专利名称：一种纤维增强复合材料筋混凝土桩及其制作和施工方法
技术领域：
本发明提供一种纤维增强复合材料筋混凝土桩及其制作和施工方法，它涉及 一种提高普通桩基础结构耐久性的新材料和新工艺，属于土木工程中的土木工程 材料和施工技术领域。
(二)
背景技术：
在近海、沿海及填海造地的场地和西部盐渍土场地进行基础设施建设，经常 需要采用钢筋混凝土桩基础。由于这些场地的土中含有大量对钢筋有腐蚀性的盐 分，对桩基础的耐久性造成极大威胁，很多此类环境中的钢筋混凝土结构使用寿 命仅十几年甚至几年。由于上部结构施工完成后桩基础几乎不可能再进行修复， 因此，桩基础的耐久性决定了基础设施的服务寿命。如何解决这类高含盐量地区 桩基础中钢筋锈蚀问题，提高混凝土桩基础的耐久性是迫切需要解决的问题。
目前，提高钢筋抗锈蚀能力的方法主要有在钢筋混凝土中掺加阻锈剂、增 加混凝土的密实度、在钢筋表面涂镀保护层、采用电化学防护技术等。但是，这 些方法不仅大幅度的提高了工程造价、提高了技术难度，而且仍然不能达到满意 的效果。
本发明提出采用纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,简称FRP) 替代钢筋构成FRP筋混凝土桩。由于FRP对盐类具有极强的抗蚀能力。因此， 用FRP替代钢筋构成FRP筋混凝土桩，能够解决加筋混凝土桩基的筋材耐久性
问题。 .
(三)
发明内容
本发明的目的是提供一种FRP增强混凝土桩及其制作和施工方法，它是一种 采用FRP材料替代钢筋(或型钢)构成的FRP混凝土桩。 本发明一种FRP混凝土桩,其结构组成如下
FRP混凝土桩由基体材料C和加筋(或型材)F组成，如图l所示；FRP加 筋(或型材)材料的布置方式可以采用钢筋混凝土桩、预应力混凝土桩、钢丝网 片混凝土桩、核心型钢混凝土桩、钢管混凝土桩等桩结构中钢筋(或型钢)的任
何布置方式，具体见国家现行桩基设计相关规范；F在C之中，C与F的连接方
式为两种材料之间的胶结、摩擦、咬合的连接方式，与钢筋(或型钢)和混凝土 之间的连接机理相同。
基体材料C为现行国家有关规范中规定使用的各种混凝土。
加筋为FRP材料F，其可以是碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、PBO有机纤维、
硼纤维、陶瓷纤维(包括碳化硅纤维和氧化铝纤维等)超高强聚乙烯纤维、玄武
岩纤维、混杂纤维等构成的FRP材料中的一种或数种。
FRP混凝土桩使用的FRP材料可以是棒材(筋和索)、片材(布和薄板)、型
材、夹层板和蜂窝板以及网格材(如格栅)等，部分FRP材料形式如图2所示；
其断面形状可以是圆形、矩型、不规则形式等各种形式，断面形状如图3所示；
其表面可以是平滑的，也可以是带有各种凹凸不平的花纹(如螺纹)。部分FRP
筋外观形式，部分外观形式如图4所示。
FRP混凝土桩，可以对FRP加筋混凝土桩中的FRP加筋材料施加预应力。 FRP混凝土桩，根据C与F的具体性能，按国家现行桩基础设计规范设计，
其横截面可以是圆形、矩形、环形等现行桩基采用的各种形状，部分截面形状见图5。
FRP混凝土桩可以采用现浇方式制作，也可以釆用预制方式制作。除加筋筋 材料本身的连接外(筋材或型材的交叉搭接、筋材或型材不满足尺寸要求时的连 接)，其它制作方法与普通钢筋混凝土桩制作方法一致。加筋筋材料连接可以采 用耐久性纤维材料绑扎、耐久性胶体材料黏结、耐久性螺栓连接等耐久性连接方 法，部分连接方式见图6。
本发明一种FRP筋混凝土桩的制作和施工方法,可以采用与目前钢筋混凝土 桩相同的制作施工方法，具体见桩基础施工相关规范。. 本发明的优点及功效 本发明具有如下优点及功效(1)可以大幅度的提高腐蚀环境中的桩基础筋 材的耐久性，从而提高桩基础和上部结构的服役年限；(2)可以大幅度降低实现 桩基础筋材耐久性的成本和技术难度。
图1——FRP桩组成图 图la——FRP桩组成lb——图la之1-1剖面图 图2——FRP材料形式
图lc
-图la之2-2剖面图
