专利名称：纤维复合材料筒约束钢管混凝土组合结构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种纤维复合材料、钢管及混凝土的组合桩柱结构，尤其是一种可用于新建工程和加固改造工程，特别适用于作为跨海桥梁、港口工程、海洋和近海地下工程结构以及其它具有侵蚀性或暴露性的环境中的墩柱和桩基础、风力发电、高压输电支撑件、跨越山谷的高墩桥梁以及高层建筑柱子，具体地说是一种纤维复合材料筒约束钢管混凝土组合结构。
背景技术：
目前，钢管混凝土结构是在钢管中填充混凝土而形成的构件，其充分利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，一方面钢管对核心混凝土具有约束作用，使混凝土处于复杂应力状态之下，从而有效提高混凝土的强度和延性，另一方面混凝土的存在可有效减缓或者避免钢管这种薄壁材料过早的发生局部屈曲。此外外部钢管还可以用作浇注混凝土时的模板。钢管混凝土结构具有承载力高、延性好等优点，但当应用于桥梁、水工结构、海洋和近海等结构以及其它具有侵蚀性或暴露性的环境时，钢管会发生锈蚀从而可能导致结构发生破坏。钢管腐蚀造成结构物的破坏和以后的维修费用，远远超出人们的想象。美国国家研究委员会的公路战略研究项目(SHRP)对美国由于桥梁破坏造成的损失进行了估算，金额超过200亿美元/年，并且以每年5亿美元的速度递增。SHRP认为，这些桥梁的结构性缺陷主要由腐蚀引起。尽管可以采用在混凝土表面涂敷防护材料、采用钢筋阻锈剂等办法，或是通过提高混凝土密实度、增加保护层厚度等来防止和克服钢锈蚀的问题， 但是这些方法都只能在一定程度上延缓钢的锈蚀，效果有限，且成本较高。另外在房屋建筑中，随着人口的增多、可开发空间的减小，高层建筑是一个不可避免的发展趋势。随着建筑高度的增加，框架柱等承重构件的尺寸越来越大。承重构件尺寸的增加，不仅造成建筑使用面积变小，还将导致结构自重增加。结构的自重越大，引起的水平地震作用就越大，对地基基础的要求就越高，这在一定程度上也增加了工程的造价。解决这一问题的有效措施是采用轻质高强的构件来承重。钢筋混凝土结构造价较低，材料来源丰富，可浇注成各种复杂的截面形式，但是其自重大，这限制了其在高层建筑中的应用。钢结构抗震性能优越、自重相对较轻，可应用在高层建筑中，但是全钢结构房屋用钢量多，工程造价高，这也限制了其发展。纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer 或 Fiber Reinforced Plastic, 简称FRP)是由增强纤维材料，如玻璃纤维，碳纤维，芳纶纤维等，与基体材料(如各种聚脂、环氧、乙烯基树脂等)经过缠绕，模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料。根据增强材料的不同，常见的纤维增强复合材料分为玻璃纤维增强复合材料(GFRP)、碳纤维增强复合材料(CFRP)、芳纶纤维增强复合材料(AFRP)以及玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)。纤维增强复合材料具有如下优点(1)比强度高，即轻质高强；( 良好的抗疲劳性能，多数金属的疲劳极限是抗拉强度的40%-50%，而纤维增强复合材料则可达70%-80% ； (3)耐腐蚀性和耐久性好，可抵抗不同环境下的腐蚀，这是传统结构材料难以比拟的；(4)可设计性强；(5)热膨胀系数小。但FRP材料也有自身的缺点，如价格高、弹性模量较低等。因此需将FRP 材料和其他一种或多种传统结构材料(如混凝土、钢等)组合起来形成FRP组合结构。
