一种装配式trc-钢管复合约束混凝土柱及其安装方法
阅读说明：本技术 一种装配式trc-钢管复合约束混凝土柱及其安装方法 (Assembled TRC-steel tube composite confined concrete column and mounting method thereof ) 是由 张勤 解雨璇 李振 代欢欢 于 2021-07-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种装配式TRC-钢管复合约束混凝土柱及其安装方法,结构包括混凝土柱节段以及连接底板组合件,连接底板组合件和上下两个混凝土柱节段相互匹配、连接紧密,实现预制柱装配,混凝土柱节段由TRC外壳、约束钢管及核心混凝土组成,且约束钢管连接端四周设有半封闭灌浆套筒连接件；连接底部组合件主要由钢板、小直径开口套筒及带连接钢筋组成；上、下柱节段通过钢板组合件连接时,小直径开口套筒与半封闭灌浆套筒连接件套接,钢板与钢管套接。其工厂预制,现场快速定位安装,无需现场浇筑,无养护过程；具有施工快速,防腐,实用性强及连接可靠等优点,解决了传统装配式混凝土柱节点连接质量差、施工环境得不到保障的问题。(The invention discloses an assembled TRC-steel tube composite confined concrete column and an installation method thereof, wherein the structure comprises concrete column segments and a connecting bottom plate assembly, the connecting bottom plate assembly and an upper concrete column segment and a lower concrete column segment are matched and tightly connected with each other to realize the assembly of a prefabricated column, the concrete column segments consist of a TRC shell, a confined steel tube and core concrete, and semi-closed grouting sleeve connectors are arranged on the periphery of the connecting end of the confined steel tube; the connecting bottom assembly mainly comprises a steel plate, a small-diameter opening sleeve and a connecting steel bar; when the upper and lower column sections are connected through the steel plate assembly, the small-diameter opening sleeve is sleeved with the semi-closed grouting sleeve connecting piece, and the steel plate is sleeved with the steel pipe. The device is prefabricated in a factory, is quickly positioned and installed on site, does not need to be poured on site, and does not have a maintenance process; the method has the advantages of high construction speed, corrosion resistance, high practicability, reliable connection and the like, and solves the problems that the traditional assembled concrete column joint is poor in connection quality and the construction environment cannot be guaranteed.)
