CN106835936A - 一种frp约束钢管混凝土拱结构 - Google Patents

Abstract

一种FRP约束钢管混凝土拱结构，本发明涉及一种拱结构，以为解决传统的钢管混凝土拱结构采用钢管裸露于混凝土外，导致钢管拱结构容易发生屈服，且制作困难、用钢量大、焊接工作繁重、易腐蚀及使用寿命短的问题。本发明包括实腹式拱肋和两个基础，两个基础对称设置在实腹式拱肋的两端，所述实腹式拱肋包括钢管、FRP层和混凝土，FRP层包覆在钢管的外层，且FRP层与钢管)通过树脂粘结成复合管，复合管内浇筑混凝土。本发明用于混凝土结构及钢结构的加固修复。

Description

一种FRP约束钢管混凝土拱结构

技术领域

本发明涉及一种拱结构，具体涉及一种FRP约束钢管混凝土拱结构。

背景技术

传统的钢管混凝土拱结构具有自重轻、抗压强度高、施工便捷等优点，其核心混凝土在外围钢管的约束作用下处于三向受压状态，与单轴受压时相比，抗压强度大幅度提高，脆性得到明显改善；同时核心混凝土的存在对钢管的屈曲变形起到一定的限制作用，能够延缓钢管管壁过早发生局部失稳。因此钢管混凝土拱在桥梁工程、地铁隧道开挖支护及大跨空间结构中得到广泛应用。

然而由于外围钢管裸露于混凝土外，传统钢管混凝土拱的防腐、防火、防锈等技术要求较高，尤其是钢管的易腐蚀性使得这种理想的拱构件很少被应用于高腐蚀的环境中。实际工程中一般采用防腐涂装等措施对钢管进行保护，但伴随而来的却是高额的防腐及维护成本。另外，如果钢管混凝土拱所受荷载较大，构件截面往往采用直径较大、壁厚较厚的钢管给混凝土提供足够的紧箍力，但同时会产生钢管制作困难、用钢量大、焊接工作繁重等问题；若采用复式或高强钢管，则存在施工难度大、造价较高等问题。

近些年来，纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer—FRP)由于具有抗拉强度高、耐腐蚀性能好、自重轻、抗疲劳性能强等优点多被应用于加固改造领域。新出现的FRP约束混凝土拱结构采用FRP套管为核心混凝土提供较强的侧向约束，能够提高拱的极限承载力，同时FRP的化学稳定性又可以避免传统的钢管混凝土拱易腐蚀的问题。但是FRP属于线弹性材料，结构产生破坏一般表现为FRP管体被撑破，虽然这种脆性破坏的模式可以通过优化铺层等方式得到某种程度的改善，但其提高的延性程度仍无法满足越来越高的抗震性能要求；同时FRP多为柔性片材，因此FRP约束混凝土拱的刚度也较钢管混凝土拱低，且单体跨度往往较小。因此申请号为201420830765.3的中国实用新型专利公开了一种分段式FRP管混凝土拱圈单体的拼接结构，可以有效增加FRP约束混凝土拱结构的长度和跨越能力，但这种拼接结构施工较为复杂，不易推广使用。

发明内容

本发明为解决传统的钢管混凝土拱结构采用钢管裸露于混凝土外，导致钢管拱结构容易发生屈服，且制作困难、用钢量大、焊接工作繁重、易腐蚀及使用寿命短的问题，而提出一种FRP约束钢管混凝土拱结构。

本发明的一种FRP约束钢管混凝土拱结构，其组成包括实腹式拱肋和两个基础，两个基础对称设置在实腹式拱肋的两端，所述实腹式拱肋包括钢管、FRP层和混凝土，FRP层包覆在钢管的外层，且FRP层与钢管通过树脂粘结成复合管，复合管内浇筑混凝土。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

一、本发明的FRP约束钢管混凝土拱由于FRP层被动约束的作用，使得钢管在屈服后对混凝土的套箍效应增强并得到持续充分的发展，进一步提高了混凝土的抗压强度，并使钢管和混凝土之间产生持续的内力重分布，提高FRP约束钢管混凝土拱的承载能力和塑性变形能力。

