采用圆FRP约束混凝土核心增强的混凝土结构

摘要

本发明公开了一种采用圆FRP约束混凝土核心增强的混凝土结构，包括：外部混凝土和至少一个圆FRP约束混凝土核心，每个圆FRP约束混凝土核心包括：圆FRP管和核心混凝土，圆FRP管的横截面形成为圆形，外部混凝土浇筑在圆FRP管的外表面上，圆FRP管的纤维缠绕方向为环向或近似于环向，核心混凝土填充在圆FRP管内，核心混凝土为环境友好型混凝土或者普通混凝土。根据本发明的混凝土结构，利用了新型可持续发展材料来节约成本，保证了混凝土结构具有高承载力、强抗震性、重量轻等特点。由于圆FRP约束混凝土核心构造简单并且当由工厂预制时，降低了施工难度，且可获得较高的技术经济效益，可用于超高层、大跨桥梁等工程结构中。

说明书

技术领域

本发明属于建筑结构技术领域，尤其是涉及一种采用圆FRP约束混凝土核心增强的 混凝土结构。

背景技术

近年来，随着建筑高度和桥梁跨度的不断增加，组合柱受到了工程领域的广泛关注。 对于组合柱而言，承载能力是重要的性能评价标准之一。例如在框架结构、超高层和大 跨桥梁中，利用有限的柱截面面积，来满足高轴压比性能的柱截面一直为工程领域追求 的目标之一。目前，较常使用的柱截面形式有钢筋混凝土、钢管混凝土、复合钢管混凝 土等。其中的混凝土为主要承压材料，发挥了混凝土受压能力强的优势，但混凝土材料 处于较大应变时易于软化，整体性变差，不利于其抗震性能的提高。

针对混凝土在普通柱截面中易于软化的缺点，FRP约束混凝土柱得到了广泛研究。 如何将FRP约束混凝土柱具化为实际工程应用的具体结构，是建筑工程领域正待实现的 问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明旨在提供一种 采用圆FRP约束混凝土核心增强的混凝土结构，即将圆FRP约束混凝土设置在普通混 凝土截面内部，以提高部分截面承载力。此外，由于FRP具有强防腐蚀性能，可利用除 了普通混凝土以外具有腐蚀性的填充物，从而缓解传统资源衰竭危机，提高经济效益。

根据本发明实施例的采用圆FRP约束混凝土核心增强的混凝土结构，包括：外部混 凝土和至少一个圆FRP约束混凝土核心，每个所述圆FRP约束混凝土核心包括：圆FRP 管，所述圆FRP管的横截面形成为圆形，所述外部混凝土浇筑在所述圆FRP管的外表 面上，所述圆FRP管的纤维缠绕方向为环向或近似于环向；核心混凝土，所述核心混凝 土填充在所述圆FRP管内，所述核心混凝土为环境友好型混凝土或者普通混凝土。

根据本发明实施例的采用圆FRP约束混凝土核心增强的混凝土结构，通过采用至少 一个圆FRP约束混凝土核心，该圆FRP约束混凝土核心利用了FRP材料轻质高强、防 腐性能好的优势，可以采用普通混凝土以及多种环境友好型混凝土作为圆FRP管的内填 充物，不仅能利用新型可持续发展材料来节约成本，而且保证了采用圆FRP约束混凝土 核心增强的混凝土结构具有高承载力、强抗震性能、重量轻等特点。由于圆FRP约束混 凝土核心构造简单并且当由工厂预制时，大幅降低了施工难度。利用圆FRP约束混凝土 核心设置在混凝土结构内部的形式可以获得较高的技术经济效益，可用于超高层、大跨 桥梁等工程结构中。

在一些实施例中，所述圆FRP约束混凝土核心为一个，且所述圆FRP约束混凝土核 心的几何中心与所述外部混凝土的几何中心重合。由此，可获得低成本、高性能的中小 型截面的混凝土结构。

在一些实施例中，所述圆FRP约束混凝土核心为多个，所述多个圆FRP约束混凝土 核心的几何中心位于同一圆上，所述圆的圆心与所述外部混凝土的几何中心重合，且所 述多个圆FRP约束混凝土核心绕上述圆均匀间隔分布。由此，可获得低成本、高性能的 大截面尺寸的混凝土结构。

