CN102587578A - 高强钢筋增强ecc-空心钢管uhpc组合柱构件及制作方法 - Google Patents

高强钢筋增强ecc-空心钢管uhpc组合柱构件及制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明是高强钢筋增强ECC-空心钢管UHPC组合柱构件及其制作方法，尤其适用于高层、重载、大跨度结构的墩柱构件领域。该构件包括ECC材料、浇筑在ECC材料内的钢筋骨架、钢管、浇注于钢管内壁的超高性能混凝土及空腔；本发明不仅整合了ECC材料、高强钢筋和空心钢管超高性能混凝土的优点，使得各自的优点得以充分发挥，而且较好解决了钢管和钢筋的锈蚀问题，有效提高了构件的耐久性，延长了构件的生命周期，降低了后期养护、维修及加固成本；并且该构件具有较强的承载力、延性、抗震性及抗疲劳性。本发明采用部分预制生产、部分现场浇注的施工方法，不仅有利于构件质量的保证，而且预制部分可直接作为承力构件支撑上部结构的施工，有利于加快施工速度，缩短建设周期。

Description

高强钢筋增强ECC-空心钢管UHPC组合柱构件及制作方法
技术领域
本发明是高强钢筋增强ECC-空心钢管UHPC组合柱构件及制作方法，尤其适用于高层、重载、大跨度墩柱构件领域。
背景技术
超高韧性纤维增强水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites，简称ECC)是通过去除粗骨料，优化基体、纤维以及纤维与基体界面的基本性能以及三者之间的相互作用，使之具有高抗裂性、高韧性、高能量吸收能力的一种新型水泥基复合材料。ECC材料的极限压应变可达0.5％-0.7％，是普通混凝土的3倍左右；极限拉应变可达3％以上，是普通混凝土的300倍以上；尤其突出的是其裂缝分散能力，极限拉应变时裂缝间距1～2mm，平均裂缝宽度可控制在100μm以内，远远小于目前国内外规范中规定的混凝土最大裂缝限值。由于ECC材料优越的抗拉性能、卓越的微细裂缝分散能力和良好的高能量吸收能力，因此该材料对提高结构的耐久性具有显著地作用，特别适用于对结构有止裂、阻裂要求及所处环境恶劣的结构工程领域。
超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，简称UHPC)，又称活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，简写为RPC)。由于其制备、施工工艺的不同，其力学性能和变形能力均明显优于普通混凝土和高强混凝土，包括基于最大密实度理论，去除粗骨料，提高组分的细度与活性，以便最大限度减小材料内部缺陷；掺入钢纤维，增加韧性；使用高效减水剂，降低水胶比和孔隙率；高温养护，促进胶凝材料的水化速度和水化程度等。超高性能混凝土是具有超高强度，其抗压强度在150～300Mpa之间，同时具有高韧性、高耐久性、高阻裂性、收缩徐变小和体积稳定性良好等优良特性。
高强钢筋在我国的代表是400MPa、500MPa级热轧带肋钢筋，具有强度高、延伸性好、可焊性和可塑性好、强度价格比高、安全储备大、抗震性好等优点，同ECC材料配合使用可充分发挥其性能，尤其适用于重载、大跨结构的梁柱构件。采用高强钢筋会带来良好的经济、社会效益，促进建筑业的科技进步，并可节约大量的能源、电力、运输和加工等费用，减少烟气、粉尘和污染物的排放，促进钢筋产品升级换代、减少资源消耗、推进技术进步，符合环保和可持续发展的理念，但由于推广力度不足、研究成果不成熟等原因在国内应用较少。
钢筋混凝土柱在面对重载、大跨结构时，具有如下缺陷：由于混凝土和钢筋的强度均较低，在高层、大跨结构中，荷载较大，只有依靠增大柱截面尺寸和配筋的方法提高其承载力，不仅造成材料的极大损耗，增加建筑成本和施工难度，而且严重压缩了可利用空间；混凝土材料抗拉强度低，在较低的荷载下受拉区已经开裂，且裂缝以较宽的主裂缝形式出现，裂缝过大不仅引起柱刚度降低，且内部钢筋容易锈蚀，承载力及耐久性降低，日后维护困难且维修成本大。若采用高强钢筋，则由于混凝土的极限压应变较小，当混凝土压碎时高强钢筋尚未屈服，无法充分发挥高强钢筋的作用，且造成构件延性严重不足，会出现无征兆的脆性破坏。
钢管混凝土柱，无论内部采用何种混凝土，包括UHPC材料，均可部分避免上述缺陷，但柱子所处的下部结构通常环境潮湿，不良介质较多，而钢管容易遭受腐蚀，一旦出现问题维修更换困难，且日常维护频繁，维护费用大。
发明内容
本发明的目的在于克服了钢筋混凝土及钢管混凝土柱构件的上述缺陷，提供了一种高强钢筋增强ECC-空心钢管UHPC组合柱构件。UHPC材料抗压强度可达150～300Mpa，加之钢管对其形成的环向约束，其抗压强度更可成倍增长，因此钢管UHPC具有极高的承载力。两种材料的延性均较好，空心构造则在增加构件抗弯能力、稳定性的同时节约了材料，并有利于UHPC材料的高温养护；至于钢管的抗腐蚀问题，则由包裹于其外的ECC材料加以保护；ECC材料内置高强钢筋，不仅进一步大幅增加了构件的承载力，充分发挥了几种高性能材料的优越性，而且ECC材料卓越的微细裂缝分散能力保证了构件产生的裂缝为无害裂缝，外部不良介质较难侵入构件内部，钢管和高强钢筋不会发生锈蚀，构件的耐久性拥有可靠的保证，因此后期维护费用大幅降低，生命周期得以大幅提高。另外该构件具有良好的延性、抗疲劳性和抗震性能等优点。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
