CN106592869A - 一种竹复合管－钢管内外约束混凝土组合结构 - Google Patents

一种竹复合管－钢管内外约束混凝土组合结构 Download PDF

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Abstract

一种竹复合管‑钢管内外约束混凝土组合结构，其特征在于，其截面由外向内依次为竹复合管(1)、夹层混凝土(2)和内钢管(3)构成，竹复合管(1)由内至外依次包括隔离层(11)、竹纤维增强复合层(12)和外防护层(13)，竹纤维增强复合层(12)由1层及1层以上的浸渍树脂胶的竹材纤维连续均匀缠绕在隔离层(11)外壁固化而成，竹材纤维的纤维方向与竹复合管(1)环向呈‑45°～45°，外防护层(13)涂覆在竹纤维增强复合层(12)的外表面，内钢管(3)位于截面内部，夹层混凝土(2)填充于竹复合管(1)与内钢管(3)之间，内钢管(3)的内部空心。该结构承载力高、刚度好，延性好，抗震性能优良，具有良好的施工性能与耐久性能，截面惯性矩大，混凝土用量节省，工程造价经济，并且充分利用了我国可持续发展的竹子资源，最大限度地发挥了竹材韧性好、纵向拉伸强度高的材性优势。

Description

一种竹复合管-钢管内外约束混凝土组合结构
技术领域
本发明属于土木建筑结构技术领域，具体涉及一种混凝土组合结构，尤其是一种竹复合管-钢管内外约束混凝土组合结构。
背景技术
钢管混凝土结构是由混凝土填入钢管内而形成的一种新型组合结构。由于钢管混凝土结构能够更有效地发挥钢材和混凝土两种材料各自的优点，可使混凝土在结构中处于三向受压状态，其抗压强度可成倍提高，同时克服了钢管结构容易发生局部屈曲的缺点，工程应用日益广泛。实心钢管混凝土通常被用于轴心受压或荷载偏心较小的压弯构件。然而，当构件长细比或荷载偏心率较大时，其承载力很大程度上将由其抗弯刚度控制，此时实心钢管混凝土靠近截面形心部位的材料并不能提供多少抗弯刚度，但却增加了构件的自重，同时构件截面也较大，使得建筑物和构筑物的有效使用空间减少。
针对以上钢管混凝土结构的缺点与不足，一些新的结构形式被开发利用。如中国专利第“200910248425.3”号，公开了一种“圆截面钢-混凝土-FRP实心组合柱”，该结构外层为钢管，内层为纤维管，于两管之间和FRP管内均填充有混凝土，该结构虽然具有钢管混凝土和纤维管混凝土的一些共同优点，但该结构钢管处于结构外壁，其耐腐蚀性和防火性能差，且纤维管内实心，增加了混凝土用量，在大尺寸结构构件的应用方面不能满足经济性要求。又如中国专利第“200710191092.6”号，公开了一种“钢管-FRP管内填混凝土组合结构”，该结构由外侧壁的钢管，内侧壁的FRP管，以及两者之间填充的混凝土而形成的空心管柱，该发明具有良好的结构受力性能和抗震性能，能减小结构自重和提高结构的抗弯刚度，但是由于该结构钢管处于外壁，在长期自然因素条件下，钢管容易发生锈蚀损坏，导致结构承载能力降低，并且该结构中的FRP管采用主要原料为高能耗的纤维，树脂为石油化工合成制品，产品及废料不可回收、不环保，因此使用这类传统管材，消耗着大量的矿产资源、且高能耗高排放、资源不可再生。
发明内容
本发明的目的是提供一种竹复合管-钢管内外约束混凝土组合结构，该结构承载力高、刚度好，延性好，抗震性能优良，具有良好的耐腐蚀性能，截面惯性矩大，混凝土用量节省，工程造价经济，尤其适合恶劣环境下的大尺寸结构构件。
一种竹复合管-钢管内外约束混凝土组合结构，其特征在于，其截面由外向内依次为竹复合管、夹层混凝土和内钢管构成，竹复合管由内至外依次包括隔离层、竹纤维增强复合层和外防护层，其中，隔离层由竹纤维毡、玻璃纤维毡、玄武岩纤维毡或竹纤维无纺布浸渍树脂胶连续均匀缠绕固化而成，竹纤维增强复合层由1层及1层以上的浸渍树脂胶的竹材纤维连续均匀缠绕在隔离层外壁固化而成，竹材纤维的纤维方向与竹复合管环向呈-45°～45°，外防护层涂覆在竹纤维增强复合层的外表面，内钢管位于截面内部，夹层混凝土填充于竹复合管与内钢管之间，内钢管的内部空心。
在本发明结构中，竹复合管、内钢管分别为夹层混凝土浇筑提供外侧和内侧模板，并承担施工过程中的竖向荷载，在结构使用阶段，竹复合管及外防护层为内部混凝土防止碳化及碱骨料反应提供保护，替代了传统的其它管材，减少环境污染，节约资源，同时，内部钢管与外部竹复合管分别为夹层混凝土提供内、外部约束，使得夹层混凝土处于围压状态，夹层混凝土的承载力、变形能力得到有利提升，夹层内夹层混凝土的存在阻止了竹复合管和内钢管的局部屈曲，提高其稳定性，内钢管的内部空心降低了混凝土用量，增大了截面的惯性矩，使其应用于大荷载情况成为可能。
所述的竹材纤维的含水率为6％～12％，其为原竹、竹材集成材、竹材层积材或竹材重组材经加工而成。
所述的竹复合管和内钢管可以分别为圆形截面、椭圆形截面、矩形截面、倒角矩形截面或圆端形截面中的一种，内钢管的内部可间隔设置钢板加劲肋。
所述的夹层混凝土内部可以根据需要布置纵向钢筋和箍筋。
所述的树脂胶是酚醛树脂、环氧树脂、乙烯基树脂、聚氨酯树脂中的一种。