二、FRP材料结合钢管使用可以替代一部分钢管，不但减轻了结构整体的重量，减薄大直径钢管的壁厚，降低拱肋的用钢量和成本，还能够延缓钢管的屈曲，改善钢管的受力性能。

三、FRP层化学性质稳定、不易腐蚀、耐久性好，能够解决普通钢管混凝土拱钢管锈蚀的问题。同时利用FRP约束钢管混凝土拱的原理也可为现存老旧拱桥结构外贴FRP材料进行防腐保护与加固。

四、钢管具有较大的轴向刚度，在混凝土浇注过程中可以直接作为模板使用，能够节省模板的制作费用，缩短工期，同时还可以避免浇筑混凝土过程中出现局部屈曲现象；同时钢管在FRP材料的粘贴过程中可以作为缠绕模具，能够节省模具的制作费用和脱模过程，降低生产成本。

五、当FRP层和钢管之间增加橡胶层时，由于橡胶层的存在，延缓了FRP层约束作用的发挥，推迟了FRP层的断裂，使得结构具有更好的延性，同时提供了结构在钢管屈服后强化的二次刚度，使结构具有足够的承载力储备。橡胶层的高阻尼特性，也可消耗结构的振动能量，减小结构的地震反应，增强结构的抗震性能。

附图说明

图1是本发明FRP约束钢管混凝土拱结构的示意图；

图2是实腹式拱肋2的截面形状为圆形结构示意图；

图3是实腹式拱肋2的截面形状为方形结构示意图；

图4是实腹式拱肋2的截面形状为哑铃形结构示意图；

图5是FRP层3与钢管4设置有橡胶层6的示意图；

图6是本发明的拱肋为桁式拱的结构示意图；

图7是实腹式拱肋2的数量为三个时，桁式拱的截面形状为三角形结构示意图；

图8是实腹式拱肋2的数量为四个时，桁式拱的截面形状为矩形结构示意图；

图9是腹杆支撑7为复合管结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式包括实腹式拱肋2和两个基础1，两个基础1对称设置在实腹式拱肋2的两端，且实腹式拱肋2的两端分别与两侧基础1固接，所述实腹式拱肋2包括钢管4、FRP层3和混凝土5，FRP层3包覆在钢管4的外层，且FRP层3与钢管4通过树脂粘结成复合管，复合管内浇筑混凝土5，复合管对混凝土5施加约束作用，灌注混凝土时选用自密实混凝土，宜采用泵送顶升法一次性连续对称浇注完成。浇注完成后，将钢管所有开孔封闭，并静置养护28天。钢管4由直钢管煨弯或钢板焊接成钢管拱，实腹式拱肋2以钢管为缠绕模具将FRP层3连续沿钢管4环向及轴向置于钢管表面，制成一层或多层FRP管，各层纤维之间也采用树脂粘结。为了保证FRP层3与钢管4之间的粘结效果，增强粘贴强度和耐久性，在粘贴FRP纤维之前,应对钢管4进行表面处理或喷砂处理，除去钢管外表面的铁锈、涂料和油漆，并进行清洗。当表面处理完成后应及时粘贴FRP纤维，否则会降低粘结强度。同时可以通过采用电热毯或加热器等设备来提高粘结剂的养护速度。FRP为纤维增强塑料。实腹式拱肋2的线形形式为抛物线形、圆弧形或悬链线形。

实腹式拱肋2由拱肋节段组装而成，拱肋节段加工前，应根据理论设计拱轴坐标和预留拱度值进行放样，确定拱肋节段数及节段长度。拱肋节段由直钢管煨弯或钢板焊接成管，在几何尺寸检查合格后进行组装焊接，并按设计要求预留混凝土压注孔、振捣孔及排气孔等。

外层的FRP纤维根据纤维束的粘贴方向可分为环向纤维和轴向纤维。当外包FRP钢管拱开始承受外荷载作用时，纤维处于环向受拉状态，随着荷载的增加，在接近极限承载力时，环向纤维局部区域因拱发生屈曲变形而开始进入受压状态，但在拱发生失稳之前，整体仍以环向受拉为主，环向纤维的受力转换对承载力的影响可忽略不计。因此沿环向粘贴的纤维主要通过环向受拉对钢管产生环向约束，进而限制钢管屈曲变形的发展，提高构件的稳定承载力和延性。而轴向纤维在试件达到稳定承载力之前全部处于受压状态，由于加载初始阶段变形较小，轴向纤维形成依附于钢管表面的筒状结构，这使其可以承担部分压力。随着拱结构失稳的产生，部分轴向纤维由于钢管的屈曲变形逐渐转换为受拉状态，进而起到限制试件变形发展的作用，能够提高拱的后屈曲性能。

