装配式箱槽型FRP型材轻质纤维海砂混凝土梁

摘要

本发明涉及一种装配式箱槽型FRP型材轻质纤维海砂混凝土梁，该装配梁主体由中部FRP空心箱槽截面梁段和两端预浇混凝土填充梁段共同组成。中部FRP空心箱槽截面梁段包括下部FRP箱室和上部FRP槽，下部空心箱室和上槽之间的箱槽分隔板采用FRP波纹板，利用板上波纹作为FRP与混凝土之间的抗剪连接键。该装配梁主体通过材料与结构两方面减轻梁体自重，便于运输，与板和柱能实现快速可靠连接，施工简便快捷，且对于沿海港口等腐蚀性严重的恶劣工程环境具有良好的适应性，具有良好的社会经济效益与工程应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一般环境以及海岸、港口等恶劣腐蚀性环境下的工程建筑领域，具体是指一种装配式箱槽型FRP型材轻质纤维海砂混凝土梁。

背景技术

钢筋混凝土作为当今应用最广泛的结构形式，被广泛应用于房屋、桥梁、公路、大坝等各类建筑工程中。然而近年来钢筋锈蚀引起的结构性能劣化问题越发突出，不仅造成安全隐患，而且对锈蚀钢筋混凝土结构的修复加固耗费了大量的人力与财力。2013年央视曝光深圳多处楼盘违规使用海砂建楼，海砂中大量的氯离子对钢筋造成严重腐蚀，从而导致楼板、墙体开裂，出现大量裂缝，产生严重安全隐患。而对于干湿交替、盐雾腐蚀、温差变化大的恶劣工程环境，诸如沿海港口等，要解决“海砂问题”，就需要耗费大量人力物力地从大陆进行远洋运输水泥、河砂、粗骨料等建材，并需在建设点进行海水淡化处理。此外一旦工程建筑受损，也不易取得维护修补材料，因此传统的钢筋混凝土结构无法满足诸如沿海等恶劣工程环境下的建筑需求，亟待开发出新的结构体系。再者，对于软弱地基上的工程建筑，对结构自重有严格要求。在潮湿多雨的恶劣环境下，结构的渗水问题也需要引起格外的重视。

进年来，纤维增强复合材料(FRP)因其轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳等一系列优越性能而被越来越广泛的应用到结构加固领域，但直接应用于新型结构建造的实例依旧较少。事实上，FRP结构的上述诸多优点为解决恶劣工程环境下建筑中的钢筋锈蚀、地基软弱、结构渗水等问题提供一种良好的思路。然而纯FRP结构同时也存在初次投入大、刚度低和强度利用率低等缺点，所以亟需一种将FRP材料与混凝土材料进行优化组合，充分利用FRP材料的抗拉性能和混凝土材料的抗压性能的新结构来满足需求。

本发明将FRP材料运用于装配式梁结构，充分利用了FRP与混凝土各自的优良性能，充分考虑了与板和柱的快速稳定拼装连接，然后在施工现场浇筑混凝土使梁、板、柱形成一体，具有良好的整体性从而保证其优越的抗震性能。针对目前绝大多数钢筋混凝土装配梁主体结构复杂、需支设模板、预制过程繁琐、自重大、运输不便等问题，FRP箱槽式结构的设计和轻质纤维混凝土的使用极大的减轻了梁体自重，便于运输和施工拼装。预制工序简便易行，后浇混凝土时无需模板，可现场取材，对于海洋环境下的工程建筑，可用海砂为骨料，节省大量人力物力，经济效益突出，是一种新型实用的装配式箱槽型FRP型材轻质纤维混凝土梁。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种装配式箱槽型FRP型材轻质纤维海砂混凝土梁，旨在实现板和柱的快速拼接、整体浇筑，提高施工效率，同时对于沿海港口等工程环境下的腐蚀性离子、软弱地基等具有良好的适应性。

为实现上述目的，本发明的装配式箱槽型FRP型材轻质纤维海砂混凝土梁，包括装配梁主体，其特征在于：所述装配梁主体的FRP梁身为一体式预制结构，所述FRP梁身由FRP底板和两块FRP侧板围构而成；

还包括垂直于装配梁主体梁轴线布置的两块中部梁段与端部梁段FRP分隔板；所述装配梁主体沿FRP梁身轴线方向由所述两块中部梁段与端部梁段FRP分隔板将其分为三部分梁段，分别为中部梁段和两个端部梁段；所述两个端部梁段为预浇混凝土实心填充梁段，所述两个端部梁段长度分别占FRP梁身总长度的1/5-1/3；

所述装配梁主体的上部沿FRP梁身轴线方向水平设有两根平行布置的通长FRP筋；所述两块中部梁段与端部梁段FRP分隔板上均设有定位孔，所述通长FRP筋通过定位孔与两块中部梁段与端部梁段FRP分隔板固定连接；

