CN216032964U - 一种外包复材缠绕管双钢管混凝土构件 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种外包复材缠绕管双钢管混凝土构件，包括由外到内依次设置的复材缠绕管层、外钢管层、混凝土层和内钢管层；内钢管层的内侧为空腔或填充混凝土；混凝土层通过浇筑的形式设置在内钢管层和外钢管层之间；外钢管层和内钢管层之间设置有多个连接件，连接件的一端与内钢管层外侧固定连接，连接件的另一端与外钢管层内侧固定连接。本实用新型施工方便、抗震性能好、刚度高，属于建筑结构技术领域。

Description

一种外包复材缠绕管双钢管混凝土构件

技术领域

本实用新型涉及一种建筑结构，具体涉及一种外包复材缠绕管双钢管混凝土构件。

背景技术

现有建筑结构广泛存在由钢材腐蚀导致的结构性能劣化问题，以及由结构延性不足导致的抗震能力不足问题。对此，有学者提出了具有优越的耐腐蚀性能和抗震性能的复材-混凝土-钢双壁空心组合构件。该组合构件由外侧的复材管、内侧的钢管及两者之间的夹层混凝土组成。外侧的复材管具有优越的抗腐蚀性能，可保护内部的钢管免受腐蚀；内侧空心钢管的存在降低了组合构件的自重，便于构件的运输、安装；复材管和钢管同时为夹层混凝土提供约束，使混凝土处于三轴受压状态，大大提升了组合构件的力学性能。同时，复材管和钢管可作为浇筑夹层混凝土的模板，简化施工过程，节约模板费用，具有良好的经济效益。

复材-混凝土-钢双壁空心组合构件具有的诸多优点，有利于建造承载力更高、耐腐蚀性能更强、抗震性能更好的工程结构，具有重要的工程推广价值。然而，在应用实践中发现，复材-混凝土-钢双壁空心组合构件仍然具有以下几方面不足：其一，现有复材管生产工艺在制造轴线为曲线的复材管时存在脱模困难的问题，导致轴线为曲线时，上述组合构件的应用受到一定限制；其二，复材管(尤其是截面为矩形的复材管)作为混凝土浇筑的模板时，由于其刚度不足，可能在浇筑混凝土过程中向外鼓曲；其三，复材-混凝土-钢双壁空心组合构件在制作过程中，一般是将复材管与钢管分开准备，然后通过辅助措施临时定位，最后在夹层中浇筑混凝土，在建造比较复杂的结构节点时(如空间节点)，由于钢管节点需要套在复材节点内部，需要在复材管上开洞或将复材管切开再用适当方式连接在一起，施工及建造比较困难。因此，如何在利用复材管优越的抗腐蚀性能、约束性能的同时，解决其在生产建造过程及应用中存在的技术问题，是推广其在土木工程结构领域应用的关键。

实用新型内容

针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型的目的是：提供一种施工方便、抗震性能好、刚度高的外包复材缠绕管双钢管混凝土构件。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种外包复材缠绕管双钢管混凝土构件，包括由外到内依次设置的复材缠绕管层、外钢管层、混凝土层和内钢管层；内钢管层的内侧为空腔或填充混凝土；混凝土层通过浇筑的形式设置在内钢管层和外钢管层之间；外钢管层和内钢管层之间设置有多个连接件，连接件的一端与内钢管层外侧固定连接，连接件的另一端与外钢管层内侧固定连接。

作为一种优选，多个连接件选用纵向加劲肋、横向加劲肋、焊钉中的一种或多种组合。

作为一种优选，复材缠绕管层通过缠绕管工艺缠绕于外钢管层的外侧，或通过手糊工艺缠绕于外钢管层的外侧；复材缠绕管层的纤维选用碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维中的一种或多种以上的组合。

作为一种优选，复材缠绕管层通过连续缠绕的形式包裹于外钢管层的外侧，或通过分段缠绕的形式包裹于外钢管层的外侧；复材缠绕管层等角度缠绕于外钢管层的外侧，或复材缠绕管层变角度缠绕于外钢管层的外侧；复材缠绕管层等厚度包裹于外钢管层的外侧，或复材缠绕管层变厚度包裹于外钢管层的外侧。

