本實(shí)用新型涉及一種拱結(jié)構(gòu)，具體涉及一種FRP約束鋼管混凝土拱結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的鋼管混凝土拱結(jié)構(gòu)具有自重輕、抗壓強(qiáng)度高、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，其核心混凝土在外圍鋼管的約束作用下處于三向受壓狀態(tài)，與單軸受壓時(shí)相比，抗壓強(qiáng)度大幅度提高，脆性得到明顯改善；同時(shí)核心混凝土的存在對(duì)鋼管的屈曲變形起到一定的限制作用，能夠延緩鋼管管壁過(guò)早發(fā)生局部失穩(wěn)。因此鋼管混凝土拱在橋梁工程、地鐵隧道開(kāi)挖支護(hù)及大跨空間結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。

然而由于外圍鋼管裸露于混凝土外，傳統(tǒng)鋼管混凝土拱的防腐、防火、防銹等技術(shù)要求較高，尤其是鋼管的易腐蝕性使得這種理想的拱構(gòu)件很少被應(yīng)用于高腐蝕的環(huán)境中。實(shí)際工程中一般采用防腐涂裝等措施對(duì)鋼管進(jìn)行保護(hù)，但伴隨而來(lái)的卻是高額的防腐及維護(hù)成本。另外，如果鋼管混凝土拱所受荷載較大，構(gòu)件截面往往采用直徑較大、壁厚較厚的鋼管給混凝土提供足夠的緊箍力，但同時(shí)會(huì)產(chǎn)生鋼管制作困難、用鋼量大、焊接工作繁重等問(wèn)題；若采用復(fù)式或高強(qiáng)鋼管，則存在施工難度大、造價(jià)較高等問(wèn)題。

近些年來(lái)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer—FRP)由于具有抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好、自重輕、抗疲勞性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)多被應(yīng)用于加固改造領(lǐng)域。新出現(xiàn)的FRP約束混凝土拱結(jié)構(gòu)采用FRP套管為核心混凝土提供較強(qiáng)的側(cè)向約束，能夠提高拱的極限承載力，同時(shí)FRP的化學(xué)穩(wěn)定性又可以避免傳統(tǒng)的鋼管混凝土拱易腐蝕的問(wèn)題。但是FRP屬于線(xiàn)彈性材料，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞一般表現(xiàn)為FRP管體被撐破，雖然這種脆性破壞的模式可以通過(guò)優(yōu)化鋪層等方式得到某種程度的改善，但其提高的延性程度仍無(wú)法滿(mǎn)足越來(lái)越高的抗震性能要求；同時(shí)FRP多為柔性片材，因此FRP約束混凝土拱的剛度也較鋼管混凝土拱低，且單體跨度往往較小。因此申請(qǐng)?zhí)枮?01420830765.3的中國(guó)實(shí)用新型專(zhuān)利公開(kāi)了一種分段式FRP管混凝土拱圈單體的拼接結(jié)構(gòu)，可以有效增加FRP約束混凝土拱結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度和跨越能力，但這種拼接結(jié)構(gòu)施工較為復(fù)雜，不易推廣使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型為解決傳統(tǒng)的鋼管混凝土拱結(jié)構(gòu)采用鋼管裸露于混凝土外，導(dǎo)致鋼管拱結(jié)構(gòu)容易發(fā)生屈服，且制作困難、用鋼量大、焊接工作繁重、易腐蝕及使用壽命短的問(wèn)題，而提出一種FRP約束鋼管混凝土拱結(jié)構(gòu)。

本實(shí)用新型的一種FRP約束鋼管混凝土拱結(jié)構(gòu)，其組成包括實(shí)腹式拱肋和兩個(gè)基礎(chǔ)，兩個(gè)基礎(chǔ)對(duì)稱(chēng)設(shè)置在實(shí)腹式拱肋的兩端，所述實(shí)腹式拱肋包括鋼管、FRP層和混凝土，F(xiàn)RP層包覆在鋼管的外層，且FRP層與鋼管通過(guò)樹(shù)脂粘結(jié)成復(fù)合管，復(fù)合管內(nèi)澆筑混凝土。

本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：

一、本實(shí)用新型的FRP約束鋼管混凝土拱由于FRP層被動(dòng)約束的作用，使得鋼管在屈服后對(duì)混凝土的套箍效應(yīng)增強(qiáng)并得到持續(xù)充分的發(fā)展，進(jìn)一步提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度，并使鋼管和混凝土之間產(chǎn)生持續(xù)的內(nèi)力重分布，提高FRP約束鋼管混凝土拱的承載能力和塑性變形能力。

二、FRP材料結(jié)合鋼管使用可以替代一部分鋼管，不但減輕了結(jié)構(gòu)整體的重量，減薄大直徑鋼管的壁厚，降低拱肋的用鋼量和成本，還能夠延緩鋼管的屈曲，改善鋼管的受力性能。