所述两个端部梁段预浇有端部预浇混凝土；还设有两组背靠背布置的双肢槽型钢，所述双肢槽型钢的一端预埋在所述端部预浇混凝土中，所述双肢槽型钢的另一端外伸出端部梁段的端部截面，所述双肢槽型钢伸出部分的长度不低于双肢槽型钢预埋部分长度的1/4；

所述双肢槽型钢单个槽型钢的翼缘宽度m不低于梁宽M的1/5；所述双肢槽型钢的腹板高度h不低于梁高H的1/3；同时腹板高度h不大于梁高H的4/5；

所述中部梁段内部为槽式空心箱，所述槽式空心箱包括上部FRP槽和下部FRP箱室；所述上部FRP槽和下部FRP箱室之间水平设有中部梁段FRP箱槽分隔板；所述上部FRP槽中现场浇筑有纤维海砂混凝土；所述中部梁段FRP箱槽分隔板采用波纹板，所述波纹板的波纹面为中部梁段FRP箱槽分隔板与纤维海砂混凝土的接触面。

作为优选方案，所述双肢槽型钢上翼缘上侧和双肢槽型钢下翼缘下侧的端部预浇混凝土的土层厚度不小于10mm；所述FRP侧板和FRP底板的厚度均不小于10mm；所述双肢槽型钢的翼缘和腹板的钢板厚度均不小于6mm；

所述通长FRP筋直径不小于8mm且不大于50mm；所述两根通长FRP筋外表面之间的净间距不小于通长FRP筋直径的2倍，所述通长FRP筋最外缘至纤维海砂混凝土上表面的最小距离不小于10mm。

进一步地，所述装配梁主体的FRP梁身和通长FRP筋采用的纤维材料为CFRP、GFRP或AFRP中任一种；

所述纤维海砂混凝土为轻质高延性的纤维海砂混凝土，所述纤维种类为钢纤维、耐碱玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚丙烯纤维或尼龙合成纤维中任一种；所述端部预浇混凝土为普通混凝土、自密实混凝土、再生混凝土或纤维混凝土中任一种；

所述双肢槽型钢采用海洋级不锈钢，种类为UNS S30400、UNS S31600、UNSS32304、UNS S31803或UNS S32750中任一种。

本发明的优点和有益效果如下：

沿梁轴线方向采用FRP分隔板将装配梁主体分为端部梁段和中部梁段。在预制装配梁主体的过程中，端部梁段浇筑轻质纤维混凝土并预埋背靠背双肢槽型钢，槽型钢采用特种海洋级不锈钢，能适用于严苛的海洋工程环境，且外伸出装配梁主体端部截面，腹板可实现与梁柱节点的快速拼接，翼缘可承受部分负弯矩。同时，预制装配梁主体所用材料均为轻质材料，便于从预制场地到施工场地的运输。

在中部梁段采用箱槽式截面，上槽中浇筑轻质高延性的纤维海砂混凝土，不需模板，利用FRP的耐腐蚀性能，在沿海、海岛等海洋环境下可就地取材施工，实现快速、安全、经济、轻型化施工。同时，在结构上充分发挥了FRP的抗拉性能与混凝土的抗压性能，减轻了梁体自重，对软弱地基下的工程环境具有良好的适应性。这些性能对实际的工程施工与应用，带来了极大的便利。

受力过程中，中部梁段底层FRP尽管会突然拉断失效，但其作用相当于提供预警，剩余截面仍可继续承受更高的荷载，具有高延性的纤维混凝土能够产生较大的变形，直到混凝土层被压碎从而最终破坏，这种特性被认为具有拟延性特征，增加了结构的安全性。

在装配梁主体上部配有承受负弯矩的FRP筋。定位FRP筋时，可事先在装配梁主体两端的FRP分隔板上根据所计算的FRP筋根数与直径开定位孔，然后根据所开孔沿轴线方向穿插FRP筋实现FRP筋的定位，无须绑扎，施工方便可靠。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为本发明沿FRP梁身轴线纵剖图。

图3为本发明端部梁段双肢槽型钢横截面示意图。

图4为本发明中部梁段横截面示意图。

图中：FRP侧板1，FRP底板2，中部梁段FRP箱槽分隔板3，中部梁段与端部梁段FRP分隔板4，通长FRP筋5，端部预浇混凝土6，双肢槽型钢7，纤维海砂混凝土8。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细说明；

如图所示的装配式箱槽型FRP型材轻质纤维海砂混凝土梁，包括装配梁主体，其特征在于：装配梁主体的FRP梁身为一体式预制结构，FRP梁身由FRP底板2和两块FRP侧板1围构而成；还包括垂直于装配梁主体梁轴线布置的两块中部梁段与端部梁段FRP分隔板4；装配梁主体沿FRP梁身轴线方向由两块中部梁段与端部梁段FRP分隔板4将其分为三部分梁段，分别为中部梁段和两个端部梁段；两个端部梁段为预浇混凝土实心填充梁段，两个端部梁段长度分别占FRP梁身总长度的1/5-1/3；