-FRP筋材示意图 -FRP网格材示意图
图2a-图2c扁
图3——FRP加筋截面形状示意图 图3a——FRP筋圆形截面示意图
图2b——FRP索材示意图 图2d——FRP片材示意图
图3b——FRP筋方形截面示意图
图3c——FRP筋扁平截面示意图 图3d——FRP筋不规则形状截面示意图 图4——FRP加筋表面形式图
图4a——FRP筋材表面带肋示意图 图4c——FRP片材表面压痕示意图 图4e——图4d之4-4剖面图
图4b-图4d-图4f-
-图4a之3-3剖面图
-FRP筋材表面光圆示意图
-图4c之5-5剖面图
图5——FRP桩断面形状示意图
图5a~—圆形桩截面示意图 图5lr 图5c——圆环桩截面示意图 图5d-
图6——FRP筋材连接方式 图6a~~FRP筋材绑扎连接示意图
-方形桩截面示意图 -方环桩截面示意图
图6b——FRP筋材黏结连接示意图
图6c——FRP筋材耐久性螺栓连接示意图 图7——具体实施方式
一中桩配筋图(一) 图7a~—实施例一中桩上段配筋图 图7b——实施例一中桩中段配筋图 图7c——实施例一中桩下段配筋图 图8——实施例一中桩配筋图(二)
图8a-
图8c
图8e-
-图7a、 b、 c中之1-1剖面图 -图7b、 c中之3-3剖面图
图8b——图7a、 b中之2-2剖面图
图8d-
图7a中之W8局部放大8f-实施例一中硼纤维主筋示意图 -实施例一中硼纤维箍筋示意图
-图7b、 c中之W5局部放大图 -图7a、b中之W6局部放大图
图8g-图8h-
图9——静压壮施工示意图
图10——实施例二中桩配筋图(一)图11——实施例二中桩配筋图(二)
图lla~~实施例二中碳纤维(CFRP)布主筋示意图
图lib实施例二中硼纤维箍筋示意图 图12——振动陈桩施工工艺示意图 图13——实施例三中桩配筋图(一)
图13a ——实施例三中桩配筋13b——图13a之1-1 (2-2)剖面图 图14——实施例三中桩配筋图(二)
图i4a实施例三中普通碳纤维(CFRP)带肋筋示意图
图i4b——实施方式三中普通碳纤维(CFRP)光圆筋示意图 图15——灌注桩施工工艺示意图 图16——实施例四中桩配筋图 图17——实施例五中桩配筋图(一)
图17a^实施例五中桩上段配筋图
图17b——实施例五中桩中段配筋图
图17c——实施例五中桩下段配筋图 图18——实施例五中桩配筋图(二)
图18a——图17之1-1剖面图 图18b——图17之2-2剖面图
图18c——图17之3-3剖面图
图18d——实施例五中玻璃纤维(GFRP) AR(抗碱)索示意图
图18e实施例五中硼纤维光圆钢筋示意图 图19——锤击沉桩施工工艺示意图
图中标号及符号说明如下 FCZ——FRP桩 C——FRP桩的基体材料 F——FRP桩的FRP加筋材料 FRP-J——FRP筋材 FRP-S——FRP索材 FRP-WG——FRP网格材 FRP-P——FRP片材 FRP-SEC-Y——FRP加筋圆形截面
FRP-SEC-F——FRP加筋方形截面 FRP-SEC-BP——FRP加筋扁平截面
FRP-SEC-BGZ——FRP加筋不规则截面 S-DL——FRP加筋表面带肋 S-GY——FRP加筋表面光圆 S-YH——FRP加筋表面压痕 Z-SEC-Y——FRP桩圆形截面 Z-SEC-F——FRP桩方形截面Z-SEC-YH——FRP桩圆环截面 Z-SEC-FH——FRP桩方环截面
LJ-B—一FRP丝绑扎连接LJ-N——结构胶黏结连接
LJ-M—一耐久性螺栓连接W5——5号FRP网片
W6——-6号FRP网片W8——8号FRP网片
(1)-~#9筋编号1(2) -——钢筋编号2(3)——-钢筋编号3
(4)-——钢筋编号4(5)——钢筋编号5(6)—~#3筋编号6
(7)-——钢筋编号7(8).——钢筋编号8(9)—一钢筋编号9
(10)——钢筋编号10(11)一钢筋编号ll(12)-一钢筋编号12
(13)~~fll筋编号13(14)——钢筋编号14(15)-——钢筋编号1具体实施方式
.
