碳纖維復(fù)合鋼管混凝土柱及其建造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種碳纖維復(fù)合鋼管混凝土柱及其建造方法，包括混凝土柱本體，在所述混凝土柱本體的節(jié)點(diǎn)區(qū)、端部包覆有鋼管形成鋼管約束區(qū)，在所述混凝土柱本體的反彎點(diǎn)區(qū)包覆有碳纖維布形成碳纖維布約束區(qū)，且所述鋼管約束區(qū)和所述碳纖維布約束區(qū)相鄰。在梁、混凝土柱本體節(jié)點(diǎn)區(qū)與混凝土柱本體的端部利用鋼管約束混凝土，而在混凝土柱本體的反彎點(diǎn)區(qū)利用碳纖維布約束混凝土。碳纖維復(fù)合鋼管混凝土柱本體整個(gè)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)區(qū)無(wú)削弱，能有效保證強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的要求?；炷林倔w部分及鋼管約束區(qū)可在澆筑時(shí)完成，再通過(guò)粘貼碳纖維布形成碳纖維布約束區(qū)能夠適應(yīng)不同的形狀，能夠適應(yīng)鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工困難等缺點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】碳纖維復(fù)合鋼管混凝±柱及其建造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及±建工程【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是指一種碳纖維復(fù)合鋼管混凝±柱及其建造 方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有的鋼管混凝±柱有效地利用了鋼管和混凝±兩者之間的相互約束而產(chǎn)生的 增強(qiáng)作用，具有承重能力高、延性好、抗爆抗沖擊性能優(yōu)良等特點(diǎn)。但由于鋼管和混凝±同 時(shí)受壓，在強(qiáng)震作用下鋼管受壓會(huì)造成鋼管壓屈而無(wú)法有效約束混凝±，因此無(wú)法發(fā)揮鋼 材的全部能力。且節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，施工困難，節(jié)點(diǎn)耗材，成本高成為困擾工程應(yīng)用的主要問(wèn) 題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 基于此，本發(fā)明在于提供一種碳纖維復(fù)合鋼管混凝±柱及其建造方法，其能克服 現(xiàn)有技術(shù)的不足，其確?；炷乐麄€(gè)結(jié)構(gòu)都能夠受到約束，提高了混凝±柱的強(qiáng)度和抗 變形能力。
[0004] 其技術(shù)方案如下：
[0005] 一種碳纖維復(fù)合鋼管混凝±柱，包括混凝±柱本體，在所述混凝±柱本體的節(jié)點(diǎn) 區(qū)、端部包覆有鋼管形成鋼管約束區(qū)，在所述混凝±柱本體的反彎點(diǎn)區(qū)包覆有碳纖維布形 成碳纖維布約束區(qū)，且所述鋼管約束區(qū)和所述碳纖維布約束區(qū)相鄰。
[0006] 下面對(duì)進(jìn)一步技術(shù)方案進(jìn)行說(shuō)明：
[0007] 進(jìn)一步的，所述鋼管或所述碳纖維布的厚度t，其滿足如下公式：
[000引 Nc= f cA= (f c+4f\)Ac (1)
[0009] /r=單 （2) dear
[0010] 其中；Nc--受壓承載力；
[0011] fe--素混凝上抗壓強(qiáng)度；
[0012] f。。一約束混凝±抗壓強(qiáng)度；
[0013] A。一一被約束混凝±的截面積；
