚀性能和施工便捷性。
根据本实用新型的实施例，该预应力复材-超高性能混凝土组合梁包括：超高性能混凝土翼缘面板，复材拉挤型材梁，所述复材拉挤型材梁通过剪力连接件与所述超高性能混凝土翼缘面板连接；预应力组合件，所述预应力组合件通过粘结层与所述复材拉挤型材梁连接，所述预应力组合件包括：复材手糊矩形截面管、第一混凝土、预应力孔洞和预应力构件，所述第一混凝土填充于所述复材手糊矩形截面管内，且所述第一混凝土中设有所述预应力孔洞，所述预应力构件设在所述预应力孔洞内。
根据本实用新型实施例的预应力复材-混凝土组合梁，其复材拉挤型材梁由纤维增强复合材料拉挤成型，具有优秀的抗拉和耐腐蚀性能。超高性能混凝土翼缘面板置于复材拉挤型材梁顶部，形成上部混凝土受压、下部分复材受拉的组合梁。超高性能混凝土翼缘面板与复材拉挤型材梁之间通过剪力连接件连接，以增强界面之间的锚固性能。预应力组合件通过粘结层与复材拉挤型材梁连接，其中的第一混凝土不但可以解决复材拉挤型材梁在支座处易出现局部承压破坏的问题，其受拉开裂后还可以提供较为可观的受拉承载力，使组合梁体系的抗弯刚度大大增强。第一混凝土内布置的预应力构件则可以进一步提升组合梁体系的刚度和承载力。由此，本实用新型提出的预应力复材-超高性能混凝土组合梁可以在提升梁构件刚度、承载力和变形能力的基础上，有效减轻梁自重，并获得更佳的耐腐蚀性能和施工便捷性。
在本实用新型中，所述复材拉挤型材梁的截面为矩形，所述复材拉挤型材梁包括顶部腔体、中部腔体和底部腔体；所述顶部腔体中填充有第二混凝土，所述底部腔体中设有所述预应力组合件，所述预应力组合件通过所述粘结层与所述底部腔体的内壁连接。
在本实用新型中，所述第一混凝土为超高性能混凝土。
在本实用新型中，所述第二混凝土为轻骨料混凝土。
在本实用新型中，所述复材拉挤型材梁的截面为工字型，所述复材拉挤型材梁包括上翼缘、腹板和下翼缘，所述上翼缘通过所述剪力连接件与所述超高性能混凝土翼缘面板连接，所述下翼缘通过所述粘结层和所述剪力连接件与所述预应力组合件连接。
在本实用新型中，所述剪力连接件包括金属螺栓、复材螺栓或胶栓混合连接。
在本实用新型中，所述预应力构件包括预应力筋材或预应力板材，以及与所述预应力筋材或所述预应力板材相适配的锚具。
在本实用新型中，所述预应力构件包括预应力钢绞线及其锚具，或者碳纤维复材板材及其锚具。
在本实用新型中，所述粘结层为环氧树脂胶层或其他结构胶层。
在本实用新型中，所述复材手糊矩形截面管内设有纵横肋，所述纵横肋包括纵肋和横肋。
本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本实用新型一个实施例的预应力复材-超高性能混凝土组合梁的结构示意图；
图2为根据本实用新型一个实施例的预应力复材-超高性能混凝土组合梁的组装示意图；
图3为根据本实用新型一个实施例的预应力复材-超高性能混凝土组合梁中预应力组合件的结构示意图；
图4为根据本实用新型另一个实施例的预应力复材-超高性能混凝土组合梁的结构示意图。
附图标记说明：
1：复材拉挤型材梁；
1-1：顶部腔体；1-2：中部腔体；1-3：底部腔体；
1-4：上翼缘；1-5：腹板；1-6：下翼缘；
2：超高性能混凝土翼缘面板；
3：剪力连接件；
4：第二混凝土；
5：预应力组合件；
5-1：复材手糊矩形截面管；5-2：第一混凝土；5-3：预应力孔洞；5-4：预应力构件；
5-5：纵肋：5-6：横肋；
6：粘结层。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实用新型的一个方面，本实用新型提出了一种预应力复材-超高性能混凝土组合梁。根据本实用新型的实施例，参考图1～4，该预应力复材-超高性能混凝土组合梁包括：复材拉挤型材梁1、超高性能混凝土翼缘面板2、剪力连接件3和预应力组合件5。其中，复材拉挤型材梁1通过剪力连接件3与超高性能混凝土翼缘面板2连接；预应力组合件5通过粘结层6与复材拉挤型材梁1连接；预应力组合件5包括：复材手糊矩形截面管5-1、第一混凝土5-2、预应力孔洞5-3和预应力构件5-4，第一混凝土5-2填充于复材手糊矩形截面管5-1内，且第一混凝土5-2中设有预应力孔洞5-3，预应力构件5-4设在预应力孔洞5-3 内。
下面参考图1～4进一步对根据本实用新型实施例的预应力复材-混凝土组合梁进行详细描述。
