一种预制FRP多管芯约束混凝土组合构件及其施工方法

摘要

本发明公开了一种预制FRP多管芯约束混凝土组合构件及其施工方法，包括外FRP‑钢复合管、小直径FRP管；外FRP‑钢复合管包括钢管以及缠绕在钢管外部的FRP；外FRP‑钢复合管内部设有多个小直径FRP管，小直径FRP管内填充有混凝土；外FRP‑钢复合管的上端和下端分别设有一段无FRP覆盖的钢管段，有FRP覆盖的钢管段与小直径FRP管之间浇筑有灌浆料层；上端无FRP覆盖的钢管段上设有注浆孔，下端的无FRP覆盖的钢管段上设有排浆孔；注浆孔的高度高于灌浆料层上表面，排浆孔的高度低于灌浆料层的下表面。本发明的组合构件在外FRP‑钢复合管内布置多个小直径FRP管，适应不同受力特点，适用于不同的截面形状。本发明涉及建筑工程施工和实验技术领域。

说明书

技术领域

本发明涉及建筑工程施工和实验技术领域，特别涉及一种预制FRP多管芯约束混凝土组合构件及其施工方法。

背景技术

作为新兴建筑材料，纤维增强复合材料(Fibre Reinforced Polymer，简称FRP)具有耐腐蚀性强、轻质高强、可设计性优、稳定性高等材性优势，近年来在建筑结构中的研究不断丰富，应用成效也不断凸显。基于约束混凝土原理，形成和发展了多种新型FRP-混凝土组合构件：如FRP约束混凝土构件、FRP约束钢管混凝土构件、FRP-混凝土-钢管双管柱、内置FRP管的钢管约束混凝土柱等，这些组合柱发挥FRP材料性能优势，都不同程度地提高了结构构件的力学性能和耐久性。而且，FRP材料在新型组合结构中的良好应用，为丰富的海水海砂等海洋资源的工程应用提供了可能，因此，将FRP材料与海砂混凝土组合，拓展蓝色经济空间，在近海、临海和各项海洋工程等方面都将具有广阔的应用前景。

由于FRP和混凝土材料均表现出明显脆性特征，单一FRP约束混凝土结构构件在偏心受压或承受弯矩荷载时，抵抗侧向弯矩能力较弱，难以有效发挥FRP沿纤维方向良好的力学性能。因而，FRP约束混凝土仍需与传统钢材相结合，充分发挥三种材料组分的性能优势，扬长避短，实现组合结构各项性能的全面提升。在众多已有的三组分组合结构构件研究中，通过各组分材料的优化组合，能有效提高结构构件的承载力和延性，例如经典的FRP-混凝土-钢双壁空心组合构件、FRP约束钢管混凝土构件、内置单FRP管的钢管约束混凝土构件。其中FRP-混凝土-钢双壁空心组合构件为充分发挥钢材的抗拉性能，对构件空心率要求较高，因而容易产生钢管屈曲而降低构件承载力，且由于钢材与混凝土的直接接触，限制了海砂混凝土在此类构件中的应用。而且以上各组合结构构件仍主要局限性地适用于核心加载方式和圆截面构件形式的情况，在面对矩形截面以及其他异形截面时，角部的约束材料极易被破坏，力学效果并不理想，材料无法最大程度发挥其力学性能；且为达到高承载力和延性的目标，对构件约束材料的壁厚要求也较高，这势必造成结构材料成本的增加。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供了一种预制FRP多管芯约束混凝土组合构件，该组合构件在外FRP-钢复合管内布置多个小直径FRP管，适应不同受力特点，适用于不同的截面形状。

本发明的另一个目的在于提供了一种预制FRP多管芯约束混凝土组合构件的施工方法。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：一种预制FRP多管芯约束混凝土组合构件，包括外FRP-钢复合管、小直径FRP管；所述外FRP-钢复合管包括钢管以及缠绕在钢管外部的FRP；外FRP-钢复合管内部设有多个小直径FRP管，小直径FRP管内填充有混凝土；外FRP-钢复合管的上端和下端分别设有一段无FRP覆盖的钢管段，有FRP覆盖的钢管段与小直径FRP管之间浇筑有灌浆料层；

