一种可预先施加围压的混凝土柱及其制作方法、加固方法与流程

本发明涉及一种混凝土柱，尤其涉及一种可预先施加围压的混凝土柱及其制作方法、加固方法。

背景技术：

任何材料在三向压力作用下，其抗压强度和变形能力均能得到显著提高。如图1所示的材料，在三向压力作用下，任何一个方向的抗压强度均大于单向受压时候的抗压强度；当三个方向的压应力相等σ₁＝σ₂＝σ₃时，理论上其抗压强度趋向于无穷大。例如海底的岩石，虽然在竖直方向承受非常巨大的海水压力，已经远超岩石单向受压时的抗压强度，但是由于其在水平方向(侧向)也受到周围岩石的围压作用，因此并不会被压坏。如果只有竖直方向的压力作用，早就发生破坏了。

在建筑结构工程中，利用侧向围压来提高结构的承载能力也是常见的做法，例如钢管混凝土柱和纤维约束混凝土柱。其中，钢管混凝土柱是一种外部是钢管1，钢管1内部是混凝土柱2的结构形式，其截面形式如图2所示。纤维约束混凝土柱是一种在混凝土柱2外侧包裹高强纤维约束材料3(碳纤维布、玻璃纤维布)的结构形式，其截面形式如图3所示。钢管混凝土柱的钢管可以作为模板，直接在钢管内浇筑混凝土养护成型，用于现浇工程；也可以在已有混凝土柱的外部包裹钢管，用于加固工程。而纤维约束混凝土柱只能用于已有混凝土柱的加固工程。

不论是钢管混凝土柱还是纤维约束混凝土柱，其作用原理是相同的：当混凝土柱竖向受压后，会发生横向的膨胀变形，而横向的膨胀变形受到外侧钢管或纤维布的约束作用，会对混凝土柱产生侧向围压，因此混凝土柱处于三向受压的状态，如图4和图5所示。在这种侧向围压约束作用下，混凝土柱的纵向抗压强度得到显著提高，其承载能力要显著高于没有侧向围压的单纯的混凝土柱。

这种利用侧向围压来提高混凝土柱承载能力的做法在实际结构工程中得到了广泛应用。但是在充分利用围压方面还存在一些不足：

(1)围压是被动产生的：只有当混凝土柱受压到一定程度，纵向压缩变形和横向膨胀变形较大时，钢管或纤维布才能对混凝土柱产生一定的围压作用，不能主动产生围压作用；

(2)围压的大小是不确定的：围压是由于混凝土柱的横向膨胀受到约束产生的，而混凝土柱在受压过程中的横向膨胀变形一直在变化，因此相应的围压大小也在变化，且围压变化的过程和能够达到的峰值都是很难确定的；

(3)围压不能很好地约束混凝土柱的变形：钢管和纤维布产生的围压是逐渐产生和增加的，混凝土柱受压的开始阶段围压很小，起不到很好的约束作用，随着纵向压缩变形和横向膨胀变形的持续增大，围压的作用才逐渐达到最大，因此混凝土柱在达到极限承载能力的时候，其变形已经比较大了；

(4)很难充分发挥钢管和纤维布的材料性能：钢管和纤维布的受力情况比较复杂，围压也是被动产生的，并不是完全地、单纯地产生围压，其材料性能很难充分发挥；

(5)在某些情况下如果想对使用过程中的围压大小进行调整，也无法实现。

由此可见，现有技术有待于进一步的改进和提高。

技术实现要素：

本发明为避免上述现有技术存在的不足之处，提供了一种可预先施加围压的混凝土柱及其制作方法、加固方法，该混凝土柱的围压可以预先施加，以提高混凝土柱的抗压能力和变形能力，并且在必要的时候可以调整围压的大小。

本发明所采用的技术方案为：

一种可预先施加围压的混凝土柱，包括围包混凝土柱外侧的第一钢管，第一钢管与混凝土柱的外轮廓之间存在间隙，间隙内加压灌注有灌浆料。

所述第一钢管的下部均布有多个灌注嘴，第一钢管的上部均布有多个排气嘴。

所述混凝土柱外侧还围包有第二钢管，第二钢管紧贴混凝土柱设置，上述灌浆料填充在第一钢管和第二钢管之间的间隙内。

所述第一钢管的厚度大于第二钢管的厚度，第一钢管的顶端与第二钢管的顶端相互齐平，第一钢管的底端与第二钢管的底端相互齐平。

所述第一钢管的顶端设置有用于封闭所述间隙顶部的上环形端板，第一钢管的底端设置有用于封闭所述间隙底部的下环形端板。

所述灌浆料为能够固化的浆体或不能够固化的液体。

本发明还公开了一种混凝土柱的制作方法，该方法包括如下步骤：

步骤1，选用第二钢管，并将第二钢管作为模板在其内部浇筑混凝土，硬化后形成混凝土柱；

步骤2，选用第一钢管，第一钢管的厚度、内径均大于第二钢管的厚度，且在第一钢管的下部开设多个灌注嘴，在第一钢管的上部开设多个排气嘴，将第一钢管围包在第二钢管的外侧，第一钢管和第二钢管之间存在间隙；

