一种高强钢管约束内置FRP管的高强混凝土组合柱

摘要

本发明涉及一种高强钢管约束内置FRP管的高强混凝土组合柱，包括位于最外侧的高强钢管、位于高强钢管内的至少一个FRP管和填充在FRP管外壁和高强钢管内壁之间的高强混凝土层，每个FRP管内均固定设置有高强混凝土核心柱，FRP管延伸方向与高强混凝土层延伸方向平行。高强钢管位于截面最外侧，具有较大的刚度和塑性耗能能力，能够提供抗压和受弯时的抗拉，还可以使构件具有良好的抗震性能；而内部由FRP管包裹的核心混凝土柱则充分发挥了复材抗拉强度大，各向异性的优势，不受轴压的影响，对核心混凝土形成很强且持续的约束，为构件提供了较高的轴向承载力和延性。将圆FRP管配置在混凝土中，可以较好的解决复材防火性能差的问题。

说明书

技术领域

本发明属于建筑结构领域，特别是涉及一种高强钢管约束内置FRP管的高强混凝土组合柱。

背景技术

目前我国已进入城镇化快速发展期，对于大跨结构、超高层结构等重载结构的需求急剧增大，传统的建筑材料及结构难以满足要求。于是各种高性能材料的推广应用迅速发展，例如：高强钢、高强混凝土以及纤维增强复合材料，从而建立低消耗、低碳排放的节约型社会，实现人与自然和谐发展和社会可持续发展。

然而，高强钢、高强混凝土以及FRP复材都具有先天的缺陷，严重制约着其在土木工程中作为柱构件的应用和发展。随着钢材屈服强度的提高，屈强比增大而断后伸长率减小，屈服平台长度缩短甚至消失，高强钢的应变强化效应并不明显；另外，高强纯钢结构中，高强钢由于强度高，钢板比普通钢更薄，在受压无约束的条件下，更加容易发生局部屈曲，从而导致材料强度无法得到充分利用；高强混凝土虽然强度高，但是其脆性高、延性差的缺点也严重限制了其作为柱子的应用；复材成型后不便于进行梁柱节点连接并且防火性能很差，也不利于实际工程中的推广应用。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种高强钢管约束内置FRP管的高强混凝土组合柱，克服了在柱子的应用中高强钢受压状态下容易发生局部屈曲和钢管混凝土柱中混凝土所受约束不足的缺点，显著提升了构件承载力及延性，在相同的受力条件下可以采用更小的截面尺寸，用钢量和自重大大降低，不仅能够进一步提高结构的安全性和可靠性，而且可以创造更大的建筑使用空间，实现更灵活的建筑表现。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高强钢管约束内置FRP管的高强混凝土组合柱，包括位于最外侧的高强钢管、位于高强钢管内的至少一个FRP管和填充在FRP管外壁和高强钢管内壁之间的高强混凝土层，其中，每个FRP管内均固定设置有高强混凝土核心柱，FRP管延伸方向与高强混凝土层延伸方向平行。

进一步地，FRP管的截面可为圆形、方形和矩形中的任一种。

进一步地，FRP管采用碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维任一材质制成。

进一步地，高强钢管均为高强方钢管。相比配置圆钢管、型钢等截面形式，可以实现更小的截面面积、耗钢量及自重，获得更优的承载能力、延性和抗震性能。

进一步地，高强钢管均采用Q690或以上钢材强度等级的钢材制成。

进一步地，高强混凝土采用C50或以上混凝土强度等级的混凝土制成。

进一步地，高强混凝土核心柱采用建筑垃圾混凝土、回收骨料混凝土和海水海砂混凝土中的任一种制成。

与现有技术相比，本发明至少有以下有益效果：

1、在高强钢管内设置至少一个FRP管，将纤维增强复合材料FRP引入结构工程领域，充分发挥FRP抗拉强度大、各向异性的优势，不受轴压的影响，对核心混凝土形成很强且持续的约束，为构件提供较高的轴向承载力和延性，解决了传统方钢管混凝土中混凝土缺少约束和圆钢管约束混凝土在三轴受力状态下易屈服的问题。

2、外部的高强钢管刚度大且能够提供抗压和受弯时的抗拉。高强钢管设置在截面最外侧，可以与内部FRP管包裹的混凝土核心柱产生相互作用关系，对核心混凝土柱形成双重约束，提高横向变形能力和压弯承载力。同时，外部的高强钢管具有较大的刚度和塑性耗能能力，使构件具有良好的抗震性能。