外FRP-钢复合管的顶部高度高于小直径FRP管，底部高度低于小直径FRP管；灌浆料层上表面高度低于外FRP-钢复合管以及小直径FRP管的顶部高度，灌浆料层下表面高度高于外FRP-钢复合管以及小直径FRP管的底部高度；

上端无FRP覆盖的钢管段上设有注浆孔，下端的无FRP覆盖的钢管段上设有排浆孔；所述注浆孔的高度高于灌浆料层上表面，所述排浆孔的高度低于灌浆料层的下表面。

进一步地，缠绕在钢管外部的FRP采用玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维或以上纤维组合的纤维，且纤维缠绕方向为环向或接近环向。

进一步地，外FRP-钢复合管的顶部高于小直径FRP管的高度值大于5mm，底部低于小直径FRP管的高度值小于5mm。能够保证两个组合构件相接时外FRP-钢复合管之间焊接无缝隙。

进一步地，小直径FRP管采用玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维或以上纤维组合的纤维单向缠绕环氧树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂基体制成，且纤维缠绕方向为环向或接近环向。

进一步地，所述混凝土为普通混凝土、高强混凝土、海水海砂混凝土、自适应混凝土或再生骨料混凝土。

进一步地，多个小直径FRP管的截面形状都为圆形，靠近偏心受压处的管径大于远离偏心受压处的管径。

进一步地，两根预制FRP多管芯约束混凝土组合构件连接时，两根组合构件内的小直径FRP管通过FRP连接套管连接，无FRP覆盖的钢管段通过钢环焊接连接；无FRP覆盖的钢管段与小直径FRP管之间浇筑连接灌浆层；无FRP覆盖的钢管段外部缠绕有FRP布。

进一步地，所述FRP连接套管包括上管、中柱和下管，中柱设置在上管和下管之间，上管和下管的内径均大于小直径FRP管的外径。

进一步地，所述无FRP覆盖的钢管段上设有预留孔洞。

本发明的另一个目的可以通过如下技术方案实现：一种预制FRP多管芯约束混凝土组合构件的施工方法，包括如下步骤：

将最下方的预制FRP多管芯约束混凝土组合构件固定安装到基础上并灌浆；

若组合构件需连接其他预制构件，将其他预制构件通过预留孔洞与组合构件连接；

在已安装的组合构件上通过FRP连接套管胶粘连接下一个组合构件中的小直径FRP管；

将上下组合构件中无FRP覆盖的钢管段通过钢环焊接连接；

在注浆孔注入连接灌浆层，直到排浆孔溢浆，封堵排浆孔和注浆孔；

在焊接处、排浆孔和注浆孔处缠绕数层FRP布；

重复安装再下一个组合构件，直到最上方的组合构件部件连接完成；

在最上方的组合构件上浇筑灌浆料封顶。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、相较于传统双壁空心柱，本发明采用FRP多管芯约束混凝土组合构件，其内部小直径FRP管布置灵活，能采用不同布置方式以适应不同受力特点，同时还适用于不同的截面形状，可用于异形柱的建造。

2、由于其小直径FRP管提供了保护和隔绝作用，因此小直径FRP管内可填充普通混凝土、高强混凝土、海水海砂混凝土、自适应混凝土或再生骨料混凝土而不受构件其他因素影响，能够开发海洋资源，推动高效环保的绿色建筑发展，并且小直径FRP管约束内部混凝土能提高混凝土的承载力和延性。

3、本发明采用的装配式施工方法，通过工厂预制FRP多管约束混凝土组合构件保证了构件质量，同时也是保证了各小直径FRP管位置，并利用FRP连接套管解决了现场多管拼接对齐难题，减少现场湿作业，提高施工效率。

4、同时还提供了组合构件之间以及组合构件与其余预制构件之间的连接方式，外FRP-钢复合管的钢管可作为灌浆模板，通过对上下组合构件之间的空腔或组合构件与其余预制构件之间的空腔进行灌浆并缠绕FRP布，能提高结构的整体性和抗震性。

