一种frp-uhpfrc-混凝土复合柱
阅读说明：本技术 一种frp-uhpfrc-混凝土复合柱 (FRP-UHPFRC-concrete composite column ) 是由 杨贞军 彭程明 李雅祺 于 2021-05-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种FRP-UHPFRC-混凝土复合柱,其采用超高性能纤维混凝土(UHPFRC)管约束混凝土柱,UHPFRC管外粘FRP层,形成复合混凝土柱。UHPFRC管内放置衬子,以防止浇筑时对UHPFRC管造成损伤。混凝土柱中,可以根据需要配置钢筋。根据不同的结构设计要求,UHPFRC管既可起环向约束的作用,也可承受竖向荷载,复合柱端部采用相应的不同约束,采用FRP布对UHPC管约束混凝土进行进一步约束,可极大地提高混凝土柱的承载力。与传统钢管混凝土相比,UHPFRC管与混凝土内柱的界面力学性能更好,结构整体性佳,该复合柱具有更好的耐久性和耐火性,能很好的抵御地震、冲击、爆炸等灾害。此外,UHPFRC管可采用离心法预制生产,施工方便,工序简单,造价低。(The invention discloses an FRP-UHPFRC-concrete composite column, which adopts an ultra-high performance fiber concrete (UHPFRC) pipe to restrain a concrete column, and an FRP layer is adhered outside the UHPFRC pipe to form the composite concrete column. And a lining is placed in the UHPFRC pipe to prevent the UHPFRC pipe from being damaged during pouring. In the concrete column, reinforcing steel bars can be configured as required. According to different structural design requirements, the UHPFRC pipe can play a role in circumferential restraint and can also bear vertical load, the end part of the composite column adopts corresponding different restraints, and the UHPC pipe restraint concrete is further restrained by the FRP cloth, so that the bearing capacity of the concrete column can be greatly improved. Compared with the traditional steel pipe concrete, the UHPFRC pipe has better interface mechanical property with the concrete inner column and good structural integrity, and the composite column has better durability and fire resistance and can well resist disasters such as earthquake, impact, explosion and the like. In addition, the UHPFRC pipe can be prefabricated and produced by adopting a centrifugal method, the construction is convenient, the working procedure is simple, and the manufacturing cost is low.)
