一種纖維增強複合材料筋混凝土樁及其製作和施工方法
2023-07-15 17:47:56
專利名稱：一種纖維增強複合材料筋混凝土樁及其製作和施工方法
技術領域：
本發明提供一種纖維增強複合材料筋混凝土樁及其製作和施工方法，它涉及 一種提高普通樁基礎結構耐久性的新材料和新工藝，屬於土木工程中的土木工程 材料和施工技術領域。
(二)
背景技術：
在近海、沿海及填海造地的場地和西部鹽漬土場地進行基礎設施建設，經常 需要採用鋼筋混凝土樁基礎。由於這些場地的土中含有大量對鋼筋有腐蝕性的鹽 分，對樁基礎的耐久性造成極大威脅，很多此類環境中的鋼筋混凝土結構使用壽 命僅十幾年甚至幾年。由於上部結構施工完成後樁基礎幾乎不可能再進行修復， 因此，樁基礎的耐久性決定了基礎設施的服務壽命。如何解決這類高含鹽量地區 樁基礎中鋼筋鏽蝕問題，提高混凝土樁基礎的耐久性是迫切需要解決的問題。
目前，提高鋼筋抗鏽蝕能力的方法主要有在鋼筋混凝土中摻加阻鏽劑、增 加混凝土的密實度、在鋼筋表面塗鍍保護層、採用電化學防護技術等。但是，這 些方法不僅大幅度的提高了工程造價、提高了技術難度，而且仍然不能達到滿意 的效果。
本發明提出採用纖維增強複合材料(Fiber Reinforced Polymer,簡稱FRP) 替代鋼筋構成FRP筋混凝土樁。由於FRP對鹽類具有極強的抗蝕能力。因此， 用FRP替代鋼筋構成FRP筋混凝土樁，能夠解決加筋混凝土樁基的筋材耐久性
問題。 .
(三)
發明內容
本發明的目的是提供一種FRP增強混凝土樁及其製作和施工方法，它是一種 採用FRP材料替代鋼筋(或型鋼)構成的FRP混凝土樁。 本發明一種FRP混凝土樁,其結構組成如下
FRP混凝土樁由基體材料C和加筋(或型材)F組成，如圖l所示；FRP加 筋(或型材)材料的布置方式可以採用鋼筋混凝土樁、預應力混凝土樁、鋼絲網 片混凝土樁、核心型鋼混凝土樁、鋼管混凝土樁等樁結構中鋼筋(或型鋼)的任
何布置方式，具體見國家現行樁基設計相關規範；F在C之中，C與F的連接方
式為兩種材料之間的膠結、摩擦、咬合的連接方式，與鋼筋(或型鋼)和混凝土 之間的連接機理相同。
基體材料C為現行國家有關規範中規定使用的各種混凝土。
加筋為FRP材料F，其可以是碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維、PBO有機纖維、
硼纖維、陶瓷纖維(包括碳化矽纖維和氧化鋁纖維等)超高強聚乙烯纖維、玄武
巖纖維、混雜纖維等構成的FRP材料中的一種或數種。
FRP混凝土樁使用的FRP材料可以是棒材(筋和索)、片材(布和薄板)、型
材、夾層板和蜂窩板以及網格材(如格柵)等，部分FRP材料形式如圖2所示；
其斷面形狀可以是圓形、矩型、不規則形式等各種形式，斷面形狀如圖3所示；
其表面可以是平滑的，也可以是帶有各種凹凸不平的花紋(如螺紋)。部分FRP
筋外觀形式，部分外觀形式如圖4所示。
FRP混凝土樁，可以對FRP加筋混凝土樁中的FRP加筋材料施加預應力。 FRP混凝土樁，根據C與F的具體性能，按國家現行樁基礎設計規範設計，
其橫截面可以是圓形、矩形、環形等現行樁基採用的各種形狀，部分截面形狀見圖5。
FRP混凝土樁可以採用現澆方式製作，也可以釆用預製方式製作。除加筋筋 材料本身的連接外(筋材或型材的交叉搭接、筋材或型材不滿足尺寸要求時的連 接)，其它製作方法與普通鋼筋混凝土樁製作方法一致。加筋筋材料連接可以採 用耐久性纖維材料綁紮、耐久性膠體材料黏結、耐久性螺栓連接等耐久性連接方 法，部分連接方式見圖6。