步骤3，在所述第一、第二钢管的顶端设置用于密封间隙顶部的上环形端板，在第一、第二钢管的底端设置用于密封间隙底部的下环形端板，之后在上环形端板与混凝土柱接缝处以及下环形端板与混凝土柱接缝处灌注或涂抹结构胶进行密封；

步骤4，选用加压设备和灌浆料，打开第一钢管上部的排气嘴，利用加压设备通过灌注嘴向所述间隙内灌注灌浆料，当空腔内注满灌浆料后，关闭排气嘴，并持续加压灌注灌浆料，直至灌浆料达到预定的压强，之后关闭灌注嘴。

所述步骤4中的灌浆料为能够固化的浆体或不能够固化的液体，加压设备上设置有压力检测、显示部件；当所述灌浆料为不能够固化的液体，通过压力检测、显示部件实时监测所灌注的液体灌浆料的压力，并根据所需的围压大小实时调整加压设备的压力，直到灌浆料达到所需的压强。

本发明还公开了一种混凝土柱的加固方法，该方法包括如下步骤：

步骤1，在混凝土柱外侧围设第一钢管，第一钢管的下部开设有多个灌注嘴，第一钢管的上部开设有多个排气嘴，第一钢管与混凝土柱之间存在间隙；

步骤2，在所述第一钢管的顶端设置用于密封间隙顶部的上环形端板，在第一钢管的底端设置用于密封间隙底部的下环形端板，之后在上环形端板与混凝土柱接缝处以及下环形端板与混凝土柱接缝处灌注或涂抹结构胶进行密封；

步骤3，选用加压设备和灌浆料，打开第一钢管上部的排气嘴，利用加压设备通过灌注嘴向所述间隙内灌注灌浆料，当间隙内注满灌浆料后，关闭排气嘴，并持续加压灌注灌浆料，直至灌浆料达到预定的压强，之后关闭灌注嘴。

所述步骤3中的灌浆料为能够固化的浆体或不能够固化的液体，加压设备上设置有压力检测、显示部件；当所述灌浆料为不能够固化的液体，通过压力检测、显示部件实时监测所灌注的液体灌浆料的压力，并根据所需的围压大小实时调整加压设备的压力，直到灌浆料达到所需的压强。

由于采用了上述技术方案，本发明所取得的有益效果为：

1、本发明通过在混凝土柱的外侧围套一个中空的复合钢管套结构，在厚钢管和薄壁钢管之间的间隙内加压灌注具有一定压强的、高流动性的灌浆料，则灌浆料的压强会对内部的混凝土柱产生主动的围压作用，并且可以根据需要施加不同大小的围压，可控性强。

2、本发明中的混凝土柱在受压的开始阶段就受到预先施加的围压作用，因此其抗压性能和变形性能都更强。

3、本发明中的灌浆料可以选用能够固化的浆体形式，也可以选用不能固化的液体形式，当采用非固化的液体形式时，可以随时监测和掌控所施加的围压的大小以及围压作用下混凝土柱的承载能力，并可以根据需要进行围压的调整，实现结构信息的实时检测和控制，适用于将来发展的智能结构中。

附图说明

图1为三向受压材料的受力分析图。

图2为现有技术中钢管混凝土柱的横截面示意图。

图3为现有技术中纤维约束混凝土柱的横截面示意图。

图4为混凝土柱在侧向围压作用下的受力分析图。

图5为混凝土柱在侧向围压作用下横截面的受力分析图。

图6为本发明中可预先施加围压的混凝土柱的整体结构示意图。

图7为本发明中可预先施加围压的混凝土柱的竖剖图。

图8为本发明中可预先施加围压的混凝土柱的横剖图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施例。

如图6至图8所示，一种可预先施加围压的混凝土柱，包括围包混凝土柱4外侧的第一钢管5，第一钢管5与混凝土柱4的外轮廓之间存在间隙，间隙内加压灌注有灌浆料11。所述灌浆料11为能够固化的浆体或不能够固化的液体。所述第一钢管5的下部均布有多个灌注嘴7，第一钢管5的上部均布有多个排气嘴8。

所述混凝土柱4外侧还围包有第二钢管6，第二钢管6紧贴混凝土柱4设置。第一钢管5的顶端与第二钢管6的顶端相互齐平，第一钢管5的底端与第二钢管6的底端相互齐平。所述第一钢管5和第二钢管6之间留有2cm左右的间隙，上述灌浆料11填充在第一钢管5和第二钢管6之间的间隙内。所述第一、第二钢管的横截面呈圆形或椭圆形。所述第一钢管5为厚钢管，第二钢管6为薄壁钢管，第一钢管5的厚度远大于第二钢管6的厚度。