根据本实用新型的实施例，复材拉挤型材梁1通过剪力连接件3与超高性能混凝土翼缘面板2连接。在一些实施例中，复材拉挤型材梁的顶部预留有用于安装剪力连接件的孔洞，剪力连接件可包括多个，并嵌于复材拉挤型材梁和超高性能混凝土翼缘面板中。
根据本实用新型的实施例，如图1和2所示，复材拉挤型材梁1的截面可以为矩形。复材拉挤型材梁1包括顶部腔体1-1、中部腔体1-2和底部腔体1-3，且顶部腔体1-1、中部腔体1-2和底部腔体1-3之间相互间隔。顶部腔体1-1中填充有第二混凝土4，底部腔体1-3 中设有预应力组合件5。预应力组合件5通过粘结层6与底部腔体1-3的内壁连接，即预应力组合件5与复材拉挤型材梁1的接触面通过粘结层6相连。
根据本实用新型的实施例，第二混凝土4优选为轻骨料混凝土。由此，可以在尽量减轻自重的前提下，增强复材拉挤型材梁顶部翼缘对剪力连接件的锚固性能，防止复材拉挤型材顶部翼缘的剪力连接件处发生锚固或局部承压破坏。
根据本实用新型的实施例，如图4所示，复材拉挤型材梁1的截面也可以为工字型。复材拉挤型材梁1包括上翼缘1-4、腹板1-5和下翼缘1-6，上翼缘1-4通过剪力连接件3 与超高性能混凝土翼缘面板2连接，下翼缘1-6通过粘结层6和剪力连接件3与预应力组合件5连接。
根据本实用新型的实施例，剪力连接件3可以包括金属螺栓、复材螺栓或胶栓混合连接。另外，需要说明的是，复材拉挤型材梁1顶部翼缘与超高性能混凝土翼缘面板2的连接也可以采用其他锚固技术，例如粘砂、胶粘、钢纤维胶砂混合连接等。
根据本实用新型的实施例，粘结层6可以由不同种类的粘结剂形成，粘结剂的具体种类并不受特别限制。在一些实施例中，粘结层6可以为环氧树脂胶层，即通过环氧树脂胶将预应力组合件5与复材拉挤型材梁1连接。本实用新型中所采用的环氧树脂胶可以采用常规的市售产品。
根据本实用新型的实施例，当复材拉挤型材梁1的截面为工字型时，预应力组合件5 与复材拉挤型材梁1优选采用环氧树脂胶和胶栓混合连接。
根据本实用新型的实施例，预应力组合件5包括：复材手糊矩形截面管5-1、第一混凝土5-2、预应力孔洞5-3和预应力构件5-4，第一混凝土5-2填充于复材手糊矩形截面管5-1内，且第一混凝土5-2中设有预应力孔洞5-3，预应力构件5-4设在预应力孔洞5-3内。其中，预应力孔洞5-3可通过在第一混凝土5-2填充于复材手糊矩形截面管5-1内之前预先设置预留复材管形成。
根据本实用新型的实施例，第一混凝土5-2为超高性能混凝土(Ultra-highPerformance Concrete，简称UHPC)。根据本实用新型的实施例，预应力构件5-4包括预应力筋材或预应力板材，以及与预应力筋材或预应力板材相适配的锚具。通过利用锚具将置于复材手糊矩形截面管预留孔洞中的预应力筋材或预应力板材进行张拉，可以进一步提升组合梁体系的刚度和承载力。根据本实用新型的具体示例，预应力构件可以包括预应力钢绞线及其锚具，或者碳纤维复材板材及其锚具。
根据本实用新型的实施例，参考图3，复材手糊矩形截面管5-1内还设置纵横肋，所述纵横肋包括纵肋5-5和横肋5-6。纵肋5-5沿预应力组合件5的长度方向延伸，横肋5-6沿预应力组合件5的宽度方向延伸。通过设置纵横肋，可保证超高性能混凝土参与受拉，从而提高组合梁的整体力学性能。
综上可知，本实用新型的预应力复材-超高性能混凝土组合梁可以具有选自下列优点的至少之一：
(1)力学性能方面——本实用新型通过综合运用四种技术手段来提升组合梁体系的刚度、承载力及变形能力：①通过运用剪力连接件等技术手段增强复材拉挤型材与超高性能混凝土面板之间的锚固性能，防止界面发生破坏；②通过在复材拉挤型材梁顶部空腔填充轻骨料混凝土，在尽量减轻自重的前提下增强复材拉挤型材梁顶部翼缘对剪力连接件的锚固性能，防止复材拉挤型材顶部翼缘的剪力连接件处发生锚固或局部承压破坏；③通过预应力筋材或板材的张拉进一步提升组合梁体系的刚度和承载力；④填充在复材拉挤型材梁底部空腔的超高性能混凝土，不但可以解决复材拉挤型材在支座处易出现局部承压破坏的问题，其受拉开裂后还可以提供较为可观的受拉承载力，使得组合梁体系抗弯刚度大大增强；⑤填充在复材拉挤型材梁底部和上部空腔的混凝土可以提高组合梁的抗剪性能，保证组合梁受弯承载力的发挥。
