预制装配式FRP管-混凝土-钢管组合柱及其建造方法

技术领域

本发明涉及一种新型组合结构，更具体地说，涉及一种预制装配式FRP管-混凝土-钢管组合柱及其建造方法。

背景技术

FRP-混凝土-钢双壁空心构件是由香港理工大学的滕锦光教授提出的一种新型组合构件，由FRP外管、钢内管以及两者之间填充的混凝土组成。该新型组合结构中，内部填充的混凝土受到FRP外管和钢内管的共同约束作用，相比未约束混凝土具有高的受压强度及更好的变形能力；钢管由于同时受到外侧混凝土及FRP管的约束，能有效避免向外屈曲，其强度能被充分利用，钢管还可以与FRP管一起，作为浇筑混凝土的模板；FRP外管除提供抗剪作用外，还对混凝土及钢管提供约束，提升后者的受力性能，同时可保护钢内管及混凝土不受腐蚀环境侵蚀。

现有的研究表明，该组合柱十分适用于大型柱状及类似的管状结构。然而，现有的现浇式施工、建造方法较为复杂、繁琐。为推广其应用，亟需发明一种新的建造方法，以快速、便利、简化地进行施工、建造该类组合柱的结构。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，由于FRP管-混凝土-钢管组合柱涉及三种材料(钢、混凝土、FRP)的使用，且建造过程如果采用现场浇注混凝土，将导致建造现场材料堆放较多，施工工序复杂、繁琐、施工质量难以保证。针对上述现有技术的不足，提供一种预制装配式FRP管-混凝土-钢管组合柱及其分节段建造、连接方法。

为实现本发明目的，本发明提供预制装配式FRP管-混凝土-钢管组合柱，包括至少两个组合柱节段，

每个所述组合柱节段均包括位于外侧的FRP管节段、位于所述FRP管节段内的钢管节段以及位于所述FRP管节段和所述钢管节段之间的混凝土层；

任意两个相邻的组合柱节段的两所述钢管节段之间连接固定，且相邻两个组合柱节段的两所述混凝土层之间通过钢筋固定。

进一步地，任意两个相邻的组合柱节段的两所述钢管节段之间焊接固定。

进一步地，相邻两个所述钢管节段相对的一端均固定设置有钢法兰，相邻两个所述钢管节段之间通过螺栓与两所述钢法兰配合实现固定连接。当钢管节段内径较大时，可以采用该连接方式，钢管节段内径较大才便于操作钢法兰和螺栓连接，因此钢法兰和螺栓连接的钢管不适用于钢管内径较小的情况；当钢管节段采用焊接连接时，不受钢管内径大小的限制。

进一步地，每个所述钢管节段的内径至少为800mm。对钢管节段的内径进行限定，使得钢管节段内部有充足的操作位置，操作员可以进入钢管节段内进行固定相邻两钢管节段的操作。

进一步地，所述钢管节段的截面形状为圆形、椭圆形、方形和长方形中的任意一种，所述FRP管节段的截面形状为圆形、椭圆形、方形和长方形中的任意一种。

进一步地，还包括钢筋套筒，所述钢筋套筒的一端设置有内螺纹，另一端沿长度方向开设有孔道，

所述钢筋包括第一钢筋和第二钢筋；

定义任意相邻两组合柱节段中的其中一个为第一组合柱节段，另一个为第二组合柱节段，所述第一钢筋的一端与所述钢筋套筒螺纹连接，且所述第一钢筋和所述钢筋套筒均埋设在所述第一组合柱节段的混凝土层内，所述第二钢筋的一端预埋在所述第二组合柱节段的混凝土层内，另一端朝外伸入固定在所述钢筋套筒的孔道内。

进一步地，所述第二钢筋和所述孔道之间设置有灌浆混凝土层。通过灌浆混凝土层将第二钢筋固定在孔道内。

进一步地，在所述第一组合柱节段的FRP管节段上设置有灌浆口和出浆口，所述灌浆口和所述出浆口均与所述钢筋套筒的孔道相通，且所述灌浆口靠近第二组合柱节段设置，所述出浆口靠近所述孔道中远离第二组合柱节段的另一端设置。如此设置，通过灌浆口往孔道内灌注灌浆料，当灌浆料从出浆口中流出时，停止灌浆，完成灌浆混凝土层的设置。

