一种内置纤维增强复合材料约束金属管的组合剪力墙的制作方法

本实用新型属于钢筋混凝土结构技术领域，具体涉及一种内置纤维增强复合材料约束金属管的组合剪力墙。

背景技术：

钢筋混凝土剪力墙是现代高层及超高层建筑结构中广泛使用的抗侧力构件，主要用于承受风荷载或地震作用引起的水平荷载，控制结构刚度，使结构在整体位移与层间位移方面满足结构设计要求。钢筋混凝土剪力墙一般由墙身及边缘构件组成。根据不同的抗震等级需要，边缘构件可以设计成构造边缘构件或约束边缘构件。一般通过增加边缘构件竖向受力筋以及箍筋来增加约束边缘构件的延性及承载力，从而增加钢筋混凝土墙整体的承载力及变形能力。

在普通钢筋混凝土剪力墙中，由于钢筋受力屈服后会出现明显的不可恢复的塑性变形，混凝土材料由于受拉强度较低，受压强度达到后会出现材料软化(应力下降)，传统混凝土墙体存在变形能力差、延性较低的特点，在强烈水平荷载作用下(如大震时)，钢筋混凝土剪力墙墙体可能出现受拉开裂、混凝土压碎等现象，使整体结构存在因为关键抗侧力构件变形过大导致的不可恢复破坏甚至倒塌的风险。结构设计中虽然可通过控制剪力墙的轴压比或增加剪力墙截面尺寸来达到避免上述问题的目的，但是可能导致墙体厚度、长度过大，这样不仅增加工程造价，而且可能影响建筑使用功能，导致结构设计与建筑设计难以协调的问题。为解决上述问题，公开号为CN100434601C的实用新型专利提出在钢筋混凝土的墙体两侧设置钢管混凝土边柱以增加剪力墙的承载力、抗震性能。上述专利利用钢管约束混凝土具有良好的变形能力及延行，将其置于受力较大的墙端位置能够增加墙体的变形能力及延行；然而，由于钢管屈服后钢管混凝土整体的自复位功能(self-centering)较弱，大震后结构依然可能出现不可修复的破坏。为此，中国专利公开号为CN102127941B及CN104088378B实用新型专利提出在墙端利用钢管混凝土的基础上，在墙身设置钢板以进一步增加墙身部分的延性及变形能力，此两专利除存在中国专利公开号CN100434601C的缺点外，还存在用钢量较大的问题，其他利用钢管混凝土的剪力墙(如 中国专利公开号CN202380606U,CN104818784A,CN202380574U,CN203808295U等)也均存在类似缺点(即无自复位功能)。中国专利公开号为CN201459963U的实用新型专利提出在边缘构件以及墙身全部或者部分配置高强钢筋、纤维增强复合材料筋使墙体在大震时具有自复位功能；但是该专利并未解决大变形时墙体受拉区混凝土开裂及受压区混凝土压碎的问题。中国专利公开号为CN201459963U的实用新型专利提出在边缘构件部分采用钢管混凝土并内置纤维增强复合材料管组成组合剪力墙以增加结构整体的受力性能及变形能力，同时使结构具有一定的二阶刚度及自复位功能；但是上述组合剪力墙应用有一定困难，主要表现在墙身部分的水平钢筋与钢管混凝土粘结比较困难，可能降低组合墙的整体工作性能，同时FRP管与周围混凝土的协同工作也不能得到保证。

上述论述内容目的在于向读者介绍可能与下面将被描述和/或主张的本实用新型的各个方面相关的技术的各个方面，相信该论述内容有助于为读者提供背景信息，以有利于更好地理解本实用新型的各个方面，因此，应了解是以这个角度来阅读这些论述，而不是承认现有技术。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于避免现有技术中的不足而提供一种内置纤维增强复合材料约束金属管的组合剪力墙，其不仅具有良好的变形能力及延性，而且在大变形时具有明显的二阶刚度和自复位功能及优越的抗震性能。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：

提供一种内置纤维增强复合材料约束金属管的组合剪力墙，所述剪力墙为钢筋混凝土剪力墙，所述剪力墙内部布置有纤维增强复合材料管和金属管，所述纤维增强复合材料管包在金属管外面并对金属管形成约束。

