專利名稱：復合管混凝土組合結構的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種混凝土結構，尤其是一種復合管混凝土組合結構，屬于土木建筑結構技術領域。
背景技術：
多年來國內外學者對鋼管混凝土結構進行了大量的研究與應用，其具有抗震性能好和施工方便等優點，同時也認識到鋼管混凝土結構具有以下缺陷與不足鋼管既要承受彎矩和軸向荷載產生的豎向應力，又要承受剪力和混凝土膨脹產生的橫向應力，雙向應力狀態將降低鋼管的約束效應，提前鋼管的局部屈曲，低周反復荷載試驗表明，這種局部屈曲將導致不穩定的滯回循環，降低構件的延性，并且這種失效難以修復；由于鋼的彈塑性應力-應變關系，一旦鋼管屈服其約束力將限于定值，構件承載力不再增加，安全儲備低；鋼管采用的鋼材強度較低，對于大型的高軸力混凝土結構，必須采用厚壁鋼管，用鋼量大，力口工困難，不經濟；鋼管面臨銹蝕、耐久性難題。纖維增強塑料(FRP)具有輕質、高強、耐腐蝕的優良特性，在土木工程抗震加固、補強領域得到了普遍應用，根據纖維增強體的不同，FRP可分為玻璃纖維增強塑料(GFRP)、碳纖維增強塑料(CFRP)、芳綸纖維增強塑料(AFRP)、玄武巖纖維增強塑料(BFRP)等，無論何種纖維增強塑料，其拉伸極限斷裂都為脆性斷裂，并表現為線性的應力-應變關系，簡單的將FRP纏繞在鋼管混凝土外以期改善鋼管混凝土結構的性能，如中國專利第“201120387820. 2”號，公開了一種“一種纖維-鋼復合管鋼筋混凝土橋墩”，雖然一定程度地克服了鋼管混凝土橋墩的缺陷，但其仍然存在以下應用難題由于FRP的應變滯后，FRP絲毫不能改變結構的屈服荷載；由于FRP的極限應變能力低，結構屈服后至FRP斷裂所經歷的變形很小，與結構延性要求不相符；由于FRP的斷裂脆性，達到峰值荷載FRP斷裂時，破壞模式劇烈，承載能力下降速度快；由于FRP的造價高昂，常規纏繞量的FRP難以獲得大的承載力的提聞。本實用新型提供一種復合管混凝土組合結構，以克服現有技術中存在的缺陷，滿足工程的應用需要。
發明內容本實用新型的目的是提供一種復合管混凝土組合結構，以期解決現有鋼管混凝土結構、FRP-鋼復合管混凝土結構的缺陷，使得結構具有較高的屈服荷載、足夠的承載力儲備、延性和緩和的破壞模式。此結構同時適用于新建結構中的樁、柱、橋墩、拱肋，以及現有鋼筋混凝土結構、鋼管混凝土結構中以受壓為主的構件加固。為此，本實用新型提供一種復合管混凝土組合結構，該結構包括內部混凝土、鋼管、橫向預應力鋼絲、纖維增強塑料；其中，橫向預應力鋼絲通過對鋼絲施加預應力橫向連續均勻纏繞于鋼管的外壁，纖維增強塑料粘貼于最外層橫向預應力鋼絲的外表面，內部混凝土填充于鋼管的內部；橫向預應力鋼絲和纖維增強塑料各為I層及I層以上，其鋼絲或纖維方向與鋼管橫向傾角在-30°至30°之間，各層鋼絲及纖維方向可以相同或不同，橫向預應力鋼絲的纏繞間距不大于40mm ;橫向預應力鋼絲通過環氧樹脂、乙烯基樹脂、聚氨酯樹脂或環氧砂漿實現與鋼管的粘結。