进一步地，任意相邻的两所述组合柱节段的两混凝土层的接缝处填充有灌浆料，所述接缝处与所述灌浆口相通。

本发明还提供FRP管-混凝土-钢管组合柱的建造方法，包括：

(1)将预埋有钢筋套筒的第一组合柱节段和预埋有第二钢筋的第二组合柱节段对准，并将第二钢筋套入钢筋套筒的孔道内；

(2)通过焊接或螺栓连接方式固定第一组合柱节段的钢管节段和第二组合柱节段的钢管节段；

(3)在第一组合柱节段的FRP管节段和第二组合柱节段的FRP管节段的接缝处进行密封；

(4)从灌浆口注入灌浆料，灌浆料通入孔道，用橡皮塞逐个堵住有灌浆料流出的出浆口直至所有钢筋套筒灌满灌浆料，形成灌浆混凝土层；完成灌浆后，将灌浆口和出浆口表面抹平；至此，完成两个组合柱节段之间的连接；

(5)重复步骤(1)至(4)，直至获得所需的组合柱。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：FRP管-混凝土-钢管组合柱需先分节段预制组合柱节段，再通过已经预先埋设的钢筋套筒、钢筋并通过灌注灌浆料来实现相邻组合柱节段的混凝土层之间的连接；相邻钢管节段之间通过焊接或钢法兰及螺栓连接；相邻组合管之FRP管节段直接接触，不需要额外连接措施。如此，仅需在套筒内灌浆，无需在现场进行大规模混凝土浇筑，施工迅速、便捷。另外，连接钢管节段的钢法兰和连接混凝土层的钢筋套筒，不仅作为相邻组合柱的连接件，而且作为混凝土和两管之间的加劲或加强措施，从而提高了组合柱的结构性能。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明相邻两个预制组合柱节段连接前立体示意图。

图2是本发明相邻两个预制组合柱节段连接完成后立体示意图。

图3a是本发明相邻两个预制组合柱节段连接完成后纵断面示意图。

图3b是图3a中A-A横截面示意图。

图3c是图3a中B-B横截面示意图。

图3d是图3a中C-C横截面示意图。

图3e是图3a中D-D横截面示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

请参阅图1-图3e，本实施例提供的一种预制装配式FRP管-混凝土-钢管组合柱，先事先预制好若干段(最少有两段)组合柱节段，后续再将若干段组合柱节段连接固定起来以获得所需要的组合柱。

请参阅图1(为方便显示，图1只显示了两段组合柱节段)，每个组合柱节段1均包括位于外侧的FRP管节段11、位于FRP管节段11内的钢管节段12以及位于FRP管节段11和钢管节段12之间的混凝土层13。任意两个相邻的组合柱节段1的两钢管节段12之间连接固定，且相邻两个组合柱节段1的两混凝土层13之间通过钢筋固定。相邻两个组合柱节段1的两FRP管节段11直接接触，不需要额外的连接措施。

详细的，请参阅图2，本实施例中相邻两个钢管节段12相对的一端均固定设置有钢法兰4，相邻两个钢管节段12之间通过螺栓5与两钢法兰4配合实现固定连接。在本发明提供的实施例中，相邻钢管节段12的连接采用钢法兰4和螺栓5连接的方式。钢法兰在工厂预制，然后焊接连接到钢管节段112的端部位置。螺栓为刚螺栓，钢螺栓对两钢法兰锁紧时需要配备螺母和垫圈一起使用。在钢法兰4的接触面之间设有垫片和密封层，可以使得相邻钢管节段之间能紧密连接并可调节施工误差。需要说明的是，此处钢管节段连接方法不限于本实例中栓接的方式，还可以采用其它任何本领域技术人员易于掌握的方式实现。例如，在一些实际应用中，所述钢管节段之间可采用传统焊接连接的连接方式。

且，每个钢管节段的内径至少为800mm。对钢管节段的内径进行限定，使得钢管节段内部有充足的操作位置，操作员可以进入钢管节段内用螺栓紧固两相邻的钢法兰。

详细的，还设置有钢筋套筒6，钢筋套筒6的一端设置有内螺纹，另一端沿长度方向开设有孔道，定义任意相邻两组合柱节段1中的其中一个为第一组合柱节段，另一个为第二组合柱节段，钢筋包括第一钢筋21和第二钢筋22，第一钢筋21的一端与钢筋套筒6的内螺纹螺纹连接，且第一钢筋21和钢筋套筒6均埋设在第一组合柱节段的混凝土层内，第二钢筋22的一端预埋在第二组合柱节段的混凝土层内，另一端朝外伸入固定在钢筋套筒6的孔道内，第二钢筋22和孔道的内壁之间通过设置灌浆混凝土层7来固定第二钢筋22。