作为一种优选，内钢管层中钢管的轴线与外钢管层中钢管的轴线相同或不同；内钢管层中，钢管的轴线为直线或曲线；外钢管层中，钢管的轴线为直线或曲线。

作为一种优选，内钢管层中，钢管的数量为一个或多个；内钢管层和外钢管层之间为单腔室或由钢内隔板分隔成多腔室。

作为一种优选，内钢管层中，钢管的截面形状为圆形、椭圆形或多边形；外钢管层中，钢管的截面形状为圆形、椭圆形或多边形。

作为一种优选，内钢管层的厚度为4-40mm，外钢管层的厚度为2-30mm，混凝土层的厚度为20-200mm，复材缠绕管层的厚度为1-20mm。

一种外包复材缠绕管双钢管混凝土构件的制备方法，包括如下步骤：

S1：将内钢管层的钢管、外钢管层的钢管用连接件固定连接形成双钢管组合体；S2：将步骤S1的双钢管组合体作为模板，在外钢管层外侧缠绕纤维形成复材缠绕管层；S3：将步骤S2形成的已缠绕复材缠绕管层的双钢管组合体作为模板，在两个钢管之间浇筑混凝土层。

一种外包复材缠绕管双钢管混凝土构件的制备方法，还可包括如下步骤：

S1：将外钢管层作为模板，在外钢管层外侧缠绕纤维形成复材缠绕管层；S2:将内钢管层的钢管和已缠绕复材缠绕管层的外钢管层的钢管用连接件固定连接形成双钢管组合体；S3：将步骤S2形成的已缠绕复材缠绕管层的双钢管组合体作为模板，在两个钢管之间浇筑混凝土层。

总的说来，本实用新型具有如下优点：

1.工程应用更方便。将本实用新型应用于轴线为曲线的构件时，由于复材直接缠绕于外钢管层外侧形成一体，解决了轴线为曲线的复材缠绕管层单独制造后脱模困难的问题。其次，相比于外侧只有复材缠绕管层的双壁空心柱，本实用新型由于外侧有钢管作为复材缠绕管层的内衬，抗弯刚度更大，能更好地抵抗施工荷载而不发生明显变形，解决了双壁空心柱应用于中、大尺寸结构构件时，外侧复材缠绕管层在浇筑混凝土时变形过大，容易向外鼓曲的问题；本实用新型在工程应用时，将内钢管层、外钢管层用连接件固定形成双钢管组合体之后即可作为复材缠绕管层制作及混凝土浇筑的模板，避免了双壁空心柱在浇筑混凝土之前需要对钢管与复材缠绕管层进行临时固定的环节；应用本实用新型可以方便地制作工程结构节点，无需在复材缠绕管层上临时开洞或将复材管切开。

2.材料使用更优化。相比于双壁空心柱只将钢结构布置在内侧，本实用新型在应用于工程结构时，可以根据工程结构部位受力及施工过程需要，将内钢管层和外钢管层按照不同比例更优化地布置在内侧与外侧。内钢管层和外钢管层的优化布置与合理使用，可以实现在钢材用量不变的情况下使结构在弯矩、扭矩作用下，具有更大的刚度与承载力，大大提高了材料的使用效率。

3.本实用新型内钢管层和外钢管层之间的连接件除了作为两钢管的固定措施之外，还可以作为加劲部件加强构件的力学性能。

相比于现有的内钢管层和外钢管层为钢管，中间夹层为混凝土层的双钢管混凝土空心柱(含内圆钢管，外波纹钢管，中间夹层填充纤维增强粉末混凝土的梯度结构，以下均简称双钢管混凝土空心柱)，本实用新型增加了外侧缠绕的复材缠绕管层。所述复材缠绕管层由于具有良好的耐腐蚀性能，能保护被其包裹的钢管及内侧混凝土、内钢管层和外钢管层不受外界环境腐蚀，使本实用新型具有更好的耐久性。所述复材缠绕管层不仅能分担荷载，而且可以约束外侧钢管使之避免受压时局部屈曲，提高了外侧钢管的强度利用率；此外，所述复材缠绕管层还可以与外侧钢管一起，对混凝土层提供约束，从而提高被约束混凝土的强度、变形能力、耗能能力。因此，本实用新型的外包复材缠绕管层与外侧钢管及混凝土层的功能并非简单的叠加，而是可以实现1+1>2的功能效果。

