一种CFRP-UHPC双肢薄壁高墩柱

摘要

本发明涉及桥梁桥墩技术领域，尤其涉及一种CFRP‑UHPC双肢薄壁高墩柱。其包括薄壁柱，所述薄壁柱包括本体以及包覆于所述本体外表面的CFRP层；所述本体内部空心，所述本体包括UHPC层。本申请中，将UHPC的超高抗压强度、韧性和耐久性应用于双肢薄壁高墩柱，有效提高墩柱的承载能力与延性性能，使墩柱的抗震性能更佳。同时采用空心结构，由于UHPC材料成本高，采用空心结构不仅不会明显降低墩柱的承载能力，还可以有效节省材料降低成本。此外，在外表面设置CFRP，增强了结构的整体性，提高了柱的承载能力，并且使双肢薄壁高墩柱纵向抗推刚度小的优点更加突出。

说明书

技术领域

本发明涉及桥梁桥墩技术领域，尤其涉及一种CFRP-UHPC双肢薄壁高墩柱。

背景技术

随着我国西南地区交通网络的迅猛发展，许多跨越山谷，河流的大桥拔地而起，其中高墩连续刚构桥是最常见的一种桥梁结构形式，连续刚构桥具有造价成本低、桥下净空大、行车平稳、跨越能力大等特点，与连续梁桥相比，刚构桥因墩梁固结的特点可以省去昂贵的支座费用，还能把水平方向的地震作用力分给每个桥墩来承担。双肢薄壁墩是高墩刚构桥常用的桥墩形式，其构造特点是在墩位上有两个相互平行的墩壁与主梁铰接或刚接的桥墩。双肢薄壁墩既能支承上部结构、保持桥墩稳定，又有一定柔性，适应上部结构位移的需要，其抗推力刚度是单肢薄壁墩抗推力刚度的1/4，抗推力小，纵向柔性功能好，对跨中内力约束条件较小，受力条件好。双肢薄壁墩具有纵桥向抗弯刚度大和横桥向抗扭刚度大的特点，以及抗推刚度小，会造成纵桥向的允许位移增大，从而减小因为温度作用和混凝土收缩形变带来的不利影响。

目前普遍使用的双肢薄壁高墩柱，所用的材料为钢筋混凝土，比如公开号为CN209468679U的专利文件公开的这样一种大跨径斜拉桥的主墩，包括桩基、承台和墩身；所述桩基由24根钻孔桩构成，顺桥向布设4排钻孔桩，每排由6根钻孔桩构成；所述承台由下承台和上承台构成，上、下承台的横截面均呈矩形；上承台和下承台均为钢筋混凝土结构并在现场通过承台钢套箱浇筑而成；墩身设在上承台的顶面上且为双肢薄壁墩柱，每肢薄壁墩柱的横截面呈矩形，每肢薄壁墩柱的底部设置横截面呈矩形的锥台；双肢薄壁墩柱也为钢筋混凝土结构，并且双肢薄壁墩柱主筋伸入承台3m并设置斜向架立筋。这种钢筋混凝土结构的双肢薄壁墩柱，当墩柱顶部不断产生较大位移时混凝土容易产生裂缝以及疲劳破坏。

发明内容

本发明要解决上述问题，提供一种受力合理、能够有效提高双肢薄壁高墩柱承载能力、增强柱的整体性、增强墩柱延性性能的CFRP-UHPC双肢薄壁高墩柱。。

本发明解决问题的技术方案是，提供一种CFRP-UHPC双肢薄壁高墩柱，包括薄壁柱，其特征在于：所述薄壁柱包括本体以及包覆于所述本体外表面的CFRP层；所述本体内部空心，所述本体包括UHPC层。

其中，UHPC是超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete）的简称，也称作活性粉末混凝土，UHPC 是一种新型的水泥基材料，具有高强度、高韧性、高耐久性、优良的耐磨、抗爆性能的特点，其与普通混凝土相比胶凝材料用量多，水胶比较低，减水剂掺量高。UHPC 制备工艺就是建立在颗粒紧密理论的基础上，主要通过剔除粗骨料优化颗粒级配，掺入硅灰、粉煤灰等颗粒较小、具有超高活性的矿物掺和料，填充较粗的胶凝材料之间的空隙，提高堆积密实度来优化孔结构，降低气泡含量。本申请中，将UHPC应用于双肢薄壁高墩柱，能够有效提高柱的承载能力以及延性性能。

CFRP是碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon fiber rein—forced polymer）的简称，其具有高比强度、高比模量、耐腐蚀、热力学性能优良、低密度等特点。本申请中，在双肢薄壁高墩柱的外表面缠设置CFRP层，增强了结构的整体性，提高了柱的承载能力，并且使双肢薄壁高墩柱纵向抗推刚度小的优点更加突出。

