CN106836649A - 纤维布外包钢管内填珊瑚混凝土组合结构柱 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纤维布外包钢管内填珊瑚混凝土组合结构柱。本发明通过下述技术方案予以实现，由纤维布、钢管和珊瑚混凝土组成，所述钢管外缠绕纤维布，钢管内填珊瑚混凝土。本发明通过圆管的约束，提高珊瑚混凝土的强度；通过外管的密封，增强珊瑚混凝土的耐久性；通过FRP的外敷，加强钢管的耐蚀性；通过钢管的内衬，弥补FRP材料的易脆性。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型钢—混凝土组合结构构件，属于结构工程技术领域。
背景技术
就地采用珊瑚礁、砂配制珊瑚混凝土是远海岛礁工程建设的必然选择。虽然我国已将珊瑚混凝土成功应用于道路、护岸和防波堤等，现有见于公开的文献与研究成果中，采用珊瑚骨料配置混凝土的强度等级一般低于C30强度等级，因此珊瑚骨料混凝土尚未用于结构承载构件以实现结构化应用。当然，珊瑚混凝土结构化应用是否可行，以下关键问题亟待解决：一是受珊瑚集料强度的限制，混凝土难以达到较高的强度等级；二是受岛礁水源条件的制约，海水拌养将影响混凝土的耐久性；三是海水拌养的珊瑚混凝土中存在大量氯离子，极易对构件中的钢材产生腐蚀；四是岛礁工程受场地限制作业面狭小、受高温影响蒸发量大、受任务驱动工期要求急，采用支模浇筑和常规养护工艺施工较为困难。
发明内容
本发明的目的提出纤维增强聚合物复合材料(Fiber Reinforced Polymer；以下简称FRP)外包钢管珊瑚混凝土，即在钢管外缠绕FRP形成FRP-钢复合管，然后在管内填充海水拌养珊瑚混凝土，形成三种材料组合的圆柱状构件或矩形柱状构件，在建(构)筑物中作为纵向受压、横向受弯承载构件使用。
本发明纤维布外包钢管内填珊瑚混凝土组合结构柱，通过下述技术方案予以实现，由纤维布、钢管和珊瑚混凝土组成，所述钢管外缠绕纤维布，钢管内填珊瑚混凝土。
所述珊瑚混凝土由珊瑚砂、珊瑚石、水泥和海水混合而成，上述成分分别按每立方米320kg、1020kg、450kg、230kg进行配置(单一配比成分质量误差不超过1％)。
所述珊瑚砂筛分后的细度模数为2.8～3.0，表观密度介于1600～1700kg/m3；珊瑚石粒径小于20mm，其中粒径介于5mm～20mm的占总体积的2/3，粒径小于5mm的占总体积的1/3，筛分后的细度模数为2.6～2.8，表观密度介于1800～1900kg/m3。
所述纤维布为碳纤维(CFRP)、玄武岩纤维(BFRP)、玻璃纤维(GFRP)或芳纶纤维(AFRP)，纤维布沿钢管外壁环向粘贴，采用单一纤维布单层或双层包裹，或采用不同纤维布以层间混杂方式包裹。
所述钢管截面为圆形或方形。
本发明的有益效果是：一方面，通过圆管的约束，提高珊瑚混凝土的强度；通过外管的密封，增强珊瑚混凝土的耐久性；通过FRP的外敷，加强钢管的耐蚀性；通过钢管的内衬，弥补FRP材料的易脆性。另一方面，通过材料配比的优化设计，提高珊瑚混凝土抗压强度与材料延性，能更好的与钢管、外包FRP材料协同工作。
该构件形式应用有以下优越性能与使用结论：
(1)通过国内外对珊瑚混凝土与FRP外包钢管混凝土的研究现状分析，提出以珊瑚骨料混凝土内填圆钢管，并外包FRP布的新型组合结构构造型式，从而在适应岛礁特殊环境条件的基础上实现珊瑚混凝土的结构化应用，既具备研究和应用的必要性，又具备结构构造型式和技术路径的可行性。
