一种ECC增强的钢薄壁结构及其制备方法

本发明涉及一种建筑结构，具体涉及一种ecc增强的钢薄壁结构，还涉及一种ecc增强的钢薄壁结构的制备方法。

背景技术：

近十几年来，钢结构以其质量轻、强度高、施工方便等优点被广泛应用于高层建筑和桥梁工程中，并取得了良好的经济效益。钢薄壁结构正是利用了这一特点，将钢材做成了薄壁结构形式，使钢结构更为轻便，且材料用量较少。然而，实际工程中，钢薄壁结构仍然存在易于局部屈曲、耐火性能差、防腐蚀性能不足等缺点。

ecc(engineeredcementitiouscomposite)是近几十年快速发展起来的高性能纤维增韧水泥基复合材料之一，具有超强的裂缝控制能力、抗弯韧性、抗疲劳性及耐久性。目前，ecc已经成功应用到世界各国的多个工程当中并取得了较好的效果。由于ecc中含有短切纤维，能够起到很好的桥联作用，不仅使ecc具有卓越的拉伸变形能力(应变能达3％以上)，还使ecc具有良好的裂缝分散及控制能力(裂缝控制在100μm以内)从而材料的整体传力性能不被削弱。此外，研究还表明，ecc中的短切纤维为pva纤维时，在高温下能逐渐熔融，在ecc内形成联通空隙，有利于内部蒸汽水压力的释放，使ecc不易发生爆裂，保持高温后ecc的完整性。因此，使用ecc作为结构表层不但能增强结构的耐火性能，同时由于其良好的裂缝控制能力，能降低腐蚀环境侵蚀对结构材料的劣化作用，减少了后期维护费用。另外，配制ecc所需要的原材料中大量使用了工业废料，因此，ecc也是一种绿色、环保的建筑材料。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种能增强薄壁结构刚度、分担荷载的一种ecc增强的钢薄壁结构及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种ecc增强的钢薄壁结构，包括从外到内依次设置的ecc层、钢薄壁层；在ecc层的内部设置增强网格；钢薄壁结构为内部设有腔室的封闭结构或设有开口的敞开结构。钢薄壁层的厚度为2mm-40mm。

作为一种优选，当采用封闭结构时，腔室的数量为一个。

作为一种优选，当采用封闭结构时，腔室的数量为至少两个，腔室之间通过隔板隔开，隔板的材料同钢薄壁层。

作为一种优选，当采用敞开结构时，开口的数量为至少一个，设置在钢薄壁结构的侧壁。

作为一种优选，增强网格为纤维编织网、frp(fiberreinforcedpolymer)网格和格栅中的一种或者多种组合。

作为一种优选，钢薄壁层的外侧固定焊钉，焊钉呈矩形阵列排列，焊钉之间的距离为增强网格的格间距的整数倍；增强网格通过铁丝绑在焊钉上。

作为一种优选，ecc层、钢薄壁层的横截面的几何形心重合。

作为一种优选，钢薄壁层中，钢薄壁的截面形状为圆形、椭圆形、长方形或正多边形。

作为一种优选，ecc层等厚度的包裹于钢薄壁层的外侧，或ecc层变厚度的包裹于钢薄壁层的外侧；钢薄壁层等厚度设置或变厚度设置。

一种ecc增强的钢薄壁结构的制备方法，包括如下步骤，第一步，在钢薄壁层外侧固定焊钉；第二步，将增强网格固定在焊钉上；第三步，在钢薄壁层外侧设置模板并临时固定；第四步，将ecc层浇筑在钢薄壁层与模板之间；第五步，脱模。

总的说来，本发明具有如下优点：

1.本发明受力性能好。ecc的极限拉伸变形能力强，包裹于钢薄壁层外侧的ecc层在焊钉的嵌固作用下可与钢薄壁层协同变形、共同受力；钢薄壁层的较大刚度及抗剪强度弥补了ecc层单独受力时在刚度、抗剪方面的不足；另一方面，ecc层可约束内侧钢薄壁层防止后者向外局部失稳，有利于钢薄壁层充分发挥其材料强度，使本发明的双层组合结构承载能力和延性明显高于两种材料层叠加。因此，钢薄壁层与ecc层组合之后将产生1+1>2的受力效果，即ecc层和钢薄壁层组合的共同作用，大于两者的单个作用之和。

2.本发明耐火性能好。ecc中含有的pva纤维熔点较低，能够在高温下熔融形成水汽通道，有利于内部蒸汽水压力的排放，使ecc具有良好的耐火性能，高温下不会发生爆裂，能有效提升钢薄壁层耐火性能。