(1) 实施例一
本发明一种FRP混凝土桩，其结构组成如下
FRP混凝土桩由基体材料C和加筋(或型材)F组成，如图l所示；FRP加 筋的布置方式采用预制钢筋混凝土方桩的布置方式;C与F的连接方式采用胶结、 摩擦、咬合的连接方式，与钢筋(或型钢)和混凝土之间的连接方式相同。
基体材料F为C40混凝土。
加筋FRP材料选用硼纤维一种材料，其参数指标为密度~~2400 2650kg/m3;拉伸强度——3200 5200MPa;模量——350 400GPa。
FRP混凝土桩，使用的硼纤维带肋筋为棒材(筋)，如图2中FRP-J所示； 其表面为带有各种凹凸不平的花纹(肋)，如图4中S-DL所示。
FRP混凝土桩，按国家先行桩基础设计规范设计，400mmX400mm方形横 截面，配802O硼纤维带肋筋；箍筋釆用06硼纤维光圆筋，普通箍筋，加密区 间距100mm，非加密区间距200mm，如图7、图8所示。
FRP混凝土桩，釆用预制方式制作。除加筋筋材料本身的连接外(筋材或型 材的交叉搭接、筋材或型材不满足尺寸要求时的连接)，其它制作方法与普通钢 筋混凝土桩制作方法一致。主筋和箍筋之间的搭接采用02硼纤维丝绑扎、主筋 的连接采用高强塑料螺栓。
按常规静压预制桩工艺施工，如图9所示。
(2) 实施例二
本发明一种FRP混凝土桩，其结构组成如下
FRP混凝土桩由基体材料C和加筋(或型材)F组成，如图l所示；FRP加 筋的布置方式采用预制钢板带混凝土管桩的布置方式；C与F的连接方式采用胶
结、摩擦、咬合的连接方式，与钢筋(或型钢)和混凝土之间的连接方式相同。
基体材料为C60混凝土。
加筋FRP材料选用高模量碳纤维一种材料，其参数指标为密度~" 1750kg/m3;拉伸强度——2400MPa;模量——350GPa。
FRP混凝土桩，使用的高模量碳纤维布为片材(布)，如图2中FRP-P所示； 其表面为带有各种凹凸不平的花纹(压痕)，如图5中S-YH所示。
FRP混凝土桩，按国家先行桩基础设计规范设计，圆环形截面，外径400mm， 壁厚50mm;主筋采用8条2mm厚、100mm幅宽高模量碳纤维(CFRP)布， 布表面做压痕；箍筋采用08高模量碳纤维CFRP)圆形螺旋箍，间距100mm。 如图10、图ll所示。
FRP混凝土桩，采用预制方式制作。除加筋筋材料本身的连接外(筋材或型 材的交叉搭接、筋材或型材不满足尺寸要求时的连接)，其它制作方法与普通钢 筋混凝土桩制作方法一致。主筋和箍筋之间的搭接采用02硼纤维丝绑扎、主筋 主筋的连接采用结构胶黏结。
振动预制桩沉桩工按常规方式施工，如图12所示。 (3)实施例三
本发明一种FRP混凝土桩,其结构组成如下
FRP混凝土桩由基体材料C和加筋(或型材)F组成，如图l所示；FRP加 筋的布置方式采用现浇混凝土灌注桩的布置方式；C与F的连接方式采用胶结、
摩擦、咬合的连接方式，与钢筋(或型钢)和混凝土之间的连接方式相同。
基体材料为C20混凝土。
加筋FRP材料选用普通碳纤维一种材料，其参数指标为密度——1750kg/m3; 拉伸强度——3000MPa;模量——230GPa。
FRP混凝土桩，使用的普通碳纤维(CFRP)带肋筋为棒材(筋)，如图2中 FRP-J所示；方形横截面，如图3中FRP-SEC-F所示；其表面为带有各种凹凸不 平的花纹(肋)，如图4中S-DL所示。