技术领域
本发明涉及一种装配式TRC(Textile Reinforce Concrete)-钢管复合约束混凝土柱制备及连接方法。
背景技术
相比于传统的现浇钢筋混凝土结构，装配式的结构具有实现建筑设计的模块化、安装和施工过程便捷化、施工场地环境和劳动条件的改善、节约资源和降低建筑成本、可持续性和效率提高等一系列优点。为了进一步推动我国装配式建筑健康、高速发展，国内有必要对装配式建筑采取更细化的研究。
而在海水潮汐区下，传统的装配式钢管混凝土柱受到氯盐侵蚀，极易发生钢筋的锈蚀和混凝土的劣化。钢管混凝土柱的耐久性能，需要通过进一步有加固和修复来保证其正常使用功能。随着新材料的发展和应用，织物增强混凝土(Textile ReinforceConcrete,TRC)发展较为迅速。TRC具有质轻、高强、耐腐、控裂等特性，其作为增强耐腐材料在钢管混凝土柱中的应用值得进一步的研究。
目前，我国装配式钢管混凝土柱钢管对接时一般设置环形隔板和内衬钢管段，上下钢管之间采用全熔透坡口焊缝。钢管分段接头一般在现场焊接。钢管混凝土柱能很好地将装配式结构和混凝土合理结合起来，钢管的强约束力以及工厂预制特点，可以保证较为稳定的产品质量。然而钢管通过焊缝连接，焊缝质量不稳定，钢管混凝土表面钢管若无处理，不耐火，且在氯盐环境下易发生锈蚀。此外，混凝土现场浇筑的过程使其施工和养护质量不能保证。
为提高钢管混凝土柱连接性能，专利CN109208823A公开了一种可快速装配的内置钢箱式钢管混凝土柱，利用上下连接钢箱穿入约束拉杆和连接套筒灌浆提高机械咬合力和灌浆料的粘结力，进而提高连接件的连接性能。专利 CN109339232A公开了一种装配式混凝土柱的钢管连接节点，利用方形钢管灌浆连接上下预制混凝土柱，进而提高套筒连接性能。上述两种发明是通过套筒内增加钢性构件来提高连接性能，但增加的同时制作复杂，成本较高且吊装定位困难，其耐腐蚀性能也未有提高，在实际应用中存在较大局限性。
综上所述，实有必要发明一种无上下钢管焊接、无现场浇筑混凝土、耐火耐腐、施工质量高、施工时间短的装配式钢管混凝土柱连接件。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供了一种装配式TRC-钢管复合约束混凝土柱及其安装方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种装配式TRC-钢管复合约束混凝土柱，包括TRC-钢管复合约束混凝土柱节段和连接底板组合件，两根TRC-钢管复合约束混凝土柱节段通过连接底板组合件相连接；
所述TRC-钢管复合约束混凝土柱节段包括约束钢管、镂空孔、半封闭灌浆套筒连接件、灌浆嘴、出浆嘴、混凝土、TRC外壳；约束钢管为方管，TRC外壳包裹于约束钢管外，约束钢管内填充有混凝土，约束钢管靠近连接底板组合件的位置沿内边缘设有一周半封闭灌浆套筒连接件，半封闭灌浆套筒连接件，半封闭灌浆套筒连接件一端筒口封闭，另一端筒口开口连通外界，半封闭灌浆套筒连接件上靠近封闭端设有灌浆嘴，靠近开口端设有出浆嘴，出浆嘴一周位于灌浆嘴和出浆嘴位置开设有镂空孔，灌浆嘴和出浆嘴各对应一个镂空孔插置连通外界；
所述连接底板组合件包括钢板、螺纹孔、小直径开口套筒、外螺纹、内螺纹、出浆孔、螺纹连接钢筋；钢板的两面上均沿边缘一周布置有螺纹孔，螺纹孔为贯通孔，一个螺纹孔位置对应两侧两个小直径开口套筒，小直径开口套筒的一端外为外螺纹，内为内螺纹，外螺纹厚度为1/2钢板厚度并与螺纹孔配合，小直径开口套筒靠近该端部位置开设有出浆孔，小直径开口套筒插入半封闭灌浆套筒连接件后，出浆孔与出浆嘴重叠，螺纹连接钢筋周身为螺纹，将螺纹连接钢筋插入固定于螺纹孔两侧小直径开口套筒，贯通钢板与内螺纹配合固定。
作为更进一步的优选方案，螺纹连接钢筋的长度大于2倍的小直径开口套筒，小于2倍的半封闭灌浆套筒连接件。
作为更进一步的优选方案，TRC外壳为TRC复合材料，TRC复合材料由细骨料混凝土和纤维织物网复合而成，其中纤维织物网作为增强筋，细骨料混凝土水泥基材料作为基体。
