[实用新型]纤维复合材料筒约束钢管混凝土组合结构

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种纤维复合材料、钢管及混凝土的组合桩柱结构，尤其是一种可用于新建工程和加固改造工程，特别适用于作为跨海桥梁、港口工程、海洋和近海地下工程结构以及其它具有侵蚀性或暴露性的环境中的墩柱和桩基础、风力发电、高压输电支撑件、跨越山谷的高墩桥梁以及高层建筑柱子，具体地说是一种纤维复合材料筒约束钢管混凝土组合结构。

背景技术

目前，钢管混凝土结构是在钢管中填充混凝土而形成的构件，其充分利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，一方面钢管对核心混凝土具有约束作用，使混凝土处于复杂应力状态之下，从而有效提高混凝土的强度和延性，另一方面混凝土的存在可有效减缓或者避免钢管这种薄壁材料过早的发生局部屈曲。此外外部钢管还可以用作浇注混凝土时的模板。钢管混凝土结构具有承载力高、延性好等优点，但当应用于桥梁、水工结构、海洋和近海等结构以及其它具有侵蚀性或暴露性的环境时，钢管会发生锈蚀从而可能导致结构发生破坏。钢管腐蚀造成结构物的破坏和以后的维修费用，远远超出人们的想象。美国国家研究委员会的公路战略研究项目（SHRP）对美国由于桥梁破坏造成的损失进行了估算，金额超过200亿美元／年，并且以每年5亿美元的速度递增。SHRP认为，这些桥梁的结构性缺陷主要由腐蚀引起。尽管可以采用在混凝土表面涂敷防护材料、采用钢筋阻锈剂等办法，或是通过提高混凝土密实度、增加保护层厚度等来防止和克服钢锈蚀的问题，但是这些方法都只能在一定程度上延缓钢的锈蚀，效果有限，且成本较高。

另外在房屋建筑中，随着人口的增多、可开发空间的减小，高层建筑是一个不可避免的发展趋势。随着建筑高度的增加，框架柱等承重构件的尺寸越来越大。承重构件尺寸的增加，不仅造成建筑使用面积变小，还将导致结构自重增加。结构的自重越大，引起的水平地震作用就越大，对地基基础的要求就越高，这在一定程度上也增加了工程的造价。解决这一问题的有效措施是采用轻质高强的构件来承重。钢筋混凝土结构造价较低，材料来源丰富，可浇注成各种复杂的截面形式，但是其自重大，这限制了其在高层建筑中的应用。钢结构抗震性能优越、自重相对较轻，可应用在高层建筑中，但是全钢结构房屋用钢量多，工程造价高，这也限制了其发展。

纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer或Fiber Reinforced Plastic，简称FRP)是由增强纤维材料，如玻璃纤维，碳纤维，芳纶纤维等，与基体材料(如:各种聚脂、环氧、乙烯基树脂等)经过缠绕，模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料。根据增强材料的不同，常见的纤维增强复合材料分为玻璃纤维增强复合材料(GFRP)、碳纤维增强复合材料(CFRP)、芳纶纤维增强复合材料(AFRP) 以及玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)。纤维增强复合材料具有如下优点：(1)比强度高，即轻质高强；(2)良好的抗疲劳性能，多数金属的疲劳极限是抗拉强度的40%-50%，而纤维增强复合材料则可达70%-80%； (3)耐腐蚀性和耐久性好，可抵抗不同环境下的腐蚀，这是传统结构材料难以比拟的；（4）可设计性强；(5)热膨胀系数小。但FRP材料也有自身的缺点，如价格高、弹性模量较低等。因此需将FRP材料和其他一种或多种传统结构材料（如混凝土、钢等）组合起来形成FRP组合结构。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有的钢结构桩柱耐腐蚀性差而复合材料桩柱强度不高的问题，设计一种将两者有机结合的纤维复合材料筒约束钢管混凝土组合结构。

本实用新型的技术方案是：

一种纤维复合材料筒约束钢管混凝土组合结构，其特征是它主要由纤维复合材料外筒1、第一金属内筒3和第一夹层混凝土2组成，其所述纤维复合材料外筒1粘贴在第一金属内筒3的外侧面上，所述的第一夹层混凝土2位于所述的第一金属内筒3中。

所述的金属内筒3中套装有第二金属内筒3＇，所述的第一夹层混凝土2位于第一金属内筒3和第二金属内筒3＇之间，所述的第二金属内筒3＇为空心结构或填装有第二夹层混凝土2＇。

所述的纤维复合材料外筒1为与所述的第一金属内筒3相配的单一纤维筒、混杂纤维筒或者纤维夹砂筒；其所采用的纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维中的一种或者几种，纤维方向与最终成形的纤维复合材料外筒1轴线夹角为0°~90°。

所述的纤维复合材料外筒1、第一金属内筒3和第二金属内筒3＇的截面形状为圆形或多边形。

所述的纤维复合材料筒1沿第一金属内筒3纵向连续设置或间隔设置。

所述的第一金属内筒3和第二金属内筒3＇为薄壁钢管或厚壁钢管。