[0014] 屯。r--被約束混凝±的直徑；
[0015] fy-一鋼管或碳纖維布的抗拉強(qiáng)度；
[0016] f\ --鋼管或碳纖維布提供的約束力。
[0017] 進(jìn)一步的，所述碳纖維布的長(zhǎng)度不小于所述混凝±柱本體的橫截面周長(zhǎng)。
[0018] 進(jìn)一步的，在所述碳纖維區(qū)設(shè)置有縱筋。
[0019] 進(jìn)一步的，所述碳纖維布的寬度為80-150mm。
[0020] 還公開(kāi)了一種如W上任意一項(xiàng)所述的碳纖維復(fù)合鋼管混凝上柱的建造方法，該建 造方法包括：
[0021] (1)在鋼管約束區(qū)W鋼管為模板，在碳纖維布約束區(qū)支模，進(jìn)行誘筑形成混凝上柱 本體；
[0022] (2)對(duì)混凝±柱本體上碳纖維布約束區(qū)對(duì)應(yīng)的區(qū)域進(jìn)行清理；
[0023] (3)對(duì)混凝±柱本體上碳纖維布約束區(qū)對(duì)應(yīng)的區(qū)域涂底膠、涂結(jié)構(gòu)膠，再粘貼碳纖 維布形成碳纖維布約束區(qū)。
[0024] 進(jìn)一步的，還包括步驟（4) 2化-4她后，在所述碳纖維布上涂環(huán)氧樹脂浸潰劑。
[0025] 進(jìn)一步的，還包括步驟（5)對(duì)鋼管進(jìn)行防誘、防火處理。
[0026] 進(jìn)一步的，所述步驟（2)包括打磨去除混凝±表面的浮漿，直到打磨至粗骨料裸 露，去浮沉，干燥。
[0027] 進(jìn)一步的，在步驟（3)中，確保所述碳纖維布對(duì)混凝±柱本體提供的環(huán)向約束力 與所述鋼管對(duì)混凝±柱本體提供的環(huán)向約束力/r,相等，且/ri與/r,滿足如下關(guān)系式；
[002引 Nc= f cA= (f c+4f\)Ac (1) ,2//-,
[0029] /, U ； d…
[0030] 其中；Nc--覺(jué)壓承載力；
[0031] f。一一素混凝±抗壓強(qiáng)度；
[0032] f。。一一約束混凝±抗壓強(qiáng)度；
[0033] A。一一被約束混凝±的截面積；
[0034] cU-一被約束混凝上的直徑；
[0035] fy-一鋼管或碳纖維布的抗拉強(qiáng)度；
[0036] t一一鋼管或所述碳纖維布的厚度t ;
[0037] f\ 一一鋼管或碳纖維布提供的約束力。
[003引進(jìn)一步的，在步驟（1)中還包括在所述碳纖維布約束區(qū)設(shè)置縱筋，再進(jìn)行誘筑。
[0039] 進(jìn)一步的，所述底膠的厚度為0. 05mm-0. 2mm。
[0040] 進(jìn)一步的，所述結(jié)構(gòu)膠的厚度為0. 2-0. 5mm。
[0041] 下面對(duì)前述技術(shù)方案的原理、效果等進(jìn)行說(shuō)明：
[0042] 上述碳纖維復(fù)合鋼管混凝±柱通過(guò)鋼管和碳纖維布分區(qū)域約束混凝±，在梁、混 凝±柱本體節(jié)點(diǎn)區(qū)與混凝±柱本體的端部利用鋼管約束混凝±，而在混凝±柱本體的反彎 點(diǎn)區(qū)利用碳纖維布約束混凝±?；炷乐倔w的反彎點(diǎn)一般位于混凝±柱本體的中部，反 彎點(diǎn)附近彎矩很小，對(duì)混凝±柱截面的抗彎承載力需求小，在此處截?cái)噤摴軐?duì)混凝±柱本 體的抗彎承載力影響最小。反彎點(diǎn)處的碳纖維布僅用來(lái)提供環(huán)向約束力，保證了軸壓承載 力不被削弱，同時(shí)利用碳纖維布僅受拉不能受壓的特性，阻斷了軸力傳遞到鋼管約束區(qū)，從 而起到防止鋼管壓屈的作用。碳纖維復(fù)合鋼管混凝±柱本體整個(gè)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)區(qū)無(wú)削弱，能有 效保證強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的要求。