3.本发明耐久性能好。外侧ecc层具有优越的裂缝控制能力，裂缝宽度能够控制在100μm以内，外界的腐蚀介质很难穿过ecc层到达钢薄壁层表面引发锈蚀，对钢薄壁层的耐久性能起到良好的保护作用，减少钢薄壁层后期维护的费用，能有效提升钢薄壁层在恶劣环境中(如室外暴露环境、滨海环境、海洋环境)的耐久性。

4.本发明施工方便。在实施本发明时，只需在钢薄壁层外部焊接焊钉，将纤维编织网或frp网格或格栅挂置在焊钉上，并通过细铁丝固定，使用木模板或gfrp管充当外模板，然后浇筑ecc，拆模，制成后的钢薄壁结构可以作为结构构件或结构部件直接使用，重量轻、施工方便。

5.相比于单腔室结构，多个腔室结构中内部钢结构不仅能分担外侧钢薄壁结构受力，分散减小其应力，还可以对外侧钢薄壁结构形成支撑，使之不容易向内失稳，从而增加本发明双层结构的整体承载力，并减小其变形。

附图说明

图1为腔室数量为一个时，一种ecc增强的钢薄壁结构的横截面示意图。

图2为腔室数量为三个时，一种ecc增强的钢薄壁结构的横截面示意图；

图3为一种ecc增强的钢薄壁结构的立体示意图。

图4a-4e为钢薄壁层中钢薄壁的截面形状示意图。

图5a-5e为在钢薄壁层外侧的ecc层和增强网格的施工过程图。

图6为增强网格与焊钉连接的立体图。

图7为增强网格与焊钉连接的示意图。

图8为增强网格搭接部分的示意图。

图9a-9b为增强网格与焊钉通过细铁丝绑扎的局部放大图。

图10为焊钉的结构示意图。

其中：1为ecc层，2为增强网格，3为钢薄壁层，4为腔室；5为焊钉，6为连接节点，7为细铁丝，8为隔板，l为搭接长度。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

实施例一

一种ecc增强的钢薄壁结构，包括从外到内依次设置的ecc层、钢薄壁层；在ecc层的内部设置增强网格；钢薄壁结构为内部设有腔室的封闭结构或设有开口的敞开结构。钢薄壁层的厚度为2mm-40mm。本实施例中，钢薄壁层的厚度为10mm。

当采用封闭结构时，腔室的数量为一个。本实施例中，腔室的数量为一个。

增强网格为纤维编织网、frp(fiberreinforcedpolymer)网格和格栅中的一种或者多种组合。钢薄壁层的外侧固定焊钉，焊钉呈矩形阵列排列，焊钉之间的距离为增强网格的格间距的整数倍；增强网格通过铁丝绑在焊钉上。本实施例的增强网格为纤维编织网。焊钉之间的距离等于增强网格的格间距，相邻增强网格的边缘相互搭接，搭接长度l为增强网格的格间距的2-3倍。制成后的钢薄壁结构可以作为结构构件或结构部件直接使用，重量轻、施工方便。

ecc层、钢薄壁层的横截面的几何形心重合。

钢薄壁层中，钢薄壁的截面形状为圆形、椭圆形、长方形或正多边形。本实施例的钢薄壁的截面形状为矩形。

ecc层等厚度的包裹于钢薄壁层的外侧，或ecc层变厚度的包裹于钢薄壁层的外侧；钢薄壁层等厚度设置或变厚度设置。本实施例中，ecc层等厚度的包裹于钢薄壁层的外侧，钢薄壁层等厚度设置。

本实施例中，ecc层包裹于钢薄壁层的外侧呈立方体形，腔室的截面形状呈矩形。

一种ecc增强的钢薄壁结构的制备方法，包括如下步骤，第一步，在钢薄壁层外侧固定焊钉；第二步，将增强网格固定在焊钉上；第三步，在钢薄壁层外侧设置模板并临时固定；第四步，将ecc层浇筑在钢薄壁层与模板之间；第五步，脱模。

本发明受力性能好。ecc的极限拉伸变形能力强，包裹于钢薄壁层外侧的ecc层在焊钉的嵌固作用下可与钢薄壁层协同变形、共同受力；钢薄壁层的较大刚度及抗剪强度弥补了ecc层单独受力时在刚度、抗剪方面的不足；另一方面，ecc层可约束内侧钢薄壁层防止后者向外局部失稳，有利于钢薄壁层充分发挥其材料强度，使本发明的双层组合结构承载能力和延性明显高于两种材料层叠加。因此，钢薄壁层与ecc层组合之后将产生1+1>2的受力效果，即ecc层和钢薄壁层组合的共同作用，大于两者的单个作用之和。