为避免灌注时漏浆，在所述第一钢管5的顶端设置有用于封闭所述间隙顶部的上环形端板9，第一钢管5的底端设置有用于封闭所述间隙底部的下环形端板10。

所述第一钢管5主要承受灌浆料11的膨胀压力，该压力与施加给混凝土柱4的围压大小相同，因此第一钢管5的厚度根据所施加围压的大小确定。所述第二钢管6主要起到封闭和防止漏浆的作用，其承受的灌浆料11的压力直接传递给混凝土柱4，因此，第二钢管6的厚度可以很薄。所述上、下环形端板主要起到封闭第一、第二钢管两端开口从而防止漏浆的作用，因此，上、下环形端板均需具有足够的厚度以免发生明显变形。

所述灌浆料11是通过加压设备灌注的，灌注灌浆料11时，首先需要打开排气嘴8，然后利用加压设备进行灌注，当所述间隙内注满灌浆料后，关闭排气嘴8，持续加压灌注，直到灌浆料11达到预定的强度，最后关闭灌注嘴7。所述灌浆料11产生的往外的压力由第一钢管5承受，产生的往内的压力则通过第二钢管6传递给混凝土柱4，从而产生需要的围压。且所述灌浆料11能够达到的压强大小取决于第一钢管5的强度，最大压强对应第一钢管5屈服时的压强。

本发明还公开了一种混凝土柱的制作方法，该方法包括如下步骤：

步骤1，选用第二钢管6，并将第二钢管6作为模板在其内部浇筑混凝土，硬化后形成混凝土柱；

步骤2，选用第一钢管5，第一钢管5的厚度、内径均大于第二钢管6的厚度，且在第一钢管5的下部开设多个灌注嘴7，在第一钢管5的上部开设多个排气嘴8，将第一钢管5围包在第二钢管6的外侧，第一钢管5和第二钢管6之间存在间隙；

步骤3，在所述第一、第二钢管的顶端设置用于密封间隙顶部的上环形端板9，在第一、第二钢管的底端设置用于密封间隙底部的下环形端板10，之后在上环形端板9与混凝土柱接缝处以及下环形端板10与混凝土柱接缝处灌注或涂抹结构胶进行密封；

步骤4，选用加压设备和灌浆料，打开第一钢管5上部的排气嘴8，利用加压设备通过灌注嘴向所述间隙内灌注灌浆料11，当空腔内注满灌浆料后，关闭排气嘴8，并持续加压灌注灌浆料，直至灌浆料11达到预定的压强，之后关闭灌注嘴7。

所述步骤4中的灌浆料11为能够固化的浆体或不能够固化的液体，加压设备上设置有压力检测、显示部件；当所述灌浆料11为不能够固化的液体，通过压力检测、显示部件实时监测所灌注的液体灌浆料的压力，并根据所需的围压大小实时调整加压设备的压力，直到灌浆料达到所需的压强。

本发明还公开了一种混凝土柱的加固方法，该方法包括如下步骤：

步骤1，在混凝土柱4外侧围设中空的复合钢管套，所述复合钢管套包括第一钢管5和第二钢管6，第一钢管5的厚度、内径均大于第二钢管6的厚度，第一钢管5的下部开设有多个灌注嘴7，在第一钢管5的上部开设有多个排气嘴8，第一钢管5围包在第二钢管6的外侧，第二钢管6紧贴混凝土柱4设置，第一钢管5和第二钢管6之间存在间隙；

步骤2，在所述第一、第二钢管的顶端设置用于密封间隙顶部的上环形端板9，在第一、第二钢管的底端设置用于密封间隙底部的下环形端板10，之后在上环形端板9与混凝土柱接缝处以及下环形端板10与混凝土柱接缝处灌注或涂抹结构胶进行密封；

当然，为了方便操作和施工，在加固过程中可以舍弃所述第二钢管6，只在混凝土柱4外侧套置第一钢管5，并在第一钢管5和混凝土柱4之间的间隙内灌注下述灌浆料11也可实现对混凝土柱的加固。

步骤3，选用加压设备和灌浆料11，打开第一钢管5上部的排气嘴8，利用加压设备通过灌注嘴7向所述间隙内灌注灌浆料11，当间隙内注满灌浆料11后，关闭排气嘴8，并持续加压灌注灌浆料11，直至灌浆料11达到预定的压强，之后关闭灌注嘴7。

上述加固方法通过在混凝土柱外套置钢管，然后施加围压，即可实现对混凝土柱的加固。

所述步骤3中的灌浆料11为能够固化的浆体或不能够固化的液体，加压设备上设置有压力检测、显示部件；当所述灌浆料11为不能够固化的液体，通过压力检测、显示部件实时监测所灌注的液体灌浆料的压力，并根据所需的围压大小实时调整加压设备的压力，直到灌浆料达到所需的压强。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。