[0043] 上述碳纖維復(fù)合鋼管混凝±柱可按照現(xiàn)有的鋼管混凝±柱的建造方式進(jìn)行施工， 混凝±柱本體部分及鋼管約束區(qū)可在誘筑時(shí)完成，之后再通過(guò)粘貼碳纖維布形成碳纖維布 約束區(qū)，施工方便，且柔軟的碳纖維布能夠適應(yīng)不同的形狀，能夠適應(yīng)鋼管混凝±柱節(jié)點(diǎn)結(jié) 構(gòu)復(fù)雜、施工困難等缺點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0044] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例所述的碳纖維復(fù)合鋼管混凝±柱的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045] 圖2是圖1中A-A處的剖視圖；
[0046] 圖3是圖2中N-N處的剖視圖；
[0047] 圖4是圖2中M-M處的剖視圖。
[0048] 附圖標(biāo)記說(shuō)明：
[0049] 10、混凝±柱本體，12、碳纖維布，14、碳纖維布約束區(qū)，16、縱筋，20、鋼管，22、鋼管 約束區(qū)，24、框架梁，26、連接環(huán)梁。

【具體實(shí)施方式】
[0050] 下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：
[0化1] 如圖1及圖2所示，一種碳纖維復(fù)合鋼管混凝±柱，包括混凝±柱本體10,在所述 混凝±柱本體10的節(jié)點(diǎn)區(qū)、端部包覆有鋼管20形成鋼管約束區(qū)22,在所述混凝±柱本體 10的反彎點(diǎn)區(qū)包覆有碳纖維布12形成碳纖維布約束區(qū)14,且所述鋼管約束區(qū)22和所述碳 纖維布約束區(qū)14相鄰。
[0化2] 上述碳纖維復(fù)合鋼管混凝±柱通過(guò)鋼管20和碳纖維布12分區(qū)域約束混凝±，在 梁、混凝±柱本體10節(jié)點(diǎn)區(qū)與混凝±柱本體10的端部利用鋼管20約束混凝±，而在混凝 上柱本體10的反彎點(diǎn)區(qū)利用碳纖維布12約束混凝±?；炷乐倔w10的反彎點(diǎn)一般位 于混凝±柱本體10的中部，反彎點(diǎn)附近彎矩很小，對(duì)混凝±柱截面的抗彎承載力需求小， 在此處截?cái)噤摴軐?duì)混凝±柱本體10的抗彎承載力影響最小。反彎點(diǎn)處的碳纖維布12僅用 來(lái)提供環(huán)向約束力，保證了軸壓承載力不被削弱，同時(shí)利用碳纖維布12僅受拉不能受壓的 特性，阻斷了軸力傳遞到鋼管約束區(qū)22,從而起到防止鋼管20壓屈的作用。碳纖維復(fù)合鋼 管混凝±柱整個(gè)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)區(qū)無(wú)削弱，能有效保證強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的要求。
[0化3] 如圖1及圖2所示，在用鋼筋混凝±形成的框架梁24的兩個(gè)面分別設(shè)有混凝±柱 本體10,并在混凝±柱10本體與框架梁24的連接處設(shè)有連接環(huán)梁26。所述鋼管20設(shè)于 所述框架梁24、連接環(huán)梁26及混凝±柱本體10的節(jié)點(diǎn)處，同時(shí)鋼管20還延伸整個(gè)混凝± 柱本體10的端部，最終，鋼管20延伸至混凝±柱本體10的中部、與設(shè)于混凝±柱本體10 的反彎點(diǎn)處的碳纖維布12相鄰（不需要連接），相當(dāng)于鋼管20 -直延伸至節(jié)點(diǎn)中，使用碳 纖維布12替代柱反彎點(diǎn)處的鋼管，碳纖維布12和鋼管20配合覆蓋整個(gè)混凝±柱本體10， 碳纖維布12提供環(huán)向約束拉力，使混凝±-直處于=軸受壓狀態(tài)，同時(shí)保證鋼管不壓屈。 [0054] 如圖3所示，在所述碳纖維布約束區(qū)14內(nèi)設(shè)有縱筋16。當(dāng)混凝±柱本體10中存 在軸向拉力時(shí)，在碳纖維布約束區(qū)14縱向設(shè)置有縱筋16,縱筋16優(yōu)選為鋼筋，縱筋16應(yīng)滿 足規(guī)范的錯(cuò)固長(zhǎng)度，保證拉力的有效傳遞。
