CN114033101B - 一种全frp筋增强海水海砂混凝土高延性梁及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于结构工程领域,并具体公开了一种全FRP筋增强海水海砂混凝土高延性梁及其应用,包括FRP纵向受拉筋、FRP架立筋、FRP螺旋筋和FRP箍筋,FRP纵向受拉筋、FRP架立筋、FRP螺旋筋沿梁纵轴方向布置,FRP螺旋筋位于FRP纵向受拉筋和FRP架立筋之间;FRP箍筋与FRP纵向受拉筋垂直,并沿梁纵轴方向布置,FRP箍筋与FRP纵向受拉筋、FRP架立筋、FRP螺旋筋绑扎成整体,共同形成FRP筋骨架,FRP螺旋筋位于FRP筋骨架上部,FRP筋骨架内由海水海砂混凝土填充浇筑。本发明能够在梁顶部受压侧混凝土有效形成压缩屈服塑性铰,提高混凝土梁的抗弯性能和延性,同时避免传统混凝土结构的钢筋腐蚀。
Description
技术领域
本发明属于结构工程领域,更具体地,涉及一种全FRP筋增强海水海砂混凝土高延性梁及其应用。
背景技术
近年来,储量丰富的海砂资源作为混凝土的替代资源得到了应用和推广,但是海砂中氯离子含量过高如不经处理而直接应用于混凝土结构中,会引发钢筋的过早腐蚀,严重影响结构的安全性和使用寿命。为了去除海砂中的氯离子等杂质,需使用专业设备进行淡化处理,增加海砂使用成本的同时,也会消耗大量的淡水资源。因此,如果能够利用海砂替代传统河砂、海水作为建筑用水制备出可以抵抗海水海砂腐蚀且符合使用要求的建筑材料,将产生巨大的经济效益并能实现河砂资源的可持续利用。
针对海水海砂氯离子含量过高以及混凝土结构的钢筋锈蚀问题,新材料和新型结构在基础设施建设上的研究与应用引起了国内外的广泛关注。其中,纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,简称FRP)由于具有耐腐、轻质、高强和施工便捷等优点,其在土木工程中的应用己成为了一个研究热点。因此,将具有优越耐久性的FRP材料代替钢筋运用于沿海/海洋基础设施的建设,不仅可以提升结构的耐久性,还可以采用丰富的海砂海水资源作为建筑材料制造混凝土。然而,FRP筋作为完全线弹性的脆性材料,具有较低的弹性模量,没有类似于钢筋的屈服平台,使得传统的FRP筋增强混凝土受弯构件(如梁)的延性远低于钢筋混凝土受弯构件,会产生相对较大的裂缝、挠度,呈现出脆性破坏,严重限制了FRP筋混凝土结构在土木工程中的应用。
针对传统的FRP筋混凝土梁构件在受力破坏过程中不具备延性或者延性较差的问题,相关研究者提出了多种纤维混合筋、FRP-钢组合筋以及预制的受压区延性块等解决方案,但也存在一定的局限性。因此,探索和研究一种环境友好、资源节约且能有效提高FRP筋混凝土受弯梁构件的延性性能的方法,具有显著的工程价值和研究意义。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种全FRP筋增强海水海砂混凝土高延性梁及其应用,其目的在于,提高FRP筋混凝土受弯梁构件的延性性能,同时有效增强混凝土梁的极限承载力和抗剪强度。
为实现上述目的,按照本发明的一方面,提出了一种全FRP筋增强海水海砂混凝土高延性梁,包括FRP纵向受拉筋、FRP架立筋、FRP螺旋筋和FRP箍筋,其中:
所述FRP纵向受拉筋、FRP架立筋、FRP螺旋筋均沿梁纵轴方向布置,且所述FRP螺旋筋位于所述FRP纵向受拉筋和FRP架立筋之间;所述FRP箍筋与所述FRP纵向受拉筋垂直,并沿梁纵轴方向布置,该FRP箍筋与所述FRP纵向受拉筋、FRP架立筋、FRP螺旋筋绑扎成整体,共同形成FRP筋骨架,所述FRP螺旋筋位于FRP筋骨架上部;所述FRP筋骨架内由混凝土填充浇筑。
作为进一步优选的,所述FRP螺旋筋在梁中部L/3段受压区采取密螺旋间距配置,在梁两侧段受压区采取2~4倍密螺旋间距配置,L为梁净跨长。
作为进一步优选的,所述FRP螺旋筋为一根或多根。
作为进一步优选的,采用两根不同螺旋直径的FRP螺旋筋同心套设,或两根相同螺旋直径的FRP螺旋筋交叉重叠并排布置。
作为进一步优选的,所述FRP螺旋筋位于所述FRP筋骨架上部3/5空间范围内。
作为进一步优选的,所述海水海砂混凝土采用水泥、海水、海砂及碎石或珊瑚配置而成。
作为进一步优选的,所述FRP纵向受拉筋、FRP架立筋、FRP箍筋和FRP螺旋筋为碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料、芳纶纤维增强复合材料或玄武岩纤维增强复合材料的一种或几种组合。
按照本发明的另一方面,提供了一种全FRP筋增强海水海砂混凝土高延性梁的应用,将FRP筋增强高延性梁用于海水海砂混凝土结构、海洋环境下或要求电磁隔离的结构中。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,主要具备以下的技术优点:
1.与常规FRP筋混凝土梁相比,本发明通过采用FRP螺旋筋对梁受压区混凝土进行有力约束,在受压区域形成具有良好变形能力的压缩屈服塑性铰,使梁从突然发生的脆性破坏转变为一种有征兆的延性破坏过程,此受力机制为结构失效提供了安全预警,增加了安全储备。此外,FRP螺旋筋的约束作用大大提高了受压区混凝土极限压应变和抵抗变形能力,在提升梁延性能力的同时,有效增强了混凝土梁的极限承载力和抗剪强度,并能延缓斜裂缝的发展。
2.本发明混凝土梁为全FRP筋骨架构件,可以充分发挥FRP筋轻质高强和耐腐蚀性特点,解决了传统混凝土结构钢筋锈蚀的风险,提高了梁的耐久性,用于沿海工程或岛礁工程效果更突出;同时,由于本发明混凝土梁不采用钢材,FRP筋材的非导电性和非磁性同样适用于有着抗电磁干扰等特殊功能要求的建筑物中。
3.本发明将FRP螺旋筋构件固定于FRP筋骨架的上部空间、混凝土梁的顶部受压区域,且在梁中部L/3(L为梁净跨长)段进行密螺旋间距配置,另外两侧段则采取相对稀疏的2~4倍密螺旋间距配置,此构造机制在保证梁跨中在较强约束下形成有效塑性铰进而提高延性的同时,又增强了梁其他区域的延性和抗剪承载力等力学性能,且大大减少了梁全部采取密间距布置FRP螺旋筋的材料用量。
4.本发明采用两根不同螺旋直径的FRP螺旋筋同心套设,或两根相同螺旋直径的FRP螺旋筋交叉重叠并排布置,可以进一步增强FRP螺旋筋对梁跨中混凝土的约束效果,并能避免单根FRP螺旋筋布置时由于过密间距而导致混凝土浇筑不密实或浇筑工艺难度大的问题。
5.本发明采用环境友好、储量丰富的海水海砂代替传统的淡水河砂作为混凝土的集料,尤其适用于沿海工程,便于就地取材,造价低廉,并能够大大缓解淡水、河砂资源日趋紧缺的问题,绿色节约、经济环保,实现了基础设施建设的资源利用可持续。
附图说明
图1为本发明实施例全FRP筋增强海水海砂混凝土高延性梁(单根FRP螺旋筋)结构横截面示意图;