所述的外防护层采用水泥基复合材料、树脂基复合材料、沥青基复合材料中的一种，外防护层直接涂覆固化在所述竹纤维增强复合层的外表面，提高结构的耐久性。
所述的夹层混凝土为自密实微膨胀混凝土，膨胀率为0.01％～0.04％。
本发明所使用的竹复合管充分地利用了我国可持续发展的竹子资源，将传统竹材利用在现代土木工程结构领域。本发明克服了公知的钢管混凝土结构、FRP管混凝土结构所存在的缺陷，具有如下有益效果：
(1)内部钢管与外部钢管分别为夹层混凝土提供内、外部约束，使得夹层混凝土处于围压状态，夹层混凝土的承载力、变形能力得到有利提升；夹层内夹层混凝土的存在阻止了竹复合管和内钢管的局部屈曲，提高了竹复合管和内钢管稳定性。多种材料的组合产出有益的组合效益。
(2)竹复合管、内钢管分别为夹层混凝土浇筑提供外侧和内侧模板，并承担施工过程中的竖向荷载，减少了结构成本，加快了施工速度。
(3)内钢管提供结构的抗弯承载力，内部空心可有效扩大截面尺寸，提高其抗弯刚度，节省材料，降低工程造价。
(4)外部的竹复合管及外防护层，解决了结构腐蚀及特殊不利环境下的工作问题，避免内部混凝土碳化及碱骨料反应。
(5)竹材的使用，替代了传统的钢材、FRP材料，最大限度地发挥竹材韧性好、纵向拉伸强度高的材性优势，竹材具有低碳、环保、节能、资源可再生等方面的优势，符合“资源节约型”、“环境友好型”的国家政策要求。
附图说明：
图1是竹复合管、内钢管均为圆形截面的一种竹复合管-钢管内外约束混凝土组合结构的截面构造示意图；
图2是竹复合管、内钢管均为圆端形截面的一种竹复合管-钢管内外约束混凝土组合结构的截面构造示意图；
图3是竹复合管为圆形截面、内钢管为矩形截面的一种竹复合管-钢管内外约束混凝土组合结构的截面构造示意图；
图4是竹复合管为倒角矩形截面、内钢管为圆形截面的一种竹复合管-钢管内外约束混凝土组合结构的截面构造示意图；
图5是竹复合管为倒角矩形截面、内钢管为矩形截面的一种竹复合管-钢管内外约束混凝土组合结构的截面构造示意图；
图6是竹复合管、内钢管均为倒角矩形截面的一种竹复合管-钢管内外约束混凝土组合结构的截面构造示意图；
在附图1～附图6中，1为竹复合管；2为夹层混凝土；3为内钢管；11为隔离层；12为竹纤维增强复合层；13为外防护层。
具体实施方式：
为了对本发明的技术特征、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。本发明提供一种竹复合管-钢管内外约束混凝土组合结构，其特征在于，其截面由外向内依次为竹复合管1、夹层混凝土2和内钢管3构成，竹复合管1由内至外依次包括隔离层11、竹纤维增强复合层12和外防护层13，其中，隔离层11由竹纤维毡、玻璃纤维毡、玄武岩纤维毡或竹纤维无纺布浸渍树脂胶连续均匀缠绕固化而成，竹纤维增强复合层12由1层及1层以上的浸渍树脂胶的竹材纤维连续均匀缠绕在隔离层11外壁固化而成，竹材纤维的纤维方向与竹复合管1环向呈-45°～45°，外防护层13涂覆在竹纤维增强复合层12的外表面，内钢管3位于截面内部，夹层混凝土2填充于竹复合管1与内钢管3之间，内钢管3的内部空心。
所述的竹材纤维的含水率为6％～12％，其为原竹、竹材集成材、竹材层积材或竹材重组材经加工而成。
所述的竹复合管1和内钢管3可以分别为圆形截面、椭圆形截面、矩形截面、倒角矩形截面或圆端形截面中的一种，内钢管3的内部可间隔设置钢板加劲肋。
所述的夹层混凝土2内部可以根据需要布置纵向钢筋和箍筋。
所述的树脂胶是酚醛树脂、环氧树脂、乙烯基树脂、聚氨酯树脂中的一种。
所述的外防护层13采用水泥基复合材料、树脂基复合材料、沥青基复合材料中的一种。
所述的夹层混凝土2为自密实微膨胀混凝土，膨胀率为0.01％～0.04％。
具体实施中，先按预定截面形状与尺寸加工竹复合管1和内钢管3，竹复合管1由内至外依次包括隔离层11、竹纤维增强复合层12和外防护层13。
隔离层11的制备是在经抛光的直管模具上包裹一层脱模薄膜，然后用粘附有树脂的竹纤维毡、玻璃纤维毡、玄武岩纤维毡或竹纤维无纺布连续均匀缠绕至特定的厚度，由此形成隔离层11；竹纤维增强复合层12由1层及1层以上的浸渍树脂胶的竹材纤维连续均匀缠绕在隔离层11外壁固化而成，竹材纤维的纤维方向与竹复合管1环向呈-45°～45°，当所有缠绕操作完毕后，对竹纤维增强复合层12固化形成为管坯，随后，外防护层13可直接涂覆固化在竹纤维增强复合层12的外表面，外防护层13可采用水泥基复合材料、树脂基复合材料、沥青基复合材料中的一种；内钢管3可采用卷制焊接工艺制作成型，在竹复合管1和内钢管3制作完成后进行其现场安装固定，竹复合管1和内钢管3固定于基础，内钢管3位于竹复合管1截面内，其几何形心宜重合，最后，在竹复合管1和内钢管3之间浇筑夹层混凝土2，内钢管3内部空心，即形成一种竹复合管-钢管内外约束混凝土组合结构。根据需要，内钢管3的内部可间隔设置钢板加劲肋，钢板加劲肋周围与钢管内部焊接连接，钢板加劲肋宜采用中空环形形式，夹层混凝土2内部可以根据需要布置纵向钢筋和箍筋。
本发明中，竹复合管、钢管、夹层混凝土及空心截面的组合应用，充分利用了我国可持续发展的竹子资源，得到了一种经济、耐久、性能优良的新型结构。

