纖維複合材料筒約束鋼管混凝土組合結構的製作方法

2023-09-11 22:51:20 1

專利名稱：纖維複合材料筒約束鋼管混凝土組合結構的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種纖維複合材料、鋼管及混凝土的組合樁柱結構，尤其是一種可用於新建工程和加固改造工程，特別適用於作為跨海橋梁、港口工程、海洋和近海地下工程結構以及其它具有侵蝕性或暴露性的環境中的墩柱和樁基礎、風力發電、高壓輸電支撐件、跨越山谷的高墩橋梁以及高層建築柱子，具體地說是一種纖維複合材料筒約束鋼管混凝土組合結構。
背景技術：
目前，鋼管混凝土結構是在鋼管中填充混凝土而形成的構件，其充分利用鋼管和混凝土兩種材料在受力過程中的相互作用，一方面鋼管對核心混凝土具有約束作用，使混凝土處於複雜應力狀態之下，從而有效提高混凝土的強度和延性，另一方面混凝土的存在可有效減緩或者避免鋼管這種薄壁材料過早的發生局部屈曲。此外外部鋼管還可以用作澆注混凝土時的模板。鋼管混凝土結構具有承載力高、延性好等優點，但當應用於橋梁、水工結構、海洋和近海等結構以及其它具有侵蝕性或暴露性的環境時，鋼管會發生鏽蝕從而可能導致結構發生破壞。鋼管腐蝕造成結構物的破壞和以後的維修費用，遠遠超出人們的想像。美國國家研究委員會的公路戰略研究項目(SHRP)對美國由於橋梁破壞造成的損失進行了估算，金額超過200億美元/年，並且以每年5億美元的速度遞增。SHRP認為，這些橋梁的結構性缺陷主要由腐蝕引起。儘管可以採用在混凝土表面塗敷防護材料、採用鋼筋阻鏽劑等辦法，或是通過提高混凝土密實度、增加保護層厚度等來防止和克服鋼鏽蝕的問題， 但是這些方法都只能在一定程度上延緩鋼的鏽蝕，效果有限，且成本較高。另外在房屋建築中，隨著人口的增多、可開發空間的減小，高層建築是一個不可避免的發展趨勢。隨著建築高度的增加，框架柱等承重構件的尺寸越來越大。承重構件尺寸的增加，不僅造成建築使用面積變小，還將導致結構自重增加。結構的自重越大，引起的水平地震作用就越大，對地基基礎的要求就越高，這在一定程度上也增加了工程的造價。解決這一問題的有效措施是採用輕質高強的構件來承重。鋼筋混凝土結構造價較低，材料來源豐富，可澆注成各種複雜的截面形式，但是其自重大，這限制了其在高層建築中的應用。鋼結構抗震性能優越、自重相對較輕，可應用在高層建築中，但是全鋼結構房屋用鋼量多，工程造價高，這也限制了其發展。纖維增強複合材料(Fiber Reinforced Polymer 或 Fiber Reinforced Plastic, 簡稱FRP)是由增強纖維材料，如玻璃纖維，碳纖維，芳綸纖維等，與基體材料(如各種聚脂、環氧、乙烯基樹脂等)經過纏繞，模壓或拉擠等成型工藝而形成的複合材料。根據增強材料的不同，常見的纖維增強複合材料分為玻璃纖維增強複合材料(GFRP)、碳纖維增強複合材料(CFRP)、芳綸纖維增強複合材料(AFRP)以及玄武巖纖維增強複合材料(BFRP)。纖維增強複合材料具有如下優點(1)比強度高，即輕質高強；( 良好的抗疲勞性能，多數金屬的疲勞極限是抗拉強度的40%-50%，而纖維增強複合材料則可達70%-80% ； (3)耐腐蝕性和耐久性好，可抵抗不同環境下的腐蝕，這是傳統結構材料難以比擬的；(4)可設計性強；(5)熱膨脹係數小。但FRP材料也有自身的缺點，如價格高、彈性模量較低等。因此需將FRP 材料和其他一種或多種傳統結構材料(如混凝土、鋼等)組合起來形成FRP組合結構。