图2为本发明实施例全FRP筋增强海水海砂混凝土高延性梁(单根FRP螺旋筋)结构纵截面示意图;
图3为本发明实施例全FRP筋增强海水海砂混凝土高延性梁(单根FRP螺旋筋)三维透视示意图;
图4为本发明实施例全FRP筋增强海水海砂混凝土高延性梁(两根同心不同螺旋直径的FRP螺旋筋)结构横截面示意图;
图5为本发明实施例全FRP筋增强海水海砂混凝土高延性梁(两根同心不同螺旋直径的FRP螺旋筋)三维透视示意图;
图6为本发明实施例全FRP筋增强海水海砂混凝土高延性梁(两根同螺旋直径、交叉重叠并排布置的FRP螺旋筋)结构横截面示意图;
图7为本发明实施例全FRP筋增强海水海砂混凝土高延性梁(两根同螺旋直径、交叉重叠并排布置的FRP螺旋筋)三维透视示意图。
在所有附图中,相同的附图标记用来表示相同的元件或结构,其中:1-FRP纵向受拉筋,2-FRP箍筋,3-FRP螺旋筋,4-混凝土,5-FRP架立筋。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。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。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明基于“压缩屈服”的理念,通过采用FRP螺旋筋约束梁受压区混凝土来提高受压区混凝土的变形能力,提出一种FRP螺旋筋增强的新型延性混凝土梁结构,其作用机理是确保混凝土梁受压侧混凝土的塑性铰区域能够有效形成截面转动的塑性变形,具有屈服平台,并同时避免受拉区FRP筋材突然发生断裂破坏或应力持续增长,进而使混凝土梁从受压侧获得延性,同时也有效增强了混凝土梁的极限承载力和抗剪强度。
根据上述压缩屈服塑性铰理念,本发明提供了一种全FRP筋增强海水海砂混凝土高延性梁,包括内嵌于梁体中的FRP筋骨架和海水海砂混凝土,其中:
所述FRP筋骨架包括绑扎在一起的FRP纵向受拉筋1、FRP架立筋5、FRP螺旋筋3和FRP箍筋2,其中,FRP纵向受拉筋1、FRP螺旋筋3、FRP架立筋5沿着梁轴线方向布置;所述FRP箍筋2与所述FRP纵向受拉筋1垂直,并按照一定间距沿梁纵轴方向布置,用来固定FRP纵向受拉筋1和FRP架立筋5,并与FRP螺旋筋3共同提高梁斜截面的抗剪承载力,有效延缓、抑制斜裂缝的发展;且FRP螺旋筋3固定于FRP筋骨架的上部空间、混凝土梁的顶部受压区域;采用海水海砂混凝土浇筑固化FRP纵向受拉筋1、FRP箍筋2、FRP架立筋5及FRP螺旋筋3为一体。
具体的,采用的海水海砂混凝土是解决传统混凝土结构钢筋锈蚀难题以及资源集约化使用海水海砂资源的最佳实施例,所述海水海砂混凝土同样可以为普通混凝土、超高性能混凝土或纤维混凝土。优选的,所述海水海砂混凝土采用水泥、海水、海砂及碎石或珊瑚配置。
具体的,所述FRP纵向受拉筋、FRP箍筋、FRP架立筋及FRP螺旋筋的材料为碳纤维增强复合材料(CFRP)、玻璃纤维增强复合材料(GFRP)、芳纶纤维增强复合材料(AFRP)或玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)的一种或几种组合,也可以为其他种类纤维制成的FRP材料。优选的,选择GFRP材料,因为GFRP材料性能优异,成本较低,应用较为广泛,可有效提升海水海砂混凝土梁的延性和适用性。
