一种基于cfrp布加强的工字钢外包混凝土构件的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于CFRP布加强的工字钢外包混凝土构件，包括工字钢、包覆在工字钢外侧的混凝土结构和布设在混凝土结构外侧的外部加强层；工字钢浇筑于混凝土结构内，工字钢与混凝土结构呈平行布设且二者的长度相同；外部加强层包括由内至外包覆在混凝土结构外侧壁上的多层CFRP布包覆层，位于最内侧的CFRP布包覆层与混凝土结构之间以及相邻两层CFRP布包覆层之间均以粘贴方式紧固连接；混凝土结构的厚度为100mm～500mm。本发明结构简单、设计合理、施工方便且施工成本较低、力学性能优良、使用效果好，能有效解决现有钢管混凝柱存在的自重大、施工困难、施工质量不易保证、耐久性差等多种问题。
【专利说明】—种基于CFRP布加强的工字钢外包混凝土构件
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种支撑构件，尤其是涉及一种基于CFRP布加强的工字钢外包混凝土构件。
【背景技术】
[0002]现如今，钢管混凝土结构在海洋平台与大跨、重载、轻型桥梁等结构中有着越来越广泛的应用。钢管混凝土结构利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，即钢管对核心混凝土的约束作用，使混凝土处于三向受压状态，混凝土的强度得以提高且其塑性和韧性得到改善，同时克服了钢管容易发生局部屈曲的缺点。将钢管和混凝土组合形成钢管混凝土结构，不仅可以弥补钢和混凝土这两种材料各自的缺点，而且能够充分发挥二者的优点。
[0003]但是，目前所使用的钢管混凝土构件普遍存在一些问题，主要体现在以下方面:第一、施工质量不易保证:钢管混凝土结构中钢管内混凝土的浇注属于隐蔽工程，混凝土的浇灌质量无法直观检查的，因而无论从质量检测方面，还是完善施工质量方面，都是较为费工的；第二、为了能够充分发挥钢管混凝土结构的承载力，钢管与混凝土的连接尽可能地将连接力可靠地传递到核心混凝土上，因而常采用柱顶盖板、柱脚底板与层间隔板、穿心板等来实现；其中，柱顶盖板、柱脚底板与层间隔板均为横隔板，由于横隔板和上、下钢管段的连接相当繁琐，尤其是对于小直径钢管来说，施工非常不便；而穿心板的制作也很麻烦，而且还会妨碍钢管内混凝土的浇注和振捣；第三、钢管裸露在大气中，存在耐久性差的问题;第四、对于较粗的钢管混凝土结构，自重很大。上述问题在很大程度上限制了钢管混凝土结构的发展应用，因而需对钢管混凝土结构进行改进。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于CFRP布加强的工字钢外包混凝土构件，其结构简单、设计合理、施工方便且施工成本较低、力学性能优良、使用效果好，能有效解决现有钢管混凝柱存在的自重大、施工困难、施工质量不易保证、耐久性差等问题。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种基于CFRP布加强的工字钢外包混凝土构件，其特征在于:包括工字钢、包覆在工字钢外侧的混凝土结构和布设在混凝土结构外侧的外部加强层；所述工字钢浇筑于混凝土结构内，所述工字钢与混凝土结构呈平行布设且二者的长度相同，所述工字钢位于混凝土结构的内侧中部，且工字钢的顶底面分别与混凝土结构的顶底面相平齐；所述外部加强层包括由内至外包覆在混凝土结构外侧壁上的多层CFRP布包覆层，每层所述CFRP布包覆层均由一层缠绕在混凝土结构外侧壁上的CFRP布组成，多层所述CFRP布包覆层中位于最内侧的CFRP布包覆层为内包覆层，所述内包覆层与混凝土结构之间以及相邻两层所述CFRP布包覆层之间均以粘贴方式紧固连接；所述混凝土结构的厚度为10mm?500mm ;所述CFRP布包覆层为由包覆在混凝土结构外侧的CFRP布拼接而成的包覆层，所述CFRP布拼接处的搭接长度为3cm?5cm。
