Frp管-再生混凝土-钢管双壁空心组合构件的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种FRP管-再生混凝土-钢管双壁空心组合构件，该组合构件由外层的FRP管，内层的钢管，以及两层之间的再生骨料混凝土三部分组成；该组合构件提高了再生骨料混凝土的抗压强度与变形能力，从而提高构件整体承载力及延性，减小构件徐变的不利影响；由于再生骨料混凝土被耐腐蚀的FRP管包裹起来，克服了再生骨料混凝土在耐久性方面的不稳定性及其他不足；是一种抗震及受力性能良好、自重轻、耐久性好、适用性广泛、施工方便、成本合理、美观实用的环保型组合构件，有较大的推广价值。
【专利说明】FRP管-再生混凝土 -钢管双壁空心组合构件【技术领域】
[0001]本发明属于结构工程领域，具体涉及一种FRP管-再生混凝土 -钢管双壁空心组合构件。
【背景技术】
[0002]纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,简称FRP)因其轻质、高强、耐腐蚀的特点已被大量应用于旧有结构的维修加固，并开始在新建结构中应用。本发明组合构件中FRP管对混凝土提供环向应力约束，使混凝土具有很好的延性，同时FRP管及混凝土对内层的钢管的向外变形有约束作用，使钢管不存在受压屈曲的问题，组合构件的共同工作性能良好。同时，FRP材料因其耐腐蚀性能强，能有效保护钢管及被约束混凝土，提高了该新型组合构件的耐久性及使用寿命。
[0003]钢管作为传统建筑材料，应用范围广。本发明组合构件中的钢管能有效支承施工阶段荷载，可采用现有的钢管混凝土柱的节点技术，通过内层的钢管，使该新型柱和梁易于连接。内层的钢管与外层的FRP管一起，可以在施工阶段作为浇筑混凝土的模版，不仅施工方便还可以节约模版费用。必要时可以在钢管内部空隙部分填充混凝土，以提高构件整体受力性能(抗压及抗弯)。
[0004]再生骨料混凝土是对废旧混凝土经过一系列破碎、筛选、清洗等工序，进行回收利用，部分或全部替代作为混凝土骨料而使用的混凝土。随着我国城市化的不断推进，建筑原生骨料来源日益枯竭，有效回收废旧混凝土可以重复利用建筑原材料，同时可以节省固体垃圾填埋用地，减少环境污染，不仅具有经济意义，还具有重要的社会意义及环保价值。由于再生骨料的表面性 能与天然骨料有较大差异，再生骨料的孔隙率和吸水率比天然骨料要大等自身因素，再生骨料混凝土的耐久性较普通混凝土有所降低。另一方面，在相同配合比条件下，再生骨料混凝土的强度和变形能力略低于普通混凝土。因而再生骨料混凝土单独应用的层次较低、范围较窄，在实际工程中主要应用于道路工程、空心砌块等非受力或受力较小的结构，或作为辅助结构的填充材料。采用FRP管-再生混凝土 -钢管双壁空心组合构件，不仅可以充分发挥传统钢材及新型FRP材料的优良特性，还可以改善混凝土的受力性能及耐久性，从而可以充分、高效地利用再生骨料混凝土，促进再生骨料混凝土在受力结构中的应用，达到了变废为宝的效果，为实现废弃混凝土资源化提供一条有效的途径。
[0005]上述论述内容目的在于介绍可能与下面将被描述和/或主张的本发明的相关技术问题，有助于更好地理解本发明的各个方面。因此，应了解以这个角度来阅读这些论述，而不是承认现有技术。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是:改善现有再生骨料混凝土受力性能及耐久性方面的不足，提供一种FRP管-再生混凝土 -钢管双壁空心组合构件，该组合构件提高了再生骨料混凝土的抗压强度与变形能力，从而提高构件整体承载力及延性，减小构件徐变的不利影响；由于再生骨料混凝土被耐腐蚀的FRP管包裹起来，克服了再生骨料混凝土在耐久性方面的不稳定性及其他不足。该构件能够充分发挥钢材及FRP管的受力特性，组合效应明显，使该构件具有良好的抗震性能及延性。同时，内置钢管及外置FRP管可以作为浇筑混凝土的模版，缩短工期，节省模版费用。
本发明提供的一种FRP管-再生混凝土 -钢管双壁空心组合构件，由外层的FRP管1，内层的钢管2，以及两层之间的再生骨料混凝土 3三部分组成。
[0007]所述的FRP管I与钢管2的纵向中心轴线重合或经过平移后重合。
[0008]所述的FRP管I和钢管2均为直管或均为弯管。
[0009]所述的FRP管I和钢管2沿长度方向是等截面或变截面。
[0010]所述的FRP管I的截面形状包括但不限于圆形、椭圆形、带导角的正方形、带导角的矩形或带导角的其它多边形。
[0011]所述的钢管2的截面形状包括但不限于为圆形、椭圆形、带导角的正方形、带导角的矩形或带导角的其它多边形。
