基于结构功能一体化设计的混合纤维管约束混凝土组合柱

技术领域

本发明涉及一种基于结构功能一体化设计的混合纤维管约束混凝土组合柱。

背景技术

随着我国经济的高速发展，城市建设与交通需求不断增加，高层、超高层、大跨桥梁迅猛发展。然而，在承重柱面积有限且需保证结构安全、经济、适用的前提下，传统的钢筋混凝土柱由于耐腐蚀能力差、相对耗能能力有限等缺点，已很难满足现有复杂环境下桥梁结构的使用需求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种施工便捷，经济合理且适用于复杂环境的基于结构功能一体化设计的混合纤维管约束混凝土组合柱。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于结构功能一体化设计的混合纤维管约束混凝土组合柱，包括混合纤维复合管和核心混凝土，所述混合纤维复合管包括GFRP带肋管、缠绕在GFRP带肋管外壁周向且与GFRP带肋管一体成型的CFRP层，GFRP带肋管由GFRP纤维丝纵向拉挤成型，包括管体和位于管体内壁上的T型内肋；所述混合纤维复合管内部浇筑核心混凝土。

上述基于结构功能一体化设计的混合纤维管约束混凝土组合柱，所述GFRP带肋管由多层GFRP纤维丝在带T型内肋的管型模具中沿纵向轴线拉挤成型，GFRP纤维丝的拉伸方向垂直于GFRP带肋管截面方向。

上述基于结构功能一体化设计的混合纤维管约束混凝土组合柱，所述GFRP带肋管横截面为带T型内肋的圆形、椭圆形、正方形、矩形、倒圆角方形、倒圆角矩形。

上述基于结构功能一体化设计的混合纤维管约束混凝土组合柱，所述CFRP层的形成过程为：当GFRP纤维丝纵向拉挤成型成GFRP带肋管后，且胶凝材料未达到终凝前，将所述GFRP带肋管放置于环向滚动的夹具上，将已浸渍完全的CFRP纤维丝沿管体外侧一端向管体外侧另一端横向缠绕；当CFRP纤维丝缠绕厚度达到设定值时，停止缠绕，静置成型，形成与GFRP带肋管一体成型的CFRP层。

上述基于结构功能一体化设计的混合纤维管约束混凝土组合柱，所述GFRP带肋管管体的厚度与混合纤维复合管最小截面尺寸的比例为1：20，CFRP层厚度与GFRP带肋管管体厚度相等。

上述基于结构功能一体化设计的混合纤维管约束混凝土组合柱，所述GFRP带肋管中T型内肋布置由管体周长决定，相邻T型内肋之间间隙为100mm-150mm。

上述基于结构功能一体化设计的混合纤维管约束混凝土组合柱，所述T型内肋的高度为混合纤维复合管最小截面尺寸的1/3，T型内肋的翼缘和腹板宽度为T型内肋高度的1/3。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的混合纤维复合管由CFRP层、GFRP带肋管在工厂预制装配而成，极大地简化了现场安装施工，施工时，只需将混合纤维复合管固定于基础上，此时混合纤维复合管的GFRP带肋管可以承受轴向荷载，且外部的CFRP层可以避免GFRP带肋管的变形，既可以充当模板同时拥有着合理的构造，能适应更复杂受力下的施工环境。

2、本发明浇筑完成后，所述GFRP带肋管构件内壁设置了T型肋，其不仅可以代替钢筋混凝土柱中的纵向钢筋受力，发挥FRP材料的抗拉性能强的优势，而且可以增强FRP构件与填充混凝土之间的界面粘结强度；所述CFRP层充分发挥对组合柱的横向约束作用。

3、本发明对纤维增强复合材料和超高性能混凝土的综合应用，与广泛应用的钢筋混凝土结构相比，满足可持续发展要求，提高了施工效率，更适合复杂环境下作业。GFRP带肋管良好的耐腐蚀性能，使组合柱构件可应用于海洋工程等不利环境中的建筑结构和桥梁。GFRP带肋管给核心混凝土提供了约束作用，使得核心混凝土三向受压，能够有效地约束混凝土横向变形，从而延缓混凝土的开裂，可大幅提高混凝土的抗压强度和构件的延性。