三、FRP層化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、不易腐蝕、耐久性好，能夠解決普通鋼管混凝土拱鋼管銹蝕的問(wèn)題。同時(shí)利用FRP約束鋼管混凝土拱的原理也可為現(xiàn)存老舊拱橋結(jié)構(gòu)外貼FRP材料進(jìn)行防腐保護(hù)與加固。

四、鋼管具有較大的軸向剛度，在混凝土澆注過(guò)程中可以直接作為模板使用，能夠節(jié)省模板的制作費(fèi)用，縮短工期，同時(shí)還可以避免澆筑混凝土過(guò)程中出現(xiàn)局部屈曲現(xiàn)象；同時(shí)鋼管在FRP材料的粘貼過(guò)程中可以作為纏繞模具，能夠節(jié)省模具的制作費(fèi)用和脫模過(guò)程，降低生產(chǎn)成本。

五、當(dāng)FRP層和鋼管之間增加橡膠層時(shí)，由于橡膠層的存在，延緩了FRP層約束作用的發(fā)揮，推遲了FRP層的斷裂，使得結(jié)構(gòu)具有更好的延性，同時(shí)提供了結(jié)構(gòu)在鋼管屈服后強(qiáng)化的二次剛度，使結(jié)構(gòu)具有足夠的承載力儲(chǔ)備。橡膠層的高阻尼特性，也可消耗結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量，減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震性能。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型FRP約束鋼管混凝土拱結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖2是實(shí)腹式拱肋2的截面形狀為圓形結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是實(shí)腹式拱肋2的截面形狀為方形結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是實(shí)腹式拱肋2的截面形狀為啞鈴形結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是FRP層3與鋼管4設(shè)置有橡膠層6的示意圖；

圖6是本實(shí)用新型的拱肋為桁式拱的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是實(shí)腹式拱肋2的數(shù)量為三個(gè)時(shí)，桁式拱的截面形狀為三角形結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8是實(shí)腹式拱肋2的數(shù)量為四個(gè)時(shí)，桁式拱的截面形狀為矩形結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9是腹桿支撐7為復(fù)合管結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式包括實(shí)腹式拱肋2和兩個(gè)基礎(chǔ)1，兩個(gè)基礎(chǔ)1對(duì)稱(chēng)設(shè)置在實(shí)腹式拱肋2的兩端，且實(shí)腹式拱肋2的兩端分別與兩側(cè)基礎(chǔ)1固接，所述實(shí)腹式拱肋2包括鋼管4、FRP層3和混凝土5，F(xiàn)RP層3包覆在鋼管4的外層，且FRP層3與鋼管4通過(guò)樹(shù)脂粘結(jié)成復(fù)合管，復(fù)合管內(nèi)澆筑混凝土5，復(fù)合管對(duì)混凝土5施加約束作用，灌注混凝土?xí)r選用自密實(shí)混凝土，宜采用泵送頂升法一次性連續(xù)對(duì)稱(chēng)澆注完成。澆注完成后，將鋼管所有開(kāi)孔封閉，并靜置養(yǎng)護(hù)28天。鋼管4由直鋼管煨彎或鋼板焊接成鋼管拱，實(shí)腹式拱肋2以鋼管為纏繞模具將FRP層3連續(xù)沿鋼管4環(huán)向及軸向置于鋼管表面，制成一層或多層FRP管，各層纖維之間也采用樹(shù)脂粘結(jié)。為了保證FRP層3與鋼管4之間的粘結(jié)效果，增強(qiáng)粘貼強(qiáng)度和耐久性，在粘貼FRP纖維之前,應(yīng)對(duì)鋼管4進(jìn)行表面處理或噴砂處理，除去鋼管外表面的鐵銹、涂料和油漆，并進(jìn)行清洗。當(dāng)表面處理完成后應(yīng)及時(shí)粘貼FRP纖維，否則會(huì)降低粘結(jié)強(qiáng)度。同時(shí)可以通過(guò)采用電熱毯或加熱器等設(shè)備來(lái)提高粘結(jié)劑的養(yǎng)護(hù)速度。FRP為纖維增強(qiáng)塑料。實(shí)腹式拱肋2的線(xiàn)形形式為拋物線(xiàn)形、圓弧形或懸鏈線(xiàn)形。

實(shí)腹式拱肋2由拱肋節(jié)段組裝而成，拱肋節(jié)段加工前，應(yīng)根據(jù)理論設(shè)計(jì)拱軸坐標(biāo)和預(yù)留拱度值進(jìn)行放樣，確定拱肋節(jié)段數(shù)及節(jié)段長(zhǎng)度。拱肋節(jié)段由直鋼管煨彎或鋼板焊接成管，在幾何尺寸檢查合格后進(jìn)行組裝焊接，并按設(shè)計(jì)要求預(yù)留混凝土壓注孔、振搗孔及排氣孔等。