[0012]所述的FRP管I采用碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维或玻璃纤维不同纤维种类的FRP材料，根据钢筋混凝土结构构件中纵向受力构件的构造规定，FRP管I的截面积占组合构件全部截面积的0.6?5%。
[0013]所述的FRP管I是FRP型材管或直接缠绕粘贴在再生骨料混凝土外表面的纤维布。
[0014]所述的再生骨料混凝土 3包括含不同替代率的再生粗骨料、再生细骨料或再生粗细骨料按不同配合比配制的混凝土。
[0015]当FRP管-再生混凝土 -钢管双壁空心组合构件作为梁式构件时，钢管的位置可靠近受拉区。需要指出的，对于由两个同心放置的管组成的新型组合构件，当构件内可能出现较大范围的受拉区时，构件内可配置一定的纵向钢筋或FRP筋以防止产生过大的拉伸裂缝。
[0016]本发明的一种FRP管-再生混凝土-钢管双壁空心组合构件，由外层的FRP (FiberReinforced Polymer,纤维增强复合材料)管，内层的钢管，以及中间的再生骨料混凝土三部分组成的，具有良好的延性及抗震性能、且耐腐蚀、自重轻、施工方便且环保的组合结构构件。本发明所使用的FRP管所涉及的纤维类型，可以根据构件受力、使用环境、及造价要求，合理选择如碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维或玻璃纤维。
[0017]根据外层的FRP管的不同情况，本发明可以采取如下两种不同的制作步骤:
方案一具体制作步骤如下:
(1)对钢管进行选型并确定构件外边缘的模板形状；
(2)将钢管套入模板，并封固钢管和模板的同一端；
(3)将再生骨料混凝土浇筑于钢管与模板之间，并进行养护；
(4)养护完成后，拆除|旲板；
(5)在构件外侧缠绕粘贴FRP材料，层数应满足使用要求，并使其包裹在构件外侧。
[0018]方案二具体制作步骤如下:
(1)对钢管和FRP管进行选型；
(2)将钢管套入外层的FRP管，并封固钢管和FRP管的同一端；(3)将再生骨料混凝土浇筑于FRP管与钢管之间，进行养护完成后无需拆模板。
[0019]本发明的有益效果:
(O自重较轻。本组合构件采用轻质的FRP材料，其质量一般仅为同强度钢材的20%;同时钢管内部的空隙有效地减轻了结构自重。
[0020](2)力学性能优越。钢管的向外变形被混凝土及FRP管有效约束，而外层的FRP管主要包含环向纤维，不存在屈曲问题；外层的FRP管和内层的钢管对中间的再生骨料混凝土起约束作用，使核心再生骨料混凝土处于三向受压状态，从而提高核心再生骨料混凝土的抗压强度和变形能力，并且提高构件的整体延性。通过试验数据可以了解到:对于不同的FRP厚度的组合构件，其承载力随着外包FRP层数的增加而提高，而且提高的幅度也更明显，甚至比相应混凝土及钢管单独承载力之和提高58%，延性比填充普通骨料混凝土的同种类型构件的延性提高61%。
[0021](3)应用范围广。内填充的再生骨料混凝土处于三向约束状态，使构件具有很好的延性及抗震性能，因而，该构件在有抗震设防要求地区的建筑及桥梁结构中具有广阔的应用前景；同时，利用FRP管保护内部的再生骨料混凝土和钢管免受外部环境的侵蚀，提高构件的耐久性，因此，该组合构件亦特别适用于户外结构，如桥墩、桩、梁或其它侵蚀性环境中的压弯构件等。
[0022](4)利废节能。我国每年因拆除建筑和新建建筑产生的固体废弃物达3亿吨以上，其中50?60%为废弃混凝土 ；仅广州市建筑废弃物平均年产生量达4000万吨。而目前利用率却不到2.5%。这种新型组合构件，将能很大程度地提高建筑废弃物的循环利用，并且能有效改善再生骨料混凝土自身应用的局限性，促进再生骨料混凝土在受力结构中的应用和发展，从而为废弃混凝土资源化利用提供一条有效的途径，符合可持续发展的要求。
[0023](5)便于线路布置。在建筑结构中使用时，本组合构件钢管内部存在的空隙，方便于安放管道和布置线路，不仅增加了使用面积，而且美化了建筑外观，提高因线路布置而影响建筑的安全性和整洁性。
[0024](6)施工方便、成本低。FRP管和钢管可作为施工时浇筑混凝土的模板，从而避免了传统混凝土结构制作模板及拆模的工序，减少施工周期；从造价的角度来看，虽然该双壁空心组合构件初始建造费用略高，但如考虑后期维护成本及使用情况，该双壁空心管柱在全寿命周期的经济性更具优势。
[0025]综上所述FRP管-再生混凝土 -钢管双壁空心组合构件是一种抗震及受力性能良好、自重轻、耐久性好、适用性广泛、施工方便、成本合理、美观实用的环保型组合构件。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]本发明组合构件:FRP管-再生混凝土 -钢管双壁空心组合构件的水平横截面图如下。
[0027]图1为本发明组合构件典型的截面形式示意图；
图2为本发明组合构件外层的FRP管为带导角的正方形方管，内层的钢管为圆管的截面形式示意图；