在一些实施例中，采用圆FRP约束混凝土核心增强的混凝土结构还包括中空的方钢 管，所述方钢管的横截面形成为方形，所述至少一个圆FRP约束混凝土核心设在所述方 钢管内，所述外部混凝土填充在所述方钢管和所述圆FRP管之间。

在一些实施例中，采用圆FRP约束混凝土核心增强的混凝土结构还包括多腔钢管， 所述多腔钢管具有多个空腔，每个所述空腔内设有至少一个圆FRP约束混凝土核心，每 个所述空腔的内壁和所述圆FRP管之间填充有所述外部混凝土。

在一些实施例中，采用圆FRP约束混凝土核心增强的混凝土结构还包括纵向钢筋， 所述纵向钢筋分布在所述圆FRP约束混凝土核心的外侧，所述纵向钢筋内嵌在所述外部 混凝土内。

在一些实施例中，采用圆FRP约束混凝土核心增强的混凝土结构还包括多个箍筋和 纵向钢筋，每个所述箍筋形成为环形，所述多个箍筋在纵向上间隔分布，所述纵向钢筋 和所述至少一个圆FRP约束混凝土核心设在所述箍筋内，所述多个箍筋、纵向钢筋和所 述圆FRP约束混凝土核心构成钢筋笼，所述外部混凝土填充在所述多个箍筋内。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得 明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明 显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的圆FRP约束混凝土核心的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的采用单个圆FRP约束混凝土核心增强的混凝土结构的截 面示意图；

图3是根据本发明一个实施例的采用多个(四个)圆FRP约束混凝土核心增强的混 凝土结构的截面示意图；

图4是根据本发明一个实施例的采用单个圆FRP约束混凝土核心增强的方钢管约束 的混凝土柱的截面示意图；

图5是根据本发明一个实施例的采用多个(四个)圆FRP约束混凝土核心增强的多 腔钢管约束的混凝土柱结构的截面示意图；

图6是根据本发明一个实施例的采用单个圆FRP约束混凝土核心增强的钢筋混凝土 柱结构的截面示意图；

图7是根据本发明一个实施例的采用圆FRP约束混凝土核心替代部分钢筋笼里的受 压钢筋的钢筋混凝土柱的结构示意图。

附图标记：

100：混凝土结构；100a：方钢管约束的混凝土柱；100b：钢筋混凝土柱；100c：多 腔钢管约束的混凝土柱；

10：圆FRP约束混凝土核心；1：圆FRP管；2：核心混凝土；2a：普通混凝土；2b： 环境友好型混凝土；

20：外部混凝土；30：方钢管；40：纵向钢筋；50：多腔钢管；60：箍筋；

200：钢筋笼；

R：多个圆FRP约束混凝土核心的圆心形成的圆。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相 同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“竖直”、“水平”、 “内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示 的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装 置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的 限制。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

下面参考图1-图7描述根据本发明实施例的采用圆FRP约束混凝土核心增强的混凝 土结构100。

如图1-图3所示，根据本发明实施例的采用圆FRP约束混凝土核心增强的混凝土结 构100，包括：外部混凝土20和至少一个圆FRP约束混凝土核心10，每个圆FRP约束 混凝土核心10包括：圆FRP管1和核心混凝土2，圆FRP管1的横截面形成为圆形， 外部混凝土20浇筑在圆FRP管1的外表面上，核心混凝土2填充在圆FRP管1内。

这里核心混凝土2可为环境友好型混凝土2b，可选地，环境友好型混凝土2b可为 海水海型砂混凝土、再生骨料混凝土或者建筑垃圾混凝土等。

其中，海水海砂型混凝土主要是指由海水和海砂扮制而成的混凝土，再生骨料混凝 土或者建筑垃圾混凝土主要是指由固体废弃物的再生利用而生产出的混凝土，即环境友 好型混凝土2b为至少一部分原料为废弃物的再生混凝土，因此，环境友好型混凝土2b 为可持续发展的新型建材，且原料来源较为丰富。当然，本发明实施例不限于此，环境 友好型混凝土2b还可利用粉煤灰等工业废渣制成，这里不作具体限定。

