复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋加劲构件及其制作方法

本发明属于建筑结构相关，更具体地，涉及一种复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋加劲构件及其制作方法与应用。

背景技术：

1、钢筋混凝土结构是最为常见的土木工程结构形式。然而，钢筋锈蚀问题作为钢筋混凝土结构承载力降低的首要因素，一直制约着钢筋混凝土结构的发展，也带来了巨大的经济损失。为解决传统的钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀带来的结构性能退化问题，将由纤维材料和环氧树脂制作而成的复材筋用于代替钢筋用于新建结构中，可以显著提高结构耐久性，已经成为了土木工程领域研究热点之一。

2、但由于复材筋为线弹性材料，导致复材筋混凝土构件的延性较差，复材筋混凝土构件的破坏模态为脆性破坏；复材筋在拉压循环作用下容易发生损伤，导致强度降低，相较于钢筋混凝土构件，复材筋混凝土构件的抗震耗能能力较弱。这两个缺陷严重制约了复材筋混凝土构件在工程中的应用，因此，迫切需要一种耐腐蚀、延性好、抗震强且承载力高的新型构件形式。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋加劲构件及其制作方法与应用，基于复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋形成加劲构件(如，加劲梁、加劲板、加劲柱)，具有耐腐蚀、延性好、抗震强、承载力高、可设计性强、建造成本低的特点，十分适合用于海上风电塔筒、人造岛屿、跨海桥梁等恶劣环境中的基础设施建设，能够有效解决现有复材筋混凝土构件存在的缺陷。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋加劲构件，其特征在于，包括复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋(2)，所述复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋(2)包括钢管(6)、缠绕于钢管外表面的复材(7)和填充于钢管内部的超高性能混凝土(8)；其中，

3、所述复材(7)是由连续的纤维丝浸润结构胶后张紧拉伸缠绕于钢管外表面的，并且，沿钢管长度方向，所述复材(7)的缠绕厚度呈变化分布，使得所述复材(7)形成局部凸起的肋结构；

4、所述超高性能混凝土(8)的轴心抗压强度大于等于100mpa，扩展度大于等于750mm，且自膨胀大于等于100微应变。

5、作为本发明的进一步优选，所述复材(7)的最小缠绕厚度大于等于钢管外径的二十分之一，肋结构的凸起高度大于等于钢管外径的二十分之一，单个凸起的宽度大于等于凸起高度的两倍，相邻2个凸起之间的间距大于等于凸起高度；

6、所述连续的纤维丝是按预设的缠绕角度张紧拉伸缠绕于钢管外表面的；钢管横截面与缠绕过程中纤维丝的拉伸方向形成的夹角为θ，则缠绕角度θ的绝对值满足：10°≤|θ|≤80°；

7、优选的，张紧拉伸时向纤维丝施加的拉力的大小满足：f≥φ/cosθ，其中，f为拉力，单位为n；φ为钢管外径，单位为mm。

8、作为本发明的进一步优选，所述超高性能混凝土(8)是由基体材料、纤维和膨胀剂拌和而成，其中，所述基体材料由水泥、硅灰、粉煤灰、石英砂、石英粉、高效减水剂和水组成，每立方米用量分别为800kg、240kg、112kg、960kg、224kg、40kg和208kg；所述石英砂的目数为10-30目，所述石英粉的目数大于等于200目，所述高效减水剂的减水率大于等于25％；

9、所述纤维为钢纤维和聚乙烯醇纤维中的一种或多种，占所述基体材料体积分数的1％以上；

10、所述膨胀剂是由二氧化硅、三氧化二铝、氧化钙、氧化镁、三氧化硫粉末按质量比12：16：37：2：29配置而成；所述膨胀剂占胶凝材料质量的8％以上，其中，所述胶凝材料质量为所述基体材料中水泥、硅灰、粉煤灰三者的质量之和。

11、作为本发明的进一步优选，所述钢管(6)为椭圆形钢管、圆形钢管或矩形钢管；

12、所述纤维丝为玻璃纤维丝、碳纤维丝、玄武岩纤维丝、芳纶纤维丝中的一种或多种；

13、所述结构胶为环氧树脂。

14、作为本发明的进一步优选，所述加劲构件具体为加劲柱、加劲梁或加劲板；所述复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋(2)分布于加劲构件的受压区。

15、作为本发明的进一步优选，所述加劲构件是将所述复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋(2)绑扎于复材箍筋(4)上形成筋笼，在筋笼的外部搭设模板，将混凝土(5)浇筑于模板中形成的；

16、优选的，所述加劲构件是将复材纵筋(3)和所述复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋(2)绑扎于复材箍筋(4)上形成筋笼，在筋笼的外部搭设模板，将混凝土(5)浇筑于模板中形成的。

17、作为本发明的进一步优选，所述加劲构件的截面为圆形、矩形、工字型、t字型中的任意一种；其中，所述圆形为空心圆形或实心圆形，所述矩形为空心矩形或实心矩形。

18、按照本发明的另一方面，本发明提供了上述复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋加劲构件的制作方法，其特征在于，包括复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋的制作步骤；