[0化5] 所述碳纖維布12環(huán)向包裹所述混凝±柱本體10,繞混凝±柱本體10表面一整圈， 碳纖維布12的長(zhǎng)度不小于所述混凝±柱本體10的橫截面周長(zhǎng)。所述碳纖維布12的寬度h 為80-150mm，本實(shí)施例優(yōu)選h為100mm。在施工時(shí)，應(yīng)使碳纖維布12的環(huán)向約束力與鋼管 20的環(huán)向約束力相當(dāng)，保證混凝±柱全高度不存在約束薄弱區(qū)，碳纖維布12的厚度t可由 W下計(jì)算式（1)、（2)算出：
[0056] Nc= f ,A= (f c+4f JA, (1)
[0化7] f了 =華 (2) dear
[(K)郎]其中；Nc--受壓承載力；
[0059] fc一一素混凝上抗壓強(qiáng)度；
[0060] f。。一約束混凝±抗壓強(qiáng)度；
[0061] A。一一被約束混凝±的截面積；
[0062] 屯。r一一被約束混凝±的直徑；
[0063] fy-一鋼管或碳纖維布的抗拉強(qiáng)度；
[0064] f\ 一一鋼管或碳纖維布提供的約束力。
[00化]由W上計(jì)算式可W看出，當(dāng)所述碳纖維布對(duì)混凝上柱本體提供的環(huán)向約束力/ti 與所述鋼管對(duì)混凝±柱本體提供的環(huán)向約束力/'r,相等，從而根據(jù)已知的鋼管20的厚度計(jì) 算得出碳纖維布12的厚度t。
[0066] 一種碳纖維復(fù)合鋼管混凝±柱的建造方法，該建造方法包括：
[0067] (1)在鋼管約束區(qū)22 W鋼管20為模板，在碳纖維布約束區(qū)14支模，進(jìn)行誘筑形成 混凝±柱本體10 ;
[0068] (2)對(duì)混凝±柱本體10上碳纖維布約束區(qū)14對(duì)應(yīng)的區(qū)域進(jìn)行清理；
[0069] (3)對(duì)混凝±柱本體10上碳纖維布約束區(qū)14對(duì)應(yīng)的區(qū)域涂底膠、涂結(jié)構(gòu)膠，再粘 貼碳纖維布形成碳纖維布約束區(qū)14。
[0070] 碳纖維布約束區(qū)14能先按照普通鋼筋混凝±節(jié)點(diǎn)進(jìn)行施工，然后粘貼碳纖維布 12,施工方便。碳纖維布12復(fù)合鋼管20約束混凝±柱本體10,梁與柱連接方便、材料受力 明確，約束效果好，鋼管無(wú)屈曲問(wèn)題，抗震性能優(yōu)越，軸壓比限值高。
[0071] 還包括步驟（4)等待2化-4她后，在所述碳纖維布12上涂環(huán)氧樹脂浸潰劑；并保 證環(huán)氧樹脂浸潰劑覆蓋碳纖維布12的表面，確保充分侵潤(rùn)碳纖維布12的纖維中，進(jìn)行養(yǎng)護(hù) 至底膠及結(jié)構(gòu)膠硬化達(dá)到規(guī)范規(guī)定的強(qiáng)度要求。
[0072] 還包括步驟（5)對(duì)鋼管進(jìn)行防誘、防火處理。W提高鋼管約束區(qū)22的防誘及防火 性能，滿足相關(guān)要求。
[0073] 其中，在步驟（1)中，在進(jìn)行誘筑混凝±柱本體10時(shí)，所述鋼管約束區(qū)22可W不 需要另外支模，利用鋼管20作為其主要的支模；而碳纖維布約束區(qū)14此時(shí)還沒(méi)有粘貼碳纖 維布14,需要預(yù)留相應(yīng)的區(qū)域作為碳纖維布約束區(qū)14,此區(qū)域需要支模，之后再進(jìn)行整體 誘筑，誘筑過(guò)程可參照現(xiàn)有的相關(guān)誘筑技術(shù)，此時(shí)，形成的混凝±柱本體10包含有鋼管約 束區(qū)22。