CFRP层由碳纤维预制体浸渍于树脂中后固化制成。其中碳纤维是复合材料的承载主体，树脂基体不仅可以通过与碳纤维间的界面以剪应力的形式向碳纤维传递载荷，还可以保护碳纤维材料免受外界环境的化学作用和物理损伤，并可以阻止碳纤维断裂的裂纹传递。树脂常用的为环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂以及酚醛树脂等，作为本发明的优选，所述树脂包括环氧树脂和硅酮树脂。环氧树脂和硅酮树脂的共同作用可以提高CFRP的耐久性和耐候性。

作为本发明的优选，所述树脂中还含有抗氧化剂，进一步提高CFRP的耐久性。

UHPC中的主要成分为水泥，水泥包括氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁、氧化镁等成分。而硅酮树脂中，有机硅（R-）附着到有机物晶格上，与二氧化硅的结构十分相似，产生了一种独特的分子硅酮氧树脂网状结构（R-SiO

作为本发明的优选，所述本体包括钢筋基体以及浇注于所述钢筋基体的混凝土包覆体；所述混凝土包覆体包括所述UHPC层。

作为本发明的优选，所述本体空心的内腔设有钢管，所述钢管外壁与所述本体内壁抵接。

双肢薄壁高墩这种形式在连续刚构桥墩的应用中，通常采用40米以上高度的桥墩，其纵向抗弯刚度相对较小，因此在对桥梁工程设计过程中通常借助于对系梁形式的设置，进而使得桥墩的计算高度得以有效降低。作为本发明的优选，至少包括两所述薄壁柱，两所述薄壁柱之间通过系梁连接。从而在一定程度上提升桥墩的受力承受能力，来改善其受力特性。

作为本发明的优选，所述本体为底面为矩形的柱体，所述本体包括相对的两长边部和相对的两短边部；所述系梁的两端分别与两所述薄壁柱的长边部连接。

作为本发明的优选，一所述薄壁柱的两所述长边部之间还设有与所述短边部平行的加固部，所述加固部将所述本体的内腔分为若干空腔。

作为本发明的优选，所述钢筋基体包括若干平行的纵筋以及若干环箍于所有所述纵筋外的箍筋。

本发明的有益效果：

1.将UHPC的超高抗压强度、韧性和耐久性应用于双肢薄壁高墩柱，有效提高墩柱的承载能力与延性性能，使墩柱的抗震性能更佳。

2.在双肢薄壁高墩柱的外表面设置CFRP，增强了结构的整体性，提高了柱的承载能力，并且使双肢薄壁高墩柱纵向抗推刚度小的优点更加突出。

3.双肢薄壁高墩柱采用空心结构，由于UHPC材料成本高，采用空心结构不仅不会明显降低墩柱的承载能力，还可以有效节省材料降低成本。

4.本申请的CFRP-UHPC双肢薄壁高墩柱纵向抗推刚度小，使墩顶出现较大位移墩柱也不会容易出现开裂与疲劳破坏，可以有效减少双肢薄壁高墩柱混凝土表面在工作中所产生的裂缝以及疲劳所产生的疲劳破坏。

附图说明

图1是一种CFRP-UHPC双肢薄壁高墩柱实施例1的结构示意图；

图2是一种CFRP-UHPC双肢薄壁高墩柱实施例1的俯视图；

图3是一种CFRP-UHPC双肢薄壁高墩柱实施例1的钢筋布置图；

图4是一种CFRP-UHPC双肢薄壁高墩柱实施例2的结构示意图；

图5是一种CFRP-UHPC双肢薄壁高墩柱实施例2的俯视图；

图中：薄壁柱1，本体11，UHPC层111，钢筋基体112，纵筋1121，箍筋1122，钢管113，CFRP层12，系梁2。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施方式，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1

一种CFRP-UHPC双肢薄壁高墩柱，如图1所述，包括两个相互平行的薄壁柱1，两薄壁柱1之间通过系梁2连接。薄壁柱1为底面为矩形的柱体，因此薄壁柱1包括相对的两长边部和相对的两短边部，为保证加固效果，系梁2的两端分别与两薄壁柱1的长边部连接。系梁2可以与薄壁柱1之间为任意夹角，本实施例中，系梁2与薄壁柱1垂直，且系梁2是与薄壁柱1的长度方向垂直。系梁2的数量可以设置为任意个，本实施例中，仅设置一道系梁2，且系梁2的端部是与薄壁柱1长度方向的中心部位连接。