發明內容本實用新型的目的是針對現有的鋼結構樁柱耐腐蝕性差而複合材料樁柱強度不高的問題，設計一種將兩者有機結合的纖維複合材料筒約束鋼管混凝土組合結構。本實用新型的技術方案是—種纖維複合材料筒約束鋼管混凝土組合結構，其特徵是它主要由纖維複合材料外筒1、第一金屬內筒3和第一夾層混凝土 2組成，其所述纖維複合材料外筒1粘貼在第一金屬內筒3的外側面上，所述的第一夾層混凝土 2位於所述的第一金屬內筒3中。所述的金屬內筒3中套裝有第二金屬內筒3 『，所述的第一夾層混凝土 2位於第一金屬內筒3和第二金屬內筒3 『之間，所述的第二金屬內筒3 『為空心結構或填裝有第二夾層混凝土 2 』。所述的纖維複合材料外筒1為與所述的第一金屬內筒3相配的單一纖維筒、混雜纖維筒或者纖維夾砂筒；其所採用的纖維為碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維、芳綸纖維中的一種或者幾種，纖維方向與最終成形的纖維複合材料外筒1軸線夾角為0°、0°。所述的纖維複合材料外筒1、第一金屬內筒3和第二金屬內筒3 『的截面形狀為圓形或多邊形。所述的纖維複合材料筒1沿第一金屬內筒3縱向連續設置或間隔設置。所述的第一金屬內筒3和第二金屬內筒3 『為薄壁鋼管或厚壁鋼管。所述的纖維複合材料外筒1由至少一層樹脂基纖維增強層4和至少一層樹脂石英砂夾砂層交替纏繞粘結而成。本實用新型的有益效果(1)本實用新型充分發揮了纖維複合材料、鋼管和混凝土各自的優勢，具有較高的承載力。纖維複合材料與鋼管形成的複合筒可有效約束混凝土，改善混凝土的受力性能； 鋼管的存在可改善複合材料筒塑性不足的問題；同時纖維複合材料的存在可減少結構用鋼量，減輕構件自重，並能防止鋼管被腐蝕。(2)本實用新型可解決傳統鋼管混凝土結構的鏽蝕問題，減少結構的維護費用，提高結構的耐久性，促進其在海洋環境、近海環境及其他具有侵蝕性或暴露性環境中的應用。(3)本實用新型可對受損的鋼管混凝土構件進行加固，通過在外鋼管外面包裹纖維複合材料，提高受損結構的承載力，同時起到防腐蝕的作用。該種加固方法施工便利，可有效加快施工速度。(4)本實用新型可用於新建結構中，並可採用機械化連續纏繞工藝或者夾砂工藝， 現場規模化生產，施工速度快，易於控制質量，並且鋼管可作為複合材料筒的內芯模，大大簡化施工工序。

圖1是本實用新型的圓形複合材料筒約束鋼管混凝土結構示意圖。其中[0021]圖la)為本實用新型圓形複合材料筒約束鋼管混凝土結構截面示意圖；圖lb)為設置內鋼管的圓形FRP筒約束中空夾層鋼管混凝土結構；圖Ic)為設置內鋼管的圓形FRP筒約束雙鋼管混凝土實心結構；圖Id)為無內鋼管的圓形FRP筒約束鋼管混凝土結構。圖2為本實用新型的矩形複合材料筒約束鋼管混凝土結構示意圖。其中圖2a)為本實用新型矩形複合材料筒約束鋼管混凝土結構截面示意圖；圖2b)為設置內鋼管的矩形FRP筒約束中空夾層鋼管混凝土結構；圖2c)為設置內鋼管的矩形FRP筒約束雙鋼管混凝土實心結構；圖2d)為無內鋼管的矩形FRP筒約束鋼管混凝土結構。圖3為本實用新型的圓形複合材料夾砂筒約束鋼管混凝土結構示意圖。其中圖3a)為設置內鋼管的圓形夾砂FRP筒約束中空夾層鋼管混凝土結構；圖北)為設置內鋼管的圓形夾砂FRP筒約束雙鋼管混凝土實心結構；圖3c)為無內鋼管的圓形夾砂FRP筒約束鋼管混凝土結構。圖4為本實用新型的矩形複合材料夾砂筒約束鋼管混凝土結構的結構示意圖。其中圖4a)為設置內鋼管的矩形FRP夾砂筒約束中空夾層鋼管混凝土結構；圖4b)為設置內鋼管的矩形FRP夾砂筒約束雙鋼管混凝土實心結構；圖4c)為無內鋼管的矩形FRP夾砂筒約束鋼管混凝土結構。圖中標號1為纖維複合材料筒(FRP筒)，2為第一夾層混凝土，2 『為第二夾層混凝土，3為第一金屬鋼筒，3'為第二金屬內筒，4為纖維層，5為夾砂層，6為由纖維層形成的最終纖維層外壁。