本發明一種FRP筋混凝土樁的製作和施工方法,可以採用與目前鋼筋混凝土 樁相同的製作施工方法，具體見樁基礎施工相關規範。. 本發明的優點及功效 本發明具有如下優點及功效(1)可以大幅度的提高腐蝕環境中的樁基礎筋 材的耐久性，從而提高樁基礎和上部結構的服役年限；(2)可以大幅度降低實現 樁基礎筋材耐久性的成本和技術難度。
圖1——FRP樁組成圖 圖la——FRP樁組成lb——圖la之1-1剖面圖 圖2——FRP材料形式
圖lc
-圖la之2-2剖面圖
-FRP筋材示意圖 -FRP網格材示意圖
圖2a-圖2c扁
圖3——FRP加筋截面形狀示意圖 圖3a——FRP筋圓形截面示意圖
圖2b——FRP索材示意圖 圖2d——FRP片材示意圖
圖3b——FRP筋方形截面示意圖
圖3c——FRP筋扁平截面示意圖 圖3d——FRP筋不規則形狀截面示意圖 圖4——FRP加筋表面形式圖
圖4a——FRP筋材表面帶肋示意圖 圖4c——FRP片材表面壓痕示意圖 圖4e——圖4d之4-4剖面圖
圖4b-圖4d-圖4f-
-圖4a之3-3剖面圖
-FRP筋材表面光圓示意圖
-圖4c之5-5剖面圖
圖5——FRP樁斷面形狀示意圖
圖5a~—圓形樁截面示意圖 圖5lr 圖5c——圓環樁截面示意圖 圖5d-
圖6——FRP筋材連接方式 圖6a~~FRP筋材綁紮連接示意圖
-方形樁截面示意圖 -方環樁截面示意圖
圖6b——FRP筋材黏結連接示意圖
圖6c——FRP筋材耐久性螺栓連接示意圖 圖7——具體實施方式
一中樁配筋圖(一) 圖7a~—實施例一中樁上段配筋圖 圖7b——實施例一中樁中段配筋圖 圖7c——實施例一中樁下段配筋圖 圖8——實施例一中樁配筋圖(二)
圖8a-
圖8c
圖8e-
-圖7a、 b、 c中之1-1剖面圖 -圖7b、 c中之3-3剖面圖
圖8b——圖7a、 b中之2-2剖面圖
圖8d-
圖7a中之W8局部放大8f-實施例一中硼纖維主筋示意圖 -實施例一中硼纖維箍筋示意圖
-圖7b、 c中之W5局部放大圖 -圖7a、b中之W6局部放大圖
圖8g-圖8h-
圖9——靜壓壯施工示意圖
圖10——實施例二中樁配筋圖(一)圖11——實施例二中樁配筋圖(二)
圖lla~~實施例二中碳纖維(CFRP)布主筋示意圖
圖lib實施例二中硼纖維箍筋示意圖 圖12——振動陳樁施工工藝示意圖 圖13——實施例三中樁配筋圖(一)
圖13a ——實施例三中樁配筋13b——圖13a之1-1 (2-2)剖面圖 圖14——實施例三中樁配筋圖(二)
圖i4a實施例三中普通碳纖維(CFRP)帶肋筋示意圖
圖i4b——實施方式三中普通碳纖維(CFRP)光圓筋示意圖 圖15——灌注樁施工工藝示意圖 圖16——實施例四中樁配筋圖 圖17——實施例五中樁配筋圖(一)
圖17a^實施例五中樁上段配筋圖
圖17b——實施例五中樁中段配筋圖
圖17c——實施例五中樁下段配筋圖 圖18——實施例五中樁配筋圖(二)
圖18a——圖17之1-1剖面圖 圖18b——圖17之2-2剖面圖
圖18c——圖17之3-3剖面圖
圖18d——實施例五中玻璃纖維(GFRP) AR(抗鹼)索示意圖
圖18e實施例五中硼纖維光圓鋼筋示意圖 圖19——錘擊沉樁施工工藝示意圖
圖中標號及符號說明如下 FCZ——FRP樁 C——FRP樁的基體材料 F——FRP樁的FRP加筋材料 FRP-J——FRP筋材 FRP-S——FRP索材 FRP-WG——FRP網格材 FRP-P——FRP片材 FRP-SEC-Y——FRP加筋圓形截面
FRP-SEC-F——FRP加筋方形截面 FRP-SEC-BP——FRP加筋扁平截面