[0074] 并且在進(jìn)行誘筑工藝之前，在支模的區(qū)域設(shè)置縱筋16,縱筋16應(yīng)滿足規(guī)范的錯(cuò)固 長(zhǎng)度，保證拉力的有效傳遞。
[0075] 在進(jìn)行步驟（2)之前，可參照現(xiàn)有技術(shù)，選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)間及相應(yīng)技術(shù)對(duì)未設(shè)置碳 纖維布12的碳纖維布約束區(qū)14(即未設(shè)置鋼管20的區(qū)域）進(jìn)行拆模，為進(jìn)行步驟（2)做 準(zhǔn)備。
[0076] 在步驟（2)中，對(duì)需要粘貼碳纖維布的碳纖維布約束區(qū)14的混凝±表面進(jìn)行處 理，具體包括；用打磨機(jī)磨去混凝±表面的浮漿，打磨直到粗骨料裸露，然后去除浮塵，干燥 后待用。
[0077] 在步驟（3)中，在干燥的尚未粘貼碳纖維布12的碳纖維布約束區(qū)14表面飽滿、均 勻地打上一層底膠，等底膠風(fēng)干后再滾涂一層結(jié)構(gòu)膠，然后粘貼碳纖維布12,粘貼時(shí)需要碳 纖維布12環(huán)向包裹在混凝±柱本體10的表面一整圈，碳纖維布12的長(zhǎng)度不小于混凝±柱 本體10的周長(zhǎng)。并且應(yīng)確保碳纖維布12的環(huán)向約束力應(yīng)與鋼管20提供的環(huán)向約束力相 當(dāng)，保證柱全高度不存在約束薄弱區(qū)，碳纖維布厚度t的計(jì)算方法可參照上述計(jì)算方法，由 計(jì)算式（1)、（2)算出。其中，所述底膠的涂覆厚度為0.05mm-0. 2mm，所述結(jié)構(gòu)膠的涂覆厚 度為 0. 2mm-〇. 5mm。
[007引 W上所述實(shí)施例的各技術(shù)特征可W進(jìn)行任意的組合，為使描述簡(jiǎn)潔，未對(duì)上述實(shí) 施例中的各個(gè)技術(shù)特征所有可能的組合都進(jìn)行描述，然而，只要該些技術(shù)特征的組合不存 在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本說(shuō)明書記載的范圍。
[0079] W上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，其描述較為具體和詳細(xì)，但并 不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可W做出若干變形和改進(jìn)，該些都屬于本發(fā)明的保 護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種碳纖維復(fù)合鋼管混凝土柱，其特征在于，包括混凝土柱本體，在所述混凝土柱本 體的節(jié)點(diǎn)區(qū)、端部包覆有鋼管形成鋼管約束區(qū)，在所述混凝土柱本體的反彎點(diǎn)區(qū)包覆有碳 纖維布形成碳纖維布約束區(qū)，且所述鋼管約束區(qū)和所述碳纖維布約束區(qū)相鄰。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維復(fù)合鋼管混凝土柱，其特征在于，所述鋼管或所述碳 纖維布的厚度t，其滿足如下公式：
其中：Nc--受壓承載力； fc一一素混凝土抗壓強(qiáng)度；fcc一一約束混凝土抗壓強(qiáng)度； Ac--被約束混凝土的截面積； dcor 被約束混凝土的直徑； fy--鋼管或碳纖維布的抗拉強(qiáng)度；fT一一鋼管或碳纖維布提供的約束力。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維復(fù)合鋼管混凝土柱，其特征在于，所述碳纖維布的長(zhǎng) 度不小于所述混凝土柱本體的橫截面周長(zhǎng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維復(fù)合鋼管混凝土柱，其特征在于，在所述碳纖維區(qū)設(shè) 置有縱筋。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維復(fù)合鋼管混凝土柱，其特征在于，所述碳纖維布的寬 度為 80~1 50mm〇