发明内容本实用新型的目的是针对现有的钢结构桩柱耐腐蚀性差而复合材料桩柱强度不高的问题，设计一种将两者有机结合的纤维复合材料筒约束钢管混凝土组合结构。本实用新型的技术方案是—种纤维复合材料筒约束钢管混凝土组合结构，其特征是它主要由纤维复合材料外筒1、第一金属内筒3和第一夹层混凝土 2组成，其所述纤维复合材料外筒1粘贴在第一金属内筒3的外侧面上，所述的第一夹层混凝土 2位于所述的第一金属内筒3中。所述的金属内筒3中套装有第二金属内筒3 ‘，所述的第一夹层混凝土 2位于第一金属内筒3和第二金属内筒3 ‘之间，所述的第二金属内筒3 ‘为空心结构或填装有第二夹层混凝土 2 ’。所述的纤维复合材料外筒1为与所述的第一金属内筒3相配的单一纤维筒、混杂纤维筒或者纤维夹砂筒；其所采用的纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维中的一种或者几种，纤维方向与最终成形的纤维复合材料外筒1轴线夹角为0°、0°。所述的纤维复合材料外筒1、第一金属内筒3和第二金属内筒3 ‘的截面形状为圆形或多边形。所述的纤维复合材料筒1沿第一金属内筒3纵向连续设置或间隔设置。所述的第一金属内筒3和第二金属内筒3 ‘为薄壁钢管或厚壁钢管。所述的纤维复合材料外筒1由至少一层树脂基纤维增强层4和至少一层树脂石英砂夹砂层交替缠绕粘结而成。本实用新型的有益效果(1)本实用新型充分发挥了纤维复合材料、钢管和混凝土各自的优势，具有较高的承载力。纤维复合材料与钢管形成的复合筒可有效约束混凝土，改善混凝土的受力性能； 钢管的存在可改善复合材料筒塑性不足的问题；同时纤维复合材料的存在可减少结构用钢量，减轻构件自重，并能防止钢管被腐蚀。(2)本实用新型可解决传统钢管混凝土结构的锈蚀问题，减少结构的维护费用，提高结构的耐久性，促进其在海洋环境、近海环境及其他具有侵蚀性或暴露性环境中的应用。(3)本实用新型可对受损的钢管混凝土构件进行加固，通过在外钢管外面包裹纤维复合材料，提高受损结构的承载力，同时起到防腐蚀的作用。该种加固方法施工便利，可有效加快施工速度。(4)本实用新型可用于新建结构中，并可采用机械化连续缠绕工艺或者夹砂工艺， 现场规模化生产，施工速度快，易于控制质量，并且钢管可作为复合材料筒的内芯模，大大简化施工工序。
图1是本实用新型的圆形复合材料筒约束钢管混凝土结构示意图。其中[0021]图la)为本实用新型圆形复合材料筒约束钢管混凝土结构截面示意图；图lb)为设置内钢管的圆形FRP筒约束中空夹层钢管混凝土结构；图Ic)为设置内钢管的圆形FRP筒约束双钢管混凝土实心结构；图Id)为无内钢管的圆形FRP筒约束钢管混凝土结构。图2为本实用新型的矩形复合材料筒约束钢管混凝土结构示意图。其中图2a)为本实用新型矩形复合材料筒约束钢管混凝土结构截面示意图；图2b)为设置内钢管的矩形FRP筒约束中空夹层钢管混凝土结构；图2c)为设置内钢管的矩形FRP筒约束双钢管混凝土实心结构；图2d)为无内钢管的矩形FRP筒约束钢管混凝土结构。图3为本实用新型的圆形复合材料夹砂筒约束钢管混凝土结构示意图。其中图3a)为设置内钢管的圆形夹砂FRP筒约束中空夹层钢管混凝土结构；图北)为设置内钢管的圆形夹砂FRP筒约束双钢管混凝土实心结构；图3c)为无内钢管的圆形夹砂FRP筒约束钢管混凝土结构。图4为本实用新型的矩形复合材料夹砂筒约束钢管混凝土结构的结构示意图。其中图4a)为设置内钢管的矩形FRP夹砂筒约束中空夹层钢管混凝土结构；图4b)为设置内钢管的矩形FRP夹砂筒约束双钢管混凝土实心结构；图4c)为无内钢管的矩形FRP夹砂筒约束钢管混凝土结构。