作为更进一步的优选方案，TRC外壳对约束钢管内柱体的混凝土起核心约束作用，增加了混凝土抗压性能，则混凝土能承受的压应力为σr，σr的计算公式如下：
上式中，n为TRC外壳中纤维编制网铺设层数；ff为纬向碳纤维束极限抗拉强度；Af为纤维束横截面面积；fy为纬向约束钢管极限抗拉强度；An为约束钢管横截面面积；s为纤维织物网格间距；dse为核心混凝土的边长。
作为更进一步的优选方案，混凝土朝向连接底板组合件的一端为平面，半封闭灌浆套筒连接件的筒口与混凝土的端面齐平，混凝土的平面端与约束钢管端面的距离为1/2钢板的厚度。
作为更进一步的优选方案，约束钢管内混凝土的抗剪力V由螺纹连接钢筋和小直径开口套筒共同承担，V的计算公式如下：
V＝V1+V2
上式中，V1为小直径开头套筒的抗剪承载力，V2为螺纹连接钢筋的抗剪承载力，N为小直径开口套筒的数量；fv1为小直径开口套筒的抗剪强度；D1为小直径开口套筒的外径；d1为半封闭灌浆套筒连接件的外径尺寸；fv2为螺纹连接钢筋的抗剪强度；d0为螺纹连接钢筋截面直径。
作为更进一步的优选方案，半封闭灌浆套筒连接件和小直径开口套筒之间形成抗拔力F1，其计算公式如下：
Fs＝fl2πD1
上式中，为传统整体式灌浆套筒的粘结力；为小直径开口套筒与半封闭灌浆套筒连接件之间的粘结力；Fs为小直径开口套筒和半封闭灌浆套筒连接件之间的摩擦力；为注入连接浆料后螺纹连接钢筋与小直径开口套筒之间的平均粘结应力；l0为螺纹连接钢筋伸入半封闭灌浆套筒的轴向长度；d0为螺纹连接钢筋截面直径；l2为小直径灌浆套筒伸入半封闭灌浆套筒的轴向长度；d1为小直径开口套筒内径直径；D1为小直径开口套筒外径直径。
一种装配式TRC-钢管复合约束混凝土柱的安装方法，包括以下步骤：
S1、将钢板两侧的小直径开口套筒通过螺纹连接固定在钢板的边缘一周，小直径开口套筒的外螺纹嵌于钢板内；
S2、螺纹连接钢筋插入小直径开口套筒内，扭至内螺纹上；
S3、将半封闭灌浆套筒连接件的灌浆嘴和出浆嘴焊接于约束钢管的镂空孔上；
S4、在约束钢管内填充核心混凝土，混凝土浇筑至半封闭灌浆套筒连接件开口端齐平为止，即混凝土面层与约束钢管边缘的距离为钢板厚度的1/2；
S5、在约束钢管外逐层包裹TRC外壳直至与外露的灌浆嘴和出浆嘴齐平；
S6、相互嵌套小直径开口套筒和半封闭灌浆套筒连接件时，保证钢板也嵌套于两个约束钢管内，则两个约束钢管和钢板贴合，嵌套紧密；
S7、在TRC-钢管复合约束混凝土柱节段灌入连接浆料时，都自灌浆嘴内灌入浆料，直至从出浆嘴均匀流出浆料后，密封所有灌浆嘴和出浆嘴。
有益效果：本发明的有益之处在于：
(1)承载力提高。包裹约束钢管的TRC外壳增强了钢管的约束性能，对钢管混凝土进行环向约束，提高了核心混凝土柱的轴压承载力，增加了节点连接处塑性屈服能力。同时，上下TRC钢管混凝土柱通过连接底板组合件连接后，连接底板组合件上的钢板起箍筋作用，也约束着上下柱的核心混凝土。
(2)施工质量有保证。本发明改传统装配式钢管混凝土柱连接件之前的设置环形隔板和内衬钢管段连接方法为采用连接钢板组合件连接上下钢管混凝土柱节段。该发明给钢管混凝土柱提供了双重保障，首先，利用分离式灌浆套筒连接消除了传统设置环形隔板和内衬钢管段时焊接因冷热不均而产生裂纹的影响；其次，工厂预制避免了现场浇筑混凝土后的养护问题。
(3)加快施工速度。本发明是工厂预制的全装配式，TRC-钢管复合约束混凝土柱节段与连接底板组合件均为工厂预制，然后运输到现场进行高性能灌浆料灌浆连接。无需现场浇筑混凝土，免去了脱模环节，加快了施工速度。
(4)节点处外表平整美观。钢管内径大小与钢板大小相同，且TRC钢管混凝土上下柱内填充混凝土时预留1/2钢板厚度的空间。上下TRC钢管复合约束混凝土柱连接时钢板完全嵌入上下柱内，上下柱紧密贴合，外表平整美观。
(5)上、下柱节段连接性能提高。相比传统的整体式灌浆套筒粘结力，本发明增加了小直径开口套筒的粘结力和小直径开口套筒与半封闭灌浆套筒连接件的摩擦力，其抗拔力明显提高。
(6)定位简单方便。连接底板组合件的钢板与柱节段的约束钢管内径尺寸相同，当上、下柱节段通过底板组合件连接后，钢板完全嵌入上、下柱节段时，也代表大小套筒嵌套紧密。