(2)通过对珊瑚砂石与珊瑚混凝土物理力学基本性能的试验研究，一方面，得到了珊瑚砂石的基本物理性能参数，验证了以破碎珊瑚礁石作混凝土骨料的可行性；另一方面，得到了珊瑚混凝土基本力学性能指标，验证了采用远海岛礁现场破碎的珊瑚礁石作骨料，按一定级配制备的珊瑚混凝土，其强度等级能够达到普通混凝土C40等级以上，且材料延性又优于普通混凝土的结论的真实可靠性。认为以远海岛礁珊瑚骨料配制混凝土，各项力学性能指标均能满足结构基本承载构件的材料性能要求。
(3)通过对约束珊瑚混凝土套箍增强机理的研究，一方面，以珊瑚混凝土三向受压状态的力学性能分析为依据，认为约束珊瑚混凝土类似约束普通混凝土，不同套箍强度条件对核心混凝土轴压强度理论模型的取值条件有一定影响，并提出了约束珊瑚混凝土轴压强度与侧压应力间存在的线性与非线性函数表达式；另一方面，以材料力学性能和套箍强度比较试验结论为依据，认为经钢管套箍约束后，在轴压应力与核心混凝土侧压应力间的关系上，珊瑚混凝土与普通混凝土存在明显差异，并解析得到了套箍约束珊瑚混凝土侧压系数按常数取值的具体数值，为约束珊瑚混凝土套箍强度理论模型的应用提供了计算条件。
(4)通过对CFRP外包钢管珊瑚混凝土短柱的轴压承载试验研究，一方面，掌握了短柱轴压受力过程中的破坏形态与极限承载能力，认为与一般的CFRP钢管混凝土短柱受压构件类似，长径比较小的CFRP外包钢管珊瑚混凝土短柱构件，其轴压破坏形态具有材料强度破坏的典型特征，CFRP外包对短柱的承载强度有明显提升；另一方面，分析研究了短柱轴压应力与材料效应变化规律，认为钢管珊瑚混凝土受压构件采取外包CFRP布形式，要比增加钢管厚度，更能有效提高其轴压承载强度和构件延性性能，并且试验数据也表明CFRP布与钢管在构件的轴压受力过程中，变形协调的一致性较好。
(5)通过对CFRP外包钢管珊瑚混凝土中长柱轴压承载试验研究，得到了中长柱轴压受力过程中与短柱不同的破坏形态与材料效应的变化规律，一方面，认为中长柱构件的轴压破坏随长细比的增加，破坏形态逐渐从材料强度破坏向受压失稳破坏发展；另一方面，对长细比较大的细长构件外包CFRP布，能够明显减小其在轴压荷载作用下的侧向挠度位移，提高轴压稳定承载能力。
(6)通过对CFRP外包钢管珊瑚混凝土受压构件的轴压极限承载力进行理论解析研究，基于试验测试数据，采用极限平衡理论，解析得到了短柱轴压极限承载力解析式并进行简化，通过试验数据拟合得到了中长柱轴压极限承载力的计算公式，经过试验数据校核验证，认为理论解析式与简化公式的正确性与一致性较好，为构件的设计计算提供了理论依据。
(7)通过对CFRP外包钢管珊瑚混凝土柱轴压受力全过程进行非线性数值模拟分析研究，更深入地揭示了构件轴压力学行为的变化规律，以数值模拟结果对比试验与计算结果，数据吻合程度较好，进一步验证了试验结果与理论解析的正确性与一致性。
附图说明
图1是本发明结构示意图(以圆形截面为例)。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明由纤维布1、钢管2和珊瑚混凝土3组成，所述钢管外缠绕纤维布，钢管内填珊瑚混凝土。
珊瑚混凝土配制强度等级按C40普通混凝土强度等级设计配合比，材料正交试验配合比优化研究结论：珊瑚砂(细骨料)、珊瑚石(粗骨料)、水泥、海水量，分别按每立方米320kg、1020kg、450kg、230kg进行配置，(单一配比成分质量误差不超过1％)。水泥为42.5#硫酸盐水泥；珊瑚砂细骨料筛分后的细度模数为2.8～3.0，表观密度介于1600～1700kg/m3；珊瑚石粗骨料粒径小于20mm，其中粒径介于5mm～20mm的占总体积的2/3，粒径小于5mm的占总体积的1/3，筛分后的细度模数为2.6～2.8，表观密度介于1800～1900kg/m3。