在本實用新型的結構中，內部混凝土在受壓時，由于橫向預應力鋼絲在纏繞過程中建立了一定的預拉應力，橫向預應力鋼絲與鋼管之間不存在應變滯后，橫向預應力鋼絲與鋼管同時發揮約束作用，因此結構的屈服荷載得到了有效地大幅度提高，在結構屈服后，纖維增強塑料對核心混凝土的約束作用逐漸產生，核心混凝土的承載力得到進一步的提高，在纖維增強塑料發生斷裂后，作為約束增強主體的橫向預應力鋼絲繼續產生約束作用，仍然能夠維持結構持續的承載力增長，由于彈塑性鋼絲的極限應變很大，結構屈服后至對應最大荷載橫向預應力鋼絲首次斷裂時，結構具備發生較大變形的能力，同時，由于橫向預應力鋼絲的纏繞間距不大于40mm，可保證各環橫向預應力鋼絲斷裂過程相互獨立，也即各環橫向預應力鋼絲在承載過程中相繼依次斷裂，每一環橫向預應力鋼絲斷裂產生結構承載力的一個小幅度下降，從而使得結構由最大承載力下降至殘余承載力緩慢發生，實現了結構緩和的破壞模式，在因大量橫向預應力鋼絲斷裂而失去對鋼管的有效約束時，依然有鋼管對內部混凝土約束，從而保證結構具有一定的殘余承載力。在本實用新型的結構中，可根據需要，順著鋼管的軸向沿鋼管四周均勻設置縱向鋼絲，縱向鋼絲的層數不受限制，可為O層、I層或I層以上，設置于橫向預應力鋼絲與鋼管之間或橫向預應力鋼絲的各層之間，通過縱向鋼絲的增強，以實現對結構縱向抗彎承載力的提聞。所述的橫向預應力鋼絲中的有效預應力不小于lOOMPa，以防止橫向預應力鋼絲的應變滯后，并提高在日常使用荷載下橫向預應力鋼絲的作用發揮。所述的鋼絲為抗拉強度大于等于IOOOMPa的普通鋼絲、鍍鋅鋼絲或不銹鋼鋼絲，單束鋼絲的結構形式為1(根)X1(股)、1(根)Xn(股)或m(根)Xn(股)中的一種，單束鋼絲直徑為O.1mm 5mm，由于單束鋼絲直徑較小，預應力建立過程簡單易行。所述的纖維增強塑料的纖維增強體為玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維或聚酯纖維中的一種或是其中的幾種混雜而成，并浸潰環氧樹脂、乙烯基樹脂或聚氨酯樹脂實現與橫向預應力鋼絲外壁的粘結。所述的內部混凝土內部設置有鋼筋骨架或型鋼骨架，鋼筋骨架由縱、橫向鋼筋綁扎或焊接形成。所述的內部混凝土為自密實微膨脹混凝土。本實用新型克服了公知的鋼管混凝土、FRP-鋼復合管混凝土結構所存在的缺陷，具有屈服荷載高、承載力儲備大、延性好、破壞模式緩和、耐久性好等優點，尤其是其具有穩定、連續的下降階段，同時，結構具有較低的造價。具體有益效果如下(I)屈服荷載高。由于橫向預應力鋼絲預先建立的預拉應力，使得橫向預應力鋼絲與鋼管能夠同時發揮約束作用，相對普通鋼管混凝土結構，屈服荷載得到大大提高，從而降低鋼管的設計厚度，另外，相對于常規FRP-鋼復合管混凝土結構，纖維增強體在浸膠之前的強度極低，在纖維增強塑料內是無法實現預應力的。(2)承載力儲備大。橫向預應力鋼絲的抗拉強度大于等于lOOOMPa，遠遠大于鋼管材料的屈服強度，承載力提高效果極其顯著，屈服后結構承載力繼續上升的空間大，安全儲備大。(3)延性好。由于橫向預應力鋼絲的彈塑性、大應變等力學特點以及內部鋼管的高延性，使得結構在屈服后至最大荷載以及最終下降至殘余承載力，結構具備發生較大變形的能力，從而表現良好的延性。(4)破壞模式緩和。小間距(不大于40mm)、小直徑(O.1mm 5mm)的橫向預應力鋼絲約束從根本上轉變了常規FRP-鋼復合管混凝土結構的脆性破壞模式，各環橫向預應力鋼絲相繼依次斷裂并相互獨立，獲得了最大荷載之后的穩定的、連續的下降階段，破壞模式緩和。(5)耐久性好。由于纖維增強塑料的抗腐蝕性，為橫向預應力鋼絲、縱向鋼絲、鋼管等提供了耐久性保護。(6)造價低。充分利用了傳統材料——鋼絲，獲得較高的性能的同時，具有較低的成本。本實用新型結構，充分利用了混凝土、鋼管、鋼絲、纖維增強塑料等多種材料的優勢特點，取得了較好的綜合性能。