附图说明

图1是本发明圆形截面的构造示意图。

图2是本发明椭圆形截面的构造示意图。

图3是本发明正方形截面的构造示意图。

图4是本发明矩形截面的构造示意图。

图5是本发明倒圆角正方形截面的构造示意图。

图6是本发明倒圆角矩形截面的构造示意图。

图7是本发明与GRFP管约束UHPC组合柱的应力应变曲线对比图。

图7中，A为GRFP管约束UHPC组合柱的应力应变曲线，B为超高韧性混合纤维-UHPC组合柱的应力应变曲线，其中a为弹塑性阶段、b为屈服阶段、c为强化阶段。

实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种基于结构功能一体化设计的混合纤维管约束混凝土组合柱，包括混合纤维复合管和核心混凝土3，所述混合纤维复合管包括GFRP带肋管1、缠绕在GFRP带肋管1外壁周向且与GFRP带肋管1一体成型的CFRP层2； GFRP带肋管1由GFRP纤维丝纵向拉挤成型，包括管体和位于管体内壁上的T型内肋；所述混合纤维复合管内部浇筑核心混凝土3。被约束核心混凝土宜使用具有自密实特性的、强度超过100MPa的超高性能混凝土，钢纤维掺量为1%-2%。

所述GFRP带肋管1由多层GFRP纤维丝在带T型内肋的管型模具中沿纵向轴线拉挤成型，GFRP纤维丝的拉伸方向垂直于GFRP带肋管1截面方向。

如图1-图6所示，所述GFRP带肋管1横截面为带T型内肋的圆形、椭圆形、正方形、矩形、倒圆角方形、倒圆角矩形；当浇筑混凝土时，不仅增大了混凝土与内肋的接触面积，且T型内肋可增强组合柱的抗冲击和抗震能力。

所述CFRP层2的形成过程为：当GFRP纤维丝纵向拉挤成型成GFRP带肋管1后，且胶凝材料未达到终凝前，将所述GFRP带肋管1放置于能环向滚动的夹具上，将已浸渍完全的CFRP纤维丝沿管体外侧一端向管体外侧另一端横向缠绕；当CFRP纤维丝缠绕厚度达到设定值时，停止缠绕，静置成型，形成与GFRP带肋管1一体成型的CFRP层2。

所述组合柱的延伸率降低，且纤维含量的提高对组合柱本身的强度和模量有很大的提高，有利于形成质地均匀的混杂纤维复合管整体，从而可保证其材料性能的充分发挥。

GFRP带肋管1中FRP纤维的最佳体积分数为80%，所述GFRP带肋管1管体的厚度与GFRP带肋管1最小截面尺寸的比例为1：20，CFRP层2厚度与GFRP带肋管1管体厚度相等。FRP纤维的含量、GFRP带肋管1管体的厚度、CFRP层2的厚度对组合柱的力学性能影响较大，该设计既可以保留其高抗拉强度、高约束效用的优势，也能保证其延性。

所述GFRP带肋管1中T型内肋布置由管体周长决定，相邻T型内肋之间间隙为100mm-150mm。

所述T型内肋的高度为GFRP带肋管1最小截面尺寸的1/3，T型内肋的翼缘和腹板宽度为T型内肋高度的1/3。

为进一步说明本发明的工作原理与技术效果，图7为本发明的组合柱与GFRP管约束UHPC组合柱的受压应力-应变曲线比较图，其中均表现有弹塑性阶段a、屈服阶段b、强化阶段c，相比于GFRP管约束UHPC组合柱，在加载初期也就是弹塑性阶段a，由于GFRP带肋管的竖向支撑作用，本发明的组合柱有着更高的初始刚度。随着荷载的持续增加进入屈服阶段b，内部核心UHPC在受压状态下内部逐渐出现微裂纹，图中虚线段为实际中组合柱的应力应变曲线，上下小幅度的随机波动原因一方面是试件的变形逐渐增大并产生侧向膨胀，环向应变迅速增长，此时外包CFRP开始参与工作，对核心混凝土提供有效约束，使核心混凝土处于三向受力状态，并限制其裂缝的产生和发展,另一方面UHPC中带有的钢纤维在裂缝产生后开始发挥抗拉作用，相比于GFRP管约束UHPC组合柱，CFRP有着更强的约束作用，表现为一段更长更高的“屈服平台”，“屈服平台”的长度和高度由CFRP层的强度以及钢纤维的含量决定，随着荷载继续增加，进入强化阶段c，其内部裂缝及侧向变形快速增大，CFRP层的约束应力充分发挥，直至其达到极限抗拉强度，在此阶段承载力保持大幅度的增加，强化阶段的长度以及组合柱的最后承载力由CFRP层的强度及厚度决定，最终CFRP发生从最外部发生逐层断裂，此时组合柱达到峰值随后破坏。本发明的受压应力应变曲线，表现出本发明相比于普通的GFRP约束UHPC组合柱更好的承载力与延性，且强度储备及各阶段的受力都可通过混合纤维复合管的参数进行设计，满足当今时代对抗震有复杂需求的构件设计。