一种钢-纤维复合材料混凝土组合柱及其震后修复方法
【专利摘要】本发明公开了一种钢?纤维复合材料混凝土组合柱，包括设于中心的内钢管，内钢管内设有无黏结钢绞线；在内钢管外侧设置外钢管，内钢管与外钢管之间浇筑有混凝土，外钢管外侧均布有多个附加小钢管，各个附加小钢管内设有附加无黏结钢绞线；还包括与外钢管同轴并设于其外侧的复合筋笼，外钢管与复合筋笼均被高延性混凝土包覆，核心区高延性混凝土外侧包裹有防剥落层。本发明主要特征为稳定可控的屈服后第二刚度和较小的震后残余位移，震后可以实现快速修复，并且具有类似纤维复合材料增强结构的高耐久性。该混凝土柱可用于桥梁墩柱和建筑结构柱，且可适应海洋等高腐蚀环境。还提供一种修复方法，能够快速修复受损混凝土组合柱。
【专利说明】
一种钢-纤维复合材料混凝土组合柱及其震后修复方法
技术领域
[0001]本发明涉及土木工程技术领域，具体是一种钢-纤维复合材料混凝土组合柱及其震后修复方法。
【背景技术】
[0002]地震是给人类带来重大的生命和财产损失的自然灾害之一，结构过大的残余变形由于Ρ-Δ效应更可能在余震中发生倒塌。大跨桥梁、城市超高层建筑、医院和易燃、易爆、有毒设施等重要结构除了要求地震中保证安全，同时要求震后有一定的使用功能，并且能够快速修复。普通钢筋混凝土结构屈服以后，由于钢筋的弹塑性特征，变形急剧增加的同时承载力提高有限，其第二刚度接近于零，该由此带来两个缺点:①在稳定的大于屈服承载力的荷载下，柱损伤无法控制，且损伤主要集中于柱脚塑性铰部分，震后残余变形过大，震后修复困难，余震中更易倒塌;②在不同地震输入激励下，震后残余位移由于塑性发展的不确定性而较为离散，给结构损伤定量评价和风险防范带来难度。
[0003]基于性能(性态)的设计开始注意考虑预测结构在地震作用下的残余变形，新型的结构系统和新材料也开始被引入到结构抗震设计中。可修复性好要求所新建的结构地震后具有以下一些特点:①结构的主要构件，如柱子等依然保持良好状态，满足强柱弱梁的设计理念。生命财产损失小。②震后残余变形小，修复快速。特别是对交通干线，核心建筑等重要等级高的建筑更要求在震后快速恢复功能。研究发现弹塑性具有硬化特征的系统，也即滞回性能中屈服后的动态硬化刚度对结构残余位移影响很大，使用具有硬化特征的材料或者设计具有稳定第二刚度的截面可有效提高抗震响应稳定性和减小震后残余位移。从构件截面层次上提高结构第二刚度有如下几种途径:①使用具有较高应力-应变硬化特征的材料；②截面配置不同材性的增强材料(如:FRP筋和普通钢筋混配、混杂FRP筋等)等。
[0004]吴智深、吴刚等人较早地进行了混杂FRP增强混凝土结构的研究，提出了从材料到结构实现第二刚度设计的可能性和必要性，并研发了钢-连续纤维复合筋及其增强混凝土抗震结构。钢-连续纤维复合筋内芯由钢等高延性的材料组成，外层纵向复合纤维材料，可以实现两者的优势互补。因为FRP具有强度高、弹模低、延性差、耐久性好、重量轻等特点，而钢材具有强度低、弹模高、延性好、耐久性差、重量重等特点，两者互补性极强，得到的钢-连续纤维复合筋具有稳定可控的屈服后第二刚度。和钢筋相比，钢-连续纤维复合筋自重大为减轻;和FRP比，钢-连续纤维复合筋刚度大大提高，且成本要低得多;钢-连续纤维复合筋外侧纤维和树脂对内芯的钢筋还可以起防锈蚀作用。