当核心混凝土2采用环境友好型混凝土2b时，不仅方便了城市建设，而且有利于解 决废弃物处理、石灰石资源和有效利用能源的问题，减轻了环境负荷，缓解了传统资源 衰竭的危机，同时，也降低了成本，提高了经济效益。

当然，核心混凝土2也可为普通混凝土2a，普通混凝土2a是相对于再生混凝土而 言的传统意义上的混凝土。由于普通混凝土2a的市场发展稳定、施工技术成熟等特点， 因此普通混凝土2a具有原料采购方便、施工时间短、质量高等优势。

采用圆FRP管1约束核心混凝土2，可充分发挥FRP强度低、延性好的特性，以施 展圆FRP约束混凝土核心10在混凝土结构100中的增强作用。

从材料而言，FRP(Fiber Reinforced Plastics/纤维增强复合塑料)材料是由纤维材料 与基体材料按一定的比例混合后，经过特别的模具挤压、拉拔而形成的高性能材料。在 本发明实施例中，圆FRP管1采用机械缠绕法于缠绕机上制成，制作时将FRP布排列 在纱架上，FRP布自纱架上退绕，经过拉力系统、天然树脂槽、绕丝嘴，由小车帮带其 往复移动并搅扰在掉转的芯轴(模)上。纤维搅扰角度与纤维排列疏密程度依据强度预 设，并由芯轴(模)转速与小车往复速度之比，来准确地控制参数。固化后，将搅扰的 复合材料制品脱模，形成圆FRP管1。

由FRP材料制成的圆FRP管1具有质量轻、硬度大，机械强度高等优点，因此圆 FRP管1对核心混凝土2进行约束后，不仅能增强圆FRP约束混凝土核心10的刚度与 延性，且能提高圆FRP约束混凝土核心10的结构强度及截面法方向的局部受压承载力， 使其符合建筑材料的使用标准。这里，圆FRP约束混凝土核心10的法方向指的是，与 圆FRP约束混凝土核心10的切线方向相垂直的方向。

而且FRP材料的耐透性强、防腐性好，可以利用具有腐蚀性的低成本混凝土作为填 充物，当采用的环境友好型混凝土2b掺杂了腐蚀性原料(如含硅矿渣)，圆FRP管1 可有效防止腐蚀性物质向外层渗透，避免腐蚀防腐性能低的材料。因此，延长了圆FRP 约束混凝土核心10的使用寿命。同时，在环境友好型混凝土2b生产时，也无需去除原 料中的腐蚀性物质，减少了环境友好型混凝土2b的加工步骤和制造成本。

优选地，圆FRP管1的纤维缠绕方向为环向或近似于环向。为方便描述，在下文的 描述中，环向指的是图2中Q所示方向，轴向指的是图2中P所示方向，径向指的是图 2中O所示方向，之后将不再赘述。

利用FRP环向或近似于环向缠绕的纤维，核心混凝土2受压膨胀时圆FRP管1可起 到被动约束作用，充分发挥混凝土材料受压能力强的特性，使混凝土在三轴受力状态下 提高其轴向承载能力。

具体而言，发明人经大量实验发现，圆FRP约束混凝土核心10的应力-应变曲线呈 增长形双线性变化，即截面屈服之后圆FRP约束混凝土核心10的承载力继续上升，圆 FRP约束混凝土核心10可以提供更优的承载能力和抗震性能，其截面法方向的部分受 压承载力显著提高，刚度、强度与延性也有所上升，抗震性能得到增强，从而得到了技 术经济效益更优的截面。

也就是说，本发明实施例的混凝土结构100，是采用圆FRP管1约束、核心混凝土 2填充的圆FRP约束混凝土核心10，来作为整个混凝土结构100的一部分，以增强混凝 土结构100的整体性能。

在混凝土结构100施工时，可预先将圆FRP管1固定在混凝土结构100的模型中， 然后先浇筑核心混凝土2，待核心混凝土2养护一段时间后，再浇筑外部混凝土20，使 外部混凝土20浇筑在圆FRP管1的外表面上以形成一体。

另外，圆FRP约束混凝土核心10可由工厂预制，即圆FRP约束混凝土核心10可作 为单独的建材由工厂集中制造、销售，施工单位根据施工现场要求采购相应规格、数量 的圆FRP约束混凝土核心10。在现场施工时，圆FRP约束混凝土核心10的作用类似于 钢筋等建材，在混凝土结构100搭建模型阶段将圆FRP约束混凝土核心10与其他建材 组合，再行浇筑外部混凝土20，从而大大降低施工难度。