图中标号1为纤维复合材料筒(FRP筒)，2为第一夹层混凝土，2 ‘为第二夹层混凝土，3为第一金属钢筒，3'为第二金属内筒，4为纤维层，5为夹砂层，6为由纤维层形成的最终纤维层外壁。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。实施例一如图lb)。一种纤维复合材料筒约束钢管混凝土组合结构，它主要由纤维复合材料外筒1、第一金属内筒3、第二金属内筒3 ‘、第一夹层混凝土 2组成，其立体结构示意图如图la)所示。所述纤维复合材料外筒1粘贴在第一金属内筒3的外侧面上，所述的第一夹层混凝土 2位于所述的第一金属内筒3与第二金属内筒3 ‘中。图lb)中内外侧同心设置不同直径的第一金属内筒3 (圆钢管)和第二金属内筒3 ‘(圆钢管)，在内外侧圆钢管3、3 ‘之间浇注第一混凝土 2，形成中空夹层钢管混凝土结构，在中空夹层钢管混凝土结构的外表面，设置纤维复合材料筒1，复合材料筒可以采用纤维缠绕工艺或者手糊工艺成型。具体实施中，内侧圆钢管3丨的内部还可以浇注第二夹层混凝土 2丨，形成图Ic) 所示的复合材料筒约束双钢管混凝土实心结构；内侧圆钢管3 ‘可以移除，从而形成图Id) 所示的复合材料筒约束钢管混凝土结构。此外，具体实施时还可以同心设置多个圆形内钢管3'，从而形成复合材料筒约束复式钢管混凝土结构。[0047]具体实施时，首先在外侧圆钢管3上形成复合材料筒1，然后内外管安装就位，最后浇注混凝土。复合材料筒的形成可以为手糊工艺也可以为纤维缠绕工艺或纤维夹砂成形工艺制造而成的复合材料筒，外侧圆钢管3可作为复合材料筒1的芯模。对于手糊工艺，首先对外侧圆钢管打磨除锈，将污物清除，用吹风机将灰尘吹净， 最后用丙酮或者乙酸乙脂将外侧圆钢管3擦拭干净。根据所需尺寸裁剪FRP纤维布，并将树脂均勻涂抹于钢管外壁，将FRP布按照所需铺层包裹外侧圆钢管3，将树脂涂抹于FRP布， 并用刮板或者滚筒反复碾压以释放空气并使树脂充分浸湿FRP布，待FRP布指触干燥后进行下一层的黏贴。不同FRP布之间纬向(S卩非主纤维方向)拼接不得小于10mm，径向(即主纤维方向)搭接长度不得小于150mm。重复上述过程，直至满足设计要求的厚度，固化成型后即为复合材料筒1。所采用的纤维可以为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维中的一种或者几种，所采用的纤维布可以为不同的纤维方向。对于该种工艺，成型尺寸不受产品尺寸和形状限制，易于满足设计要求，但是产品质量不易控制，生产效率较低。对于缠绕工艺，可以采用干法缠绕、湿法缠绕、半干法缠绕。实际应用时，湿法缠绕最为普遍。缠绕成型的原材料主要是纤维增强材料、树脂和填料。缠绕成型的纤维增强材料可以为各种纤维纱、布及毡，纤维的种类可以为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维。缠绕采用的树脂基体主要为环氧树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂等，填料则根据使用要求进行添加。先安装芯模(即外侧圆钢管3)到缠绕机上，在缠绕前首先要清除金属芯模表面的油污，用丙酮或乙酸乙脂清洗干净。如果有铁锈，先用砂纸打光芯模表面，而后再清洗干净。通过缠绕机的数控系统进行参数设定及纤维张力调节，纤维的缠绕角可以为0° 90°。然后将胶液倒入胶槽中，使纤维经过浸胶槽和挤胶辊，通过分纱装置后集束，引入绕丝嘴，按设计要求进行设定线型的缠绕，并随时调节浸胶装置控制纤维带胶量，当缠绕即将结束时，测其厚度，达到设计要求时即可停机。待固化完毕后，即可在圆钢管3外侧形成复合材料筒。该种工艺机械化和自动化程度高，产品质量稳定，但对仪器设备及人员素质要求尚ο实施例二 如图2所示。