(7)耐腐蚀性能好。包裹约束钢管的TRC外壳使其在氯盐环境下有更好的耐久性，同时钢管与钢板均为耐海水不锈钢材质，均有良好的耐腐蚀性。
本发明的装配式TRC-钢管复合约束混凝土柱连接件，在传统的装配式柱柱连接技术上增加了TRC加固和连接底板组合件通过灌浆套筒连接上下柱的保障措施，因而传统灌浆套筒的施工工艺及技术措施和TRC加固技术仍然适用于 TRC钢管混凝土连接件。
本发明具有操作方便、施工快速、耐腐性强、实用性强及连接可靠等优点，解决了传统装配式钢管混凝土柱节点连接质量差的问题，具有很好的广泛性和适用性。
附图说明
图1为本发明的钢板与上下柱连接状态的结构示意图；
图2为TRC-钢管复合约束混凝土柱节段的结构示意图；
图3为本发明的钢管与半封闭灌浆套筒连接件连接的结构示意图；
图4为本发明的半封闭灌浆套筒连接件的结构示意图；
图5为本发明的半封闭灌浆套筒连接件的侧视图；
图6为本发明的小直径开口套筒的结构示意图；
图7为本发明的小直径开口套筒的侧视图；
图8为本发明的小直径开口套筒和半封闭灌浆套筒连接件的连接示意图的剖面图；
图9为本发明的预制新型钢板组合件的结构示意图；
图10为本发明TRC钢管混凝土方柱的使用状态图；
图11为本发明核心混凝土受力分析图；
其中附图中标记的含义如下：
1、TRC-钢管复合约束混凝土柱节段：11、约束钢管，111、镂空孔，12、半封闭灌浆套筒连接件，121、灌浆嘴，122、出浆嘴，13、混凝土，14、TRC 外壳；
2、连接底板组合件：21、钢板，211、螺纹孔，22、小直径开口套筒，外螺纹，222、内螺纹，223出浆孔，23、螺纹连接钢筋。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
如图1所示，一种装配式TRC-钢管复合约束混凝土柱，由TRC-钢管复合约束混凝土柱节段1和连接钢板组合件2组成。
预制新型钢板组合件2由钢板21、小直径开口套筒22和螺纹连接钢筋23 组成。钢板21的两面上均沿边缘一周布置有螺纹孔211，螺纹孔211为贯通孔，，两个小直径开口套筒22通过螺纹连接在钢板21上螺纹孔211的上下两面，形成同轴，小直径开口套筒固定后，其出浆孔223正向朝外。螺纹连接钢筋23贯穿上下小直径开口套筒22与钢板21，螺纹连接钢筋23插入固定于螺纹孔211两个同轴的小直径开口套筒22，贯通钢板21与小直径开口套筒22内的内螺纹222 配合固定。
如图2所示，预制钢管混凝土柱节段1，由TRC外壳14、约束钢管11、半封闭灌浆套筒连接件12、混凝土13组成。半封闭灌浆套筒连接件12与约束钢管的镂空孔111连接，约束钢管11内填充混凝土13，约束钢管外逐层包裹TRC 外壳14，直至TRC外壳14与半封闭灌浆套筒连接件的灌浆嘴121和出浆嘴122 齐平。此外，TRC外壳14包裹时预留灌浆嘴121和出浆嘴122的通道便于后期灌浆出浆。
如图3-5所示，钢管上下镂空孔111的距离与半封闭灌浆套筒连接件上灌浆嘴121和出浆嘴122的间距相等均为l1，钢管上镂空孔111的内径与半封闭灌浆套筒连接件上灌浆嘴121和出浆嘴122的外径相等均为d3，二者可相互嵌套。
将半封闭灌浆套筒连接件12杯口朝钢管外方向置于钢管内，由内向外通过灌浆嘴121和出浆嘴122插入镂空孔111内，灌浆嘴121和出浆嘴122从镂空孔 111露出后，在灌浆嘴和出浆嘴与镂空孔接触处进行围焊使半封闭灌浆套筒连接件固定在钢管内壁上。
如图6-8所示，半封闭灌浆套筒连接件的内径尺寸为D1，外径尺寸为D2。小直径开口套筒底部出浆孔尺寸为d0，上部内径尺寸为d1，外径尺寸为 D1(D2＞D1＞d1＞d0)。因此大小直径开口套筒可以相互嵌套。嵌套后如图8所示，小直径开口套筒的出浆孔正好与半封闭灌浆套筒连接件的出浆嘴重合，便于定位以及之后的灌浆出浆。
如图9所示，新型钢板组合件由钢板21、小直径开口套筒22、螺纹连接钢筋23组成。螺旋钢筋截面尺寸与小直径开口套筒底部内径尺寸相同均为d0且二者螺纹相互匹配。钢板上螺纹孔211的内径尺寸与小直径开口套筒外螺纹221尺寸相同均为D1且二者螺纹相互匹配。
小直径开口套筒的内螺纹222与螺纹连接钢筋匹配，螺纹连接钢筋23可与上下小直径开口套筒进行螺纹连接。小直径开口套筒的外螺纹221与钢板螺纹孔24匹配，通过特质螺纹上下小直径开口套筒与钢板螺纹连接后，小直径开口套筒出浆孔223的方向与其所在底边的边齐平。因此，小直径开口套筒22通过外螺纹221和内螺纹222连接钢板21和螺纹连接钢筋23，三者合为一体。