相比纤维复材约束钢管混凝土，本实用新型采用了空心的结构形式，减轻了结构自重，有利于建造更加轻盈、大跨度的结构；同时中空结构减少了混凝土的消耗，有利于降低碳排放。

相比于外套圆形(或方形)钢管混凝土纤维复材复合加固钢管柱的方法，本实用新型主要有以下不同。首先两者用途不同：所述加固钢管柱的方法主要用于既有的钢管柱结构加固，而本实用新型主要用于新建结构，可用于除柱之外的其他结构部位，如拱肋、梁等。其次，两者的建造工艺不同：所述加固钢管柱的方法实施时，需要先对既有的钢柱进行除锈处理，然后在既有的钢柱外部通过焊接的方法套上圆形或方形钢管，并在新增钢管外缠绕纤维增强复合材料，最后在两管之间浇筑自密实混凝土；而本实用新型是将内钢管层和外钢管层通过连接件连接固定后，以内钢管层和外钢管层组成的整体做模具在外钢管层外侧制作复材缠绕管层，在包覆有复材缠绕管层的内钢管层和外钢管层之间浇筑混凝土，最后，两者的结构有区别：所述加固钢管柱的方法中内外钢管层无连接措施，而本实用新型中，内外管层和外钢管层有连接件进行连接。

相比于现有的复材缠绕管层内填混凝土及钢骨的实心管状结构，复材缠绕管层套钢管内填混凝土及钢骨实心管状结构，钢管内填混凝土及复材缠绕管层约束芯柱的实心管状结构，本实用新型可以采用空心的结构，仅在需要时在钢管内填混凝土，不仅节省了混凝土用量(减少了建筑原材料的消耗及生产水泥过程中的碳排放)，而且使结构更轻，应用起来更加灵活，运输也更加方便；此外，本实用新型在制作工艺上与上述三类实心管状结构有所不同：本实用新型的复材缠绕管层是直接以外钢管层为模板用手糊或缠绕工艺制作而成的，成形后的复材缠绕管层与外钢管层是一个整体，而上述实心管状结构中，复材缠绕管层是先单独制造再应用于所述的管状结构的。

相比于现有的织物增强ECC-钢管-钢骨组合构件，本实用新型有以下三点不同：在构造上，前者的组合构件采用外钢管层内填钢骨的实心构造，而本实用新型采用内、外均为钢管，夹层为混凝土的构造，且内钢管层可以采用空心构造，结构更轻，应用起来更加灵活，运输及安装更方便；在施工工艺方面，本实用新型的复材缠绕管层是以外钢管层为模板缠绕或手糊制成，而上述组合构件中织物增强ECC是以喷涂工艺分多层制作于钢管外侧；在功能方面，复材缠绕管层具有比织物增强ECC更好的抗腐蚀性能，能与内钢管层及外钢管层一起对混凝土层提供更好的约束，使混凝土层具有更佳的受力性能(强度、变形能力及延性)。

附图说明

图1为一种外包复材缠绕管双钢管混凝土构件的立体图。

图2a-2d为一种外包复材缠绕管双钢管混凝土构件的横截面示意图。

图3a-3c为内钢管层和外钢管层通过连接件连接的立体图。图3a为内钢管层和外钢管层通过横向加劲肋连接件连接的立体图，图3b为内钢管层和外钢管层通过纵向加劲肋连接件连接的立体图，图3c为内钢管层和外钢管层通过焊钉连接件连接的立体图。

图4a-4e为一种外包复材缠绕管双钢管混凝土构件的制作过程示意图。图4a为内钢管层，图4b将连接件安装在内钢管层上，图4c将外钢管层固定在连接件上，图4d在外钢管层外侧用缠绕管工艺缠绕制作复材缠绕管层，图4e在内钢管层和外钢管层之间浇筑混凝土。

图5a为内钢管层中具有多个(2个)圆形内钢管的外包复材缠绕管双钢管混凝土构件截面示意图。

图5b为内钢管层中具有多个(2个)方形内钢管的外包复材缠绕管双钢管混凝土构件截面示意图。

图6a为内钢管层和外钢管层之间形成多腔(4腔)的圆形外包复材缠绕管双钢管混凝土构件截面示意图。

图6b为内钢管层和外钢管层之间形成多腔(4腔)的方形外包复材缠绕管双钢管混凝土构件截面示意图。

图7为实施例一的示意图。

图8为实施例二的示意图。

图9为实施例三的示意图。

其中，1为内钢管层，2为混凝土层，3为外钢管层，4为复材缠绕管层，5为连接件，6为空腔，7为钢内隔板。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式来对本实用新型做进一步详细的说明。