装配梁主体的上部沿FRP梁身轴线方向水平设有两根平行布置的通长FRP筋5；两块中部梁段与端部梁段FRP分隔板4上均设有定位孔，通长FRP筋5通过定位孔与两块中部梁段与端部梁段FRP分隔板4固定连接；两个端部梁段预浇有端部预浇混凝土6；还设有两组背靠背布置的双肢槽型钢7，双肢槽型钢7的一端预埋在端部预浇混凝土6中，双肢槽型钢7的另一端外伸出端部梁段的端部截面，双肢槽型钢7伸出部分的长度不低于双肢槽型钢7预埋部分长度的1/4；

双肢槽型钢7单个槽型钢的翼缘宽度m不低于梁宽M的1/5；双肢槽型钢7的腹板高度h不低于梁高H的1/3；同时腹板高度h不大于梁高H的4/5；中部梁段内部为槽式空心箱，槽式空心箱包括上部FRP槽和下部FRP箱室；上部FRP槽和下部FRP箱室之间水平设有中部梁段FRP箱槽分隔板3；上部FRP槽中现场浇筑有纤维海砂混凝土8；中部梁段FRP箱槽分隔板3采用波纹板，波纹板的波纹面为中部梁段FRP箱槽分隔板3与纤维海砂混凝土8的接触面。

双肢槽型钢7上翼缘上侧和双肢槽型钢7下翼缘下侧的端部预浇混凝土6的土层厚度不小于10mm；FRP侧板1和FRP底板2的厚度均不小于10mm；双肢槽型钢7的翼缘和腹板的钢板厚度均不小于6mm；

通长FRP筋5直径不小于8mm且不大于50mm；两根通长FRP筋5外表面之间的净间距不小于通长FRP筋5直径的2倍，通长FRP筋5最外缘至纤维海砂混凝土8上表面的最小距离不小于10mm。

根据权利要求1或2的装配式箱槽型FRP型材轻质纤维海砂混凝土梁，其特征在于：装配梁主体的FRP梁身和通长FRP筋5采用的纤维材料为CFRP、GFRP或AFRP中任一种；纤维海砂混凝土8为轻质高延性的纤维海砂混凝土，纤维种类为钢纤维、耐碱玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚丙烯纤维或尼龙合成纤维中任一种；端部预浇混凝土6为普通混凝土、自密实混凝土、再生混凝土或纤维混凝土中任一种；双肢槽型钢7采用海洋级不锈钢，种类为UNSS30400、UNS S31600、UNS S32304、UNS S31803或UNS S32750中任一种。

首先生产FRP梁身，采用拉挤工艺一次性预制成型。FRP梁身包括FRP侧板1、FRP底板2、中部梁段FRP箱槽分隔板3以及中部梁段与端部梁段FRP分隔板4。

然后根据受力情况配FRP筋，确定FRP筋的直径、根数、净间距等参数。根据配筋方案在中部梁段与端部梁段FRP分隔板4上开定位孔，开孔时应注意确保装配梁主体垂直于梁轴线的两块FRP分隔板上的定位孔位置一致，以确保同一根FRP筋可以穿过两块板上的定位孔实现定位。完成开孔后将FRP筋从装配梁主体一端穿过两块FRP板的定位孔完成定位。本例中在装配梁主体上部配置两根直径12mm的FRP筋，FRP筋外保护层厚度均为25mm。

然后在装配梁主体端部浇筑混凝土，所填充混凝土类型包括但不限于：普通混凝土、自密实混凝土、再生混凝土、纤维混凝土、高性能混凝土。在本实施例中为了减轻梁体自重，端部预浇混凝土6采用轻质纤维混凝土。纤维混凝土所添加的纤维为聚乙烯醇纤维PVA，骨料一律采用细骨料石英砂。浇筑过程中在纤维混凝土内预埋有背靠背布置的双肢槽型钢7，槽型钢7采用特种海洋级不锈钢UNS S31803，且外伸出梁端，以便在现场施工时与梁柱节点拼装连接，伸出部分长度为预埋部分长度的1/2。槽型钢翼缘宽度为梁宽1/3，上翼缘上侧与下翼缘下侧的混凝土厚度均为梁高的1/5。腹板高度为梁高的3/5，背靠背双肢槽型钢的腹板间距为梁宽的1/3。槽型钢腹板和翼缘的钢板厚度均采用14mm。

完成端部纤维混凝土浇筑以后，养护28d以上，再运输到施工场地，利用预埋背靠背布置的双肢槽型钢7伸出部分和梁柱节点进行快速拼接，并完成和预制板的定位搭接。最后现场施工，采用以海砂为骨料的高延性轻质纤维海砂混凝土8将装配梁主体与柱和板浇筑成一体，使得结构具有良好的整体性，从而使结构的抗震性能得到大幅提升。