[0005]钢-连续纤维复合筋混凝土柱的特点包括:①在正常使用荷载或中小地震作用下，不改变结构自振周期，具有与普通钢筋混凝土结构相同的强度抵抗能力，充分利用钢-连续纤维复合筋内芯钢筋的高弹性模量;②外包线弹性的FRP使钢-连续纤维复合筋增强的结构具有截面层次上稳定的第二刚度，即钢-连续纤维复合筋的内芯钢筋屈服后外侧FRP的高强度使混凝土柱的承载力可以继续提高而具有的第二刚度。这一特征可以预防塑性铰在柱脚小范围内集中转动形成的过大的塑性变形，实现在一个更长的区域内实现曲率的较均匀分布，减小截面的需求曲率，因而相应减小了钢-连续纤维复合筋中内芯钢筋的塑性应变;③用钢-连续纤维复合筋代替普通钢筋，使结构还具有一定高耐久性特征，在高腐蚀等恶劣环境下比普通RC结构具有显著优势。另外，钢-连续纤维复合筋与混凝土的黏结强弱是可以控制的，且工艺简单，可利用此来提高结构抗震性能。
[0006]既有钢-连续纤维复合筋增强混凝土结构存在的问题:
[0007](I)延性较差，由于FRP的极限应变一般较低，较难满足所增强结构的高延性要求；
[0008](2)目前钢-连续纤维复合筋增强混凝土结构箍筋依然采用普通钢筋，耐久性依然不能得到满足。而采用FRP箍筋和纵向钢-连续纤维复合筋增强混凝土柱，可实现高耐久性的目标，但由于FRP线弹性特征，若FRP箍筋达到极限强度将发生脆性剪切破坏。
[0009]钢-连续纤维复合筋增强混凝土柱在震后修复依然比较困难，且在罕遇地震下，如果较高第二刚度的混凝土柱结构发生FRP断裂，将更容易引起结构倒塌。
【发明内容】
[0010]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种具有较高震后可修复性和高耐久的钢-纤维复合材料混凝土组合柱及其震后修复方法，其主要特征为稳定可控的屈服后第二刚度和较小的震后残余位移，震后可以实现快速修复。该混凝土柱可用于桥梁墩柱和建筑结构柱，且可适应海洋等高腐蚀环境。
[0011 ]技术方案:为解决上述技术问题，本发明的一种钢-纤维复合材料混凝土组合柱，包括设于中心的内钢管，内钢管内设有无黏结钢绞线;在内钢管外侧设置外钢管，内钢管与外钢管之间浇筑有混凝土，外钢管外侧均布有多个附加小钢管，各个附加小钢管内设有附加无黏结钢绞线;还包括与外钢管同轴并设于其外侧的由多根钢-连续纤维复合筋与纤维增强塑料-钢丝螺旋箍筋组合而成的复合筋笼，外钢管与复合筋笼均被高延性混凝土包覆，高延性混凝土外侧包裹有防剥落层。
[0012]其中，高延性混凝土包覆于外钢管与复合筋笼的核心区。
[0013]其中，高延性混凝土包覆区域内的外钢管由多节钢管依次相接构成，不同节之间的钢管脱开，不承受拉力，仅对包覆的混凝土起横向约束作用。
[0014]其中，防剥落层为FRP。
[0015]其中，位于高延性混凝土内的多根钢-连续纤维复合筋具有无黏结段。
[0016]其中，附加小钢管设有多个，呈环形阵列均布于外钢管外侧，内部预置的无黏结钢绞线，可用于震后快速复位。
[0017]一种震后修复钢-纤维复合材料混凝土组合柱的方法，包括以下步骤:
[0018]SI:张拉各附加小钢管内的附加无黏结钢绞线和内钢管内的无黏结钢绞线，使组合柱恢复震前的位移状态；
[0019]S2:剔除混凝土组合柱核心区受损的混凝土，直至露出外钢管，在外钢管外侧采用钢板包覆约束，钢板上端与外钢管焊接，下端深入柱台锚固；
[0020]S3:如果钢-连续纤维复合筋的FRP发生损伤，则在损伤区植入新的钢-FRP复合筋或不锈钢钢筋，上端可组合利用机械锚固和黏结锚固与原有钢-连续纤维复合筋连接，下端带黏结套筒植入柱台锚固区，如果植入的是不锈钢钢筋，在不锈钢钢筋端部设置墩头锚，并灌浆锚固；
[0021]S4:核心区植入的钢-FRP筋/不锈钢钢筋用钢丝绳缠绕约束；
[0022]S5:核心区饶筑高性能混凝土 ；