Claims (7)

1.一种竹复合管-钢管内外约束混凝土组合结构，其特征在于，其截面由外向内依次为竹复合管(1)、夹层混凝土(2)和内钢管(3)构成，竹复合管(1)由内至外依次包括隔离层(11)、竹纤维增强复合层(12)和外防护层(13)，其中，隔离层(11)由竹纤维毡、玻璃纤维毡、玄武岩纤维毡或竹纤维无纺布浸渍树脂胶连续均匀缠绕固化而成，竹纤维增强复合层(12)由1层及1层以上的浸渍树脂胶的竹材纤维连续均匀缠绕在隔离层(11)外壁固化而成，竹材纤维的纤维方向与竹复合管(1)环向呈-45°～45°，外防护层(13)涂覆在竹纤维增强复合层(12)的外表面，内钢管(3)位于截面内部，夹层混凝土(2)填充于竹复合管(1)与内钢管(3)之间，内钢管(3)的内部空心。
2.根据权利要求1所述的一种竹复合管-钢管内外约束混凝土组合结构，其特征在于，竹材纤维的含水率为6％～12％，其为原竹、竹材集成材、竹材层积材或竹材重组材经加工而成。
3.根据权利要求1所述的一种竹复合管-钢管内外约束混凝土组合结构，其特征在于，竹复合管(1)和内钢管(3)可以分别为圆形截面、椭圆形截面、矩形截面、倒角矩形截面或圆端形截面中的一种，内钢管(3)的内部可间隔设置钢板加劲肋。
4.根据权利要求1所述的一种竹复合管-钢管内外约束混凝土组合结构，其特征在于，夹层混凝土(2)内部可以根据需要布置纵向钢筋和箍筋。
5.根据权利要求1所述的一种竹复合管-钢管内外约束混凝土组合结构，其特征在于，采用的树脂胶是酚醛树脂、环氧树脂、乙烯基树脂、聚氨酯树脂中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种竹复合管-钢管内外约束混凝土组合结构，其特征在于，外防护层(13)采用水泥基复合材料、树脂基复合材料、沥青基复合材料中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种竹复合管-钢管内外约束混凝土组合结构，其特征在于，夹层混凝土(2)为自密实微膨胀混凝土，膨胀率为0.01％～0.04％。
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