圖1是無縱向鋼絲的復合管混凝土組合結構的橫截面示意圖；圖2是無縱向鋼絲的復合管混凝土組合結構的構造示意圖；圖3是I層縱向鋼絲、I層橫向預應力鋼絲的復合管混凝土組合結構的橫截面示意圖；圖4是I層縱向鋼絲、I層橫向預應力鋼絲的復合管混凝土組合結構的構造示意圖；圖5是2層縱向鋼絲、2層橫向預應力鋼絲的復合管混凝土組合結構的橫截面示意圖；圖6是2層縱向鋼絲、2層橫向預應力鋼絲的復合管混凝土組合結構的構造示意圖；圖7是本實用新型復合管混凝土組合結構與鋼管/FRP-鋼復合管混凝土結構的受壓應力-應變曲線比較。在附圖1 附圖6，I為內部混凝土、2為鋼管、3為橫向預應力鋼絲、4為纖維增強塑料及5為縱向鋼絲。在附圖7中，所示曲線分別為A為鋼管混凝土結構的受壓應力-應變曲線；B為FRP-鋼復合管混凝土結構受壓應力-應變曲線；C為本實用新型復合管混凝土組合結構受壓應力-應變曲線；在本實用新型復合管混凝土組合結構受壓應力-應變曲線中，a為彈性階段、b為屈服與強化階段、c為下降階段、d為殘余階段，P為屈服點，K為各環鋼絲斷裂點。
具體實施方式
為了對本實用新型的技術特征、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖說明本實用新型的具體實施方式
。本實用新型提供一種復合管混凝土組合結構，其特征在于該結構包括內部混凝土1、鋼管2、橫向預應力鋼絲3、纖維增強塑料4 ;其中，橫向預應力鋼絲3通過對鋼絲施加預應力橫向連續均勻纏繞于鋼管2的外壁，纖維增強塑料4粘貼于最外層橫向預應力鋼絲3的外表面，內部混凝土 I填充于鋼管2的內部；橫向預應力鋼絲3和纖維增強塑料4各為I層及I層以上，其鋼絲或纖維方向與鋼管橫向傾角在-30°至30°之間，各層鋼絲及纖維方向可以相同或不同，橫向預應力鋼絲3的纏繞間距不大于40mm;橫向預應力鋼絲3通過環氧樹脂、乙烯基樹脂、聚氨酯樹脂或環氧砂漿實現與鋼管2的粘結。在本實用新型的結構中，可根據需要，順著鋼管2的軸向沿鋼管2四周均勻設置縱向鋼絲5，縱向鋼絲5的層數不受限制，可為O層、I層或I層以上，設置于橫向預應力鋼絲3與鋼管2之間或橫向預應力鋼絲3的各層之間。具體實施中，首先將鋼管2表面打磨除銹，確定橫向預應力鋼絲3的纏繞間距、角度和層數，各層橫向預應力鋼絲3的纏繞間距、角度可以根據需要設計，隨后進行橫向預應力鋼絲3的纏繞，纏繞過程中始終保持橫向預應力鋼絲3的預拉力大小不變，并涂刷、浸潰環氧樹脂、乙烯基樹脂、聚氨酯樹脂或環氧砂漿實現與鋼管2的粘結，每一層橫向預應力鋼絲3纏繞完成，依次進行下一層橫向預應力鋼絲3的纏繞，最后纏繞纖維增強體并浸潰環氧樹脂、乙烯基樹脂或聚氨酯樹脂，形成外層的纖維增強塑料4，即完成復合管的制作。當設置縱向鋼絲5時，縱向鋼絲5布置于鋼管2外壁表面或前一層橫向預應力鋼絲3的外壁表面，并應在鋼管2兩端臨時固定，以保證后繼工序中縱向鋼絲5的位置固定。形成復合管后，運至施工現場安裝固定，配制、燒筑內部混凝土 I。實施例一如圖1、圖2，一種復合管混凝土組合結構，包括內部混凝土1、鋼管2、橫向預應力鋼絲3、纖維增強塑料4;其中，橫向預應力鋼絲3通過對鋼絲施加預應力橫向連續均勻纏繞于鋼管2的外壁，纖維增強塑料4粘貼于橫向預應力鋼絲3的外表面，內部混凝土 I填充于鋼管2的內部，橫向預應力鋼絲3和纖維增強塑料4各為I層。