(2)材料使用方面——充分发挥各项新型材料的力学性能优势，扬长避短。
(3)耐久性方面——复合材料、超高性能混凝土等新型材料具有良好的防腐蚀性能，使得该组合梁体系可适用于各类恶劣环境下。
(4)施工方面——复合材料本身可作为浇筑混凝土的模板，免去大部分支模过程，施工便捷。
本实用新型的预应力复材-超高性能混凝土组合梁将复材与超高性能混凝土两种高性能建筑材料进行组合，可以克服两种材料本身的缺点、取长补短，形成上部混凝土受压、下部复材受拉的组合梁，可规避复材刚度和剪切强度低、抗冲击能力差等缺点，充分发挥复材和超高性能混凝土各自的材料性能优势，达到“1+1>2”的效果。其优点包括：(1)复材受拉，混凝土受压，可有效改善复材弹性模量低而导致的抗弯刚度不足问题；(2)复材可作为混凝土浇筑用的永久性模板，加快施工速度；(3)超高性能混凝土是高强度、高耐久性、高韧性、高密实度的混凝土材料，布置在受压区可克服普通混凝土自重大、易开裂、耐久性差等缺点。
可以预见，上述力学性能优、侵蚀环境中耐久性较好的新型预应力复合材料拉挤型材混凝土组合梁体系，在未来海洋工程结构中有广阔的应用前景。另一方面，该新型组合梁体系在桥梁工程中也有很大应用空间。由于冬季泼洒除冰盐等原因，许多传统结构体系建造的公路桥梁存在冻融破坏、氯离子侵蚀引发的钢筋锈蚀问题。而采用该新型组合梁体系则可以从根本上解决这一问题。此外，由于复材和超高性能混凝土都是比强度很高的材料，即轻质高强，相比传统钢筋混凝土桥梁，在相同的跨度下，该新型组合梁体系的自重可以大幅度降低，且造型看起来更加轻巧美观，改变传统混凝土构件“粗、厚、笨、重”的面貌。桥梁重量的降低还有助于吊装，加快施工速度。因此，该新型组合梁体系在中小跨度桥梁或人行天桥的应用方面也具有竞争力，可以短时间内实现桥梁的改造和安装，减少对道路交通的干扰。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种预应力复材-超高性能混凝土组合梁，其特征在于，包括：
超高性能混凝土翼缘面板，复材拉挤型材梁，所述复材拉挤型材梁通过剪力连接件与所述超高性能混凝土翼缘面板连接；
预应力组合件，所述预应力组合件通过粘结层与所述复材拉挤型材梁连接，所述预应力组合件包括：复材手糊矩形截面管、第一混凝土、预应力孔洞和预应力构件，所述第一混凝土填充于所述复材手糊矩形截面管内，且所述第一混凝土中设有所述预应力孔洞，所述预应力构件设在所述预应力孔洞内。
2.根据权利要求1所述的预应力复材-超高性能混凝土组合梁，其特征在于，所述复材拉挤型材梁的截面为矩形，所述复材拉挤型材梁包括顶部腔体、中部腔体和底部腔体；所述顶部腔体中填充有第二混凝土，所述底部腔体中设有所述预应力组合件，所述预应力组合件通过所述粘结层与所述底部腔体的内壁连接。
3.根据权利要求1所述的预应力复材-超高性能混凝土组合梁，其特征在于，所述第一混凝土为超高性能混凝土。
4.根据权利要求2所述的预应力复材-超高性能混凝土组合梁，其特征在于，所述第二混凝土为轻骨料混凝土。
5.根据权利要求1所述的预应力复材-超高性能混凝土组合梁，其特征在于，所述复材拉挤型材梁的截面为工字型，所述复材拉挤型材梁包括上翼缘、腹板和下翼缘，所述上翼缘通过所述剪力连接件与所述超高性能混凝土翼缘面板连接，所述下翼缘通过所述粘结层和所述剪力连接件与所述预应力组合件连接。
6.根据权利要求1、2和5中任一项所述的预应力复材-超高性能混凝土组合梁，其特征在于，所述剪力连接件包括金属钢螺栓、复材螺栓或胶栓混合连接。
7.根据权利要求1、2和5中任一项所述的预应力复材-超高性能混凝土组合梁，其特征在于，所述预应力构件包括预应力筋材或预应力板材，以及与所述预应力筋材或所述预应力板材相适配的锚具。
8.根据权利要求7所述的预应力复材-超高性能混凝土组合梁，其特征在于，所述预应力构件包括预应力钢绞线及其锚具，或者碳纤维复材板材及其锚具。
9.根据权利要求1、2和5中任一项所述的预应力复材-超高性能混凝土组合梁，其特征在于，所述粘结层为环氧树脂胶层。
10.根据权利要求1、2和5中任一项所述的预应力复材-超高性能混凝土组合梁，其特征在于，所述复材手糊矩形截面管内设有纵横肋，所述纵横肋包括纵肋和横肋。
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