[0006]上述一种基于CFRP布加强的工字钢外包混凝土构件，其特征是:所述CFRP布包覆层中的碳纤维束沿所包覆混凝土结构的圆周方向或轴线方向布设。
[0007]上述一种基于CFRP布加强的工字钢外包混凝土构件，其特征是:所述内包覆层与混凝土结构之间以及相邻两层所述CFRP布包覆层之间均通过环氧树脂粘贴为一体。
[0008]上述一种基于CFRP布加强的工字钢外包混凝土构件，其特征是:多层所述CFRP布包覆层中位于最外侧的CFRP布包覆层为外包覆层，所述外包覆层的外表面上均匀涂刷有一层外保护层，所述外保护层为环氧树脂涂层。
[0009]上述一种基于CFRP布加强的工字钢外包混凝土构件，其特征是:所述混凝土结构由强度等级不低于C50的混凝土浇筑而成。
[0010]上述一种基于CFRP布加强的工字钢外包混凝土构件，其特征是:所述混凝土结构为长度大于L的长混凝土柱或长度不大于L的短混凝土柱，其中L = Im?3m ;所述长混凝土柱外侧所包覆的CFRP布沿该长混凝土柱的轴向粘贴固定，所述短混凝土柱外侧所包覆的CFRP布沿该短混凝土柱的径向粘贴固定。
[0011]上述一种基于CFRP布加强的工字钢外包混凝土构件，其特征是:所述混凝土结构的横截面形状为矩形或圆形。
[0012]上述一种基于CFRP布加强的工字钢外包混凝土构件，其特征是:所述CFRP布包覆层中CFRP布的块数为一块或多块。
[0013]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0014]1、结构简单、设计合理且施工简便。
[0015]2、外部的碳纤维布与混凝土材料紧密粘结，CFRP具有较高的的强度和弹性模量，保证了混凝土结构表面的抗裂性，同时抗震与抗扭性能良好。
[0016]3、将钢管混凝土结构的外部钢管变为体积较小的内部工字钢，并且缠绕在混凝土外部的CFRP布质量轻盈，这样大大减轻了结构自重。
[0017]4、由于混凝土为外包混凝土，使原有钢管混凝土柱管内混凝土的浇注由隐蔽工程变为表面工程，混凝土的浇灌质量可直观检查，因而无论从质量检查方面，还是完善施工质量方面，都是较为省工的，这大大保证了施工质量。
[0018]5、能够充分发挥钢管混凝土的承载力优势，工字钢外包混凝土结构中中部为工字钢，代替了钢管混凝土柱的核心混凝土，连接力的传递比核心混凝土更加可靠。
[0019]6、工字钢外包混凝土结构保存了钢管混凝土柱的优点，由于CFRP布紧密缠绕，使碳纤维布与工字钢之间的混凝土仍为约束混凝土，处于三向受压的状态，因而能有效提高混凝土的抗压承载力。同时，内部工字钢可以承担构件所受的弯矩和剪力，外包混凝土又保证了工字钢的稳定性，可见钢和混凝土这两种材料在受力过程中仍然是相互作用，相辅相成。
[0020]7、工字钢外包混凝土结构外层由碳纤维布包覆，碳纤维材料属于惰性材料，具有较好的耐久性，保护了构件主体免遭外界腐蚀，同时工字钢被包于混凝土内部，使工字钢的耐久性大大得到保证，改善了原钢管混凝土的耐久性差的问题。
