组合柱及其施工方法

本发明属于建筑结构构件技术领域，具体涉及一种海洋工程的组合柱以及该组合柱的施工方法。

背景技术：

海洋的资源极为丰富，拥有大量的海洋矿物资源、海水化学资源、海洋生物资源和海洋动力资源。随着科技的快速发展，人们对海洋资源的探索、需求日益增长，因此对海洋工程岛礁的建设，特别是一些需要快速施工的紧急工程，越来越重视。

海洋工程建设的难点就是海洋环境，其中最典型的就是海水的腐蚀性。普通的钢筋混凝土结构在近海环境中由于钢筋的锈蚀会造成安全性和耐久性的降低，为此在设计施工阶段和后期维护阶段都需要耗费大量的人力物力去保证结构的耐久性。此外，普通的河沙资源和石料资源日益紧缺，海砂储量虽然很大，但是直接作为混凝土用料会腐蚀钢筋，导致承载力低裂缝发展快，必须经过脱氯达标后才能使，此过程需要大量的经济投入。

目前，由于frp材料具有很高的强度和耐腐蚀性，可以直接与海水海砂搭配使用，因而已经被应用于海洋工程建设中。但是，frp属于线弹性材料，弹性模量较低，容易造成构件的脆性坏，直接使用的方式有时并不能满足结构的性能要求。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有海洋工程的腐蚀问题，本发明提供一种组合柱，该组合柱具有较高的耐腐蚀性，适应海洋环境。

本发明的另一目的是提供一种上述组合柱的施工方法，加快施工速度。

技术方案：本发明所述的一种组合柱，包括：形状记忆合金-frp复合管，其包括外侧的形状记忆合金管和内侧的frp管，所述形状记忆合金管和所述frp管粘结形成一体；海水海砂混凝土，其浇筑于所述形状记忆合金-frp复合管内部；笼骨架，其通过钢-连续纤维复合筋制成，被浇筑于所述海水海砂混凝土内；frp布，其包裹在所述形状记忆合金-frp复合管的外表面；聚醚醚酮热塑片材，其包裹在所述frp布的外表面。

其中，所述笼骨架包括：多个纵向筋，其沿组合柱的高度方向呈直线延伸，环绕组合柱的中轴线间隔排布；多个箍筋，其包围连接所述多个纵向筋，并在所述高度方向上间隔排布且相互平行。

具体的，所述钢-连续纤维复合筋包括钢筋内芯和包覆所述钢筋内芯的frp包覆层。

进一步的，所述形状记忆合金管的内表面经过拉毛处理，然后通过高强树脂和所述frp管粘结形成一体。

进一步的，所述frp管的内、外表面均经过拉毛处理。

进一步的，所述形状记忆合金-frp复合管的外表面经过拉毛处理，所述frp布通过高强树脂粘结在所述形状记忆合金-frp复合管的外表面。

对应于上述组合柱，本发明所述的施工方法，包括如下步骤：

(1)根据设计尺寸，预制形状记忆合金管和frp管，在形状记忆合金管和frp管的内、外表面均进行拉毛处理，通过高强树脂将两者粘结成一体，得形状记忆合金-frp复合管；

(2)预制钢-连续纤维复合筋，采用绑扎方式将钢-连续纤维复合筋制作成笼骨架，放入形状记忆合金-frp复合管内，并在工程现场定位；

(3)制备海水海砂混凝土；

(4)以形状记忆合金-frp复合管为模板，向管内浇注海水海砂混凝土；

(5)待海水海砂混凝土强度达到设计强度的75％以上后，对形状记忆合金-frp复合管进行加热，使其变形产生环向预应力；

(6)将frp布包裹粘结在冷却后的形状记忆合金-frp复合管外侧，再用聚醚醚酮热塑片材对frp布进行包裹；

(7)对聚醚醚酮热塑片材进行烘烤紧箍处理。

其中，所述步骤(3)中，海水海砂混凝土的原料包括海水、海砂、水泥和粗骨料。

所述步骤(5)中，采用表面全覆盖的方式对形状记忆合金-frp复合管进行整体电加热，加热温度为形状记忆合金的变形温度。

所述frp管、钢-连续纤维复合筋以及frp布中采用的frp材料包括玄武岩纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、pbo纤维、dyneema纤维的任意一种或几种。

有益效果：与现有技术相比，该组合柱自内向外依次为采用钢-连续纤维复合筋制作的笼骨架、海水海砂混凝土、形状记忆合金-frp复合管、frp布以及聚醚醚酮热塑片材。一方面与海水海砂混凝土接触的部位均采用frp材料制作，能够减少甚至避免被海水海砂混凝土侵蚀，因而可以直接采用海水、海砂等未经脱氯处理的海洋材料，节约了紧缺型材料，大幅降低了工程造价，同时frp材料的耐蚀性能也保障了混凝土柱的承载力，减少甚至避免产生裂缝；另一方面，采用形状记忆合金-frp复合管包裹海水海砂混凝土柱，能够对柱子施加稳定的环向预应力，不仅提高了承载力，还能有效限制裂缝的发展；再者，外层的frp布和聚醚醚酮热塑片材能够保护形状记忆合金-frp复合管并紧箍在柱子的最外层，使整个组合柱构成整体共同受力进一步保障耐蚀性和承载力。该施工方法直接采用形状记忆合金-frp复合管作为混凝土的模板，施工便捷，施工周期大幅减少；通过形状记忆合金材料施加预应力改变了以往先张法和后张法的施工方式，提高了工作效率，减少机械和人力的消耗。