其中，所述纤维增强复合材料管预紧包覆在金属管外面，或，纤维增强复合材料管内壁与金属管外壁之间通过胶粘材料粘结。

其中，所述金属管是空心的或金属管内填充混凝土。

其中，所述金属管内填充混凝土为普通混凝土、高强混凝土、膨胀混凝土、粉煤灰混凝土、轻骨料混凝土、回收骨料混凝土、纤维混凝土、自密实混凝土、橡胶混凝土中的一种。

其中，所述金属管内侧连接有金属剪力钉或剪力键，和/或，所述金属管 内侧布置有沿着其轴向、环向或螺旋向的增强筋，和/或，所述纤维增强复合材料管外侧布置有沿着其轴向、环向或螺旋向的增强筋。

其中，所述的金属管、金属剪力钉或剪力键所用材料是低碳钢、高碳钢、高强钢、不锈钢、铝合金中的一种，和/或，所述的增强筋所用材料是低碳钢、高碳钢、高强钢、不锈钢、铝合金、碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、PVC中的一种。

其中，所述增强筋的截面形状为圆形、椭圆形、多边形中的一种。

其中，所述纤维增强复合材料管外壁粘贴缠绕不连续的纤维布，和/或，所述纤维增强复合材料管和金属管的截面形状是圆形、椭圆形、带圆弧化角的多边形中的一种。

其中，所述的纤维增强复合材料管及不连续的纤维布所用纤维材料是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维中的一种。

其中，所述的纤维增强复合材料管约束的金属管组合体位于剪力墙的墙端、两个墙肢交叉处、多个墙肢交叉处其中一处或多处的暗柱或者连墙明柱内。

本实用新型利用利用被纤维增强复合材料(以下简称FRP)约束的金属管来约束混凝土以增加混凝土的强度及变形能力。金属管被更高强度的FRP管约束，其向外屈曲的模态受到抑制从而其抗屈曲能力得到显著提升；所述金属管内部根据墙体受力需要，可以填充或者不填充混凝土；所述金属管内侧布置有沿着金属管轴向、环向、以及其他方向的增强筋、金属剪力钉或剪力键以加强与管内混凝土的粘结；根据受力需要，所述FRP管外侧可布置有沿着金属管轴向、环向、以及其他方向的增强筋，还可粘贴缠绕不连续的纤维布，以加强与管外混凝土、墙体水平及纵向钢筋粘结，增加墙体整体性。

将上述FRP管约束金属管组合体置于剪力墙墙体变形或者受力较大部位，如墙端、两个墙肢交叉处、多个墙肢交叉处位置中的一处或者多处，使所实用新型的组合剪力墙不仅具有变形能力强、受压区混凝土不易压碎的特点，同时具有明显的二阶刚度从而使剪力墙在大变形时候具有自复位功能，有效避免了现有金属管混凝土组合剪力墙“延性有余而自复位功能不足”的缺点。

根据实际应用的需要，所述金属管与FRP管的截面形状可以为圆形、椭圆形、带圆弧化角的多边形中的一种；所述增强筋的截面形状为圆形、椭圆形、 正方形、长方形、多边形中的一种；所述金属管的材料为低碳钢、高碳钢、高强钢、不锈钢、铝合金中的一种；所述的增强筋所用材料是低碳钢、高碳钢、高强钢、不锈钢、铝材、铝合金、碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、PVC中的一种；所述的纤维增强复合材料管及纤维布所用纤维材料是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维中的一种；所述金属管内根据需要填充的混凝土为普通混凝土、高强混凝土、回收骨料混凝土、纤维混凝土、自密实混凝土中的一种。

本实用新型专利的有益效果是：

1、利用约束混凝土强度高、变形能力好，同时具有明显二阶刚度的特点，将FRP管约束金属管组合体布置在墙体变形或者受力较大部位，使所组成的组合剪力墙具有变形能力强、受压区混凝土不易压碎的特点；还可使墙整体具有明显的二阶刚度从而使剪力墙在大变形时候具有自复位功能，有效避免了现有钢管混凝土组合剪力墙“延性有余而自复位功能不足”的缺点。

2、FRP管、混凝土、金属管在一起形成有利的共同作用：FRP管与金属管约束混凝土提升了强度及变形能力，FRP管约束金属管提升了其抗屈曲能力；这种共同作用发挥了FRP、混凝土与金属管三种材料各自的优点，提高了材料利用率；与金属管相连(焊接或者其他方式连接)的增强筋增加了金属管与管内被约束混凝土粘结，与FRP管相连(环氧树脂连接或者其他方式连接)的增强筋及纤维增强复合材料条带增加了FRP管与其外混凝土及墙体钢筋的粘结，从而增加了组合剪力墙的整体性。