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明。實施例一如圖lb)。一種纖維複合材料筒約束鋼管混凝土組合結構，它主要由纖維複合材料外筒1、第一金屬內筒3、第二金屬內筒3 『、第一夾層混凝土 2組成，其立體結構示意圖如圖la)所示。所述纖維複合材料外筒1粘貼在第一金屬內筒3的外側面上，所述的第一夾層混凝土 2位於所述的第一金屬內筒3與第二金屬內筒3 『中。圖lb)中內外側同心設置不同直徑的第一金屬內筒3 (圓鋼管)和第二金屬內筒3 『(圓鋼管)，在內外側圓鋼管3、3 『之間澆注第一混凝土 2，形成中空夾層鋼管混凝土結構，在中空夾層鋼管混凝土結構的外表面，設置纖維複合材料筒1，複合材料筒可以採用纖維纏繞工藝或者手糊工藝成型。具體實施中，內側圓鋼管3丨的內部還可以澆注第二夾層混凝土 2丨，形成圖Ic) 所示的複合材料筒約束雙鋼管混凝土實心結構；內側圓鋼管3 『可以移除，從而形成圖Id) 所示的複合材料筒約束鋼管混凝土結構。此外，具體實施時還可以同心設置多個圓形內鋼管3'，從而形成複合材料筒約束複式鋼管混凝土結構。[0047]具體實施時，首先在外側圓鋼管3上形成複合材料筒1，然後內外管安裝就位，最後澆注混凝土。複合材料筒的形成可以為手糊工藝也可以為纖維纏繞工藝或纖維夾砂成形工藝製造而成的複合材料筒，外側圓鋼管3可作為複合材料筒1的芯模。對於手糊工藝，首先對外側圓鋼管打磨除鏽，將汙物清除，用吹風機將灰塵吹淨， 最後用丙酮或者乙酸乙脂將外側圓鋼管3擦拭乾淨。根據所需尺寸裁剪FRP纖維布，並將樹脂均勻塗抹於鋼管外壁，將FRP布按照所需鋪層包裹外側圓鋼管3，將樹脂塗抹於FRP布， 並用刮板或者滾筒反覆碾壓以釋放空氣並使樹脂充分浸溼FRP布，待FRP布指觸乾燥後進行下一層的黏貼。不同FRP布之間緯向(S卩非主纖維方向)拼接不得小於10mm，徑向(即主纖維方向)搭接長度不得小於150mm。重複上述過程，直至滿足設計要求的厚度，固化成型後即為複合材料筒1。所採用的纖維可以為碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維、芳綸纖維中的一種或者幾種，所採用的纖維布可以為不同的纖維方向。對於該種工藝，成型尺寸不受產品尺寸和形狀限制，易於滿足設計要求，但是產品質量不易控制，生產效率較低。對於纏繞工藝，可以採用幹法纏繞、溼法纏繞、半乾法纏繞。實際應用時，溼法纏繞最為普遍。纏繞成型的原材料主要是纖維增強材料、樹脂和填料。纏繞成型的纖維增強材料可以為各種纖維紗、布及氈，纖維的種類可以為碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維、芳綸纖維。纏繞採用的樹脂基體主要為環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、乙烯基樹脂等，填料則根據使用要求進行添加。先安裝芯模(即外側圓鋼管3)到纏繞機上，在纏繞前首先要清除金屬芯模表面的油汙，用丙酮或乙酸乙脂清洗乾淨。如果有鐵鏽，先用砂紙打光芯模表面，而後再清洗乾淨。通過纏繞機的數控系統進行參數設定及纖維張力調節，纖維的纏繞角可以為0° 90°。然後將膠液倒入膠槽中，使纖維經過浸膠槽和擠膠輥，通過分紗裝置後集束，引入繞絲嘴，按設計要求進行設定線型的纏繞，並隨時調節浸膠裝置控制纖維帶膠量，當纏繞即將結束時，測其厚度，達到設計要求時即可停機。待固化完畢後，即可在圓鋼管3外側形成複合材料筒。該種工藝機械化和自動化程度高，產品質量穩定，但對儀器設備及人員素質要求尚ο實施例二 如圖2所示。