技术领域
本发明涉及建筑材料及结构工程领域，具体涉及一种FRP-UHPFRC-混凝土复合柱。
背景技术
混凝土因其较低的成本和良好的力学性能，成为了使用最广泛的人造建筑材料。目前全球每年的混凝土使用量超过了100亿吨，预计到2050年将增至180亿吨，其中，中国消耗了全球所有混凝土产量的50％以上。但是，混凝土产业对环境具有严重的影响，每年释放超过16亿吨的二氧化碳，占每年全球人类活动二氧化碳排放量的7％。大多数混凝土产品是由普通强度的钢筋混凝土制成，由于材料劣化及钢筋锈蚀，使得建筑设计寿命仅为50年。因此，建筑行业仍然需要新的建筑材料和结构体系，从而向更安全，更绿色，更耐用和可持续的方向发展。这对于中国的可持续发展来说尤其迫切，因为低质量的建筑材料和技术，导致大多数建筑的使用寿命只有30年左右。
钢管混凝土柱已被广泛应用，特别是在中国，在高层建筑、桥梁和工厂等大跨度结构中，由于钢管对混凝土的约束作用，使得钢管混凝土柱比传统的钢筋混凝土柱具有更高的承载能力，延展性和耐久性。然而，钢管混凝土构件存在一些问题：(1)混凝土和钢材具有不同的模量和热膨胀系数，导致两者的不协调变形，且经常在界面处破坏，这对结构完整性是有害的。而且，这些缺陷隐藏在管内，很难测量和监测；(2)钢材的高强度性能通常没有被充分利用；(3)钢管容易被腐蚀和锈蚀，特别是在苛刻条件下环境(例如化工厂，海上平台，核电站)，其耐火性不如混凝土。额外的保护措施会增加成本和结构复杂性。
现今，FRP已大量应用于建筑结构增强及修复加固、海洋工程等；与钢材相比，FRP的强度可高出10倍不止，而质量却仅仅占其五分之一；FRP不仅可明显提高约束构件承载力，而且其耐腐蚀性优异。因此，FRP-UHPFRC-混凝土柱具有承载力高、耐腐蚀性好、耐久性好等特点。
发明内容
为了克服上述技术问题，本发明提供了一种全新的复合柱，采用超高性能钢纤维混凝土(UHPFRC)管来替代钢管，用来约束新拌混凝土，UHPFRC管外覆FRP层。该复合柱具有优异的强度，延展性，耐久性和可持续性。
超高性能钢纤维混凝土UHPFRC为一种将高强度钢/聚合物纤维随机分布于致密的高强砂浆中制成的材料，具有优异的抗渗透性，侵蚀性，耐腐蚀性和耐火性。UHPFRC的抗压强度超过150MPa。由于纤维的桥联作用，其拉伸和弯曲强度可分别达到12MPa和40MPa，断裂韧性达到40kJ/m2，使其具有与金属一样的韧性。此外，其密度、模量和热膨胀系数非常接近普通强度的混凝土。这将大大提高UHPFRC管与约束混凝土之间的变形协调性。与传统钢管混凝土相比，这种混合混凝土填充UHPFRC管柱具有更高的耐久性和耐火性，同时充分利用了UHPFRC的高强度，韧性和延展性，能够很好地抵御地震，冲击和爆炸等灾害。本发明在UHPFRC材料的基础上，复合FRP层，形成FRP-UHPFRC复合结构层，进一步提高结构的整体性、耐久性，力学性能尤其是承载力。
本发明所采用的具体技术方案如下：
一种FRP-UHPFRC-混凝土复合柱，其特征在于，包括FRP层、UHPFRC管、混凝土柱；所述FRP层和UHPFRC管作为混凝土柱的外部环向约束，UHPFRC管外覆FRP层，混凝土浇筑填充于UHPFRC管内形成混凝土柱，UHPFRC管作为永久模板与内部的混凝土连接成一体。
进一步，所述混凝土柱中内置钢筋，混凝土柱的轴压比不超过0.65。
进一步，所述UHPFRC管由混凝土材料制成，包括水泥、矿物掺和料、细砂、水、石英粉、减水剂和钢纤维。
更进一步，所述矿物掺和料为硅灰，或硅灰与粉煤灰、高炉矿渣的混合物；所述钢纤维中含有异形截面纤维，异形截面纤维包括端钩纤维、波型纤维或螺旋钢纤维中的一种或多种。
更进一步，所述制备UHPFRC管的混凝土材料，按质量份计算，组成如下：水泥1000-1300份，矿物掺和料100-650份，细砂900-1200份，石英粉100-300份，减水剂30-60份，水150-400份，钢纤维50-300份。所制备的UHPFRC的抗压强度一般超过150Mpa。
进一步，所述UHPFRC管的横截面形状为方形、圆形或其它多边形，厚度为20mm-120mm。