验证试验所用海水可参考南海海域人工制备，其盐份比例如下：MgCl2：NaCl：CaCl2：Na2SO4：NaHCO3：KCl＝526.5：2216：108.2：386.1：20.7：74.5，单位为g/100L。按上述粗细骨料级配和混凝土配合比，制备得到的珊瑚混凝土，经测试其干表观密度值小于1950kg/m3，属于轻集料混凝土的表观密度范围。
本发明的制作过程如下：FRP-钢复合管在内陆工厂化制作，钢管分别为圆形、矩形(含方形)，可采用无缝钢管或卷制焊接钢管，对于矩形截面，钢管可采用钢板轧制焊接。FRP分别为碳纤维(CFRP)、玄武岩纤维(BFRP)、玻璃纤维(GFRP)和芳纶纤维(AFRP)，纤维布沿钢管外壁环向粘贴，既可采用单一纤维布单层或双层包裹，也可采用不同纤维布以层间混杂方式包裹。珊瑚混凝土以珊瑚礁碎块作粗骨料，珊瑚砂作细骨料，拌合用水为海水，在远海岛礁工程现场按所述的最优配合比进行配置、混合搅拌、浇筑并在管内密闭自然养护。
本发明与钢管混凝土结构和FRP筒内填充混凝土结构的受力原理有相似之处。不同点在于，本发明采用FRP布对钢管外包，管内填充材料延性更好的珊瑚骨料混凝土，一方面通过FRP布和钢管相互作用下，对管内珊瑚混凝土进行套箍约束，从而提高了组合构件的承载强度和构件延性性能，另一方面采用FRP外包和管内珊瑚混凝土内封，对钢管腐蚀路径进行封闭，从而提高了材料的耐蚀性和组合构件在腐蚀环境下的耐久性。为使三种材料均能充分发挥各自强度，对管内填充的珊瑚混凝土进行正交优化配合比设计试验，得到满足钢管混凝土所需具备的珊瑚混凝土强度与弹性模量等材料性能要求。其中，主要的立方体抗压强度指标大于C40强度等级，弹性模量均值为25×103N/mm2，一方面小于《混凝土结构设计规范(GB 50010-2010)》采用的C40混凝土弹性模量32.5×103N/mm2的数值(以标准立方体抗压强度标准值fcu,k测算得到)；另一方面，也小于C40普通砂石骨料混凝土的弹性模量试验实测值30×103～35×103(N/mm2)范围。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种纤维布外包钢管内填珊瑚混凝土组合结构柱，其特征是，由纤维布、钢管和珊瑚混凝土组成，所述钢管外缠绕纤维布，钢管内填珊瑚混凝土。
2.根据权利要求1所述的纤维布外包钢管内填珊瑚混凝土组合结构柱，其特征是，所述珊瑚混凝土由珊瑚砂、珊瑚石、水泥和海水混合而成，上述成分分别按每立方米320kg、1020kg、450kg、230kg进行配置，上述每种成分单一配比质量误差不超过1％。
3.根据权利要求2所述的纤维布外包钢管内填珊瑚混凝土组合结构柱，其特征是，所述珊瑚砂筛分后的细度模数为2.8～3.0，表观密度介于1600～1700kg/m3；珊瑚石粒径小于20mm，其中粒径介于5mm～20mm的占总体积的2/3，粒径小于5mm的占总体积的1/3，筛分后的细度模数为2.6～2.8，表观密度介于1800～1900kg/m3。
4.根据权利要求1所述的纤维布外包钢管内填珊瑚混凝土组合结构柱，其特征是，所述纤维布为碳纤维即CFRP、玄武岩纤维即BFRP、玻璃纤维即GFRP或即芳纶纤维AFRP，纤维布沿钢管外壁环向粘贴，采用单一纤维布单层或双层包裹，或采用不同纤维布以层间混杂方式包裹。
5.根据权利要求1所述的纤维布外包钢管内填珊瑚混凝土组合结构柱，其特征是，所述钢管截面为圆形或方形。
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