本發(fā)明涉及一種新型鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件，屬于結(jié)構(gòu)工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
就地采用珊瑚礁、砂配制珊瑚混凝土是遠(yuǎn)海島礁工程建設(shè)的必然選擇。雖然我國(guó)已將珊瑚混凝土成功應(yīng)用于道路、護(hù)岸和防波堤等，現(xiàn)有見于公開的文獻(xiàn)與研究成果中，采用珊瑚骨料配置混凝土的強(qiáng)度等級(jí)一般低于C30強(qiáng)度等級(jí)，因此珊瑚骨料混凝土尚未用于結(jié)構(gòu)承載構(gòu)件以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化應(yīng)用。當(dāng)然，珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)化應(yīng)用是否可行，以下關(guān)鍵問題亟待解決：一是受珊瑚集料強(qiáng)度的限制，混凝土難以達(dá)到較高的強(qiáng)度等級(jí)；二是受島礁水源條件的制約，海水拌養(yǎng)將影響混凝土的耐久性；三是海水拌養(yǎng)的珊瑚混凝土中存在大量氯離子，極易對(duì)構(gòu)件中的鋼材產(chǎn)生腐蝕；四是島礁工程受場(chǎng)地限制作業(yè)面狹小、受高溫影響蒸發(fā)量大、受任務(wù)驅(qū)動(dòng)工期要求急，采用支模澆筑和常規(guī)養(yǎng)護(hù)工藝施工較為困難。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的提出纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer；以下簡(jiǎn)稱FRP)外包鋼管珊瑚混凝土，即在鋼管外纏繞FRP形成FRP-鋼復(fù)合管，然后在管內(nèi)填充海水拌養(yǎng)珊瑚混凝土，形成三種材料組合的圓柱狀構(gòu)件或矩形柱狀構(gòu)件，在建(構(gòu))筑物中作為縱向受壓、橫向受彎承載構(gòu)件使用。
本發(fā)明纖維布外包鋼管內(nèi)填珊瑚混凝土組合結(jié)構(gòu)柱，通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)，由纖維布、鋼管和珊瑚混凝土組成，所述鋼管外纏繞纖維布，鋼管內(nèi)填珊瑚混凝土。
所述珊瑚混凝土由珊瑚砂、珊瑚石、水泥和海水混合而成，上述成分分別按每立方米320kg、1020kg、450kg、230kg進(jìn)行配置(單一配比成分質(zhì)量誤差不超過1％)。
所述珊瑚砂篩分后的細(xì)度模數(shù)為2.8～3.0，表觀密度介于1600～1700kg/m3；珊瑚石粒徑小于20mm，其中粒徑介于5mm～20mm的占總體積的2/3，粒徑小于5mm的占總體積的1/3，篩分后的細(xì)度模數(shù)為2.6～2.8，表觀密度介于1800～1900kg/m3。
所述纖維布為碳纖維(CFRP)、玄武巖纖維(BFRP)、玻璃纖維(GFRP)或芳綸纖維(AFRP)，纖維布沿鋼管外壁環(huán)向粘貼，采用單一纖維布單層或雙層包裹，或采用不同纖維布以層間混雜方式包裹。
所述鋼管截面為圓形或方形。
本發(fā)明的有益效果是：一方面，通過圓管的約束，提高珊瑚混凝土的強(qiáng)度；通過外管的密封，增強(qiáng)珊瑚混凝土的耐久性；通過FRP的外敷，加強(qiáng)鋼管的耐蝕性；通過鋼管的內(nèi)襯，彌補(bǔ)FRP材料的易脆性。另一方面，通過材料配比的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高珊瑚混凝土抗壓強(qiáng)度與材料延性，能更好的與鋼管、外包FRP材料協(xié)同工作。
該構(gòu)件形式應(yīng)用有以下優(yōu)越性能與使用結(jié)論：
(1)通過國(guó)內(nèi)外對(duì)珊瑚混凝土與FRP外包鋼管混凝土的研究現(xiàn)狀分析，提出以珊瑚骨料混凝土內(nèi)填圓鋼管，并外包FRP布的新型組合結(jié)構(gòu)構(gòu)造型式，從而在適應(yīng)島礁特殊環(huán)境條件的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)珊瑚混凝土的結(jié)構(gòu)化應(yīng)用，既具備研究和應(yīng)用的必要性，又具備結(jié)構(gòu)構(gòu)造型式和技術(shù)路徑的可行性。