FRP-SEC-BGZ——FRP加筋不規則截面 S-DL——FRP加筋表面帶肋 S-GY——FRP加筋表面光圓 S-YH——FRP加筋表面壓痕 Z-SEC-Y——FRP樁圓形截面 Z-SEC-F——FRP樁方形截面Z-SEC-YH——FRP樁圓環截面 Z-SEC-FH——FRP樁方環截面
LJ-B—一FRP絲綁紮連接LJ-N——結構膠黏結連接
LJ-M—一耐久性螺栓連接W5——5號FRP網片
W6——-6號FRP網片W8——8號FRP網片
(1)-~#9筋編號1(2) -——鋼筋編號2(3)——-鋼筋編號3
(4)-——鋼筋編號4(5)——鋼筋編號5(6)—~#3筋編號6
(7)-——鋼筋編號7(8).——鋼筋編號8(9)—一鋼筋編號9
(10)——鋼筋編號10(11)一鋼筋編號ll(12)-一鋼筋編號12
(13)~~fll筋編號13(14)——鋼筋編號14(15)-——鋼筋編號1具體實施方式
.
(1) 實施例一
本發明一種FRP混凝土樁，其結構組成如下
FRP混凝土樁由基體材料C和加筋(或型材)F組成，如圖l所示；FRP加 筋的布置方式採用預製鋼筋混凝土方樁的布置方式;C與F的連接方式採用膠結、 摩擦、咬合的連接方式，與鋼筋(或型鋼)和混凝土之間的連接方式相同。
基體材料F為C40混凝土。
加筋FRP材料選用硼纖維一種材料，其參數指標為密度~~2400 2650kg/m3;拉伸強度——3200 5200MPa;模量——350 400GPa。
FRP混凝土樁，使用的硼纖維帶肋筋為棒材(筋)，如圖2中FRP-J所示； 其表面為帶有各種凹凸不平的花紋(肋)，如圖4中S-DL所示。
FRP混凝土樁，按國家先行樁基礎設計規範設計，400mmX400mm方形橫 截面，配802O硼纖維帶肋筋；箍筋釆用06硼纖維光圓筋，普通箍筋，加密區 間距100mm，非加密區間距200mm，如圖7、圖8所示。
FRP混凝土樁，釆用預製方式製作。除加筋筋材料本身的連接外(筋材或型 材的交叉搭接、筋材或型材不滿足尺寸要求時的連接)，其它製作方法與普通鋼 筋混凝土樁製作方法一致。主筋和箍筋之間的搭接採用02硼纖維絲綁紮、主筋 的連接採用高強塑料螺栓。
按常規靜壓預製樁工藝施工，如圖9所示。
(2) 實施例二
本發明一種FRP混凝土樁，其結構組成如下
FRP混凝土樁由基體材料C和加筋(或型材)F組成，如圖l所示；FRP加 筋的布置方式採用預製鋼板帶混凝土管樁的布置方式；C與F的連接方式採用膠
結、摩擦、咬合的連接方式，與鋼筋(或型鋼)和混凝土之間的連接方式相同。
基體材料為C60混凝土。
加筋FRP材料選用高模量碳纖維一種材料，其參數指標為密度~" 1750kg/m3;拉伸強度——2400MPa;模量——350GPa。
FRP混凝土樁，使用的高模量碳纖維布為片材(布)，如圖2中FRP-P所示； 其表面為帶有各種凹凸不平的花紋(壓痕)，如圖5中S-YH所示。
FRP混凝土樁，按國家先行樁基礎設計規範設計，圓環形截面，外徑400mm， 壁厚50mm;主筋採用8條2mm厚、100mm幅寬高模量碳纖維(CFRP)布， 布表面做壓痕；箍筋採用08高模量碳纖維CFRP)圓形螺旋箍，間距100mm。 如圖10、圖ll所示。
FRP混凝土樁，採用預製方式製作。除加筋筋材料本身的連接外(筋材或型 材的交叉搭接、筋材或型材不滿足尺寸要求時的連接)，其它製作方法與普通鋼 筋混凝土樁製作方法一致。主筋和箍筋之間的搭接採用02硼纖維絲綁紮、主筋 主筋的連接採用結構膠黏結。