實施例二 如圖3、圖4，一種復合管混凝土組合結構，包括內部混凝土1、鋼管2、橫向預應力鋼絲3、纖維增強塑料4、縱向鋼絲5 ;其中，橫向預應力鋼絲3通過對鋼絲施加預應力橫向連續均勻纏繞于鋼管2的外壁，纖維增強塑料4粘貼于橫向預應力鋼絲3的外表面，內部混凝土 I填充于鋼管2的內部，橫向預應力鋼絲3和纖維增強塑料4各為I層。同時，在橫向預應力鋼絲3與鋼管2之間設置了 I層縱向鋼絲5，具體實施時，縱向鋼絲5順著鋼管2的軸向沿鋼管2四周均勻設置，并在鋼管2兩端臨時固定后，依次纏繞橫向預應力鋼絲3和纖維增強塑料4。實施例三如圖5、圖6，一種復合管混凝土組合結構，包括內部混凝土1、鋼管2、橫向預應力鋼絲3、纖維增強塑料4、縱向鋼絲5 ;其中，橫向預應力鋼絲3通過對鋼絲施加預應力橫向連續均勻纏繞于鋼管2的外壁，纖維增強塑料4粘貼于橫向預應力鋼絲3的外表面，內部混凝土 I填充于鋼管2的內部，橫向預應力鋼絲3為2層，且2層的纏繞間距不同，纖維增強塑料4為I層。同時，在橫向預應力鋼絲3與鋼管2之間及2層橫向預應力鋼絲3的之間各設置了 I層縱向鋼絲5，具體實施時，縱向鋼絲5應在下一層橫向預應力鋼絲3纏繞前順著鋼管2的軸向沿鋼管2四周均勻設置，并在鋼管2兩端臨時固定。如上所述的復合管混凝土組合結構，其特征在于橫向預應力鋼絲3中的有效預應力不小于lOOMPa。如上所述的復合管混凝土組合結構，其特征在于鋼絲為抗拉強度大于等于IOOOMPa的普通鋼絲、鍍鋅鋼絲或不銹鋼鋼絲，單束鋼絲的結構形式為I根Xl股、I根Xn股或m根Xn股中的一種，單束鋼絲直徑為O.1mm 5mm。如上所述的復合管混凝土組合結構，其特征在于纖維增強塑料4的纖維增強體為玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維或聚酯纖維中的一種或是其中的幾種混雜而成，并浸潰環氧樹脂、乙烯基樹脂或聚氨酯樹脂實現與橫向預應力鋼絲3外壁的粘結。如上所述的復合管混凝土組合結構，其特征在于內部混凝土 I內部設置有鋼筋骨架或型鋼骨架，鋼筋骨架由縱、橫向鋼筋綁扎或焊接形成。如上所述的復合管混凝土組合結構，其特征在于內部混凝土 I為自密實微膨脹混凝土。為了進一步說明本實用新型的工作原理與技術效果，圖7示意了本實用新型的復合管混凝土組合結構與鋼管/FRP-鋼復合管混凝土結構的受壓應力-應變曲線比較。復合管混凝土組合結構的受壓應力-應變關系曲線表現為彈性階段a、屈服與強化階段b、下降階段c和殘余階段d四個階段，在承載過程中，橫向預應力鋼絲3與鋼管2能夠同時發揮約束作用，屈服點P的荷載值相對普通鋼管混凝土結構得到大大提高；由于橫向預應力鋼絲3和纖維增強塑料4的約束作用，屈服后結構承載力繼續上升，表現為屈服與強化階段b，在橫向預應力鋼絲3斷裂之前，結構能夠發生較大的變形，表現出良好的延性；由于各環橫向預應力鋼絲3能夠相繼依次斷裂，并相互獨立，獲得了最大荷載之后的穩定的、連續的下降階段c，破壞模式緩和；在因大量橫向預應力鋼絲斷裂而失去對鋼管的有效約束時，鋼管2可繼續為內部混凝土 I提供一定的約束力，保持結構較高的殘余承載能力，即殘余階段d。本實用新型結構的受壓應力-應變關系曲線，表現出屈服點高、安全儲備大、延性好的良好特性，具備可設計的下降階段及可設計的屈服與強化階段。本實用新型與已有的鋼管/FRP-鋼復合管混凝土結構相比具有較大的優勢，在地震、撞擊、超載等突發事件下，可為結構的防倒塌、延遲倒塌提供可靠保障。