3、根据受力的需要，金属管内部可以填充混凝土(如层数较高时)或者不填充混凝土(层数较低时)，优化了结构布置，可有效减轻结构自重，从而减少地震作用力；

4、由于充分利用了材料的优点，在相同的竖向承载力及抗震条件下，相比传统的钢筋混凝土墙体，本实用新型所涉及的组合剪力墙可使截面尺寸可大大减小，还可增加建筑空间的利用率，降低综合造价，从而可促进高性能纤维增强复合材料在土木工程中的应用。

附图说明

利用附图对本实用新型作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本实用 新型的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1a为一个纤维增强复合材料管及金属管位于墙端暗柱内的示意图。

图1b为两个纤维增强复合材料管及金属管位于墙端暗柱内的示意图。

图2a为一个纤维增强复合材料管及金属管位于两个墙肢交叉处暗柱内的示意图。

图2b为三个纤维增强复合材料管及金属管位于两个墙肢交叉处暗柱内的示意图。

图3a为一个纤维增强复合材料管及金属管位于多个墙肢交叉处暗柱内的示意图。

图3b为四个纤维增强复合材料管及金属管位于多个墙肢交叉处暗柱内的示意图。

图4a为一个纤维增强复合材料管及金属管位于墙端连墙明柱(柱宽度大于墙厚)内的示意图。

图4b为九个纤维增强复合材料管及金属管位于墙端连墙明柱(柱宽度大于墙厚)内的示意图。

图5a为一个纤维增强复合材料管及金属管位于两个墙肢交叉处连墙明柱(柱宽度大于墙厚)内的示意图。

图5b为四个纤维增强复合材料管及金属管位于两个墙肢交叉处连墙明柱(柱宽度大于墙厚)内的示意图。

图6a为一个纤维增强复合材料管及金属管位于多个墙肢交叉处连墙明柱(柱宽度大于墙厚)内的示意图。

图6b为两个纤维增强复合材料管及金属管位于多个墙肢交叉处连墙明柱(柱宽度大于墙厚)内的示意图。

图7a为金属管空心的示意图。

图7b为金属管填充混凝土的示意图.

图8a为金属管内表面设置增强筋和金属剪力钉或剪力键的示意图。

图8b为纤维增强复合材料管外表面设置增强筋的示意图。

图9为纤维增强复合材料管外壁粘贴缠绕的不连续的纤维条带的示意图。

图10为增强筋的截面形状示意图。

图11a为纤维增强复合材料管可能的截面形状示意图。

图11b为金属管可能的截面形状示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细的描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

参见图1a，本实施例的内置纤维增强复合材料约束金属管的组合剪力墙，在剪力墙墙端11的暗柱内布置一个纤维增强复合材料管1及金属管2，其中纤维增强复合材料管1和金属管2可通过环氧树脂胶等胶粘材料进行粘贴。所述纤维增强复合材料管1可为碳纤维增强复合材料管(简称CFRP管)，玻璃纤维增强复合材料管(简称GFRP管)、芳纶纤维增强复合材料管(简称AFRP管)、玄武岩纤维管(简称BFRP管)中的一种。所述金属管2所选用的钢材为低碳钢、高碳钢、高强钢、不锈钢、铝材、铝合金中的一种。根据需要，可在金属管2内填充混凝土或不填充混凝土(参见图7a、图7b)。所述金属管2内根据需要填充混凝土3为普通混凝土、高强混凝土、回收骨料混凝土、纤维混凝土、自密实混凝土中的一种。为增加纤维增强复合材料管1与剪力墙间的粘结从而增加组合剪力墙的整体性，可按图8b在纤维增强复合材料管1外表面布置增强筋5，也可按图8a在金属管2内表面布置增强筋4\金属剪力钉或剪力键7，还可以按图9在纤维增强复合材料管1外壁粘贴缠绕不连续的纤维布6。增强筋5与纤维增强复合材料管1可胶粘材料粘结，也可其他方式连接；所述金属管2、金属剪力钉或剪力键7与金属管1的材料为低碳钢、高碳钢、高强钢、不锈钢、铝合金中的一种，增强筋4、金属剪力钉或剪力键7与金属管1可焊接、也可以其他方式连接。