6. -種如權(quán)利要求1至5任意一項(xiàng)所述的碳纖維復(fù)合鋼管混凝土柱的建造方法，其特 征在于，該建造方法包括： (1) 在鋼管約束區(qū)以鋼管為模板，在碳纖維布約束區(qū)支模，進(jìn)行澆筑形成混凝土柱本 體； (2) 對(duì)混凝土柱本體上碳纖維布約束區(qū)對(duì)應(yīng)的區(qū)域進(jìn)行清理； (3) 對(duì)混凝土柱本體上碳纖維布約束區(qū)對(duì)應(yīng)的區(qū)域涂底膠、涂結(jié)構(gòu)膠，再粘貼碳纖維布 形成碳纖維布約束區(qū)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的碳纖維復(fù)合鋼管混凝土柱的建造方法，其特征在于，還包括 步驟（4) 24h-48h后，在所述碳纖維布上涂環(huán)氧樹脂浸漬劑。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的碳纖維復(fù)合鋼管混凝土柱的建造方法，其特征在于，還包 括步驟（5)對(duì)鋼管進(jìn)行防銹、防火處理。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的碳纖維復(fù)合鋼管混凝土柱的建造方法，其特征在于，所述步 驟（2)包括打磨去除混凝土表面的浮漿，直到打磨至粗骨料裸露，去浮沉，干燥。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的碳纖維復(fù)合鋼管混凝土柱的建造方法，其特征在于，在步驟 (3)中，確保所述碳纖維布對(duì)混凝土柱本體提供的環(huán)向約束力與所述鋼管對(duì)混凝土柱本 體提供的環(huán)向約束力尤2相等，且/^與/^滿足如下關(guān)系式：
其中：Nc--受壓承載力； fc一一素混凝土抗壓強(qiáng)度；fcc一一約束混凝土抗壓強(qiáng)度； Ac--被約束混凝土的截面積； dcor 被約束混凝土的直徑； fy--鋼管或碳纖維布的抗拉強(qiáng)度；t--鋼管或所述碳纖維布的厚度t; fT一一鋼管或碳纖維布提供的約束力。
11. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的碳纖維復(fù)合鋼管混凝土柱的建造方法，其特征在于，在步驟 (1)中還包括在所述碳纖維布約束區(qū)設(shè)置縱筋，再進(jìn)行澆筑。
12. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的碳纖維復(fù)合鋼管混凝土柱的建造方法，其特征在于，所述底 膠的厚度為〇. 〇5mnH). 2mm。
13. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的碳纖維復(fù)合鋼管混凝土柱的建造方法，其特征在于，所述結(jié) 構(gòu)膠的厚度為0. 2mm-〇. 5mm。
【文檔編號(hào)】E04C3/36GK104481082SQ201410748360
【公開(kāi)日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年12月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月8日
【發(fā)明者】戚永樂(lè), 張春文, 周新顯, 彭雪平, 尹春明, 周玉 申請(qǐng)人:中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院