[0021]8、实用价值高且应用前景广泛，构件的横截面形状为矩形、圆形等，其中横截面形状为矩形的构件多用作支撑柱，横截面形状为圆形的构件多用作桥墩，也可根据实际需要，对构件的横截面形状进行调整。本发明可用于桥墩或者工民建的柱和梁等建筑领域，具有结构简单、设计合理、施工方便、容易操作、力学性能优良、使用效果良好等优点，能解决现有钢管混凝土柱存在的自重大、施工困难、施工质量不易保证、连接传力不可靠、耐久性较差等问题。
[0022]综上所述，本发明结构简单、设计合理、施工方便且施工成本较低、力学性能优良、使用效果好，能有效解决现有钢管混凝柱存在的自重大、施工困难、施工质量不易保证、耐久性差等多种问题。
[0023]下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本发明实施例1的结构示意图。
[0025]图2为本发明实施例1的内部结构示意图。
[0026]图3为本发明实施例1的横断面结构示意图。
[0027]图4为本发明实施例2的结构示意图。
[0028]图5为本发明实施例2的内部结构示意图。
[0029]图6为本发明实施例2的横断面结构示意图。
[0030]附图标记说明:
[0031]I一工字钢； 2—混凝土结构； 3—外部加强层。
【具体实施方式】
[0032]实施例1
[0033]如图1、图2及图3所示，本发明包括工字钢1、包覆在工字钢I外侧的混凝土结构2和布设在混凝土结构2外侧的外部加强层3。所述工字钢I浇筑于混凝土结构2内，所述工字钢I与混凝土结构2呈平行布设且二者的长度相同，所述工字钢I位于混凝土结构2的内侧中部，且工字钢I的顶底面分别与混凝土结构2的顶底面相平齐。所述外部加强层3包括由内至外包覆在混凝土结构2外侧壁上的多层CFRP布包覆层，每层所述CFRP布包覆层均由一层缠绕在混凝土结构2外侧壁上的CFRP布组成，多层所述CFRP布包覆层中位于最内侧的CFRP布包覆层为内包覆层,所述内包覆层与混凝土结构2之间以及相邻两层所述CFRP布包覆层之间均以粘贴方式紧固连接。所述混凝土结构2的厚度为10mm?500mm。所述CFRP布包覆层为由包覆在混凝土结构2外侧的CFRP布拼接而成的包覆层，所述CFRP布拼接处的搭接长度为3cm?5cm。
[0034]本实施例中，所述内包覆层与混凝土结构2之间以及相邻两层所述CFRP布包覆层之间均通过环氧树脂粘贴为一体。
[0035]并且，所述CFRP布包覆层中的碳纤维束沿所包覆混凝土结构2的圆周方向或轴线方向布设。
[0036]实际施工时，对于破坏形式为整体失稳的构件来说，所述CFRP布包覆层中的碳纤维束沿所包覆混凝土结构2的轴线方向布设；对于破坏形式为局部失稳的构件来说，所述CFRP布包覆层中的碳纤维束沿所包覆混凝土结构2的圆周方向布设。
[0037]本实施例中，所述外部加强层3中CFRP布包覆层的层数为2层?5层。
[0038]实际施工时，可根据构件的强度和稳定性对CFRP布包覆层的层数进行相应调整。并且，也可以根据实际需要，对工字钢I的壁厚和尺寸进行相应调整。
[0039]本实施例中，多层所述CFRP布包覆层中位于最外侧的CFRP布包覆层为外包覆层，所述外包覆层的外表面上均匀涂刷有一层外保护层，所述外保护层为环氧树脂涂层。
[0040]本实施例中，所述混凝土结构2由强度等级不低于C50的混凝土浇筑而成。
[0041]实际对CFRP布进行粘贴固定时，所述CFRP布包覆层中CFRP布的块数为一块或多块。
[0042]本实施例中，所述混凝土结构2为长度大于L的长混凝土柱或长度不大于L的短混凝土柱，其中L = Im?3m ;所述长混凝土柱外侧所包覆的CFRP布沿该长混凝土柱的轴向粘贴固定，所述短混凝土柱外侧所包覆的CFRP布沿该短混凝土柱的径向粘贴固定。也就是说，所述短混凝土柱外侧所包覆的CFRP布沿圆周方向缠绕在所述短混凝土柱外侧。