进一步的,所述FRP螺旋筋布置于FRP骨架空间内部、混凝土梁顶部受压区域,即大致位于FRP筋骨架上部3/5空间范围内;且在梁中部L/3(L为梁净跨长)段受压区进行密螺旋间距配置,在梁两侧段受压区采取2~4倍密螺旋间距进行配置;
进一步的,所述FRP螺旋筋进行组合构造时,其尺寸参数、构件数量和相互位置关系可根据简支梁尺寸大小以及设计需求等进行适当调整。
上述全FRP筋增强海水海砂混凝土高延性梁的制备方法如下:
步骤S1:依据混凝土梁构件尺寸制作混凝土浇筑模板;
步骤S2:依据结构施工图绑扎FRP纵向受拉筋、FRP构造筋、FRP箍筋和FRP螺旋筋得到FRP筋骨架,其中FRP螺旋筋固定于骨架上部区域(FRP架立筋一侧);绑扎FRP螺旋筋时需保证中部L/3(L为梁净跨长)段密螺旋间距配置,其它区域采取2~4倍的密螺旋间距配置;简支梁两端预埋吊钩,方便后期起吊运输;
步骤S3:在浇筑模板内侧涂覆一层脱模剂,然后将绑扎好的FRP筋骨架固定于模板中,确保FRP筋骨架在混凝土浇筑过程中不发生错位移动;浇筑海水海砂混凝土充满整个模具并用振动棒振捣成型,然后抹平收光混凝土表面;
步骤S4:将构件置于室温下进行常温养护,在混凝土梁上覆盖土工布或草帘并洒水,再用塑料布或保水薄膜覆盖,防止水分蒸发;养护7天后拆除模板,拆模后只覆盖土工布或者草帘,定期洒水养护28天。
本发明提供了一种新型FRP螺旋筋增强海水海砂高延性混凝土梁受弯结构,能够有效解决传统混凝土结构钢筋锈蚀问题,克服常规FRP筋混凝土梁延性差缺陷以及资源集约化使用海水海砂资源,提高了结构的延性、耐久性、抗剪强度以及极限承载能力,很好保证了结构安全性和可持续性;所述的混凝土延性受弯梁结构尤其适用于沿海工程、海水海砂混凝土结构以及需要电磁隔离的结构中,具有长远的经济效应和广阔的应用前景。
以下为具体实施例:
实施例1
如图1至图3所示,全FRP筋增强海水海砂混凝土高延性梁尺寸为:220mmX400mmX2500mm,净跨长L为2100mm,保护层厚度为20mm,其配置3根直径26mm的GFRP纵向受拉筋1、2根直径12mm的GFRP架立筋5和高360mm、宽180mm、间距80mm的FRP矩形箍筋2,以及1根沿梁轴线方向布置的筋直径10mm、螺旋直径160mm的FRP螺旋筋3,且其在梁中部L/3段采用40mm的密螺旋间距配置,其它区域采取80mm的螺旋间距配置。按照设计要求将各种类型的FRP筋绑扎成FRP筋骨架,其中单根FRP螺旋筋3居中置于FRP骨架上侧(FRP架立筋5侧),然后将绑扎好的FRP骨架放入模具内,底边与侧边均留出20mm的保护层厚度,并固定牢靠,防止在搬运、混凝土浇筑等过程中发生移动偏位;随后配置并浇筑C30等级的海水海砂混凝土4,形成新型全FRP筋增强海水海砂混凝土高延性梁。
实施例2
如图4和图5所示,全FRP筋增强海水海砂混凝土高延性梁尺寸为:220mmX400mmX2500mm,净跨长L为2100mm,保护层厚度为20mm,其配置3根直径26mm的GFRP纵向受拉筋1、2根直径12mm的GFRP架立筋5和高360mm、宽180mm、间距80mm的FRP矩形箍筋2,以及2根沿梁轴线方向同心布置的直径10mm、螺旋直径分别为160mm、100mm的FRP螺旋筋3,且其均在梁中部L/3段采用50mm的密螺旋间距配置,其它区域采取100mm的螺旋间距配置。按照设计要求将各种类型的FRP筋绑扎成FRP筋骨架,其中2根同心不同螺旋直径的FRP螺旋筋3居中置于FRP骨架上侧(FRP架立筋5侧),然后将绑扎好的FRP骨架放入模具内,底边与侧边均留出20mm的保护层厚度,并固定牢靠,防止在搬运、混凝土浇筑等过程中发生移动偏位;随后配置并浇筑C30等级的海水海砂混凝土4,形成新型全FRP筋增强海水海砂混凝土高延性梁。