振動預製樁沉樁工按常規方式施工，如圖12所示。 (3)實施例三
本發明一種FRP混凝土樁,其結構組成如下
FRP混凝土樁由基體材料C和加筋(或型材)F組成，如圖l所示；FRP加 筋的布置方式採用現澆混凝土灌注樁的布置方式；C與F的連接方式採用膠結、
摩擦、咬合的連接方式，與鋼筋(或型鋼)和混凝土之間的連接方式相同。
基體材料為C20混凝土。
加筋FRP材料選用普通碳纖維一種材料，其參數指標為密度——1750kg/m3; 拉伸強度——3000MPa;模量——230GPa。
FRP混凝土樁，使用的普通碳纖維(CFRP)帶肋筋為棒材(筋)，如圖2中 FRP-J所示；方形橫截面，如圖3中FRP-SEC-F所示；其表面為帶有各種凹凸不 平的花紋(肋)，如圖4中S-DL所示。
FRP混凝土樁，按國家先行樁基礎設計規範設計，圓環形截面，樁徑800mm， 壁厚50mm;主筋採用10根20X20mn^方形普通碳纖維(CFRP)帶肋筋；箍筋 採用08普通碳纖維(CFRP)圓形螺旋箍，加密區間距100mm，非加密區間距 200mm。
如圖13、圖14所示
本發明一種FRP混凝土樁的製作和施工方法,按現行常規的現澆混凝土灌注 樁方法施工；主筋和箍筋之間的搭接釆用02普通碳纖維絲綁紮、主筋主筋的連 接採用結構膠黏結；螺旋鑽溼作業成孔，鑽孔至設計標高后，吊入碳纖維(CFRP) 筋籠，導管法水下澆注混凝土，如圖15所示。
(4) 實施例四
本發明一種FRP混凝土樁，其結構組成如下
FRP混凝土樁由基體材料C和加筋(或型材)F組成，如圖1所示；FRP加 筋的布置方式採用預製鋼筋隔柵混凝土樁的布置方式；C與F的連接方式採用膠 結、摩擦、咬合的連接方式，與鋼筋(或型鋼)和混凝土之間的連接方式相同。
基體材料為C40混凝土。
加筋FRP材料選用芳綸纖維(AFRP) Kelvar49型材料，其參數指標為密 度——1450kg/m3;拉伸強度——3600MPa;模量——125GPa。
FRP混凝土樁，使用的芳綸纖維為網格材，構成網格材的筋為方形橫截面， 如圖3中FRP-SEC-F所示；其表面為帶有各種凹凸不平的花紋(肋)，如圖4中 S-DL所示。
FRP混凝土樁，按國家先行樁基礎設計規範設計，圓形截面，樁徑400mm; 芳綸纖維網格材，縱向筋直徑20mm、間距100mm,橫向筋直徑8mm、間距 200mm。如圖16所示。
FRP混凝土樁，採用預製方式製作。除加筋筋材料本身的連接外(筋材或型 材的交叉搭接、筋材或型材不滿足尺寸要求時的連接)，其它製作方法與普通鋼 筋混凝土樁製作方法一致。網格材為工廠預製，不需要考慮連接問題。
該靜壓預製樁的施工按現行常規靜壓樁施工工藝進行，如圖9所示。
(5) 實施例五
本發明的目的是提供一種FRP混凝土樁及其施工方法，它是一種採用FRP
材料替代鋼筋(或型鋼)構成的FRP筋混凝土樁。 本發明一種FRP混凝土樁,其結構組成如下
FRP混凝土樁由基體材料C和加筋(或型材)F組成，如圖l所示；FRP加 筋的布置方式採用預製預應力鋼絞線方樁的布置方式；C與F的連接方式採用膠 結、摩擦、咬合的連接方式，與鋼筋(或型鋼)和混凝土之間的連接方式相同。
基體材料為C80混凝土。
加筋FRP材料選用玻璃纖維(GFRP) AR(抗鹼)和硼纖維兩種材料；玻璃纖維 (GFRP) AR(抗鹼)的材料參數指標為密度——2680kg/m3;拉伸強度—— 3500MPa;模量——75Gpa;硼纖維的材料參數指標為密度——2400 2650kg/m3; 拉伸強度——3200 5200MPa:模量——350 400GPa。