(2)通過對(duì)珊瑚砂石與珊瑚混凝土物理力學(xué)基本性能的試驗(yàn)研究，一方面，得到了珊瑚砂石的基本物理性能參數(shù)，驗(yàn)證了以破碎珊瑚礁石作混凝土骨料的可行性；另一方面，得到了珊瑚混凝土基本力學(xué)性能指標(biāo)，驗(yàn)證了采用遠(yuǎn)海島礁現(xiàn)場(chǎng)破碎的珊瑚礁石作骨料，按一定級(jí)配制備的珊瑚混凝土，其強(qiáng)度等級(jí)能夠達(dá)到普通混凝土C40等級(jí)以上，且材料延性又優(yōu)于普通混凝土的結(jié)論的真實(shí)可靠性。認(rèn)為以遠(yuǎn)海島礁珊瑚骨料配制混凝土，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均能滿足結(jié)構(gòu)基本承載構(gòu)件的材料性能要求。
(3)通過對(duì)約束珊瑚混凝土套箍增強(qiáng)機(jī)理的研究，一方面，以珊瑚混凝土三向受壓狀態(tài)的力學(xué)性能分析為依據(jù)，認(rèn)為約束珊瑚混凝土類似約束普通混凝土，不同套箍強(qiáng)度條件對(duì)核心混凝土軸壓強(qiáng)度理論模型的取值條件有一定影響，并提出了約束珊瑚混凝土軸壓強(qiáng)度與側(cè)壓應(yīng)力間存在的線性與非線性函數(shù)表達(dá)式；另一方面，以材料力學(xué)性能和套箍強(qiáng)度比較試驗(yàn)結(jié)論為依據(jù)，認(rèn)為經(jīng)鋼管套箍約束后，在軸壓應(yīng)力與核心混凝土側(cè)壓應(yīng)力間的關(guān)系上，珊瑚混凝土與普通混凝土存在明顯差異，并解析得到了套箍約束珊瑚混凝土側(cè)壓系數(shù)按常數(shù)取值的具體數(shù)值，為約束珊瑚混凝土套箍強(qiáng)度理論模型的應(yīng)用提供了計(jì)算條件。
(4)通過對(duì)CFRP外包鋼管珊瑚混凝土短柱的軸壓承載試驗(yàn)研究，一方面，掌握了短柱軸壓受力過程中的破壞形態(tài)與極限承載能力，認(rèn)為與一般的CFRP鋼管混凝土短柱受壓構(gòu)件類似，長(zhǎng)徑比較小的CFRP外包鋼管珊瑚混凝土短柱構(gòu)件，其軸壓破壞形態(tài)具有材料強(qiáng)度破壞的典型特征，CFRP外包對(duì)短柱的承載強(qiáng)度有明顯提升；另一方面，分析研究了短柱軸壓應(yīng)力與材料效應(yīng)變化規(guī)律，認(rèn)為鋼管珊瑚混凝土受壓構(gòu)件采取外包CFRP布形式，要比增加鋼管厚度，更能有效提高其軸壓承載強(qiáng)度和構(gòu)件延性性能，并且試驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明CFRP布與鋼管在構(gòu)件的軸壓受力過程中，變形協(xié)調(diào)的一致性較好。
(5)通過對(duì)CFRP外包鋼管珊瑚混凝土中長(zhǎng)柱軸壓承載試驗(yàn)研究，得到了中長(zhǎng)柱軸壓受力過程中與短柱不同的破壞形態(tài)與材料效應(yīng)的變化規(guī)律，一方面，認(rèn)為中長(zhǎng)柱構(gòu)件的軸壓破壞隨長(zhǎng)細(xì)比的增加，破壞形態(tài)逐漸從材料強(qiáng)度破壞向受壓失穩(wěn)破壞發(fā)展；另一方面，對(duì)長(zhǎng)細(xì)比較大的細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件外包CFRP布，能夠明顯減小其在軸壓荷載作用下的側(cè)向撓度位移，提高軸壓穩(wěn)定承載能力。
(6)通過對(duì)CFRP外包鋼管珊瑚混凝土受壓構(gòu)件的軸壓極限承載力進(jìn)行理論解析研究，基于試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，采用極限平衡理論，解析得到了短柱軸壓極限承載力解析式并進(jìn)行簡(jiǎn)化，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到了中長(zhǎng)柱軸壓極限承載力的計(jì)算公式，經(jīng)過試驗(yàn)數(shù)據(jù)校核驗(yàn)證，認(rèn)為理論解析式與簡(jiǎn)化公式的正確性與一致性較好，為構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算提供了理論依據(jù)。