实施例3
如图6和图7所示,全FRP筋增强海水海砂混凝土高延性梁尺寸为:220mmX400mmX2500mm,净跨长L为2100mm,保护层厚度为20mm,其配置3根直径26mm的GFRP纵向受拉筋1、2根直径12mm的GFRP架立筋5和高360mm、宽180mm、间距80mm的FRP矩形箍筋2,以及2根沿梁轴线方向并排交叉重叠布置的直径10mm、螺旋直径100mm的FRP螺旋筋3,且其均在梁中部L/3段采用50mm的密螺旋间距配置,其它区域采取100mm的螺旋间距配置。按照设计要求将各种类型的FRP筋绑扎成FRP筋骨架,其中2根同螺旋直径、交叉重叠并排布置的FRP螺旋筋3居中置于FRP骨架上侧(FRP架立筋5侧),然后将绑扎好的FRP骨架放入模具内,底边与侧边均留出20mm的保护层厚度,并固定牢靠,防止在搬运、混凝土浇筑等过程中发生移动偏位;随后配置并浇筑C30等级的海水海砂混凝土4,形成新型全FRP筋增强海水海砂混凝土高延性梁。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种全FRP筋增强海水海砂混凝土高延性梁,其特征在于,包括FRP纵向受拉筋(1)、FRP架立筋(5)、FRP螺旋筋(3)和FRP箍筋(2),其中:
所述FRP纵向受拉筋(1)、FRP架立筋(5)、FRP螺旋筋(3)均沿梁纵轴方向布置,且所述FRP螺旋筋(3)位于所述FRP纵向受拉筋(1)和FRP架立筋(5)之间;所述FRP箍筋(2)与所述FRP纵向受拉筋(1)垂直,并沿梁纵轴方向布置,该FRP箍筋(2)与所述FRP纵向受拉筋(1)、FRP架立筋(5)、FRP螺旋筋(3)绑扎成整体,共同形成FRP筋骨架,所述FRP螺旋筋(3)位于FRP筋骨架上部;所述FRP筋骨架内由海水海砂混凝土填充浇筑;
所述FRP螺旋筋(3)在梁中部L/3段受压区采取密螺旋间距配置,在梁两侧段受压区采取2~4倍密螺旋间距配置,L为梁净跨长;
采用两根不同螺旋直径的FRP螺旋筋(3)同心套设,或两根相同螺旋直径的FRP螺旋筋(3)交叉重叠并排布置;所述FRP螺旋筋(3)位于所述FRP筋骨架上部3/5空间范围内。
2.如权利要求1所述的全FRP筋增强海水海砂混凝土高延性梁,其特征在于,所述海水海砂混凝土采用水泥、海水、海砂及碎石或珊瑚配置而成。
3.如权利要求1或2所述的全FRP筋增强海水海砂混凝土高延性梁,其特征在于,所述FRP纵向受拉筋(1)、FRP架立筋(5)、FRP箍筋(2)和FRP螺旋筋(3)为碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料、芳纶纤维增强复合材料或玄武岩纤维增强复合材料的一种或几种组合。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的全FRP筋增强海水海砂混凝土高延性梁的应用,其特征在于,将FRP筋增强高延性梁用于海水海砂混凝土结构、海洋环境下或要求电磁隔离的结构中。
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