本发明包括ECC材料1、浇筑在ECC材料内的钢筋骨架、钢管4、浇注于钢管内壁的UHPC材料5以及空腔6；所述的钢筋骨架由纵向钢筋2和箍筋3组成，箍筋3置于纵向钢筋2的外侧，形成限制纵向钢筋2位移的封闭环形；构件中间留有空腔6；所述的纵向钢筋2及箍筋3均采用高强钢筋。
所述的高强钢筋是指屈服强度500MPa及以上的钢筋；
所述的ECC材料1为超高韧性纤维增强水泥基复合材料；
所述的UHPC材料5为抗压强度150Mpa及以上掺入或不掺入钢纤维的超高性能混凝土；
所述的钢管4的截面形状为圆形，其沿长度方向是等截面或变截面直管；
所述的空腔6采用采用圆形截面，与钢管4同轴布置，且其截面沿柱长度变化趋势同钢管4相一致；
所述构件的外截面形状包括圆形、矩形及多边形。
本发明的制作步骤如下：
1)对钢管进行选型制作；
2)采用离心成型工艺将UHPC材料浇注在钢管内表面；
3)成型后倒出钢管中多余的料浆，在90℃、相对湿度90％的环境中蒸汽养护48小时；
4)将养护好的钢管UHPC在工程结构中安装到位；
5)在安装好的钢管UHPC***绑扎钢筋骨架，并按施工图组装外模板到位；
6)浇注ECC材料，并养护至规定时间，然后拆除外模板。
高强钢筋增强ECC-空心钢管UHPC组合柱构件不仅整合了ECC材料、高强钢筋和空心钢管UHPC的优点，使得各自的优点得以充分发挥，并有效解决了常规构件耐久性较差的问题，主要有以下优点：
钢管和UHPC组合使得UHPC材料的高抗压强度在柱构件中得以充分发挥，钢管的环向约束更是使得构件的承载力得以成倍增长；
空心构造提高了构件的抗弯刚度，增加了构件受压稳定性；有利于离心成型工艺的使用，避免了直接浇注时可能产生的蜂窝缺陷，有利于UHPC材料的高温养护，使得构件的预制质量有着良好的保障；
ECC材料和高强钢筋进一步增强了构件的承载力，提高了构件的延性，使构件的耐久性得到了良好的保证；
施工时可先利用安装好的预制空心钢管UHPC做承力构件进行上部结构的施工，钢管***的ECC材料和钢筋骨架可以后期浇注，也可与上部结构平行施工，有利于加快施工速度，缩短建设周期；
另外该构件具有良好的延性、抗震性和抗疲劳性；
附图说明
图1为圆形高强钢筋增强ECC-空心钢管UHPC组合柱构件横截面示意图；
图2为矩形高强钢筋增强ECC-空心钢管UHPC组合柱构件横截面示意图；
图3为六边形高强钢筋增强ECC-空心钢管UHPC组合柱构件横截面示意图；；
图中：1、ECC材料，  2、纵向钢筋，3、箍筋，4、钢管，5、UHPC材料，6、空腔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图所示，构件的制作过程如下：
首先对钢管1进行选型并制作，然后采用离心成型工艺将UHPC材料5浇注在钢管1内表面，成型后倒出钢管1中多余的料浆，在90℃、相对湿度90％的环境中蒸汽养护48小时后储存备用；工程施工时将预制好的空心钢管UHPC按施工图纸安装就位，然后在其***按图纸要求绑扎钢筋，并组装外模板，浇注ECC材料1，养护至规定时间后拆除外模板。
需要说明的是，预制的空心钢管UHPC安装就位后可以作为承力构件进行上部结构的施工，钢筋骨架和ECC材料可在后期或与上部结构平行施工。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种高强钢筋增强ECC-空心钢管UHPC组合柱构件及制作方法，其特征在于：包括ECC材料(1)、浇筑在ECC材料内的钢筋骨架、钢管(4)、浇注于钢管内壁的UHPC材料(5)以及空腔(6)；所述的钢筋骨架由纵向钢筋(2)和箍筋(3)组成，箍筋(3)置于纵向钢筋(2)的外侧，形成限制纵向钢筋(2)位移的封闭环形；构件中间留有空腔(6)；所述的纵向钢筋(2)及箍筋(3)均采用高强钢筋；
所述的高强钢筋是指屈服强度500MPa及以上的钢筋；
所述的UHPC材料(5)为抗压强度150Mpa及以上掺入或不掺入钢纤维的超高性能混凝土。
2.根据权利要求1所述的一种高强钢筋增强ECC-空心钢管UHPC组合柱构件及制作方法，其特征在于：所述的钢管(4)的截面形状为圆形，其沿长度方向是等截面或变截面直管。
3.根据权利要求1所述的一种高强钢筋增强ECC-空心钢管UHPC组合柱构件及制作方法，其特征在于：所述的空腔(6)采用采用圆形截面，与钢管(4)同轴布置，且其截面沿柱长度变化趋势同钢管(4)相一致。
4.根据权利要求1所述的一种高强钢筋增强ECC-空心钢管UHPC组合柱构件及制作方法，其特征在于：所述构件的外截面形状包括圆形、矩形及多边形。
5.根据权利要求1所述的一种高强钢筋增强ECC-空心钢管UHPC组合柱构件及制作方法，其特征在于：空心钢管UHPC部分采用离心工艺预制成型，外包ECC和钢筋骨架部分现场施工成型。 
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