带ecc增强保护层及frp约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱
技术领域
1.本实用新型涉及建筑结构，具体涉及一种带ecc增强保护层及frp约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱。


背景技术：

2.近年来，钢管混凝土结构以其承载力高、自重轻、施工方便等优点被广泛应用于工程实践当中。然而，当钢管径厚比较大时，尤其当钢管截面为非圆形时，钢管对内部核心混凝土的约束能力相对较弱。针对此不足，有学者提出将钢管混凝土柱与frp约束混凝土柱相结合，形成带frp约束芯柱的钢管混凝柱，利用frp约束芯柱优越的受压承载力及变形能力，提升钢管混凝土柱的受压性能。然而，上述带frp约束芯柱钢管混凝柱依然存在如下不足：钢管容易发生局部屈曲破坏；此外，由于钢管外露，其耐腐蚀性能及耐火性能存在不足。
3.ecc(engineered cementitious composite)是近几十年快速发展的纤维增韧水泥基复合材料之一，具有超强的裂缝控制能力、抗弯韧性、抗疲劳性及耐久性。目前，ecc已经成功应用到世界各国的多个工程实践当中并取得了较好的效果。由于材料中含有短切纤维，能够起到很好的桥联作用，不仅提供了超高的拉伸应变能力，还保证了材料的整体传力性能不被削弱。除此之外，研究还表明，ecc中的pva纤维在火灾高温下逐渐熔融形成联通孔隙，有利于内部水蒸气压力的释放，使材料不易发生爆裂，保持其完整性。因此，ecc的使用不但能增强结构的安全性，还能增强结构的耐久性及耐火性能。此外，配制ecc 所需要的材料中大量使用了工业废料，因此ecc是一种绿色、环保的建筑材料。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型的目的是：提供一种提高受力性能、耐火性能、耐久性的带ecc增强保护层及frp约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱。
5.为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
6.带ecc增强保护层及frp约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱，包括从外向内依次设置的ecc层、钢管层、混凝土层、frp管层、核心混凝土芯柱。优选的，ecc层的厚度为5-50mm，钢管层的厚度为2-30mm，混凝土层的厚度为 20-200mm，frp管层的厚度为1-20mm，核心混凝土芯柱的外径为50-1000mm。
7.作为一种优选，ecc层通过浇筑的方式设置在钢管层的外侧，混凝土层通过浇筑的方式设置在钢管层和frp管层之间，核心混凝土芯柱通过浇筑的方式设置在frp管层的内侧。
8.作为一种优选，ecc层内设置增强网格；增强网格为纤维编织网、frp(fiberreinforced polymer)网格、钢丝网中的一种或者多种组合。
9.作为一种优选，钢管层的外侧固定焊钉，焊钉成矩形阵列排列，焊钉之间的距离为增强网格的格间距的整数倍；增强网格通过铁丝绑在焊钉上。
10.作为一种优选，ecc层等厚度的包裹在钢管层的外侧，或ecc层变厚度的包裹在钢
管层的外侧。
11.作为一种优选，钢管层的横截面为圆形、椭圆形、长方形或正多边形；frp 管层的横截面为圆形、椭圆形、长方形或正多边形。
12.作为一种优选，ecc层、钢管层、frp管层的横截面的几何形心重合。
13.带ecc增强保护层及frp约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱的建造方法，包括如下步骤，第一步，将frp管层和钢管层定位，浇筑frp管层内的核心混凝土芯柱，浇筑frp管层与钢管层之间的混凝土层；第二步，在钢管层的外侧固定焊钉；第三步，将增强网格固定在焊钉上；第四步，在钢管层外侧设置模板并临时固定；第五步，将ecc层浇筑在钢管层与模板之间；第六步，脱模。
14.带ecc增强保护层及frp约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱应用在桥梁结构、建筑结构、水工结构、滨海结构或海洋结构中。