其中，薄壁柱1包括本体11以及包覆于本体11外表面的CFRP层12。系梁2为钢筋外浇注混凝土的实心结构。

如图2和图3所所示，本体11包括钢筋基体112以及浇注于钢筋基体112的混凝土包覆体。钢筋基体112包括若干平行的纵筋1121以及若干环箍于所有所述纵筋1121外的箍筋1122，将钢筋基体112置于模具中后，向模具中浇注混凝土即可得到混凝土包覆体包覆钢筋基体112的本体。其中，浇注的混凝土中包括一部分、或者全部为超高性能混凝土UHPC，使得混凝土包覆体包括UHPC层111。本实施例中，混凝土包覆体全部为UHPC浇注而成。本实施例中，所采用的UHPC按照质量份，包括70份水泥、22份硅灰、100份0-0.6mm的砂、20份水以及1份减水剂。其中，水泥选用P.Ⅱ52.5级水泥，减水剂选用聚羧酸高效减水剂，固含量为20%。将这几种组分混合在一起后搅拌即可。

由于本申请的本体11采用了超高性能混凝土，其相比于普通混凝土具有超高抗压强度、韧性和耐久性，为了节约成本，本体11内部空心。本申请提高了材料的品质、减少了材料的使用量，采用空心结构不仅不会明显降低墩柱的承载能力，还可以有效节省材料降低成本。制备这种空心结构时，仅需要采用相应的包括内壳和外壳的模具，将混凝土注入外壳和内壳之内即可。其中，为了进一步提高本体11的强度，本体11空心的内腔设有钢管113，钢管113外壁与本体11内壁抵接。制备时，可以在模具中先放入钢筋基体112和钢管113，然后注入混凝土。

而CFRP层12是由碳纤维预制体浸渍于树脂中后固化制成，本实施例中，采用CFRP布包裹在本体11的外表面即形成CFRP层。制备薄壁柱1时，可以在模具中间放置钢筋基体12，然后在模具外壳内壁贴合CFRP布，在模具内壳壳壁设置钢管113，最后注入混凝土。

CFRP层12的碳纤维选用12K/T-700。现有技术中，所用的浸渍树脂通常为环氧树脂，本实施例中，浸渍用树脂按照质量份，包括80份环氧树脂和20份硅酮树脂。同时，树脂中还含有5份作为抗氧化剂的5057。制备时，首先采用气相氧化法对碳纤维进行表面处理：对电阻炉升温预热至700℃后，将碳纤维放入电阻炉内，恒温氧化1min，取出冷却，待用。然后将环氧树脂在100℃下恒温搅拌5min后，加入硅酮树脂，恒温搅拌20min。最后采用真空压力浸渗法制备：将碳纤维置于封装模具中，封装模具留有一进液口，用于后续树脂的通入。将封装模具和树脂分别置于真空压力浸渗装置的上室和下室中，封装模具的进液口朝下、朝向树脂，并设有升液管，开始时，升液管未插入树脂中。抽真空并充氩气后，同时对碳纤维和树脂进行预热，预热温度150℃，预热1h。然后放掉炉内氩气并抽真空至10Pa，启动升坩埚使得升液管插入树脂中，然后对整个装置充8MPa的氮气，通过气压差使得树脂沿着升液管充满封装模具，在150℃、8MPa下保压20min。最后取出封装模具并自然冷却至室温后，除去封装模具，得到CFRP复合材料。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：本实施例中，如图4和图5所示，薄壁柱1包括内部空心的本体11，本体11完全由UHPC浇注而成，本体11的内壁设有钢管113，外壁包覆CFRP层12。

本体11为底面为矩形的柱体，因此薄壁柱1包括相对的两长边部和相对的两短边部，一本体11的两长边部之间还设有与短边部平行的加固部13，加固部13也是完全由UHPC浇注而成，是与本体11在模具中同时形成的。加固部13将本体11的内腔分为若干空腔，每个空腔均设有与空腔大小配合的钢管113。加固部13的数量可以任意设置，本实施例中，设置有一个加固部13，其将本体11的内腔平分为两个大小形状相同的空腔。

实施例3

本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：本实施例中，薄壁柱1包括本体11以及包覆于本体11外表面的CFRP层12。本体11包括钢筋基体112以及浇注于钢筋基体112的混凝土包覆体。本体11内部空心，不设有钢管。

在本实施例的薄壁柱1的制备过程中，是首先向模具中浇注混凝土使得本体11成型，往模具中浇注混凝土的浇注方式及混凝土核心密度均符合相关施工标准；浇注成型及养护28天后，再将CFRP布缠绕在本体11的外表面。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。