[0023]S6:在步骤S5核心区浇筑的高性能混凝土外侧包裹FRP，包裹范围大于浇筑的高性能混凝土的范围，确保新植入的钢-FRP复合筋/不锈钢钢筋上部锚固区在约束范围内，修复完毕。
[0024]有益效果:本发明的一种钢-纤维复合材料混凝土组合柱，具有较高震后可修复性其主要特征为稳定可控的屈服后第二刚度和较小的震后残余位移，震后可以实现快速修复。该混凝土柱可用于桥梁墩柱和建筑结构柱，且可适应海洋等高腐蚀环境。还提供一种修复方法，能够快速修复受损的混凝土组合柱。
【附图说明】
[0025]图1本发明组合柱与柱台组合结构示意图；
[0026]图2为图1的A-A截面示意图；
[0027]图3为图2中核心区处B-B截面示意图；
[0028]图4为在图所示结构的基础上对组合柱进行震后修复的示意图；
[0029]图5为图4的C-C截面示意图；
[0030]图6组合柱震后修复流程。
【具体实施方式】
[0031 ]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0032]如图1至图3所示，一种钢-纤维复合材料混凝土组合柱，包括设置在中心的内钢管4，内钢管4内设置无黏结钢绞线2;在内钢管4外侧设置与其同轴的外钢管5，内钢管4与外钢管5之间浇筑有混凝土 6，外钢管5外侧均布有多个附加小钢管9，各个附加小钢管9内设置附加无黏结钢绞线11;还包括与外钢管5同轴并设置在其外侧的复合筋笼，外钢管5与复合筋笼均被高延性混凝土3包覆，高延性混凝土3外侧包裹有防剥落层8，防剥落层8为FRP。其中，高延性混凝土3只包覆于外钢管5与复合筋笼的核心区，该核心区即为混凝土组合柱的塑性铰区，整个混凝土组合柱可以是均采用高延性混凝土，也可以只在核心区使用高延性混凝土，在高延性混凝土 3包覆区域内的外钢管5是由多节钢管依次相接构成，使核心区的外钢管仅起约束核心混凝土的作用，不做纵向抗弯贡献。复合筋笼由位于高延性混凝土内的多根钢-连续纤维复合筋I(SFCB)与纤维增强塑料-钢丝螺旋箍筋10组合而成。位于高延性混凝土 3内的多根钢-连续纤维复合筋I具有无黏结段，采用防屈曲套筒7套在钢-连续纤维复合筋I外部，位于防屈曲套筒7内的钢-连续纤维复合筋I段即为无黏结段，便于震后修复时张拉。附加小钢管9设置有四个，呈环形阵列均布于外钢管5外侧。
[0033]本发明的钢-纤维复合材料混凝土组合柱，与柱台组合成为整体，其下部为核心区，核心区上部为弹性段，在核心区采用高延性混凝土浇筑，弹性段则不采用高延性混凝土，组合柱一段固定在柱台内部，各个钢-连续纤维复合筋I伸出组合柱底部并设置锚头12。钢-连续纤维复合筋I的第二刚度能够控制组合柱的地震位移响应，中心的预应力无黏结钢绞线2，能够减小震时的残余位移，核心区的高延性混凝土 3，通过受压延性发展和钢-连续纤维复合筋I的无黏结区段，能够平均化拉伸应变，避免受拉断裂。核心区，内钢管4和外钢管5约束混凝土 6，外钢管5在核心区分为多段，使位于核心区的外钢管5仅起约束核心区高延性混凝土的作用，不做纵向抗弯贡献。通过设计保证核心区在罕遇地震中不发生过大塑性变形，保证轴向抗压承载力，为震后塑性铰区快速复位和维修提供关键支撑;核心区高延性混凝土外侧有横向防剥落层8，在提高高延性混凝土延性的同时避免由于混凝土剥落而发生的钢-连续纤维复合筋I的无黏结段屈曲。对于钢-连续纤维复合筋而言，避免屈曲可保证受拉强度，当核心区不采用外包FRP约束时，采用防屈曲套筒7实现钢-连续纤维复合筋无黏结。箍筋采用纤维增强塑料-钢丝螺旋箍筋10，彻底实现该组合柱能胜任海洋工程等高腐蚀环境。
[0034]本发明还提供一种震后修复钢-纤维复合材料混凝土组合柱的方法，包括以下步骤:
[0035]S1:张拉各附加小钢管内的附加无黏结钢绞线和内钢管内的无黏结钢绞线，使组合柱恢复震前的位移状态；
[0036]S2:剔除由于各种灾害原因损伤的混凝土，直至露出外钢管，将节段式外钢管连接为可受纵向拉力的整体，连接手段可以是采用钢板条，钢板条上端与外钢管焊接，下端深入柱台锚固；
[0037]S3:如果钢-连续纤维复合筋的FRP发生损伤，则在损伤区植入新的钢-FRP复合筋或不锈钢钢筋，上端可组合利用机械锚固和黏结锚固与原有钢-连续纤维复合筋连接，下端带黏结套筒植入柱台锚固区，如果植入的是不锈钢钢筋，在不锈钢钢筋端部设置墩头锚，并灌浆锚固；
[0038]S4:核心区植入的钢-FRP筋/不锈钢钢筋用钢丝绳缠绕约束；
[0039]S5:核心区饶筑高性能混凝土 ；
[0040]S6:在步骤S5核心区浇筑的高性能混凝土外侧包裹FRP，如图6所示，包裹范围大于浇筑的高性能混凝土的范围，确保新植入的钢-FRP复合筋/不锈钢钢筋上部锚固区在约束范围内，修复完毕。
[0041]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种钢-纤维复合材料混凝土组合柱，其特征在于:包括设于中心的内钢管，内钢管内设有无黏结钢绞线;在内钢管外侧设置外钢管，内钢管与外钢管之间浇筑有混凝土，外钢管外侧均布有多个附加小钢管，各个附加小钢管内设有附加无黏结钢绞线;还包括与外钢管同轴并设于其外侧的由多根钢-连续纤维复合筋与纤维增强塑料-钢丝螺旋箍筋组合而成的复合筋笼，外钢管与复合筋笼均被高延性混凝土包覆，高延性混凝土外侧包裹有防剥落层。2.根据权利要求1所述的一种钢-纤维复合材料混凝土组合柱，其特征在于:其中，高延性混凝土包覆于外钢管与复合筋笼的核心区。3.根据权利要求2所述的一种钢-纤维复合材料混凝土组合柱，其特征在于:其中，高延性混凝土包覆区域内的外钢管由多节钢管依次相接构成。4.根据权利要求2所述的一种钢-纤维复合材料混凝土组合柱，其特征在于:其中，防剥落层为FRP。5.根据权利要求1所述的一种钢-纤维复合材料混凝土组合柱，其特征在于:其中，位于高延性混凝土内的多根钢-连续纤维复合筋具有无黏结段。6.根据权利要求1所述的一种钢-纤维复合材料混凝土组合柱，其特征在于:其中，附加小钢管设有多个，呈环形阵列均布于外钢管外侧。7.—种震后修复如权利要求1-6所述钢-纤维复合材料混凝土组合柱的方法，其特征在于，包括以下步骤: SI:张拉各附加小钢管内的附加无黏结钢绞线和内钢管内的无黏结钢绞线，使组合柱恢复震前的位移状态； S2:剔除混凝土组合柱核心区受损的混凝土，直至露出外钢管，在外钢管外侧采用钢板包覆约束，钢板上端与外钢管焊接，下端深入柱台锚固； S3:如果钢-连续纤维复合筋的FRP发生损伤，则在损伤区植入新的钢-FRP复合筋或不锈钢钢筋，上端可组合利用机械锚固和黏结锚固与原有钢-连续纤维复合筋连接，下端带黏结套筒植入柱台锚固区，如果植入的是不锈钢钢筋，在不锈钢钢筋端部设置墩头锚，并灌浆锚固； S4:核心区植入的钢-FRP筋/不锈钢钢筋用钢丝绳缠绕约束； S5:核心区饶筑高性能混凝土 ； S6:在步骤S5核心区浇筑的高性能混凝土外侧包裹FRP，包裹范围大于浇筑的高性能混凝土的范围，确保新植入的钢-FRP复合筋/不锈钢钢筋上部锚固区在约束范围内，修复完毕。
【文档编号】E04G23/02GK106012809SQ201610281873
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】孙泽阳, 吴刚
【申请人】东南大学