根据本发明实施例的采用圆FRP约束混凝土核心增强的混凝土结构100，通过采用 至少一个圆FRP约束混凝土核心10，该圆FRP约束混凝土核心10利用了FRP材料轻 质高强、防腐性能好的优势，可以采用普通混凝土2a以及多种环境友好型混凝土2b作 为圆FRP管1的内填充物，不仅能利用新型可持续发展材料来节约成本，而且保证了采 用圆FRP约束混凝土核心增强的混凝土结构100具有高承载力、强抗震性能、重量轻等 特点。由于圆FRP约束混凝土核心10构造简单并且可由工厂预制，因此大幅降低了施 工难度。利用圆FRP约束混凝土核心10设置在混凝土结构100内部的形式可以获得较 高的技术经济效益，可用于超高层、大跨桥梁等工程结构中。

下面参照图1、图3-图7描述根据本发明的不同具体实施例，需要说明的是，不同 实施例中，相同标号表示相同的部件。

第一实施例

在该实施例中，如图1所示，圆FRP约束混凝土核心10为一个，这种设置单个圆 FRP约束混凝土核心10的混凝土结构100适用于中小型截面的构件，由此，可获得低 成本、高性能的中小型截面的混凝土结构。

优选地，如图1所示，圆FRP约束混凝土核心10的几何中心与外部混凝土20的几 何中心重合。由此，可保证采用圆FRP约束混凝土核心增强的混凝土结构100整体对称、 性能稳定，有利于构件轴心受压，减小偏心带来的不利影响。且便于采用圆FRP约束混 凝土核心增强的混凝土结构100的工程结构的设计、计算。

在图1的示例中，采用圆FRP约束混凝土核心增强的混凝土结构100整体为方形柱， 圆FRP约束混凝土核心10的圆心位于混凝土结构100的中心处。

第二实施例

在该实施例中，如图3所示，圆FRP约束混凝土核心10为多个，这种设置多个圆 FRP约束混凝土核心10的混凝土结构100适用于大截面尺寸的构件。由此，可获得低 成本、高性能的大截面尺寸的混凝土结构。

具体地，如图3所示，多个圆FRP约束混凝土核心10的几何中心位于同一圆R上， 圆R的圆心与外部混凝土20的几何中心重合，且多个圆FRP约束混凝土核心10绕上 述圆R均匀间隔分布。即在混凝土结构100内部设置多个圆FRP约束混凝土核心10增 强时，所有多个圆FRP约束混凝土核心10应按照中心对称形式布置，由此，可保证采 用圆FRP约束混凝土核心增强的混凝土结构100整体对称、性能稳定，有利于构件轴心 受压，减小偏心带来的不利影响。且便于采用圆FRP约束混凝土核心增强的混凝土结构 100的工程结构的设计、计算。

在图3的示例中，采用圆FRP约束混凝土核心增强的混凝土结构100整体为方形柱， 圆FRP约束混凝土核心10为四个，四个圆FRP约束混凝土核心10形成的圆R的圆心 位于混凝土结构100的中心处。

综上，第一实施例和第二实施例中圆FRP约束混凝土核心10的个数由混凝土结构 100截面尺寸来灵活设置，由此，可以避免截面尺寸过大造成套箍效率低下的问题，且 使得截面形式灵活多样。

采用圆FRP约束混凝土核心增强的混凝土结构100可用于方钢管约束的混凝土柱 100a、钢筋混凝土柱100b及多腔钢管约束的混凝土柱100c等组合柱中，其结构类型不 限，下面以下述的第三至第六实施例为例列举其中四种具体结构形式。

第三实施例

如图4所示，第三实施例为方钢管约束的混凝土柱100a(CFST)，即采用圆FRP约束 混凝土核心增强的混凝土结构100还包括中空的方钢管30，方钢管30的横截面形成为 方形，圆FRP约束混凝土核心10设在方钢管30内，外部混凝土20填充在方钢管30 和圆FRP管1之间。