外層的FRP纖維根據(jù)纖維束的粘貼方向可分為環(huán)向纖維和軸向纖維。當(dāng)外包FRP鋼管拱開(kāi)始承受外荷載作用時(shí)，纖維處于環(huán)向受拉狀態(tài)，隨著荷載的增加，在接近極限承載力時(shí)，環(huán)向纖維局部區(qū)域因拱發(fā)生屈曲變形而開(kāi)始進(jìn)入受壓狀態(tài)，但在拱發(fā)生失穩(wěn)之前，整體仍以環(huán)向受拉為主，環(huán)向纖維的受力轉(zhuǎn)換對(duì)承載力的影響可忽略不計(jì)。因此沿環(huán)向粘貼的纖維主要通過(guò)環(huán)向受拉對(duì)鋼管產(chǎn)生環(huán)向約束，進(jìn)而限制鋼管屈曲變形的發(fā)展，提高構(gòu)件的穩(wěn)定承載力和延性。而軸向纖維在試件達(dá)到穩(wěn)定承載力之前全部處于受壓狀態(tài)，由于加載初始階段變形較小，軸向纖維形成依附于鋼管表面的筒狀結(jié)構(gòu)，這使其可以承擔(dān)部分壓力。隨著拱結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的產(chǎn)生，部分軸向纖維由于鋼管的屈曲變形逐漸轉(zhuǎn)換為受拉狀態(tài)，進(jìn)而起到限制試件變形發(fā)展的作用，能夠提高拱的后屈曲性能。

以拱受到軸壓荷載為例(全跨均布荷載作用下的拋物線(xiàn)拱或徑向均布荷載作用下的圓弧拱)，描述FRP約束鋼管混凝土拱受力機(jī)理如下：加載初始階段，鋼管和核心混凝土直接承受外荷載，而最外層的FRP材料不承受荷載作用，并且此時(shí)FRP層也未開(kāi)始對(duì)混凝土產(chǎn)生約束作用；當(dāng)荷載逐漸增加直至混凝土的泊松比大于鋼材時(shí)，混凝土與鋼管壁之間出現(xiàn)徑向壓力，鋼管徑向變形增加，F(xiàn)RP受到徑向壓力和環(huán)向拉力，鋼管與FRP管對(duì)核心混凝土同時(shí)施加約束作用。此時(shí)核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)，鋼管處于雙向受力狀態(tài)(徑向壓力相對(duì)于軸向、環(huán)向較小，可忽略)，F(xiàn)RP層處于環(huán)向受拉狀態(tài)；隨著荷載增加直至鋼管發(fā)生屈服，鋼管與核心混凝土之間產(chǎn)生軸向壓力的重分布，即鋼管承受壓力不斷減小，因此鋼管從主要承受軸向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕惺墉h(huán)向應(yīng)力，而由于FRP管的被動(dòng)約束作用，核心混凝土的套箍強(qiáng)化得到持續(xù)充分的發(fā)展，核心混凝土因受到鋼管和FRP管的雙重約束而具有更高的抗壓強(qiáng)度；最后，拱肋最大變形處最外層FRP材料達(dá)到其極限強(qiáng)度，發(fā)生局部斷裂，混凝土受到的約束作用迅速減小，鋼管和核心混凝土所能承擔(dān)的軸向壓力達(dá)到最大值，F(xiàn)RP約束鋼管混凝土拱發(fā)生失穩(wěn)，承載力開(kāi)始下降。

與傳統(tǒng)鋼管混凝土拱相比，F(xiàn)RP約束鋼管混凝土拱由于FRP層附加約束的作用，使得鋼管在屈服后對(duì)核心混凝土的套箍效應(yīng)增強(qiáng)，進(jìn)一步提高了核心混凝土的抗壓強(qiáng)度。同時(shí)鋼管由于承受來(lái)自FRP層約束的徑向外壓力的作用，使得鋼管處于更為有效的雙向應(yīng)力狀態(tài)，可以延緩鋼管的屈曲，改善鋼管的受力性能；并且FRP層的約束作用也使得鋼管在屈曲前后其截面的剛度發(fā)生了變化，提高了拱的塑性變形能力，在一定程度上也可以提高拱的抗震性能。因此，鋼管屈服并不意味著FRP約束鋼管混凝土拱已經(jīng)喪失承載能力，正好相反，在鋼管屈服后的塑流過(guò)程中，由于FRP管的被動(dòng)約束作用，核心混凝土的套箍強(qiáng)化才得到持續(xù)充分的發(fā)展，在鋼管和核心混凝土之間才產(chǎn)生持續(xù)的內(nèi)力重分布，從而使FRP約束鋼管混凝土的承載能力和變形能力得到明顯提高。