本实施实例与实例一相比，钢管及FRP筒的截面形状为矩形，其余均与实施例一相同。实施例三如图3所示。本实施实例与实例一相比，FRP筒的成型工艺不同，其余均与实施例一相同。本实施实例中，FRP筒的成型工艺为夹砂缠绕工艺。外侧圆钢管3加工好后，在钢管的指定部位缠绕第一层树脂基纤维增强层4，在纤维层4上铺设树脂基石英砂夹砂层5， 在夹砂层5上缠绕纤维增强层4，在纤维增强层4上铺设夹砂层5，如此交替缠绕纤维层和铺设夹砂层，直到最外层纤维增强层6缠绕完后壁厚满足设计要求为止。纤维增强材料，可以是碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维等混杂或单一缠绕而成，纤维的缠绕角可以是0° 90°等。石英砂的掺入比例可根据设计确定。加入石英砂，可提高复合材料筒的刚度，并且显著降低成本。实施例四如图4所示。本实施实例与实例三相比，钢管及FRP筒的截面形状为矩形，其余均与实施例三相同。[0057] 本实用新型未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
权利要求1.一种纤维复合材料筒约束钢管混凝土组合结构，其特征是它主要由纤维复合材料外筒(1)、第一金属内筒(3)和第一夹层混凝土(2)组成，其所述纤维复合材料外筒(1)粘贴在第一金属内筒(3)的外侧面上，所述的第一夹层混凝土(2)位于所述的第一金属内筒(3) 中。
2.根据权利要求1所述的纤维复合材料筒约束钢管混凝土组合结构，其特征是所述的金属内筒(3)中套装有第二金属内筒(3丨)，所述的第一夹层混凝土(2)位于第一金属内筒 (3)和第二金属内筒(3 ‘)之间，所述的第二金属内筒(3 ‘)为空心结构或填装有第二夹层混凝土(2 ‘)。
3.根据权利要求1所述的纤维复合材料筒约束钢管混凝土组合结构，其特征是所述的纤维复合材料外筒(1)为与所述的第一金属内筒(3)相配的单一纤维筒、混杂纤维筒或者纤维夹砂筒；纤维方向与最终成形的纤维复合材料外筒(1)轴线夹角为0°、0°。
4.根据权利要求1或2所述的纤维复合材料筒约束钢管混凝土组合结构，其特征是所述的纤维复合材料外筒(1)、第一金属内筒(3)和第二金属内筒(3丨)的截面形状为圆形或多边形。
5.根据权利要求1或2所述的纤维复合材料筒约束钢管混凝土组合结构，其特征是所述的纤维复合材料筒(1)沿第一金属内筒(3)纵向连续设置或间隔设置。
6.根据权利要求1或2所述的纤维复合材料筒约束钢管混凝土组合结构，其特征是所述的第一金属内筒(3)和第二金属内筒(3丨)为薄壁钢管或厚壁钢管。
7.根据权利要求1或3所述的纤维复合材料筒约束钢管混凝土组合结构，其特征是所述的纤维复合材料外筒(1)由至少一层树脂基纤维增强层(4)和至少一层树脂石英砂夹砂层交替缠绕粘结而成。
专利摘要一种纤维复合材料筒约束钢管混凝土组合结构，其特征是它主要由纤维复合材料外筒(1)、第一金属内筒(3)和第一夹层混凝土(2)组成，其所述纤维复合材料外筒(1)粘贴在第一金属内筒(3)的外侧面上，所述的第一夹层混凝土(2)位于所述的第一金属内筒(3)中。本实用新型承载力大，耐久性好，不仅可用在新建结构中，又可对受损的钢管混凝土构件进行加固，特别适用于作为跨海桥梁、港口工程、海洋和近海地下工程结构以及其它具有侵蚀性或暴露性的环境中的墩柱和桩基础、风力发电、高压输电支撑件、跨越山谷的高墩桥梁以及高层建筑柱子。
文档编号E04C3/34GK202117165SQ201120097430
公开日2012年1月18日 申请日期2011年4月6日 优先权日2011年4月6日
发明者刘伟庆, 方海, 王俊, 祝露, 陆伟东 申请人:南京工业大学