外层方钢管30的设置，提高了采用圆FRP约束混凝土核心增强的混凝土结构100 的刚度、耗能能力，改变了FRP约束混凝土脆性破坏模式，有利于抗震设计。由此，采 用圆FRP约束混凝土核心增强的混凝土结构100保证了高承载力、高延性、抗震强、重 量轻等优异特性。对于这种截面，圆FRP约束混凝土核心10的布置，可以大幅提高柱 截面受压承载力，提高延性，使内置的圆FRP约束混凝土核心10成为低成本的高性能 构件，获得了较高的技术经济效益。

将外层方钢管30设置成方形，采用圆FRP约束混凝土核心增强的混凝土结构100 整体外形为方形柱，则便于节点连接，方便工程施工。这里，节点指的是结构件的连接 点，由于混凝土结构100为方形柱，将方形柱与工程上其他结构件如梁、墙体、楼板等 进行连接更加容易，施工难度降低。

在第三实施例中，圆FRP约束混凝土核心10为至少一个，图4所示示例中圆FRP 约束混凝土核心10为一个，当然，当应用于大截面尺寸的构件时，圆FRP约束混凝土 核心10可为多个。

第四实施例

如图5所示，第三实施例为多腔钢管约束的混凝土柱100c，即采用圆FRP约束混凝 土核心增强的混凝土结构100还包括多腔钢管50，多腔钢管50具有多个空腔，每个空 腔内设有至少一个圆FRP约束混凝土核心10，每个空腔的内壁和圆FRP管1之间填充 有外部混凝土20。

在超高层结构中，常采用多腔钢管约束的混凝土柱100c，由于钢材易屈服，通过在 每腔内设置至少一个圆FRP约束混凝土核心10，不仅可以提高柱截面受压承载力，而 且提高钢防屈曲能力，从而提高结构延性和抗震能力。

第五实施例

如图6所示，第五实施例为一种形式的钢筋混凝土柱100b，即采用圆FRP约束混凝 土核心增强的混凝土结构100还包括纵向钢筋40，纵向钢筋40分布在圆FRP约束混凝 土核心10的外侧，纵向钢筋40内嵌在外部混凝土20内。这里，纵向钢筋40沿平行于 圆FRP约束混凝土核心10的延伸方向设置。圆FRP约束混凝土核心10主要提供受压 承载力，而纵向钢筋40主要提供受拉承载力，达到提高混凝土结构100的压承载力和 增强延性的目的，而且由于圆FRP管1对核心混凝土2的约束，提高了钢筋混凝土柱 100b在高轴压比受压时的整体性，从而有利于提高其抗震性能。

在该实施例中，如图6所示，圆FRP约束混凝土核心10的几何中心与外部混凝土 20的几何中心重合，圆FRP约束混凝土核心10的直径大于纵向钢筋40的直径。

第六实施例

如图7所示，该实施例为另一种形式的钢筋混凝土柱100b。具体地，采用圆FRP 约束混凝土核心增强的混凝土结构100包括多个箍筋60和纵向钢筋40，每个箍筋60 形成为环形，多个箍筋60在纵向上间隔分布，纵向钢筋40和至少一个圆FRP约束混凝 土核心10设在箍筋60内，多个箍筋60、纵向钢筋40和圆FRP约束混凝土核心10构 成钢筋笼200，外部混凝土20填充在包含多个箍筋60的截面内。

在该实施例中，圆FRP约束混凝土核心10与部分受压纵向钢筋40的作用相同，也 可以说，在钢筋混凝土柱100b中，圆FRP约束混凝土核心10替换了部分受压纵向钢筋 40，从而提高了降低了钢筋混凝土柱100b的部分截面受压承载力和延性。

具体地，相邻的两个圆FRP约束混凝土核心10之间至少间隔一个纵向钢筋40。在 该实施例中，圆FRP约束混凝土核心10的直径大体等于纵向钢筋40的直径，多个箍筋 60和纵向钢筋40离散地固定在箍筋60的内侧。

综上，根据本发明实施例的采用圆FRP约束混凝土核心增强的混凝土结构100，可 实施性强，且可利用新型可持续发展材料来节约成本，获得了低成本、高性能的混凝土 结构。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例” 或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点 包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不 一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在 任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱 离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型， 本发明的范围由权利要求及其等同物限定。