FRP混凝土桩，按国家先行桩基础设计规范设计，圆环形截面，桩径800mm， 壁厚50mm;主筋采用10根20X20mn^方形普通碳纤维(CFRP)带肋筋；箍筋 采用08普通碳纤维(CFRP)圆形螺旋箍，加密区间距100mm，非加密区间距 200mm。
如图13、图14所示
本发明一种FRP混凝土桩的制作和施工方法,按现行常规的现浇混凝土灌注 桩方法施工；主筋和箍筋之间的搭接釆用02普通碳纤维丝绑扎、主筋主筋的连 接采用结构胶黏结；螺旋钻湿作业成孔，钻孔至设计标高后，吊入碳纤维(CFRP) 筋笼，导管法水下浇注混凝土，如图15所示。
(4) 实施例四
本发明一种FRP混凝土桩，其结构组成如下
FRP混凝土桩由基体材料C和加筋(或型材)F组成，如图1所示；FRP加 筋的布置方式采用预制钢筋隔栅混凝土桩的布置方式；C与F的连接方式采用胶 结、摩擦、咬合的连接方式，与钢筋(或型钢)和混凝土之间的连接方式相同。
基体材料为C40混凝土。
加筋FRP材料选用芳纶纤维(AFRP) Kelvar49型材料，其参数指标为密 度——1450kg/m3;拉伸强度——3600MPa;模量——125GPa。
FRP混凝土桩，使用的芳纶纤维为网格材，构成网格材的筋为方形横截面， 如图3中FRP-SEC-F所示；其表面为带有各种凹凸不平的花纹(肋)，如图4中 S-DL所示。
FRP混凝土桩，按国家先行桩基础设计规范设计，圆形截面，桩径400mm; 芳纶纤维网格材，纵向筋直径20mm、间距100mm,横向筋直径8mm、间距 200mm。如图16所示。
FRP混凝土桩，采用预制方式制作。除加筋筋材料本身的连接外(筋材或型 材的交叉搭接、筋材或型材不满足尺寸要求时的连接)，其它制作方法与普通钢 筋混凝土桩制作方法一致。网格材为工厂预制，不需要考虑连接问题。
该静压预制桩的施工按现行常规静压桩施工工艺进行，如图9所示。
(5) 实施例五
本发明的目的是提供一种FRP混凝土桩及其施工方法，它是一种采用FRP
材料替代钢筋(或型钢)构成的FRP筋混凝土桩。 本发明一种FRP混凝土桩,其结构组成如下
FRP混凝土桩由基体材料C和加筋(或型材)F组成，如图l所示；FRP加 筋的布置方式采用预制预应力钢绞线方桩的布置方式；C与F的连接方式采用胶 结、摩擦、咬合的连接方式，与钢筋(或型钢)和混凝土之间的连接方式相同。
基体材料为C80混凝土。
加筋FRP材料选用玻璃纤维(GFRP) AR(抗碱)和硼纤维两种材料；玻璃纤维 (GFRP) AR(抗碱)的材料参数指标为密度——2680kg/m3;拉伸强度—— 3500MPa;模量——75Gpa;硼纤维的材料参数指标为密度——2400 2650kg/m3; 拉伸强度——3200 5200MPa:模量——350 400GPa。
FRP混凝土桩，使用的玻璃纤维(GFRP) AR(抗碱)为棒材(索)，如图2中 FRP-S所示；圆形横截面，如图3中FRP-SEC-Y所示；其表面为带有各种凹凸 不平的花纹；使用的硼纤维为棒材(筋)，圆形截面，其表面呈光圆状。