15.本实用新型具有如下优点：
16.1.对比于由内到外结构为水泥基材料、钢管、纵筋和箍筋的组合柱，及对比于由内到外结构为高强混凝土柱芯、钢管及外部ecc浇筑层的组合防撞桩，本实用新型的结构为从外向内依次设置的ecc层、钢管层、混凝土层、frp管层、核心混凝土芯柱。本实用新型在钢管内布置了frp管。frp约束混凝土芯柱能提升混凝土芯柱的强度、变形能力；被frp约束混凝土有一定的后期刚度，在地震时可以形成恢复力，因此frp管可以使柱具有抗震韧性。布置frp管还能够有效约束芯柱部分混凝土的横向膨胀，减轻ecc层的约束负担，减小ecc 层的变形，使ecc的功能(如约束钢管、耐腐蚀、耐火性能)得到更加充分发挥；因此，frr管与ecc层形成了功能的彼此支持，具有1+1》2的效果。此外， ecc层、钢管、frp管对芯柱部分混凝土形成了三重约束，可极大增强上述部位混凝土的强度与变形能力，具有1+1+1》3的效果。上述的组合防撞桩和组合柱均无所述有利效果。
17.2.提升了带frp约束芯柱的钢管混凝柱的受力性能。ecc层具有优越的变形能力及较大的抗弯刚度，能有效约束钢管混凝土向外变形，与钢管内侧的混凝土一起共同抑制钢管局部屈曲，使钢管的强度得到更加充分利用，提升其受力性能。
18.3.提高了带frp约束芯柱的钢管混凝柱的耐火性能。ecc中的pva纤维能够在高温下熔融形成联通孔隙，有利于ecc内部水蒸气压力的释放，确保了 ecc在高温下不会发生爆裂，ecc层起到了防火保护层的作用。
19.4.提高了带frp约束芯柱的钢管混凝柱的耐久性。将ecc层外包于钢管外部，由于ecc材料的微裂缝(一般100微米以内)发展特征可以有效延缓大部分有害介质的侵蚀，延缓或避免了其与钢管的接触，提高了钢管的耐腐蚀性。
20.5.结构简单，制作方便，在桥梁结构、建筑结构、水工结构、滨海结构或海洋结构中有广泛的应用前景。
附图说明
21.图1为带ecc增强保护层及frp约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱的截面示意图。
22.图2为带ecc增强保护层及frp约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱的立体图。
23.图3a-3e为钢管或frp管的截面示意图。
24.图4a-4g为带ecc增强保护层及frp约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱的施工过程
图。
25.图5为增强网格与焊钉连接的立体图。
26.图6为增强网格与焊钉连接的俯视图。
27.图7为增强网格与焊钉通过铁丝绑扎的局部放大图。
28.其中，1为ecc层，2为增强网格，3为钢管层，4为混凝土层，5为frp 管层，6为核心混凝土芯柱，7为焊钉，8为连接节点，9为铁丝。
具体实施方式
29.下面将结合具体实施方式来对本实用新型做进一步详细的说明。
30.实施例一
31.带ecc增强保护层及frp约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱，包括从外向内依次设置的ecc层、钢管层、混凝土层、frp管层、核心混凝土芯柱。
32.ecc层的厚度为5-50mm，钢管层的厚度为2-30mm，混凝土层的厚度为 20-200mm，frp管层的厚度为1-20mm，核心混凝土芯柱的外径为50-1000mm。本实施例中，ecc层的厚度为25mm，钢管层的厚度为15mm，混凝土层的厚度为100mm，frp管层的厚度为15mm，核心混凝土芯柱的外径为500mm。
33.混凝土层的材料为普通混凝土、高强混凝土、膨胀混凝土、粉煤灰混凝土、轻骨料混凝土、再生骨料混凝土、纤维混凝土、自密实混凝土、橡胶混凝土或超高性能混凝土(uhpc)；核心混凝土芯柱的材料为普通混凝土、高强混凝土、膨胀混凝土、粉煤灰混凝土、轻骨料混凝土、再生骨料混凝土、纤维混凝土、自密实混凝土、橡胶混凝土或超高性能混凝土(uhpc)。本实施例中，混凝土层的材料为普通混凝土，核心混凝土芯柱的材料为普通混凝土。
34.ecc层通过浇筑的方式设置在钢管层的外侧，混凝土层通过浇筑的方式设置在钢管层和frp管层之间，核心混凝土芯柱通过浇筑的方式设置在frp管层的内侧。