[0043]本实施例中，所述混凝土结构2的横截面形状为矩形。
[0044]实际施工时，所述混凝土结构2的横截面也可以为其它形状，如圆形、椭圆形、多边形等。
[0045]实施例2
[0046]如图4、图5及图6所示，本实施例中，与实施例1不同的是:所述混凝土结构2的横截面形状为圆形。
[0047]本实施例中，其余部分的结构和连接关系均与实施例1相同。
[0048]以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
【权利要求】
1.一种基于CFRP布加强的工字钢外包混凝土构件，其特征在于:包括工字钢(I)、包覆在工字钢(I)外侧的混凝土结构(2)和布设在混凝土结构(2)外侧的外部加强层(3);所述工字钢(I)浇筑于混凝土结构(2)内，所述工字钢(I)与混凝土结构(2)呈平行布设且二者的长度相同，所述工字钢(I)位于混凝土结构(2)的内侧中部，且工字钢(I)的顶底面分别与混凝土结构(2)的顶底面相平齐；所述外部加强层(3)包括由内至外包覆在混凝土结构(2)外侧壁上的多层CFRP布包覆层，每层所述CFRP布包覆层均由一层缠绕在混凝土结构(2)外侧壁上的CFRP布组成，多层所述CFRP布包覆层中位于最内侧的CFRP布包覆层为内包覆层，所述内包覆层与混凝土结构(2)之间以及相邻两层所述CFRP布包覆层之间均以粘贴方式紧固连接；所述混凝土结构(2)的厚度为10mm?500mm ;所述CFRP布包覆层为由包覆在混凝土结构(2)外侧的CFRP布拼接而成的包覆层，所述CFRP布拼接处的搭接长度为3cm?5cm。
2.按照权利要求1所述的一种基于CFRP布加强的工字钢外包混凝土构件，其特征在于:所述CFRP布包覆层中的碳纤维束沿所包覆混凝土结构(2)的圆周方向或轴线方向布设。
3.按照权利要求1或2所述的一种基于CFRP布加强的工字钢外包混凝土构件，其特征在于:所述内包覆层与混凝土结构(2)之间以及相邻两层所述CFRP布包覆层之间均通过环氧树脂粘贴为一体。
4.按照权利要求1或2所述的一种基于CFRP布加强的工字钢外包混凝土构件，其特征在于:多层所述CFRP布包覆层中位于最外侧的CFRP布包覆层为外包覆层，所述外包覆层的外表面上均匀涂刷有一层外保护层，所述外保护层为环氧树脂涂层。
5.按照权利要求1或2所述的一种基于CFRP布加强的工字钢外包混凝土构件，其特征在于:所述混凝土结构(2)由强度等级不低于C50的混凝土浇筑而成。
6.按照权利要求1或2所述的一种基于CFRP布加强的工字钢外包混凝土构件，其特征在于:所述混凝土结构(2)为长度大于L的长混凝土柱或长度不大于L的短混凝土柱，其中L = Im?3m ;所述长混凝土柱外侧所包覆的CFRP布沿该长混凝土柱的轴向粘贴固定,所述短混凝土柱外侧所包覆的CFRP布沿该短混凝土柱的径向粘贴固定。
7.按照权利要求1或2所述的一种基于CFRP布加强的工字钢外包混凝土构件，其特征在于:所述混凝土结构(2)的横截面形状为矩形或圆形。
8.按照权利要求1或2所述的一种基于CFRP布加强的工字钢外包混凝土构件，其特征在于:所述CFRP布包覆层中CFRP布的块数为一块或多块。
【文档编号】E01D19/02GK104234323SQ201410521638
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月30日 优先权日:2014年9月30日
【发明者】高小育, 李兆阳, 刘永超, 杨光辉, 王旭 申请人:长安大学