FRP混凝土桩，按国家先行桩基础设计规范设计，方形截面，桩截面400X 400mm2;主筋采用10015玻璃纤维(GFRP) AR(抗碱)索，先张法施加预应力 710MPa，箍筋采用08硼纤维方形螺旋箍，间距200mm。如图17、图18所示。
FRP混凝土桩，釆用预制方式制作。除加筋筋材料本身的连接外(筋材或型 材的交叉搭接、筋材或型材不满足尺寸要求时的连接)，其它制作方法与普通钢 筋混凝土桩制作方法一致。主筋和箍筋之间的搭接采用02硼纤维丝绑扎、主筋 要求通常，不允许搭界。
该预制桩的施工按现行常规锤击桩施工工艺进行，如图19所示。
权利要求
1.一种纤维增强复合材料筋混凝土桩，其特征在于其结构组成如下该纤维增强复合材料筋混凝土桩由基体材料和加筋组成，该纤维增强复合材料加筋材料的布置方式采用钢筋混凝土桩、预应力混凝土桩、钢丝网片混凝土桩、核心型钢混凝土桩、钢管混凝土桩的桩结构中钢筋的任何布置方式，；加筋在基体材料之中，其连接方式为两种材料之间的胶结、摩擦、咬合的连接方式，与钢筋和混凝土之间的连接机理相同；基体材料为现行国家有关规范中规定使用的各种混凝土；加筋为纤维增强复合材料，是由碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、PBO有机纤维、硼纤维、陶瓷纤维超高强聚乙烯纤维、玄武岩纤维、混杂纤维这些材料中的一种或数种构成；该纤维增强复合材料筋混凝土桩使用的纤维增强复合材料是筋和索之棒材、布和薄板之片材、型材、夹层板和蜂窝板以及网格材；其断面形状是圆形、矩型、不规则形式；其表面是平滑的，也可以是带有各种凹凸不平的花纹；该纤维增强复合材料筋混凝土桩，可以对纤维增强复合材料加筋混凝土桩中的纤维增强复合加筋材料施加预应力；该纤维增强复合材料混凝土桩，根据基体材料与加筋的具体性能，按国家现行桩基础设计规范设计，其横截面是现行桩基常采用的圆形、矩形、环形；该纤维增强复合材料筋混凝土桩采用现浇方式制作，也可以采用预制方式制作；除加筋筋材料本身的连接外，其它制作方法与普通钢筋混凝土桩制作方法一致；加筋筋材料连接采用耐久性纤维材料绑扎、耐久性胶体材料黏结、耐久性螺栓连接。
全文摘要
一种纤维增强复合材料筋混凝土桩，其结构组成如下该纤维增强复合材料(简称FRP)混凝土桩由基体材料和加筋组成；基体材料为现行使用的各种混凝土；该加筋FRP复合材料，是由碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、PBO有机纤维、硼纤维、陶瓷纤维超高强聚乙烯纤维、玄武岩纤维、混杂纤维等材料中的一种或数种构成；该FRP混凝土桩使用的FRP材料是棒材、片材、型材、夹层板和蜂窝板以及网格材等；其断面形状是圆形、矩型、不规则形式；其表面平滑，也可带有各种凹凸不平的花纹；该FRP混凝土桩，采用现浇方式制作，也可采用预制方式制作；加筋材料连接采用耐久性纤维材料绑扎、耐久性胶体材料黏结、耐久性螺栓连接；可以对FRP混凝土桩中的FRP加筋材料施加预应力。
文档编号E02D5/22GK101343870SQ200810118789
公开日2009年1月14日 申请日期2008年8月22日 优先权日2008年8月22日
发明者张金柱, 李战国, 范一锴, 新 黄 申请人:北京航空航天大学