35.ecc层内设置增强网格；增强网格为纤维编织网、frp(fiber reinforcedpolymer)网格、钢丝网中的一种或者多种组合。本实施例中，增强网格为纤维编织网。
36.钢管层的外侧固定焊钉，焊钉成矩形阵列排列，焊钉之间的距离为增强网格的格间距的整数倍；增强网格通过铁丝绑在焊钉上。增强网格的数量为多片，相邻增强网格的边缘相互搭接，搭接处通过铁丝绑扎；所有增强网格环绕钢管层设置并覆盖钢管层的外侧。本实施例中，焊钉之间的距离等于增强网格的格间距，相邻增强网格的边缘相互搭接，搭接长度为增强网格的格间距的2-3倍。
37.ecc层等厚度的包裹在钢管层的外侧，或ecc层变厚度的包裹在钢管层的外侧。本实施例中，ecc层等厚度的包裹在钢管层的外侧。
38.钢管层的横截面为圆形、椭圆形、长方形或正多边形；frp管层的横截面为圆形、椭圆形、长方形或正多边形。本实施例中，钢管层的横截面为圆形， frp管层的横截面为圆形。
39.ecc层、钢管层、frp管层的横截面的几何形心重合。本实施例中，ecc 层、钢管层、frp管层的圆心重合。
40.本实施例中，带ecc增强保护层及frp约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱的建造方法，包括如下步骤：
41.第一步，将frp管层和钢管层定位，浇筑frp管层内的核心混凝土芯柱，浇筑frp管层与钢管层之间的混凝土层(参考图4a-4c)。
42.第二步，待步骤一的混凝土初凝后，在钢管层的外侧通过焊接的方式固定焊钉(参考图4d)。
43.第三步，将增强网格放置在焊钉上，并使用细铁丝在连接节点处绑扎，从而将增强网格固定在焊钉上；每一层增强网格的搭接长度为l，搭接处亦使用细铁丝绑扎固定(参考图4e)。
44.第四步，在钢管层外侧设置模板并临时固定(参考图4f)。
45.第五步，将ecc层浇筑在钢管层与模板之间(参考图4g)。
46.第六步，待ecc层达到一定强度后脱模，结构制作完成。
47.本实施例中，带ecc增强保护层及frp约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱可应用于桥梁结构、建筑结构、水工结构、滨海结构或海洋结构中。
48.本实施例中，ecc层能增强带frp约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱，防止钢管局部屈曲从而提升柱的承载力，同时起到耐火及耐腐蚀保护层的作用。钢管层受外侧ecc层、内侧混凝土层的约束，其强度可以得到更充分利用。frp 管内约束芯柱部分混凝土，进一步提升柱整体的承载力及变形能力；被frp约束混凝土有一定的后期刚度，在地震时可以形成恢复力，frp管可以使柱具有抗震韧性；因此，布置frp管还能够有效约束芯柱部分混凝土的横向膨胀，减轻ecc层的约束负担，减小ecc层的变形，使ecc的功能(如约束钢管、耐腐蚀、耐火性能)得到更加充分发挥。因此，frr管与ecc层形成了功能的彼此支持，具有1+1》2的效果。此外，ecc层、钢管、frp管对芯柱部分混凝土形成了三重约束，可极大增强上述部位混凝土的强度与变形能力，具有1+1+》3 的效果。
49.实施例二
50.带ecc增强保护层及frp约束混凝土芯柱的钢管混凝土柱，包括从外向内依次设置的ecc层、钢管层、混凝土层、frp管层、核心混凝土芯柱。
51.本实施例中，混凝土层的材料为普通混凝土，核心混凝土芯柱的材料为高强混凝土；增强网格为frp(fiber reinforced polymer)网格；焊钉之间的距离为增强网格的格间距的三倍，相邻增强网格的边缘相互搭接，搭接长度为增强网格的格间距的3-4倍；ecc层变厚度的包裹在钢管层的外侧；钢管层的横截面为正方形，frp管层的横截面为圆形，ecc层的横截面为正方形，三者的几何形心重合。
52.本实施例未提及部分同实施例一。
53.本实施除了具有与实施例一类似的效果外，所述ecc层、钢管、frp管对芯柱部分高强混凝土形成了三重约束，可极大增强上述部位混凝土的强度与变形能力，能正对性解决高强混凝土变形能力及延性不足的问题。
54.上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。