[发明专利]复合管混凝土组合结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种混凝土结构，尤其是一种复合管混凝土组合结构，属于土木建筑结构技术领域。

背景技术

多年来国内外学者对钢管混凝土结构进行了大量的研究与应用，其具有抗震性能好和施工方便等优点，同时也认识到钢管混凝土结构具有以下缺陷与不足：钢管既要承受弯矩和轴向荷载产生的竖向应力，又要承受剪力和混凝土膨胀产生的横向应力，双向应力状态将降低钢管的约束效应，提前钢管的局部屈曲，低周反复荷载试验表明，这种局部屈曲将导致不稳定的滞回循环，降低构件的延性，并且这种失效难以修复；由于钢的弹塑性应力-应变关系，一旦钢管屈服其约束力将限于定值，构件承载力不再增加，安全储备低；钢管采用的钢材强度较低，对于大型的高轴力混凝土结构，必须采用厚壁钢管，用钢量大，加工困难，不经济；钢管面临锈蚀、耐久性难题。

纤维增强塑料(FRP)具有轻质、高强、耐腐蚀的优良特性，在土木工程抗震加固、补强领域得到了普遍应用，根据纤维增强体的不同，FRP可分为玻璃纤维增强塑料(GFRP)、碳纤维增强塑料(CFRP)、芳纶纤维增强塑料(AFRP)、玄武岩纤维增强塑料(BFRP)等，无论何种纤维增强塑料，其拉伸极限断裂都为脆性断裂，并表现为线性的应力-应变关系，简单的将FRP缠绕在钢管混凝土外以期改善钢管混凝土结构的性能，如中国专利第“201120387820.2”号，公开了一种“一种纤维-钢复合管钢筋混凝土桥墩”，虽然一定程度地克服了钢管混凝土桥墩的缺陷，但其仍然存在以下应用难题：由于FRP的应变滞后，FRP丝毫不能改变结构的屈服荷载；由于FRP的极限应变能力低，结构屈服后至FRP断裂所经历的变形很小，与结构延性要求不相符；由于FRP的断裂脆性，达到峰值荷载FRP断裂时，破坏模式剧烈，承载能力下降速度快；由于FRP的造价高昂，常规缠绕量的FRP难以获得大的承载力的提高。

本发明提供一种复合管混凝土组合结构，以克服现有技术中存在的缺陷，满足工程的应用需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种复合管混凝土组合结构，以期解决现有钢管混凝土结构、FRP-钢复合管混凝土结构的缺陷，使得结构具有较高的屈服荷载、足够的承载力储备、延性和缓和的破坏模式。此结构同时适用于新建结构中的桩、柱、桥墩、拱肋，以及现有钢筋混凝土结构、钢管混凝土结构中以受压为主的构件加固。

为此，本发明提供一种复合管混凝土组合结构，该结构包括内部混凝土、钢管、横向预应力钢丝、纤维增强塑料；其中，横向预应力钢丝通过对钢丝施加预应力横向连续均匀缠绕于钢管的外壁，纤维增强塑料粘贴于最外层横向预应力钢丝的外表面，内部混凝土填充于钢管的内部；横向预应力钢丝和纤维增强塑料各为1层及1层以上，其钢丝或纤维方向与钢管横向倾角在-30°至30°之间，各层钢丝及纤维方向可以相同或不同，横向预应力钢丝的缠绕间距不大于40mm；横向预应力钢丝通过环氧树脂、乙烯基树脂、聚氨酯树脂或环氧砂浆实现与钢管的粘结。

在本发明的结构中，内部混凝土在受压时，由于横向预应力钢丝在缠绕过程中建立了一定的预拉应力，横向预应力钢丝与钢管之间不存在应变滞后，横向预应力钢丝与钢管同时发挥约束作用，因此结构的屈服荷载得到了有效地大幅度提高，在结构屈服后，纤维增强塑料对核心混凝土的约束作用逐渐产生，核心混凝土的承载力得到进一步的提高，在纤维增强塑料发生断裂后，作为约束增强主体的横向预应力钢丝继续产生约束作用，仍然能够维持结构持续的承载力增长，由于弹塑性钢丝的极限应变很大，结构屈服后至对应最大荷载横向预应力钢丝首次断裂时，结构具备发生较大变形的能力，同时，由于横向预应力钢丝的缠绕间距不大于40mm，可保证各环横向预应力钢丝断裂过程相互独立，也即各环横向预应力钢丝在承载过程中相继依次断裂，每一环横向预应力钢丝断裂产生结构承载力的一个小幅度下降，从而使得结构由最大承载力下降至残余承载力缓慢发生，实现了结构缓和的破坏模式，在因大量横向预应力钢丝断裂而失去对钢管的有效约束时，依然有钢管对内部混凝土约束，从而保证结构具有一定的残余承载力。

在本发明的结构中，可根据需要，顺着钢管的轴向沿钢管四周均匀设置纵向钢丝，纵向钢丝的层数不受限制，可为0层、1层或1层以上，设置于横向预应力钢丝与钢管之间或横向预应力钢丝的各层之间，通过纵向钢丝的增强，以实现对结构纵向抗弯承载力的提高。

所述的横向预应力钢丝中的有效预应力不小于100MPa，以防止横向预应力钢丝的应变滞后，并提高在日常使用荷载下横向预应力钢丝的作用发挥。