附图说明

图1是本发明实施例一中预制FRP多管芯约束混凝土组合构件互相连接的结构示意图；

图2是本发明实施例一中预制FRP多管芯约束混凝土组合构件的横截面图；

图3是本发明实施例一中FRP连接套管的立体图；

图4是图3的剖面图；

图5是本发明实施例一中预制FRP多管芯约束混凝土组合构件与预制梁连接的结构示意图；

图6是本发明实施例二中预制FRP多管芯约束混凝土组合构件的横截面图；

图7是本发明实施例三中预制FRP多管芯约束混凝土组合构件的横截面图。

其中：1：上组合构件，11：上外FRP-钢复合管，12：上小直径FRP管，13：上灌浆料层，14：上混凝土，2：下组合构件，21：下外FRP-钢复合管，22：下小直径FRP管，23：下灌浆料层，24：下混凝土，25：预留孔洞，31：FRP连接套管，311：中柱上接触面，312：中柱下接触面，313：上管环向接触面，314：下管环向接触面，315：中柱，32：连接灌浆层，33：焊缝，34：FRP布，35：排浆孔，36：注浆孔，4：预制梁，41：预制梁钢筋。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

如图1、2所示，一种预制FRP多管芯约束混凝土组合构件，以上组合构件1为例，包括上外FRP-钢复合管11、上小直径FRP管12。本实施例中上外FRP-钢复合管11的横截面为圆形，包括钢管以及缠绕在钢管外部的FRP，FRP可采用玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维或以上纤维组合的纤维，且纤维缠绕方向为环向或接近环向。

上外FRP-钢复合管11内部设有六个上小直径FRP管12，上小直径FRP管可采用玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维或以上纤维组合的纤维单向缠绕环氧树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂基体制成，且纤维缠绕方向为环向或接近环向。上小直径FRP管内填充有上混凝土14，上混凝土14可采用普通混凝土、高强混凝土、海水海砂混凝土、自适应混凝土或再生骨料混凝土。

上外FRP-钢复合管11的上端和下端分别设有一段50mm长的无FRP覆盖的钢管段，有FRP覆盖的上外FRP-钢复合管与上小直径FRP管12之间浇筑有上灌浆料层13。

上外FRP-钢复合管11的顶部高度高于上小直径FRP管12，底部高度低于上小直径FRP管12。上灌浆料层13上表面高度低于上外FRP-钢复合管11以及上小直径FRP管12的顶部高度，上灌浆料层13下表面高度高于上外FRP-钢复合管11以及上小直径FRP管12的底部高度。

上端无FRP覆盖的钢管段上设有注浆孔36，下端的无FRP覆盖的钢管段上设有排浆孔35。注浆孔36的高度高于上灌浆料层13上表面，排浆孔35的高度低于上灌浆料层13的下表面。

如图2所示，将下组合构件2与上组合构件1连接，下组合构件2的结构与上组合构件1的结构相同，分别包括下外FRP-钢复合管21、下小直径FRP管22、下灌浆料层23以及下混凝土24。

当两根组合构件连接时，上小直径FRP管12与下小直径FRP管22通过FRP连接套管31连接。如图3、4所示，FRP连接套管31根据上小直径FRP管12、下小直径FRP管22的位置、大小和形状布置。FRP连接套管31由拉挤FRP型材制作，包括上管、中柱315和下管，中柱设置在上管和下管之间。上管和下管内径略微大于上小直径FRP管12、下小直径FRP管22的外径，上管和下管高度不小于50mm，以满足FRP连接管31与上小直径FRP管12、下小直径FRP管22之间的胶结力要求，中柱315高度为10mm。上小直径FRP管12插入FRP连接套管31的上管中，下小直径FRP管22插入FRP连接套管31下管中。中柱上接触面311以及上管环向接触面313与上小直径FRP管12下端面以及下端环向外表面胶粘。中柱下接触面312以及下管环向接触面314与下小直径FRP管22上端面以及上端环向外表面胶粘。