实施例一

一种外包复材缠绕管双钢管混凝土构件，包括由外到内依次设置的复材缠绕管层、外钢管层、混凝土层和内钢管层；内钢管层的内侧为空腔或填充混凝土；混凝土层通过浇筑的形式设置在内钢管层和外钢管层之间；外钢管层和内钢管层之间设置有多个连接件，连接件的一端与内钢管层外侧固定连接，连接件的另一端与外钢管层内侧固定连接。本实施例中，内钢管层内侧为空腔，不填充混凝土。

本实施例中，一种外包复材缠绕管双钢管混凝土构件用作框架结构的结构柱(如图7所示)。

内钢管层中钢管的轴线与外钢管层中钢管的轴线相同或不同；内钢管层中，钢管的轴线为直线或曲线；外钢管层中，钢管的轴线为直线或曲线。本实施例中，内钢管层中，钢管的轴线为直线；外钢管层中，钢管的轴线为直线。

多个连接件选用纵向加劲肋、横向加劲肋、焊钉中的一种或多种组合。横向加劲肋为平板结构，横向加劲肋的厚度方向与内钢管层的轴向平行。纵向加劲肋为平板结构，纵向加劲肋的厚度方向与内钢管层的轴向垂直。本实施例中，内钢管层、外钢管层由连接件通过焊接方式进行连接，连接件为纵向加劲肋。

复材缠绕管层通过缠绕管工艺缠绕于外钢管层的外侧，或通过手糊工艺缠绕于外钢管层的外侧。本实施例中，所述复材缠绕管层通过缠绕管工艺缠绕。

复材缠绕管层通过连续缠绕的形式包裹于外钢管层的外侧，或通过分段缠绕的形式包裹于外钢管层的外侧；复材缠绕管层等角度缠绕于外钢管层的外侧，或复材缠绕管层变角度缠绕于外钢管层的外侧；复材缠绕管层等厚度包裹于外钢管层的外侧，或复材缠绕管层变厚度包裹于外钢管层的外侧。本实施例中，复材缠绕管等厚度、等角度、连续缠绕于外钢管层的外侧。

复材缠绕管层的纤维采用碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维中的一种或一种以上的组合。本实施例中，复材缠绕管层的纤维选用玻璃纤维(玻璃纤维即GFRP)。

内钢管层中，钢管的截面形状为圆形、椭圆形或多边形；外钢管层中，钢管的截面形状为圆形、椭圆形或多边形。本实施例中，内钢管层和外钢管层的截面形状均为圆形。

内钢管层的厚度为4-40mm，外钢管层的厚度为2-30mm，混凝土层的厚度为20-200mm，复材缠绕管层的厚度为1-20mm。本实施例中，内钢管层厚度为8mm，外径为300mm，外钢管层厚度为4mm，内径为400mm，GFRP管层厚度为6mm，混凝土层厚度为50mm。

内钢管层中，钢管的数量为一个或多个；内钢管层和外钢管层之间为单腔室或多腔室。其中，多腔室由钢内隔板分隔形成。内钢管层的内侧根据需求局部填充混凝土。局部为沿内钢管层的钢管轴线某段长度内填充混凝土；本实施例中，在构件端部沿轴线500mm范围内填充混凝土。本实施例中，所述内钢管层中钢管的个数为1个，内钢管层和外钢管层之间形成腔室数量为1个。

一种外包复材缠绕管双钢管混凝土构件的制备方法，包括如下步骤：

S1：将内钢管层的钢管、外钢管层的钢管用连接件固定连接形成双钢管组合体；

S2：将步骤S1的双钢管组合体作为模板，在外钢管层外侧缠绕纤维形成复材缠绕管层；S3：将步骤S2形成的已缠绕复材缠绕管层的双钢管组合体作为模板，在两个钢管之间浇筑混凝土层。

实施例二

本实施例中，一种外包复材缠绕管双钢管混凝土构件用作框架结构的梁(如图8所示)。

本实施例中，内钢管层、外钢管层的钢管的截面轮廓形状均为正方形，且轴心重合。

本实施例中，所述内钢管层厚度为8mm，外边长300mm，外钢管层厚度为4mm，内边长为400mm，GFRP管厚度为6mm，混凝土层厚度为50mm。

一种外包复材缠绕管双钢管混凝土构件的制备方法，包括如下步骤：

S1：将外钢管层作为模板，在外钢管层外侧缠绕纤维形成复材缠绕管层；

S2:将内钢管层的钢管和已缠绕复材缠绕管层的外钢管层的钢管用连接件固定连接形成双钢管组合体；

S3：将步骤S2形成的复材缠绕管层的双钢管组合体作为模板，在两个钢管之间浇筑混凝土层。本实施例未提及部分同实施例一。

实施例三

本实施例中，一种外包复材缠绕管双钢管混凝土构件用作拱桥结构的拱肋(如图9所示)。

本实施例中，内钢管层中，钢管的轴线为曲线；外钢管层中，钢管的轴线为曲线。

本实施例中，内钢管层和外钢管层通过连接件进行连接，连接件为焊钉。

本实施例中，内钢管层和外钢管层的钢管的截面形状均为圆形，内钢管层厚度为16mm，外径为600mm，外钢管层厚度为8mm，内径为800mm，GFRP管层厚度为12mm，混凝土层厚度为100mm。