在第一组合柱节段的FRP管节段上设置有灌浆口111和出浆口112，灌浆口111和出浆口112均与钢筋套筒6的孔道相通，且灌浆口111靠近第二组合柱节段设置，出浆口112靠近孔道中远离第二组合柱节段的另一端设置。如此设置，可以通过灌浆口111往孔道内灌注混凝土，当混凝土从出浆口中流出时，说明此时孔道内已充满混凝土，形成灌注混凝土层7以固定第二钢筋22。

请参阅图1、图2，本实施例中在第二组合柱节段的混凝土层中沿钢管节段周向均匀设置有多个第二钢筋，相应地在第一组合柱节段内设置有多个钢筋套筒6和第一钢筋，并且相应地设置有多个灌浆口和出浆口。如此设置，可以增强相邻两组合柱节段的两混凝土层的连接稳定性，使得连接更加牢固。

详细的，任意相邻的两组合柱节段1的两混凝土层13的接缝处填充有灌浆料8，接缝处与灌浆口111相通。通过灌浆口往孔道内灌注灌浆料时，灌浆料也会同时填充入相邻的两混凝土层13的交接处。如此，可以使得两者之间的连接更加稳固。

详细的，相邻两组合柱节段1的两FRP管节段11之间直接接触不需要额外连接措施，在两者的接缝处用混凝土或砂浆或粘合剂进行密封。

钢管节段12的截面形状为圆形、椭圆形、方形和长方形中的任意一种，FRP管节段11的截面形状为圆形、椭圆形、方形和长方形中的任意一种。同一组合柱节段中钢管节段和FRP管节段的截面形状可以相同，也可以不相同。

通过在工厂事先预制长度相对较小的组合柱节段，然后在施工现场只需将需要数量的组合柱节段相互装配固定起来，即将相邻组合柱节段的钢管节段之间焊接固定或通过钢法兰螺栓固定，然后在钢筋套筒和钢筋之间填充灌注料形成灌注混凝土层，就可以完成相邻组合柱节段之间的固定，在施工现场无需进行大规模混凝土浇筑，施工更加快速、便捷，且可以根据需要获得不同长度的组合柱。而且，连接钢管节段的钢法兰和连接混凝土层的钢筋套筒，不仅可以作为相邻组合柱节段之间的连接件，还可以作为混凝土和钢管节段、FRP管节段之间的加劲或加强措施，从而提高组合柱的结构性能。

实施例2

与实施例1基本相同，所不同的是：本实施例还提供实施例1的组合柱的建造方法。

FRP管-混凝土-钢管组合柱的建造方法，包括：

(1)将预埋有钢筋套筒的第一组合柱节段和预埋有第二钢筋的第二组合柱节段对准，并将第二钢筋套入钢筋套筒的孔道内；

(2)通过焊接或螺栓连接方式固定第一组合柱节段的钢管节段和第二组合柱节段的钢管节段；

(3)在第一组合柱节段的FRP管节段和第二组合柱节段的FRP管节段的接缝处进行密封，例如可以采用混凝土、砂浆、粘合剂等任一种进行密封，以防止后续灌浆时浆料从接缝处泄露；

(4)从灌浆口注入灌浆料，灌浆料通入孔道，用橡皮塞逐个堵住有灌浆料流出的出浆口直至所有钢筋套筒灌满灌浆料，形成灌浆混凝土层；完成灌浆后，将灌浆口和出浆口表面抹平；至此，完成两个组合柱节段之间的连接；

(5)重复步骤(1)至(4)，直至获得所需的组合柱。可以根据实际的施工需要连接不同数量的组合柱节段，以获得不同长度的组合柱。

请参阅图3a，相邻两组合柱节段1的混凝土层13之间的接缝处通过灌浆口111填充有灌浆料，以进一步固定两混凝土层。

钢筋套筒6和钢筋的连接施工前，需先对钢筋套筒6的内部用高压水管进行冲水湿润；灌浆料由灌浆口111注入，然后用橡皮塞逐个堵住有灌浆料流出的出浆口112直至所有钢筋套筒6的孔道内灌满灌浆料。

虽然本发明已参照当前的实施方式进行了描述，但本技术领域的普通技术人员应当认识到，上述实施方式仅用来说明本发明，并非用来限定本发明的保护范围。本发明旨在提供一种预制装配式FRP管-混凝土-钢管组合柱及其建造方法。任何在本发明的精神和原则范围之内，所做的任何修饰、等效替换、改进，均应包含在本发明权利保护范围之内。需要说明的是，本发明虽然只提供了上述预制装配式FRP管-混凝土-钢管组合柱及其建造方法，但是与之类似的柱状结构不脱离本发明实质内容的前提下，也在本发明的保护范围之内。