如图10所示，TRC钢管混凝土方柱上下连接后，小直径开口套筒埋入预制构件中，连接底板组合件与上下TRC-钢管复合约束混凝土柱节段相互嵌套，连接后只能看见上下柱的连接。连接完成后，先采用高性能灌浆料灌浆，再采用高性能砂浆填充上下钢管缝隙，弥补预留空隙。
受力分析：
本发明的装配式TRC-钢管复合约束混凝土柱中TRC外壳与对钢管混凝土柱起核心约束作用，增加了核心混凝土抗压性能，则核心混凝土能承受的压应力为σr，如图11所示，σr的计算公式如下：
而传统钢管混凝土柱中，只有钢管对核心混凝土有约束作用，则核心混凝土能承受的压应力为σr′，σr′的计算公式如下：
上式中，n为TRC预制外壳中纤维编制网铺设层数；ff为纬向碳纤维束极限抗拉强度；Af为纤维束横截面面积；fy为纬向钢管极限抗拉强度；An为钢管横截面面积；s为纤维织物网格间距；dse为核心混凝土的边长。
比较可得式(1)大于式(2)即本发明的核心混凝土抗压性能达于普通钢管混凝土柱内核心混凝土的抗压性能，双重复合约束增加了核心混凝土抗压性能。
本发明的装配式TRC-钢管复合约束混凝土柱的抗拔力F1主要由灌浆料与钢筋表面的粘结力小直径开口套筒与半封闭灌浆套筒连接件之间的粘结力提供小直径开口套筒和半封闭灌浆套筒连接件之间的摩擦力Fs，即:
Fs＝fl2πD1
(3)
而传统的整体式灌浆筒的抗拔力T主要由灌浆料与钢筋表面的粘结力即：
比较可得式(3)远大于式(4)即本发明的套筒连接抗拔力优于传统的整体式灌浆套筒。
本发明的装配式TRC-钢管复合约束混凝土柱能承受的总压力为F2，由钢管混凝土柱轴心受压承载力N0和TRC外壳约束钢管混凝土柱提供的附加轴压承载力Fe提供，即：F2＝N0+Fe，无TRC外壳的普通钢管混凝土柱的承载力为N0，所以TRC钢管复合约束混凝土柱较普通钢管混凝土柱有更好的抗压承载力。
本发明的装配式TRC-钢管复合约束混凝土柱薄弱面能承受的总剪力为V，主要由小直径开口套筒的抗剪承载力V1、钢筋的抗剪承载力V2提供，即：
V＝V1+V2 (5)
采用传统整体式灌浆套筒传统柱柱连接的薄弱面所能承受的剪力V0，钢筋的抗剪承载力V2提供，即：
V0＝V2 (6)
比较可得，式(5)远大于式(6)，即装配式TRC-钢管复合约束混凝土柱连接抗剪能力优于传统柱柱连接的抗剪能力。
具体的装配式TRC-钢管复合约束混凝土柱连接方法，包括以下步骤：
S1、先将半封闭灌浆套筒连接件杯口朝钢管外方向置于钢管内，由内向外通过灌浆嘴和出浆嘴插入镂空孔内，灌浆嘴和出浆嘴从钢管露出后，在灌浆嘴和出浆嘴与镂空孔接触外侧进行围焊使半封闭灌浆套筒连接件固定在钢管内壁上；
S4、在约束钢管内填充核心混凝土，混凝土浇筑至半封闭灌浆套筒连接件开口端齐平为止，即核心混凝土面层与钢管边缘的距离为钢板厚度的1/2；
S5、在钢管外逐层包裹TRC直至与外露的灌浆嘴和出浆嘴齐平；
S4、将小直径开口套筒有外螺纹一侧插入钢板的螺纹孔，并使用电动螺丝刀进行螺栓连接，完成新型钢板组合件的一次连接；
S5、新型钢板组合件的一次连接完成后进行螺纹连接钢筋连接，螺纹连接钢筋插入已经固定在钢板上的小直径开口套筒内，手动扭至上下螺纹连接钢筋露出长度相同截止，完成二次连接，预制新型钢板组合件连接完毕，上述步骤均为工厂预制；
S6、运输到施工现场后，相互嵌套小直径开口套筒和半封闭灌浆套筒连接件，且钢板也嵌套在钢管内，上下钢管几近闭合，保证嵌套紧密；
S7、每一个TRC钢管复合约束混凝土柱节段灌入连接浆料时，都自灌浆嘴内灌入浆料，直至从出浆嘴均匀流出浆料后，密封所有灌浆嘴和出浆嘴。
本发明利用特制钢板通过灌浆套筒将TRC钢管复合约束混凝土柱节段上下连接解决焊接问题；连接底板组合件起箍筋作用，提高节点连接的塑性变形能力； TRC外壳与约束钢管提高核心混凝土抗压性能；工厂直接预制所有构件，在施工现场只需定位安装，节约施工时间和现场浇筑混凝土养护质量问题，此外， TRC外壳也提高构件在氯盐环境下的耐腐蚀性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
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