上外FRP-钢复合管11与下外FRP-钢复合管21的无FRP覆盖的钢管段通过钢环焊接连接，无FRP覆盖的钢管段焊接后，在焊缝处33、排浆孔35和注浆孔36胶粘缠绕数层FRP布34加固，FRP布34纤维可为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维。下外FRP-钢复合管21的顶部高于下小直径FRP管22的高度值大于5mm，上外FRP-钢复合管11的底部低于上小直径FRP管12的高度值小于5mm，可以保证上组合构件与下组合构件相接时上外FRP-钢复合管11、下外FRP-钢复合管21之间焊接无缝隙，且上小直径FRP管12、下小直径FRP管22与FRP连接套管31之间也能胶结无缝隙。

下灌浆料层23上表面高度小于下小直径FRP管22下端面高度减去FRP连接套管31的下管长度，且不覆盖注浆孔36。上灌浆料层13下表面高度大于上小直径FRP管12下端面高度加上FRP连接套管的上管长度，且不覆盖排浆孔35。上灌浆料层13和下灌浆料层23之间通过注浆孔36和排浆孔35灌注连接灌浆层32，连接灌浆层32强度不低于上灌浆料层、下灌浆料层的强度。

如图5所示，下外FRP-钢复合管21无FRP覆盖钢管段可设预留孔洞25与预制梁4连接，预留孔洞大小与预制梁4节点相匹配。预留孔洞的位置与上组合构件1、下组合构件2之间的接口错开。

一种预制FRP多管芯约束混凝土组合构件的施工方法，包括如下步骤：

1)对最下方的下组合构件2的下灌浆料层23下表面进行凿毛，在已浇筑完成的基础上固定下组合构件的下端，基础预埋钢筋包含在下外FRP-钢复合管的钢管内，下灌浆料层的高度可根据基础钢筋预埋深度调整，在钢管下端另开设注浆孔并与基础预埋钢筋共同灌浆。

2)将预制梁钢筋41穿过预留孔洞25与下组合构件2的下小直径FRP管22进行绑扎，下组合构件2的下灌浆料层23高度可根据预制梁钢筋41弯折长度调整，且预制梁钢筋41上弯折在连接灌浆层32中能发挥连接上下组合构件的作用。若预制梁4为普通混凝土预制件，在预制梁4和预留孔洞25之间搭设模板，若预制梁4为钢构件，则将钢构件与预留孔洞25焊接或采用其余行业上通用的连接方法。

3)对上灌浆料层13、下灌浆料层23表面进行凿毛，在FRP连接套管31下管内注胶，并均匀涂抹于中柱下接触面312和下管环向接触面314，将FRP连接套管31插入下小直径FRP管22。待所有下小直径FRP管22粘结上FRP连接套管31后，在FRP连接套管31上管内注胶，并均匀涂抹于中柱上接触面311和上管环向接触面313，将上组合构件1按照各上小直径FRP管12与FRP连接套管31相匹配位置固定，保证每个FRP连接套管31上下管分别连接上小直径FRP管12、下小直径FRP管22。

4)将上外FRP-钢复合管11、下外FRP-钢复合管21中无FRP覆盖的钢管段通过钢环焊接连接。

5)在注浆孔36注入连接灌浆层32，直到排浆孔35溢浆，封堵排浆孔35和注浆孔36。

6)在焊缝33处、排浆孔35和注浆孔36处缠绕数层FRP布34。

7)重复步骤2)至6)，直到最上方的预制FRP多管芯约束混凝土组合构件连接完成。

8)在最上方的预制FRP多管芯约束混凝土组合构件上浇筑灌浆料封顶。

实施例二

上小直径FRP管12的布置形式依据构件受力特点可为均布或非均布，本实施例中为非均布布置。且上小直径FRP管12的截面形状均为圆形，直径可为相同或不同，如图6所示组合构件的上小直径FRP管12的形式根据偏心受力特点布置，靠近偏心受压处的管径较大，远离受压处的一侧管径较小。

本实施例未提及部分同实施例一。

实施例三

上外FRP-钢复合管11横截面形状可为圆形、矩形或多边形，本实施例中，上外FRP-钢复合管的横截面为正方形。

本实施例未提及部分同实施例一。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。