FRP混凝土樁，使用的玻璃纖維(GFRP) AR(抗鹼)為棒材(索)，如圖2中 FRP-S所示；圓形橫截面，如圖3中FRP-SEC-Y所示；其表面為帶有各種凹凸 不平的花紋；使用的硼纖維為棒材(筋)，圓形截面，其表面呈光圓狀。
FRP混凝土樁，按國家先行樁基礎設計規範設計，方形截面，樁截面400X 400mm2;主筋採用10015玻璃纖維(GFRP) AR(抗鹼)索，先張法施加預應力 710MPa，箍筋採用08硼纖維方形螺旋箍，間距200mm。如圖17、圖18所示。
FRP混凝土樁，釆用預製方式製作。除加筋筋材料本身的連接外(筋材或型 材的交叉搭接、筋材或型材不滿足尺寸要求時的連接)，其它製作方法與普通鋼 筋混凝土樁製作方法一致。主筋和箍筋之間的搭接採用02硼纖維絲綁紮、主筋 要求通常，不允許搭界。
該預製樁的施工按現行常規錘擊樁施工工藝進行，如圖19所示。
權利要求
1.一種纖維增強複合材料筋混凝土樁，其特徵在於其結構組成如下該纖維增強複合材料筋混凝土樁由基體材料和加筋組成，該纖維增強複合材料加筋材料的布置方式採用鋼筋混凝土樁、預應力混凝土樁、鋼絲網片混凝土樁、核心型鋼混凝土樁、鋼管混凝土樁的樁結構中鋼筋的任何布置方式，；加筋在基體材料之中，其連接方式為兩種材料之間的膠結、摩擦、咬合的連接方式，與鋼筋和混凝土之間的連接機理相同；基體材料為現行國家有關規範中規定使用的各種混凝土；加筋為纖維增強複合材料，是由碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維、PBO有機纖維、硼纖維、陶瓷纖維超高強聚乙烯纖維、玄武巖纖維、混雜纖維這些材料中的一種或數種構成；該纖維增強複合材料筋混凝土樁使用的纖維增強複合材料是筋和索之棒材、布和薄板之片材、型材、夾層板和蜂窩板以及網格材；其斷面形狀是圓形、矩型、不規則形式；其表面是平滑的，也可以是帶有各種凹凸不平的花紋；該纖維增強複合材料筋混凝土樁，可以對纖維增強複合材料加筋混凝土樁中的纖維增強複合加筋材料施加預應力；該纖維增強複合材料混凝土樁，根據基體材料與加筋的具體性能，按國家現行樁基礎設計規範設計，其橫截面是現行樁基常採用的圓形、矩形、環形；該纖維增強複合材料筋混凝土樁採用現澆方式製作，也可以採用預製方式製作；除加筋筋材料本身的連接外，其它製作方法與普通鋼筋混凝土樁製作方法一致；加筋筋材料連接採用耐久性纖維材料綁紮、耐久性膠體材料黏結、耐久性螺栓連接。
全文摘要
一種纖維增強複合材料筋混凝土樁，其結構組成如下該纖維增強複合材料(簡稱FRP)混凝土樁由基體材料和加筋組成；基體材料為現行使用的各種混凝土；該加筋FRP複合材料，是由碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維、PBO有機纖維、硼纖維、陶瓷纖維超高強聚乙烯纖維、玄武巖纖維、混雜纖維等材料中的一種或數種構成；該FRP混凝土樁使用的FRP材料是棒材、片材、型材、夾層板和蜂窩板以及網格材等；其斷面形狀是圓形、矩型、不規則形式；其表面平滑，也可帶有各種凹凸不平的花紋；該FRP混凝土樁，採用現澆方式製作，也可採用預製方式製作；加筋材料連接採用耐久性纖維材料綁紮、耐久性膠體材料黏結、耐久性螺栓連接；可以對FRP混凝土樁中的FRP加筋材料施加預應力。
文檔編號E02D5/22GK101343870SQ200810118789
公開日2009年1月14日 申請日期2008年8月22日 優先權日2008年8月22日
發明者張金柱, 李戰國, 範一鍇, 新 黃 申請人:北京航空航天大學