本實(shí)施方式中的混凝土5為普通自密實(shí)混凝土或高強(qiáng)混凝土。

本實(shí)施方式中的FRP層3為一層或多層的塑料，所述的塑料為玻璃纖維增強(qiáng)塑料、碳纖維增強(qiáng)塑料、玄武巖纖維增強(qiáng)塑料及芳綸纖維增強(qiáng)塑料中的一種或幾種混雜而成。所述的塑料為玻璃纖維增強(qiáng)塑料、碳纖維增強(qiáng)塑料、玄武巖纖維增強(qiáng)塑料及芳綸纖維增強(qiáng)塑料中的幾種混雜而成時(shí)，各成分間為任意比。

本實(shí)施方式中的樹(shù)脂為環(huán)氧樹(shù)脂、不飽和聚酯樹(shù)脂、乙烯基樹(shù)脂或酚醛樹(shù)脂。

具體實(shí)施方式二：結(jié)合圖2、圖3和圖4說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的實(shí)腹式拱肋2的截面形狀為圓形、方形、矩形、橢圓形或啞鈴形。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：結(jié)合圖5說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二不同的是它還增加有橡膠層6，橡膠層6設(shè)置在FRP層3與鋼管4之間，F(xiàn)RP層3與橡膠層6之間、橡膠層6與鋼管4之間均用樹(shù)脂粘結(jié)。橡膠層6起到FRP層3的約束增強(qiáng)作用。在上述增加橡膠層6的復(fù)合拱中，鋼管4是混凝土5的第一層約束材料，F(xiàn)RP層3是混凝土5的第二層約束材料。橡膠層6位于兩層約束材料之間，利用其低彈模、高變形、易恢復(fù)的特性，緩沖FRP層3的約束增強(qiáng)作用，使得鋼管4和FRP層3對(duì)混凝土5約束時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)時(shí)間差?；炷?在受壓時(shí)，首先，作為第一層約束材料的鋼管發(fā)揮約束作用，混凝土5的強(qiáng)度與變形能力得到第一階段增強(qiáng)，此時(shí)，F(xiàn)RP層3尚未發(fā)揮出對(duì)混凝土5的約束作用；在外荷載繼續(xù)增加時(shí)，混凝土5橫向膨脹引起橡膠層6的橫向壓縮，F(xiàn)RP層3與鋼管4之間的間隙逐漸被減小，F(xiàn)RP層3對(duì)混凝土的約束作用逐漸產(chǎn)生，混凝土5的強(qiáng)度與變形能力得到第二階段增強(qiáng)。橡膠層6具有較大的變形和恢復(fù)特性，能夠推遲了FRP層的斷裂，使得結(jié)構(gòu)具有更好的延續(xù)性；同時(shí)，F(xiàn)RP層3對(duì)核心混凝土的第二階段約束增強(qiáng)提供了結(jié)構(gòu)在鋼管屈服后強(qiáng)化的二次剛度，使得結(jié)構(gòu)具有足夠的承載力儲(chǔ)備。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式一或二相同。

本實(shí)施方式中的橡膠層6為天然橡膠或氯丁橡膠。這種材質(zhì)具有較大的變形和恢復(fù)特性，能夠推遲了FRP層的斷裂，使得結(jié)構(gòu)具有更好的延續(xù)性。

具體實(shí)施方式四：結(jié)合圖7說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式三不同的是它還增加有數(shù)個(gè)腹桿支撐7，實(shí)腹式拱肋2的數(shù)量為三個(gè)，從截面看：三個(gè)實(shí)腹式拱肋2按三角形或倒三角形布置，每相鄰的實(shí)腹式拱肋2之間設(shè)有數(shù)個(gè)腹桿支撐7，且腹桿支撐7的兩端分別與兩側(cè)實(shí)腹式拱肋2固接。本實(shí)施方式為桁式拱。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式三相同。

具體實(shí)施方式五：結(jié)合圖8說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式三不同的是它還增加有數(shù)個(gè)腹桿支撐7，實(shí)腹式拱肋2的數(shù)量為四個(gè)，從截面看：四個(gè)實(shí)腹式拱肋2按矩形或倒梯形布置，每相鄰的實(shí)腹式拱肋2之間設(shè)有數(shù)個(gè)腹桿支撐7，且腹桿支撐7的兩端分別與兩側(cè)實(shí)腹式拱肋2固接。本實(shí)施方式為桁式拱。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式三相同。

具體實(shí)施方式六：結(jié)合圖9說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的腹桿支撐7為鋼管或由鋼管4和FRP層3復(fù)合而成的復(fù)合管。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式四或五相同。