附图说明

图1是本发明的组合柱透视结构示意图；

图2是图1中组合柱沿a-a线的剖视结构示意图；

图3是本发明中使用的钢-连续纤维复合筋的剖面结构示意图；

图4是本发明的组合柱施工阶段浇注海水海砂混凝土后的结构示意图；

图5是图4的半成柱子沿b-b线的剖视结构示意图；

图6是本发明施工时对形状记忆合金-frp复合管进行整体加热的状态图。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明设计的组合柱一方面是对海水海砂等海洋矿藏资源的有效利用，另一方面是为海洋工程降低建设难度，提升海洋工程的耐蚀性等性能。

如图1、图2所示，该组合柱包括形状记忆合金-frp复合管1、海水海砂混凝土2、笼骨架3、frp布4以及聚醚醚酮热塑片材5。

其中，形状记忆合金-frp复合管1由外侧的形状记忆合金管11和内侧的frp管12粘结成型。形状记忆合金管11需要根据工程所在地的气温、环境条件，选取合适的记忆合金材料，在工厂按照工程要求的形状、尺寸预制而成。该种材料通过加热可以产生较大的变形，本发明的组合柱正是利用了这种变形，对柱子施加环向预应力。为了保障其与frp管12复合后的整体性，在形状记忆合金管11的内、外壁和frp管12的外壁进行拉毛处理，然后通过高强树脂和frp管12粘结形成一体。

frp管12采用耐高温的frp材料，如玄武岩纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、pbo纤维、dyneema纤维等的任意一种或几种，在工厂预制而成。制造的时候同样根据工程要求的尺寸形状，热固成型，并在其内壁做拉毛处理。

笼骨架3采用钢-连续纤维复合筋(sfcb)制成，请一并参阅图3所示，其通过外层的frp包覆层7缠绕包覆钢筋内芯6，钢筋内芯6可采用带肋钢筋，frp包覆层7采用的frp材料为玄武岩纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、pbo纤维、dyneema纤维、碳纤维复合材料及其他耐腐蚀性纤维材料的任意一种或几种。frp包覆层7沿着钢筋肋的延伸方向缠绕包覆，以获得最佳的复合性能。

笼骨架3包括纵向筋31和箍筋32，多个纵向筋31沿组合柱的高度方向呈直线延伸，环绕组合柱的中轴线间隔排布，使得笼骨架3沿长度方向的中轴线与形状记忆合金-frp复合管1长度方向的中轴线重合。箍筋32包围连接这些纵向筋31，并在所述高度方向上间隔排布且相互平行。具体的，纵向筋31和箍筋32之间的连接方式采用绑扎连接，连接材料可选用frp条带或塑料条带。

海水海砂混凝土2采用包括海水、海砂、水泥和粗骨料制作而成，其中，海水、海砂不需要经过脱氯等处理，粗骨料可以采用工程中就近海洋环境中产生的珊瑚粗骨料，也可以是拆除建筑产生的再生粗骨料，最终的混凝土满足强度要求即可。

结合图4、图5所示，将形状记忆合金-frp复合管1为模板，向管内浇注海水海砂混凝土2，由于形状记忆合金-frp复合管1的内壁经过了拉毛处理，能与海水海砂混凝土2结合形成整体。

待海水海砂混凝土2的强度达到设计强度的75％以上后，采用如图6所示的电加热装置对形状记忆合金-frp复合管1进行加热，采用电加热一方面操作便捷，另一方面也能对柱子进行整体包覆式加热，使整个柱子温度同步变换，升温均匀。加热至形状记忆合金的变形温度(一般出厂可设定在80℃左右，满足大部分工程环境使用)，使其变形产生环向预应力。

形状记忆合金-frp复合管1冷却到环境温度后，采用树脂粘结的方式将frp布4包裹在其外侧面，frp布4的厚度由所需提供的二次强度和环境的腐蚀情况决定，其材料同样采用包括玄武岩纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、pbo纤维、dyneema纤维的任意一种或几种制作而成。

然后在frp布4的外部包裹聚醚醚酮热塑片材5，并用强力树脂胶粘结形成管状，再对其进行烘烤加热，收缩紧箍在柱子的外表面。本发明所使用的聚醚醚酮热塑片材为耐腐蚀环境下所使用的特种塑料，也可根据实际工程需要进行改性，比如添加碳纤维进行强化它的抗拉强度和抗撞击性能。

聚醚醚酮热塑片材5环向包裹在frp布4外，并且在烘烤受热时会收缩，紧箍在柱子的最外层，与内层的frp布4、形状记忆合金-frp复合管1、海水海砂混凝土2以及笼骨架3形成整体共同承受上部传来的荷载。