考虑实际生产和施工的需求，增强筋4、5截面可以图10所示截面中的一种或者几种；纤维增强复合材料管1和金属管2的截面形状可以为图11a、图11b的其中一种，纤维增强复合材料管1和钢管2截面的长半轴与剪力墙暗柱的长边方向一致并且其短半轴长度应小于剪力墙墙厚从而使纤维增强复合材 料管1有足够的保护层厚度。

实施例二

参见图1b，本实施例与实施例一不同的是，在剪力墙墙端11的暗柱内布置了两个纤维增强复合材料管1及钢管2。其中纤维增强复合材料管1及钢金属管2可以是图11a、图11b中任何一种。当荷载较大且对结构自复位功能要求较高时，可以在暗柱内布置多个(N>＝2)纤维增强复合材料管1，每个纤维复合材料管内布置一个及多个金属管(M>＝2)。

实施例三

参见图2a，本实施例与实施例一不同的是，在剪力墙两个墙肢交叉处12设置一个纤维增强复合材料管1和一个金属管2。

实施例四

参见图2b，本实施例与实施例三不同的是，在剪力墙两个墙肢交叉处12设置三个纤维增强复合材料管1和三个金属管2。此实施例主要是考虑到剪力墙实际荷载的情况，当荷载较大且对结构自复位功能要求较高时，可以在暗柱内布置多个纤维增强复合材料管1和金属管。其中纤维增强复合材料管1及金属管2可以是图11a、图11b中任何一种。

实施例五

参见图3a，本实施例与实施例一不同的是，在剪力墙多个墙肢交叉处13设置一个纤维增强复合材料管1和一个金属管2。由纤维增强复合材料管1和金属管2及金属管2管内填充的混凝土3这三者代替传统的钢筋混凝土组合来承受上部传来的竖向荷载。

实施例六

参见图3b，本实施例与实施例五不同的是，在剪力墙两个墙肢交叉处12设置四个纤维增强复合材料管1，每个纤维增强复合材料管1内设置一个金属管2。

实施例七

参见图4a，本实施例与实施例一不同的是，剪力墙端柱为明柱，即柱宽大于墙厚。参见图4a，在剪力墙墙端明柱处设置一个纤维增强复合材料管1，纤维增强复合材料管1内设置一个金属管2，由纤维增强复合材料管1和金属管 2及金属管2管内填充的混凝土3这三者代替传统的钢筋混凝土组合来承受上部传来的竖向荷载。

实施例八

参见图4b，本实施例与实施例七不同的是，在剪力墙墙端的明柱内布置了九个纤维增强复合材料管1及九个金属管2，每个纤维增强复合材料管1内设置一个金属管2。

实施例九

参见图5a，本实施例与实施例一不同的是，剪力墙两个墙肢交叉处12为明柱，即柱宽大于墙厚。在剪力墙的两个墙肢交叉处12的明柱处设置一个纤维增强复合材料管1和一个金属管2，由纤维增强复合材料管1和金属管2及金属管2内填充的混凝土3这三者代替传统的钢筋混凝土组合来承受上部传来的竖向荷载。

实施例十

参见图5b，本实施例与实施例九不同的是，在剪力墙两个墙肢交叉处12的明柱内布置了四个纤维增强复合材料管1及四个金属管2，每个纤维增强复合材料管1内设置一个金属管2。

实施例十一

参见图6a，本实施例与实施例一不同的是，剪力墙三个墙肢交叉处13为明柱，即柱宽大于墙厚。在剪力墙三个墙肢交叉处13的明柱处设置一个纤维增强复合材料管1和一个金属管2，由纤维增强复合材料管1和金属管2及金属管2内填充的混凝土3这三者代替传统的钢筋混凝土组合来承受上部传来的竖向荷载。

实施例十二

参见图6b，本实施例与实施例十一不同的是，在剪力墙三个墙肢交叉处13的明柱内布置了两个纤维增强复合材料管1及两个金属管2，每个纤维增强复合材料管1内设置一个金属管2。

上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

总之，本实用新型虽然列举了上述优选实施方式，但是应该说明，虽然本领域的技术人员可以进行各种变化和改型，除非这样的变化和改型偏离了本实用新型的范围，否则都应该包括在本实用新型的保护范围内。