图3为本发明组合构件外层的FRP管和内层的钢管均为带导角的正方形的截面形式示意图； 图4为本发明组合构件作为受弯构件的截面形式示意图。
[0028]图中标号说明:1 一再生骨料混凝土 ；2 — FRP管；3 —钢管。
[0029]【具体实施方式】:
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明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。
[0030]本实施例选用该组合构件典型的截面形式，内层的钢管为圆形，外层的FRP管亦为圆形。组合构件尺寸，包括内外管的直径、厚度需要根据实际承载力需要来确定。本实例中柱高度为300mm,直径为150mm ;钢管的厚度为3.5mm,外直径为72mm ;外管采用GFRP布，厚度为0.177_，层数为I层，采用湿粘法缠绕粘贴在再生骨料混凝土外表面。再生骨料混凝土需要在实验室配制。例如，按《JGJ_55-2011_普通混凝土配合比设计规程》，C35普通混凝土设计配合比为水泥:砂:石:水=399:619:1177:215，由于所需混凝土强度不高，未添加外加剂。再生骨料为环保公司生产的工业成品，是对原废弃混凝土进行简单破碎所得。测得普通骨料密度为1459.lkg/m3，再生骨料密度为1391.8kg/m3。普通粗骨料为5?20mm碎石；细骨料均为普通河砂，细度模数为2.9，属中砂；水泥强度为PO 42.5早强型水泥；水为自来水。再生骨料对混凝土粗骨料进行等体积替代相应的普通粗骨料，设计再生骨料替代率30%、50%、70%和100%。，再生骨料混凝土中，水泥、砂、水用量均与普通混凝土的相同，每立方米用量分别为399kg，619kg, 215kg，而对于混凝土的粗骨料(石)，替代率30%、50%、70%和100%的再生混凝土每立方米用量(普通骨料:再生骨料)依次为:824:337 ；589:561 ；353:786 以及 O:1123o
[0031]当外管选用纤维布时，选择方案一进行制作组合构件:先用PVC管及木板制作构件外边缘模板，将圆钢管放于PVC圆筒模板正中，并固定于木板上；按设计的不同再生骨料替代率进行再生骨料混凝土浇筑于钢管和模板之间，并按要求养护；养护完成后，拆除PVC模板；根据受力要求及使用环境要求，选择适当的FRP布种类(如碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维或玻璃纤维)及层数。待环氧树脂完全干透，该组合构件便能发挥建筑结构作用。
[0032]最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种FRP管-再生混凝土 -钢管双壁空心组合构件，其特征在于:由外层的FRP管(1)，内层的钢管(2)，以及两层之间的再生骨料混凝土(3)三部分组成。
2.根据权利要求1所述的双壁空心组合构件，其特征在于:所述的FRP管(I)与钢管(2)的纵向中心轴线重合或经过平移后重合。
3.根据权利要求1所述的双壁空心组合构件，其特征在于:所述的FRP管(I)和钢管(2)均为直管或均为弯管。
4.根据权利要求1所述的双壁空心组合构件，其特征在于:所述的FRP管(I)和钢管(2)沿长度方向是等截面或变截面。
5.根据权利要求1所述的双壁空心组合构件，其特征在于:所述的FRP管(I)的截面形状包括但不限于圆形、椭圆形、带导角的正方形、带导角的矩形或带导角的其它多边形。
6.根据权利要求1所述的双壁空心组合构件，其特征在于:所述的钢管(2)的截面形状包括但不限于为圆形、椭圆形、带导角的正方形、带导角的矩形或带导角的其它多边形。
7.根据权利要求1所述的双壁空心组合构件，其特征在于:所述的FRP管(I)采用碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维或玻璃纤维不同纤维种类的FRP材料；FRP管(I)的截面积占组合构件全部截面积的0.6?5%。
8.根据权利要求1所述的双壁空心组合构件，其特征在于:所述的FRP管(I)是FRP型材管或直接缠绕粘贴在再生骨料混凝土外表面的纤维布。
9.根据权利要求1所述的双壁空心组合构件，其特征在于:所述的再生骨料混凝土(3)包括含不同替代率的再生粗骨料、再生细骨料或再生粗细骨料按不同配合比配制的混凝土。
【文档编号】E02D5/24GK103967205SQ201410192231
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月8日 优先权日:2014年5月8日
【发明者】谢猛, 陈光明, 李丽娟, 何泓臻, 胡晓泓, 韩文冠, 崔家杰, 曾岚, 韦冰琳, 潘珠峰 申请人:广东工业大学