權利要求1.復合管混凝土組合結構，其特征在于該結構包括內部混凝土(I)、鋼管(2)、橫向預應力鋼絲(3)、纖維增強塑料(4);其中，橫向預應力鋼絲(3)通過對鋼絲施加預應力橫向連續均勻纏繞于鋼管(2)的外壁，纖維增強塑料(4)粘貼于最外層橫向預應力鋼絲(3)的外表面，內部混凝土(I)填充于鋼管(2)的內部；橫向預應力鋼絲(3)和纖維增強塑料(4)各為I層及I層以上，其鋼絲或纖維方向與鋼管橫向傾角在-30°至30°之間，各層鋼絲及纖維方向可以相同或不同，橫向預應力鋼絲⑶的纏繞間距不大于40mm;橫向預應力鋼絲(3) 通過環氧樹脂、乙烯基樹脂、聚氨酯樹脂或環氧砂漿實現與鋼管(2)的粘結。
2.根據權利要求1所述的復合管混凝土組合結構，其特征在于順著鋼管(2)的軸向沿鋼管⑵四周均勻設置縱向鋼絲(5)，縱向鋼絲(5)的層數不受限制，可為O層、I層或I層以上，設置于橫向預應力鋼絲⑶與鋼管⑵之間或橫向預應力鋼絲⑶的各層之間。
3.根據權利要求1所述的復合管混凝土組合結構，其特征在于橫向預應力鋼絲(3)中的有效預應力不小于lOOMPa。
4.根據權利要求1所述的復合管混凝土組合結構，其特征在于鋼絲為抗拉強度大于等于IOOOMPa的普通鋼絲、鍍鋅鋼絲或不銹鋼鋼絲，單束鋼絲的結構形式為I根Xl股、I 根Xn股或m根Xn股中的一種，單束鋼絲直徑為O.1mm 5mm。
5.根據權利要求1所述的復合管混凝土組合結構，其特征在于纖維增強塑料(4)的纖維增強體為玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維或聚酯纖維中的一種或是其中的幾種混雜而成，并浸潰環氧樹脂、乙烯基樹脂或聚氨酯樹脂實現與橫向預應力鋼絲(3)外壁的粘結。
6.根據權利要求1所述的復合管混凝土組合結構，其特征在于內部混凝土(I)內部設置有鋼筋骨架或型鋼骨架，鋼筋骨架由縱、橫向鋼筋綁扎或焊接形成。
7.根據權利要求1所述的復合管混凝土組合結構，其特征在于內部混凝土(I)為自密實微膨脹混凝土。
專利摘要一種復合管混凝土組合結構，其特征在于該結構包括內部混凝土(1)、鋼管(2)、橫向預應力鋼絲(3)、纖維增強塑料(4)；其中，橫向預應力鋼絲(3)通過對鋼絲施加預應力橫向連續均勻纏繞于鋼管(2)的外壁，纖維增強塑料(4)粘貼于最外層橫向預應力鋼絲(3)的外表面，內部混凝土(1)填充于鋼管(2)的內部；橫向預應力鋼絲(3)的纏繞間距不大于40mm。本實用新型克服了公知的鋼管混凝土、FRP-鋼復合管混凝土結構所存在的缺陷，具有屈服荷載高、承載力儲備大、延性好、破壞模式緩和、耐久性好等優點，尤其是其具有穩定、連續的下降階段，同時，結構具有較低的造價。本實用新型結構適用于新建結構中的樁、柱、橋墩、拱肋，以及現有鋼筋混凝土結構、鋼管混凝土結構中以受壓為主的構件加固。
文檔編號B32B27/12GK202826546SQ201220551839
公開日2013年3月27日 申請日期2012年10月24日 優先權日2012年10月24日
發明者魏洋, 吳剛, 吳智深, 蔣劍彪, 張敏 申請人:南京林業大學, 東南大學, 北京特希達科技有限公司