3、通常高强混凝土在承受纵向荷载时横向膨胀变形，容易出现脆性破坏。本发明中高强混凝土柱在高强钢管和内置的FRP管的双重约束下，横向膨胀变形得到有效的双向抑制，强度和延性得到大幅提升，克服了容易脆性破坏的缺点。

4、外侧的高强钢管与FRP管均可作为模板，便于采用工厂预制的形式，提高施工效率。可以节省模板成本，提高经济效益。此外，可以采用工厂预制的方法完成主要构件的混凝土浇筑作业，在施工现场快速搭接，提高施工效率。

5、FRP管耐腐蚀性能强，其内部的高强混凝土核心柱可以采用环境友好型混凝土制成，可持续发展，提高经济效益。由于FRP管本身具有较强的防腐性能，因此可以将建筑垃圾混凝土、回收骨料混凝土、海水海砂混凝土等环境友好型混凝土封闭填充在FRP管内，达到废材利用可持续发展的目的。

6、本发明的组合柱克服了在柱子的应用中高强钢受压状态下容易发生局部屈曲和高强混凝土延性差的缺点，充分利用了高强钢抗拉强度高和高强混凝土抗压强度高的优点，强度更高，延性更好，在相同的受力条件下可以采用更小的截面尺寸，用钢量和结构重量大大降低，不仅能够进一步提高结构的安全性和可靠性，而且可以创造更大的建筑使用空间，实现更灵活的建筑表现。

附图说明

图1为本发明实施例的立体结构示意图。

图2为本发明实施例的横截面图。

附图标记说明：

1——高强钢管；2——高强混凝土层；3—FRP管；4—高强混凝土核心柱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来对本发明做进一步详细的说明。

一种高强钢管约束内置FRP管的高强混凝土组合柱，包括位于最外侧的高强钢管1、位于高强钢管内的至少一个FRP管3和填充在FRP管外壁和高强钢管内壁之间的高强混凝土层2，其中，每个FRP管内均固定设置有高强混凝土核心柱4，FRP管延伸方向与高强混凝土层延伸方向平行。

具体地，高强钢管1竖直设置。在高强钢管1内设置FRP管3，高强钢管1和FRP管3平行设置。在高强钢管1和FRP管3之间浇筑高强混凝土层2，在FRP管内浇筑高强混凝土核心柱4。

本实施例中，请参阅图1和图2，只设置了一个FRP管。高强钢管位于最外侧，具有较大的刚度和塑性耗能能力，能够提供抗压和受弯时的抗拉，还可以使构件具有良好的抗震性能；而内部由FRP管包裹的高强混凝土核心柱则充分发挥了复材抗拉强度大，各向异性的优势，不受轴压的影响，对核心混凝土形成很强且持续的约束，为构件提供了较高的轴向承载力和延性。在其他实施例中，可以根据需要设置多个FRP管，以进一步增强组合柱的轴向承载力和延性。

通常高强混凝土4在承受纵向荷载时容易发生横向膨胀变形，容易出现脆性破坏。本发明中高强混凝土4在高强钢管1和内置FRP管3的双重约束下，横向膨胀变形得到双向的抑制，强度和延性得到大幅提升，克服了容易脆性破坏的缺点。

本发明的组合柱克服了在柱子的应用中高强钢受压状态下容易发生局部屈曲和高强混凝土延性差的缺点，充分利用了高强钢抗拉强度高和高强混凝土抗压强度高的优点，强度较高，延性更好；耐火性和耐久性更好；不仅能够进一步提高结构的安全性和可靠性，而且可以创造更大的建筑使用空间，实现更灵活的建筑表现。

FRP管的截面可为圆形、方形和矩形中的任一种。本实施例中，FRP管的截面为圆形。

高强钢管的截面可为圆形、方形和矩形中的任一种。本实施例中，高强钢管的截面为方形。在相同的受力条件下可以采用更小的截面尺寸，用钢量和结构重量大大降低，节约模板，施工更加便利。

高强钢管采用Q690或以上钢材强度等级的钢材制成。

FRP管可采用玻璃纤维布或碳纤维布或芳纶纤维布缠绕而成。

高强混凝土核心柱和高强混凝土层均可采用C50或以上混凝土强度等级的混凝土制成。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明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发明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，都包含在本发明的保护范围之内。