以拱受到轴压荷载为例(全跨均布荷载作用下的抛物线拱或径向均布荷载作用下的圆弧拱)，描述FRP约束钢管混凝土拱受力机理如下：加载初始阶段，钢管和核心混凝土直接承受外荷载，而最外层的FRP材料不承受荷载作用，并且此时FRP层也未开始对混凝土产生约束作用；当荷载逐渐增加直至混凝土的泊松比大于钢材时，混凝土与钢管壁之间出现径向压力，钢管径向变形增加，FRP受到径向压力和环向拉力，钢管与FRP管对核心混凝土同时施加约束作用。此时核心混凝土处于三向受压状态，钢管处于双向受力状态(径向压力相对于轴向、环向较小，可忽略)，FRP层处于环向受拉状态；随着荷载增加直至钢管发生屈服，钢管与核心混凝土之间产生轴向压力的重分布，即钢管承受压力不断减小，因此钢管从主要承受轴向压应力转变为主要承受环向应力，而由于FRP管的被动约束作用，核心混凝土的套箍强化得到持续充分的发展，核心混凝土因受到钢管和FRP管的双重约束而具有更高的抗压强度；最后，拱肋最大变形处最外层FRP材料达到其极限强度，发生局部断裂，混凝土受到的约束作用迅速减小，钢管和核心混凝土所能承担的轴向压力达到最大值，FRP约束钢管混凝土拱发生失稳，承载力开始下降。

与传统钢管混凝土拱相比，FRP约束钢管混凝土拱由于FRP层附加约束的作用，使得钢管在屈服后对核心混凝土的套箍效应增强，进一步提高了核心混凝土的抗压强度。同时钢管由于承受来自FRP层约束的径向外压力的作用，使得钢管处于更为有效的双向应力状态，可以延缓钢管的屈曲，改善钢管的受力性能；并且FRP层的约束作用也使得钢管在屈曲前后其截面的刚度发生了变化，提高了拱的塑性变形能力，在一定程度上也可以提高拱的抗震性能。因此，钢管屈服并不意味着FRP约束钢管混凝土拱已经丧失承载能力，正好相反，在钢管屈服后的塑流过程中，由于FRP管的被动约束作用，核心混凝土的套箍强化才得到持续充分的发展，在钢管和核心混凝土之间才产生持续的内力重分布，从而使FRP约束钢管混凝土的承载能力和变形能力得到明显提高。

具体实施方式二：结合图1～图4说明本实施方式，本实施方式的混凝土5为普通自密实混凝土或高强混凝土。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式的FRP层3为一层或多层的塑料，所述的塑料为玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料、玄武岩纤维增强塑料及芳纶纤维增强塑料中的一种或几种混杂而成。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

本实施方式中所述的塑料为玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料、玄武岩纤维增强塑料及芳纶纤维增强塑料中的几种混杂而成时，各成分间为任意比。

具体实施方式四：本实施方式的树脂为环氧树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂或酚醛树脂。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式的实腹式拱肋2的截面形状为圆形、方形、矩形、椭圆形或哑铃形。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或四相同。