本實施實例與實例一相比，鋼管及FRP筒的截面形狀為矩形，其餘均與實施例一相同。實施例三如圖3所示。本實施實例與實例一相比，FRP筒的成型工藝不同，其餘均與實施例一相同。本實施實例中，FRP筒的成型工藝為夾砂纏繞工藝。外側圓鋼管3加工好後，在鋼管的指定部位纏繞第一層樹脂基纖維增強層4，在纖維層4上鋪設樹脂基石英砂夾砂層5， 在夾砂層5上纏繞纖維增強層4，在纖維增強層4上鋪設夾砂層5，如此交替纏繞纖維層和鋪設夾砂層，直到最外層纖維增強層6纏繞完後壁厚滿足設計要求為止。纖維增強材料，可以是碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維、芳綸纖維等混雜或單一纏繞而成，纖維的纏繞角可以是0° 90°等。石英砂的摻入比例可根據設計確定。加入石英砂，可提高複合材料筒的剛度，並且顯著降低成本。實施例四如圖4所示。本實施實例與實例三相比，鋼管及FRP筒的截面形狀為矩形，其餘均與實施例三相同。[0057] 本實用新型未涉及部分均與現有技術相同或可採用現有技術加以實現。
權利要求1.一種纖維複合材料筒約束鋼管混凝土組合結構，其特徵是它主要由纖維複合材料外筒(1)、第一金屬內筒(3)和第一夾層混凝土(2)組成，其所述纖維複合材料外筒(1)粘貼在第一金屬內筒(3)的外側面上，所述的第一夾層混凝土(2)位於所述的第一金屬內筒(3) 中。
2.根據權利要求1所述的纖維複合材料筒約束鋼管混凝土組合結構，其特徵是所述的金屬內筒(3)中套裝有第二金屬內筒(3丨)，所述的第一夾層混凝土(2)位於第一金屬內筒 (3)和第二金屬內筒(3 『)之間，所述的第二金屬內筒(3 『)為空心結構或填裝有第二夾層混凝土(2 『)。
3.根據權利要求1所述的纖維複合材料筒約束鋼管混凝土組合結構，其特徵是所述的纖維複合材料外筒(1)為與所述的第一金屬內筒(3)相配的單一纖維筒、混雜纖維筒或者纖維夾砂筒；纖維方向與最終成形的纖維複合材料外筒(1)軸線夾角為0°、0°。
4.根據權利要求1或2所述的纖維複合材料筒約束鋼管混凝土組合結構，其特徵是所述的纖維複合材料外筒(1)、第一金屬內筒(3)和第二金屬內筒(3丨)的截面形狀為圓形或多邊形。
5.根據權利要求1或2所述的纖維複合材料筒約束鋼管混凝土組合結構，其特徵是所述的纖維複合材料筒(1)沿第一金屬內筒(3)縱向連續設置或間隔設置。
6.根據權利要求1或2所述的纖維複合材料筒約束鋼管混凝土組合結構，其特徵是所述的第一金屬內筒(3)和第二金屬內筒(3丨)為薄壁鋼管或厚壁鋼管。
7.根據權利要求1或3所述的纖維複合材料筒約束鋼管混凝土組合結構，其特徵是所述的纖維複合材料外筒(1)由至少一層樹脂基纖維增強層(4)和至少一層樹脂石英砂夾砂層交替纏繞粘結而成。
專利摘要一種纖維複合材料筒約束鋼管混凝土組合結構，其特徵是它主要由纖維複合材料外筒(1)、第一金屬內筒(3)和第一夾層混凝土(2)組成，其所述纖維複合材料外筒(1)粘貼在第一金屬內筒(3)的外側面上，所述的第一夾層混凝土(2)位於所述的第一金屬內筒(3)中。本實用新型承載力大，耐久性好，不僅可用在新建結構中，又可對受損的鋼管混凝土構件進行加固，特別適用於作為跨海橋梁、港口工程、海洋和近海地下工程結構以及其它具有侵蝕性或暴露性的環境中的墩柱和樁基礎、風力發電、高壓輸電支撐件、跨越山谷的高墩橋梁以及高層建築柱子。
文檔編號E04C3/34GK202117165SQ201120097430
公開日2012年1月18日 申請日期2011年4月6日 優先權日2011年4月6日
發明者劉偉慶, 方海, 王俊, 祝露, 陸偉東 申請人:南京工業大學