进一步，当UHPFRC管不承重时，UHPFRC管端部采用柔性连接方式，UHPFRC管与柱两端结点预留10-80mm施工缝，在施工完成后，采用沥青或高弹性橡胶材料灌注封口；当UHPFRC管承重时，采用刚性连接方式，UHPFRC管通过高强摩擦型螺栓与结点连接，或者在结点拼接处采用UHPC砂浆一体化浇筑成型。
进一步，所述FRP层包括FRP布和FRP管，FRP层的材料选自碳纤维(CFRP)、芳纶纤维(AFRP)、玄武岩纤维(BFRP)和玻璃纤维(GFRP)。
更进一步，所述FRP层的厚度为0.167mm，高强度一级，抗拉强度标准值为3400MPa，受拉弹性模量为2.3×105MPa。
更进一步，所述FRP层与UHPFRC管的复合方式为外粘FRP或者制作FRP筒。
进一步，混凝土柱的UHPFRC管内置用于防止浇筑时管体损伤的衬子，所述的衬子采用薄钢管或编织纤维网。
更进一步，所述编织纤维网选自钢纤维、碳纤维、玄武岩纤维、聚乙烯醇纤维或聚乙烯纤维；所述薄钢管厚度为0.8mm-10mm。
上述超高性能钢纤维混凝土管约束混凝土柱，依据GB50010-2010《混凝土结构设计规范》，其正截面抗压承载力为：
其中，N为轴向压力设计值；为钢筋混凝土构件的稳定系数；fc1为普通混凝土轴心抗压强度设计值；fc2为UHPFRC轴心抗压强度设计值；A1为普通混凝土截面面积；A2为UHPFRC管截面面积；f′y为纵向普通钢筋抗压屈服强度设计值；A′s为全部纵向普通钢筋的截面面积；
FRP约束混凝土圆柱极限抗压强度fco:
其中：fcc为约束混凝土柱的极限抗压强度，fco为非约束混凝土柱的极限抗压强度，ω为FRP约束效应系数，其中fco为非约束混凝土的抗压强度，ff为纤维材料的抗拉强度，tf为纤维复合材料厚度，d为圆形混凝土柱的直径，当截面为方形时，
上述超高性能钢纤维混凝土管约束混凝土柱，相同截面面积条件下，其正截面承载力相对于普通混凝土柱显著提高。表1和表2分别列出了圆形柱和方形柱，在不配筋时，超高性能钢纤维混凝土管约束普通混凝土柱的正截面承载力。其中，普通混凝土立方块抗压强度标准值取用30Mpa，UHPFRC立方块抗压强度标准值取用170Mpa，柱的计算长度取用3m。
依据《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010，此处普通混凝土轴心抗压强度设计值为fc1＝14.3MPa；UHPFRC抗压强度标准值按fck＝0.88αc1αc2fcu,k进行折减，fck2＝106.7MPa，依据法国颁布的UHPFRC设计规范NFP18-710,fc＝αccfck/γc，对于UHPFRC材料，γc取用1.3，αcc取用0.85，则其轴心抗压强度设计值为fc2＝69.8MPa；对于CFRP布，ff＝3400MPa，tf＝0.167mm。
表格中，d为圆形混凝土截面直径；
a为方形混凝土截面边长；
t为UHPFRC管厚度；
为钢筋混凝土构件的稳定系数；
A为柱总截面面积，A＝A1+A2，其中，对于圆形柱A2＝π(dt+t2)，对于方形柱A1＝a2，A2＝4(at+t2)；
N1为超高性能钢纤维混凝土管约束混凝土柱正截面可承受荷载值，
N2为普通混凝土柱正截面可承受荷载值，
η为N1与N2的比值，η＝N1/N2。
N为FRP-UHPFRC-混凝土柱的正截面承载力。
表1圆形柱正截面可承受荷载
表2方形柱正截面可承受荷载
上述表格计算参数表明，在具有相同截面面积时，超高性能钢纤维混凝土管约束混凝土柱相比于普通混凝土柱，具有较大的承载力优势，且UHPFRC厚度越大，复合柱中普通混凝土部分尺寸越小时，优势越明显。而FRP-UHPFRC复合混凝土柱比UHPFRC混凝土柱(无FRP层，其他同前者)的可承受载荷提升最高可达43％。当采用相同的荷载设计值时，FRP-UHPFRC复合混凝土柱相比于UHPFRC混凝土柱，可以采用更小的截面积尺寸。
本发明公开了一种FRP-UHPFRC-混凝土复合柱，采用超高性能钢纤维混凝土(UHPFRC)管来替代钢管，用以约束普通混凝土，然后外包FRP布形成复合结构。与UHPFRC混凝土柱相比，UHPFRC混凝土柱与新拌混凝土的界面力学性能更好，结构整体性佳，该复合柱具有更好的耐久性和耐火性，能很好的抵御地震、冲击、爆炸等灾害。
附图说明
图1为圆形截面无钢筋笼复合柱示意简图，其中，a为水平剖面图，b为立面剖面图；
图2为方形截面配筋复合柱示意简图，其中，a为水平剖面图，b为立面剖面图；