本实施例未提及部分同实施例一。

实施例四

本实施例中，一种外包复材缠绕管双钢管混凝土构件用作桥梁结构的主梁。

本实施例中，一种外包复材缠绕管双钢管混凝土构件的内钢管层具有2个钢管，如图5a所示。外钢管层的截面形状为矩形，长为780mm，宽为410mm，厚度为12mm；内钢管层的2个钢管截面形状均为圆形，外径为330mm，厚度为16mm；GFRP管层厚度为10mm。

本实施例中，内钢管层与外钢管层之间、内钢管层的2个钢管之间均由连接件进行连接，连接件为纵向加劲肋。本实施例未提及部分同实施例二。

实施例五

本实施例中，一种外包复材缠绕管双钢管混凝土构件用作桥梁结构的桥墩。

本实施例中，一种外包复材缠绕管双钢管混凝土构件的内钢管层和外钢管层之间由钢内隔板分隔成4个腔室，如图6a所示。钢内隔板采用纵向加劲肋的形式，沿构件轴线方向通长布置。

本实施例中，外钢管层的截面形状为圆形，内径为800mm，厚度为12mm；内钢管层的截面形状为圆形，外径为610mm，厚度为16mm；GFRP管层厚度为12mm；混凝土层厚度为95mm。

本实施例未提及部分同实施例一。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型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实用新型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，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种外包复材缠绕管双钢管混凝土构件，其特征在于：包括由外到内依次设置的复材缠绕管层、外钢管层、混凝土层和内钢管层；内钢管层的内侧为空腔或填充混凝土；混凝土层通过浇筑的形式设置在内钢管层和外钢管层之间；外钢管层和内钢管层之间设置有多个连接件，连接件的一端与内钢管层外侧固定连接，连接件的另一端与外钢管层内侧固定连接。

2.按照权利要求1所述的一种外包复材缠绕管双钢管混凝土构件，其特征在于：多个连接件选用纵向加劲肋、横向加劲肋、焊钉中的一种或多种组合。

3.按照权利要求1所述的一种外包复材缠绕管双钢管混凝土构件，其特征在于：复材缠绕管层通过缠绕管工艺缠绕于外钢管层的外侧，或通过手糊工艺缠绕于外钢管层的外侧；复材缠绕管层的纤维选用碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维中的一种或一种以上的组合。

4.按照权利要求3所述的一种外包复材缠绕管双钢管混凝土构件，其特征在于：复材缠绕管层通过连续缠绕的形式包裹于外钢管层的外侧，或通过分段缠绕的形式包裹于外钢管层的外侧；复材缠绕管层等角度缠绕于外钢管层的外侧，或复材缠绕管层变角度缠绕于外钢管层的外侧；复材缠绕管层等厚度包裹于外钢管层的外侧，或复材缠绕管层变厚度包裹于外钢管层的外侧。

5.按照权利要求1所述的一种外包复材缠绕管双钢管混凝土构件，其特征在于：内钢管层中钢管的轴线与外钢管层中钢管的轴线相同或不同；内钢管层中，钢管的轴线为直线或曲线；外钢管层中，钢管的轴线为直线或曲线。

6.按照权利要求5所述的一种外包复材缠绕管双钢管混凝土构件，其特征在于：内钢管层中，钢管的数量为一个或多个；内钢管层和外钢管层之间为单腔室或多腔室。

7.按照权利要求5所述的一种外包复材缠绕管双钢管混凝土构件，其特征在于：内钢管层中，钢管的截面形状为圆形、椭圆形或多边形；外钢管层中，钢管的截面形状为圆形、椭圆形或多边形。

8.按照权利要求1所述的一种外包复材缠绕管双钢管混凝土构件，其特征在于：内钢管层的厚度为4-40mm，外钢管层的厚度为2-30mm，混凝土层的厚度为20-200mm，复材缠绕管层的厚度为1-20mm。

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