具体实施方式六：结合图5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式五不同的是它还增加有橡胶层6，橡胶层6设置在FRP层3与钢管4之间，FRP层3与橡胶层6之间、橡胶层6与钢管4之间均用树脂粘结。橡胶层6起到FRP层3的约束增强作用。在上述增加橡胶层6的复合拱中，钢管4是混凝土5的第一层约束材料，FRP层3是混凝土5的第二层约束材料。橡胶层6位于两层约束材料之间，利用其低弹模、高变形、易恢复的特性，缓冲FRP层3的约束增强作用，使得钢管4和FRP层3对混凝土5约束时产生了一个时间差。混凝土5在受压时，首先，作为第一层约束材料的钢管发挥约束作用，混凝土5的强度与变形能力得到第一阶段增强，此时，FRP层3尚未发挥出对混凝土5的约束作用；在外荷载继续增加时，混凝土5横向膨胀引起橡胶层6的横向压缩，FRP层3与钢管4之间的间隙逐渐被减小，FRP层3对混凝土的约束作用逐渐产生，混凝土5的强度与变形能力得到第二阶段增强。橡胶层6具有较大的变形和恢复特性，能够推迟了FRP层的断裂，使得结构具有更好的延续性；同时，FRP层3对核心混凝土的第二阶段约束增强提供了结构在钢管屈服后强化的二次刚度，使得结构具有足够的承载力储备。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图5说明本实施方式，本实施方式的橡胶层6为天然橡胶或氯丁橡胶。这种材质具有较大的变形和恢复特性，能够推迟了FRP层的断裂，使得结构具有更好的延续性。其它组成及连接关系与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：结合图7说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式七不同的是它还增加有数个腹杆支撑7，实腹式拱肋2的数量为三个，从截面看：三个实腹式拱肋2按三角形或倒三角形布置，每相邻的实腹式拱肋2之间设有数个腹杆支撑7，且腹杆支撑7的两端分别与两侧实腹式拱肋2固接。本实施方式为桁式拱。其它组成及连接关系与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：结合图8说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式七不同的是它还增加有数个腹杆支撑7，实腹式拱肋2的数量为四个，从截面看：四个实腹式拱肋2按矩形或倒梯形布置，每相邻的实腹式拱肋2之间设有数个腹杆支撑7，且腹杆支撑7的两端分别与两侧实腹式拱肋2固接。本实施方式为桁式拱。其它组成及连接关系与具体实施方式七相同。

具体实施方式十：结合图9说明本实施方式，本实施方式的腹杆支撑7为钢管或由钢管4和FRP层3复合而成的复合管。其它组成及连接关系与具体实施方式八或九相同。

Claims (10)

1.一种FRP约束钢管混凝土拱结构，其特征在于：所述一种FRP约束钢管混凝土拱结构包括实腹式拱肋(2)和两个基础(1)，两个基础(1)对称设置在实腹式拱肋(2)的两端，所述实腹式拱肋(2)包括钢管(4)、FRP层(3)和混凝土(5)，FRP层(3)包覆在钢管(4)的外层，且FRP层(3)与钢管(4)通过树脂粘结成复合管，复合管内浇筑混凝土(5)。

2.根据权利要求1所述的一种FRP约束钢管混凝土拱结构，其特征在于：所述混凝土(5)为普通自密实混凝土或高强混凝土。

3.根据权利要求1或2所述的一种FRP约束钢管混凝土拱结构，其特征在于：所述FRP层(3)为一层或多层的塑料，所述的塑料为玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料、玄武岩纤维增强塑料及芳纶纤维增强塑料中的一种或几种混杂而成。

4.根据权利要求3所述的一种FRP约束钢管混凝土拱结构，其特征在于：所述树脂为环氧树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂或酚醛树脂。

5.根据权利要求1、2或4所述的一种FRP约束钢管混凝土拱结构，其特征在于：所述实腹式拱肋(2)的截面形状为圆形、方形、矩形、椭圆形或哑铃形。

6.根据权利要求5所述的一种FRP约束钢管混凝土拱结构，其特征在于：所述FRP约束钢管混凝土拱结构还包括橡胶层(6)，所述橡胶层(6)设置在FRP层(3)与钢管(4)之间，FRP层(3)与橡胶层(6)之间、橡胶层(6)与钢管(4)之间均用树脂粘结。

7.根据权利要求6所述的一种FRP约束钢管混凝土拱结构，其特征在于：所述橡胶层(6)为天然橡胶或氯丁橡胶。

8.根据权利要求7所述的一种FRP约束钢管混凝土拱结构，其特征在于：所述FRP约束钢管混凝土拱结构还包括数个腹杆支撑(7)，实腹式拱肋(2)的数量为三个，从截面看：三个实腹式拱肋(2)按三角形或倒三角形布置，每相邻的实腹式拱肋(2)之间设有数个腹杆支撑(7)。

9.根据权利要求7所述的一种FRP约束钢管混凝土拱结构，其特征在于：所述外包FRP钢管拱结构还包括数个腹杆支撑(7)，实腹式拱肋(2)的数量为四个，从截面看：四个实腹式拱肋(2)按矩形或倒梯形布置，每相邻的实腹式拱肋(2)之间设有数个腹杆支撑(7)。

10.根据权利要求8或9所述的一种FRP约束钢管混凝土拱结构，其特征在于：所述腹杆支撑(7)为钢管或由钢管(4)和FRP层(3)复合而成的复合管。