图3为圆形截面无钢筋笼复合柱立体剖面图；
图4为方形截面配筋复合柱立体剖面图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明做进一步的详细说明，但不局限于此。
下述实施方案中，如无特殊说明，所述试剂和材料均为公知的，可通过商业途径获取。
实施例1
本实施例中，FRP-UHPFRC复合混凝土柱的结构如图1和3所示。该混凝土柱为复合柱，由UHPFRC管和新拌混凝土组成。UHPFRC管作为混凝土柱的外部环向约束，将新拌混凝土浇筑填充于UHPFRC管内，UHPFRC管作为永久模板与内部的混凝土连接成一体，然后外包FRP层，形成复合柱。
本实施例中，所采用的具体原材料如下所述：
FRP层使用FRP布，FRP布的极限抗拉强度为3400MPa，拉伸断裂应变为0.017，其厚度分别为0.167mm；
新拌混凝土由硅酸盐水泥、粗骨料、细骨料和水混合搅拌得到，其中：水泥为硅酸盐水泥；粗骨料采用粒径为5mm-15mm卵石；细骨料采用河沙，为级配良好的中砂；水为工业用水。
新拌普通混凝土的配合比(质量比)如下表3所示。
表3普通混凝土配合比
本实施例的超高性能钢纤维混凝土管(UHPFRC管)采用圆管，横截面直径为300mm，高1200mm，UHPFRC管壁厚为30mm。本实施例中的UHPFRC管，其UHPFRC混凝土原料组分包括水泥、硅灰、细砂、水、石英粉、高效减水剂、钢纤维。UHPFRC管采用中，所采用的钢纤维为直线钢纤维，直径为0.2mm，长度为12mm，长径比为60，抗拉强度为2700MPa。所采用水泥为普通硅酸盐水泥。硅灰的比表面积为22m2/g，其中SiO2含量≥90％，细砂粒径范围为0.1mm-0.5mm，石英粉粒径为5μm-50μm，SiO2含量≥95％。高效减水剂为聚羧酸高效粉末减水剂，减水效率≥30％。水为工业用水。
UHPFRC中各组分质量比如下表4所示。
表4 UHPFRC配合比
本实施例的超高性能钢纤维混凝土管约束混凝土柱具体制造过程为：预先按上述表4的组分，拌和UHPFRC，然后浇筑好UHPFRC管，在标准条件养护28d。随后将UHPFRC管作为浇筑侧面模板，底部面用木模板密封。在UHPFRC内部放置厚度为0.8mm的环箍薄钢片，环箍薄钢片以外径略小于UHPFRC管内径的薄钢管形式，紧贴UHPFRC管内侧面，作为衬子，以防止浇筑时对UHPFRC管造成损伤。将新拌好的普通混凝土倒入UHPFRC管中，混凝土注入完毕后，使用震动棒充分振捣。标准条件下，养护28d，然后外包FRP布。
如表1和表2的计算所示，在具有相同截面面积时，本实施例的FRP-UHPFRC复合混凝土柱，相比于UHPFRC混凝土柱，具有较大的承载力优势和更好的耐久性和耐火性。
实施例2
本实施例相对于实施例1而言，其区别仅在于将UHPFRC管换成方管，并在UHPFRC管内置钢筋笼，其他的做法均相同。
混凝土柱结构如图2和4所示。具体而言，本实施例的方形截面UHPFRC管，其横截面尺寸为300mm×300mm，高1200mm，UHPFRC管壁厚为30mm。柱体内的钢筋，纵向筋选用HRB335级钢筋，直径为14mm，共计12根，箍筋采用HRB335级钢筋，直径为10mm，间距为100mm。本实施例中的UHPFRC管和普通混凝土的配合比分别如表3和表4所示，与实施例1相同，原料也保持一致。
本实施例的超高性能钢纤维混凝土管约束混凝土柱具体制造过程为：预先按上述表4的组分，浇筑好UHPFRC管，在标准条件养护28d。随后将UHPFRC管作为浇筑侧面模板，底部面用木模板密封。在UHPFRC内部放置4片220mm×580mm×0.8mm的薄钢片，薄钢片紧贴UHPFRC管内侧面，作为衬子，以防止浇筑时对UHPFRC管造成损伤。然后，将绑扎好的钢筋笼，置于UHPFRC管体内。向UHPFRC中浇筑新拌好的普通混凝土，混凝土柱浇筑完毕后，使用震动棒充分振捣。标准条件下，养护28d，然后外包FRP布。
本实施例相对于实施例1而言，由于在内部放置了钢筋笼，进一步加强了混凝土的强度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。
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