(7)通過對(duì)CFRP外包鋼管珊瑚混凝土柱軸壓受力全過程進(jìn)行非線性數(shù)值模擬分析研究，更深入地揭示了構(gòu)件軸壓力學(xué)行為的變化規(guī)律，以數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果，數(shù)據(jù)吻合程度較好，進(jìn)一步驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果與理論解析的正確性與一致性。
附圖說明
圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖(以圓形截面為例)。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
如圖1所示，本發(fā)明由纖維布1、鋼管2和珊瑚混凝土3組成，所述鋼管外纏繞纖維布，鋼管內(nèi)填珊瑚混凝土。
珊瑚混凝土配制強(qiáng)度等級(jí)按C40普通混凝土強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)配合比，材料正交試驗(yàn)配合比優(yōu)化研究結(jié)論：珊瑚砂(細(xì)骨料)、珊瑚石(粗骨料)、水泥、海水量，分別按每立方米320kg、1020kg、450kg、230kg進(jìn)行配置，(單一配比成分質(zhì)量誤差不超過1％)。水泥為42.5#硫酸鹽水泥；珊瑚砂細(xì)骨料篩分后的細(xì)度模數(shù)為2.8～3.0，表觀密度介于1600～1700kg/m3；珊瑚石粗骨料粒徑小于20mm，其中粒徑介于5mm～20mm的占總體積的2/3，粒徑小于5mm的占總體積的1/3，篩分后的細(xì)度模數(shù)為2.6～2.8，表觀密度介于1800～1900kg/m3。
驗(yàn)證試驗(yàn)所用海水可參考南海海域人工制備，其鹽份比例如下：MgCl2：NaCl：CaCl2：Na2SO4：NaHCO3：KCl＝526.5：2216：108.2：386.1：20.7：74.5，單位為g/100L。按上述粗細(xì)骨料級(jí)配和混凝土配合比，制備得到的珊瑚混凝土，經(jīng)測(cè)試其干表觀密度值小于1950kg/m3，屬于輕集料混凝土的表觀密度范圍。
本發(fā)明的制作過程如下：FRP-鋼復(fù)合管在內(nèi)陸工廠化制作，鋼管分別為圓形、矩形(含方形)，可采用無(wú)縫鋼管或卷制焊接鋼管，對(duì)于矩形截面，鋼管可采用鋼板軋制焊接。FRP分別為碳纖維(CFRP)、玄武巖纖維(BFRP)、玻璃纖維(GFRP)和芳綸纖維(AFRP)，纖維布沿鋼管外壁環(huán)向粘貼，既可采用單一纖維布單層或雙層包裹，也可采用不同纖維布以層間混雜方式包裹。珊瑚混凝土以珊瑚礁碎塊作粗骨料，珊瑚砂作細(xì)骨料，拌合用水為海水，在遠(yuǎn)海島礁工程現(xiàn)場(chǎng)按所述的最優(yōu)配合比進(jìn)行配置、混合攪拌、澆筑并在管內(nèi)密閉自然養(yǎng)護(hù)。
本發(fā)明與鋼管混凝土結(jié)構(gòu)和FRP筒內(nèi)填充混凝土結(jié)構(gòu)的受力原理有相似之處。不同點(diǎn)在于，本發(fā)明采用FRP布對(duì)鋼管外包，管內(nèi)填充材料延性更好的珊瑚骨料混凝土，一方面通過FRP布和鋼管相互作用下，對(duì)管內(nèi)珊瑚混凝土進(jìn)行套箍約束，從而提高了組合構(gòu)件的承載強(qiáng)度和構(gòu)件延性性能，另一方面采用FRP外包和管內(nèi)珊瑚混凝土內(nèi)封，對(duì)鋼管腐蝕路徑進(jìn)行封閉，從而提高了材料的耐蝕性和組合構(gòu)件在腐蝕環(huán)境下的耐久性。為使三種材料均能充分發(fā)揮各自強(qiáng)度，對(duì)管內(nèi)填充的珊瑚混凝土進(jìn)行正交優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)，得到滿足鋼管混凝土所需具備的珊瑚混凝土強(qiáng)度與彈性模量等材料性能要求。其中，主要的立方體抗壓強(qiáng)度指標(biāo)大于C40強(qiáng)度等級(jí)，彈性模量均值為25×103N/mm2，一方面小于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50010-2010)》采用的C40混凝土彈性模量32.5×103N/mm2的數(shù)值(以標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu,k測(cè)算得到)；另一方面，也小于C40普通砂石骨料混凝土的彈性模量試驗(yàn)實(shí)測(cè)值30×103～35×103(N/mm2)范圍。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。