实施例二

当采用封闭结构时，腔室的数量为至少两个，腔室之间通过隔板隔开，隔板的材料同钢薄壁层。本实施例中，钢薄壁结构采用封闭结构，腔室的数量为三个，腔室之间通过隔板隔开，隔板的材料同钢薄壁层。本实施例的增强网格为frp(fiberreinforcedpolymer)网格。

纤维增强复合材料(fiberreinforcedpolymer，简称frp)，现有cfrp、gfrp、afrp、bfrp等。质轻而硬，不导电，机械强度高，回收利用少，耐腐蚀。

本实施例中，三个腔室的横截面均为矩形，三个腔室的大小一致。

本实施例的钢薄壁结构，ecc层能约束内侧钢薄壁层以防止钢薄壁层局部屈曲，并同时作为钢薄壁层的耐火性及耐久性保护层；内侧的钢薄壁层作为浇筑外侧ecc层的刚性骨架及模板，三个腔室通过隔板间隔，分担外侧钢薄壁结构受力，分散减小其应力，还可以对外侧钢薄壁结构形成支撑，使之不容易向内失稳，从而增加本发明双层结构的整体承载力，并减小其变形。上述两层结构协同工作，使所述钢薄壁结构具有更好的受力性能、耐火性能及耐久性，在处于暴露腐蚀环境中桥梁结构及海洋工程结构中有广泛的应用前景。

本实施例未提及部分同实施例一。

实施例三

本实施例中，ecc层变厚度的包裹于钢薄壁层的外侧，钢薄壁层变厚度设置。本实施例ecc层变厚度的包裹于钢薄壁层的外侧，外侧的ecc层足够厚时，局部抗弯刚度较大，从而能更有效防止钢管的向外局部屈曲。钢薄壁层变厚度设置，根据ecc层厚度变化，钢薄壁层的厚度相应变化，配合ecc层对于自身的约束，同时避免内部应力变化，从而避免钢薄壁结构在单独受压时候强度不够高、刚度不够大的问题。

本实施例未提及部分同实施例一。

实施例四

当采用敞开结构时，开口的数量为至少一个，设置在钢薄壁结构的侧壁。本实施例中，钢薄壁结构采用敞开结构，开口的数量一个，设置在钢薄壁结构的侧壁。本实施例的钢薄壁结构仅仅在需要时在钢薄壁层内填充其他材料，为实际工程应用提供了更多设计选择，且重量轻，运输与施工方便。

本实施例未提及部分同实施例一。

本发明的优点效果：

相对于由外到内结构为ecc材料、浇筑在ecc材料内的钢筋骨架、钢管、浇注于钢管内壁的uhpc材料以及空腔的组合柱构件，本发明由外到内的结构为从外到内依次设置的ecc层、钢薄壁层；

从结构上看，本发明为双层结构，本发明的钢薄壁层内侧为腔室，腔室的数量为多个，上述的组合柱构件在采用离心成型工艺在钢管内制作uhpc层，只能采用单个腔室的圆形结构钢管，因此两者结构有较大区别。本发明受力性能好。ecc的极限拉伸变形能力强，包裹于钢薄壁层外侧可与钢结构协同变形，分担钢薄壁层荷载，使其比钢薄壁层具有更大的承载能力和延性；ecc层还可约束内侧钢薄壁层防止其局部屈曲，有利于钢薄壁层充分发挥其强度。

本发明的ecc层内部设置增强网格，增强网格相对于上述的组合柱构件，具有耐腐蚀作用，能在恶劣环境下(室外暴露及滨海、海洋环境)的耐久性更好。

从施工工艺方面看：本发明施工工艺更加简单，可以在工厂一次性预制然后运送至施工现场使用，应用方便，上述的组合柱构件需要使用的离心成型工艺在钢管内制作uhpc层并蒸压养护，现场安装后还需要喷射ecc，工艺比较复杂。

除了上述实施例外，ecc层必要时可以替换为纤维增强树脂基复合材料层(frp层)、超高性能混凝土(uhpc)层、地聚物混凝土(或砂浆)层、碱激发混凝土(或砂浆)层、聚丙烯纤维增强混凝土(或砂浆)层的一种。这些变换方式均在本发明的保护范围内。

除了上述实施例外，钢薄壁层中钢薄壁可采用图4a-4e的截面形状，这些变换方式均在本发明的保护范围内。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。