19、该复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋的制作步骤包括如下子步骤：

20、s1：准备表面无锈的钢管，将钢管两端固定于旋转轴；

21、s2：准备连续的纤维丝并将纤维丝浸润结构胶，将纤维丝拉出在钢管端部缠绕一圈以上；然后对纤维丝施加拉力使纤维丝处于张紧状态，旋转钢管使纤维丝沿着钢管长度方向根据设定角度缠绕于钢管表面，反复缠绕后至设定的最小缠绕厚度；随后，对钢管局部区域再次缠绕纤维丝，使纤维丝的缠绕厚度沿钢管长度方向呈变化分布，以获得凸起的肋结构；缠绕完成后，静置至少7天待结构胶固化；

22、优选的，拉力的大小满足：f≥φ/cosθ，其中，f为拉力，单位为n；φ为钢管外径，单位为mm；最小缠绕厚度大于等于钢管外径的二十分之一，肋结构的凸起高度大于等于钢管外径的二十分之一，单个凸起的宽度大于等于凸起高度的两倍，相邻2个凸起之间的间距大于等于凸起高度；

23、s3：将超高性能混凝土浇筑于钢管内部，养护后即可得到复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋。

24、作为本发明的进一步优选，制作方法具体是先进行复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋的制作步骤，得到复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋；然后，将所述复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋绑扎于复材箍筋上形成筋笼；接着，在筋笼的外部搭设模板，将混凝土浇筑于模板中从而形成复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋加劲构件。

25、作为本发明的进一步优选，制作方法具体是先进行复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋的制作步骤，得到复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋；然后，将复材纵筋和所述复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋绑扎于复材箍筋上形成筋笼；接着，在筋笼的外部搭设模板，将混凝土浇筑于模板中从而形成复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋加劲构件；

26、当加劲构件为加劲柱时，加劲构件的角部区域使用所述复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋，加劲构件的其他区域使用复材纵筋；

27、当加劲构件为加劲梁时，加劲构件的受压区使用所述复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋，加劲构件的受拉区使用复材纵筋；

28、当加劲构件为加劲板时，加劲构件的受压区使用所述复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋，加劲构件的受拉区使用复材纵筋；

29、优选的，

30、所述加劲柱的截面为圆形或矩形，所述加劲柱具体为圆形实心加劲柱、圆形空心加劲柱、矩形实心加劲柱或矩形空心加劲柱；

31、所述加劲梁的截面为工字型、t字型或矩形，所述加劲梁具体为工字型加劲梁、t字型加劲梁或矩形加劲梁；

32、所述加劲板的截面为矩形，所述加劲梁具体为矩形加劲板。

33、通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明基于复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋形成的加劲构件，由于复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋其外表面使用复材缠绕、内部填充超高性能混凝土，得到的加劲构件具有耐腐蚀、延性好、抗震强且承载力高的特点，尤其可应用于海洋等钢材腐蚀速率快的恶劣环境(例如可应用于海上平台等的搭建)。现有技术已报道了不少超高性能混凝土(如，中国地方标准《超高性能混凝土(uhpc)应用技术规范》db62/t4690-2023)，本发明通过使用轴心抗压强度大于等于100mpa、扩展度大于等于750mm、且自膨胀大于等于100微应变的超高性能混凝土，其中：轴心抗压强度大于等于100mpa能够确保组合筋的强度；扩展度大于等于750mm，流动性好，能够满足各种不同外径钢管的填充；自膨胀大于等于100微应变，能够保证混凝土与钢管的紧密接触、共同受力。

34、不同于常见的钢筋混凝土结构易产生锈蚀、导致结构性能退化，本发明中的钢管由于外表面使用复材紧密缠绕、且内部填充超高性能混凝土，能够有效抑制腐蚀。并且，不同于现有技术中已有的复材筋混凝土构件，本发明复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋可以提供很高的受压承载能力、变形能力和耗能能力。构件的破坏模态改善为有征兆的、逐步的延性破坏；受压承载力得到大幅提高。

35、具体说来，本发明能够取得以下有益效果：

36、(1)本发明加劲构件中使用的复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋，复材纤维丝缠绕角度可变化，能够充分合理的利用复材的材料性能。通过缠绕时施加拉力(拉力值例如可以大于等于钢管外径除以缠绕角度θ的余弦值；其中，拉力按单位为n计，钢管外径按单位为mm计)使复材纤维丝以张紧状态紧密缠绕于钢管外部的复材，可以有效防止钢管锈蚀。

37、(2)本发明加劲构件中使用的复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋中，缠绕的复材纤维其最小缠绕厚度(即，缠绕厚度最薄位置处的缠绕厚度)可优选大于等于钢管外径的二十分之一，能够对钢管提供约束作用延缓钢管受压屈曲，充分发挥钢管的拉压强度和延性；缠绕的复材纤维和钢管对内部的超高性能混凝土提供双重约束，超高性能混凝土的受压强度和延性均得到极大改善，因此复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋能够提供很高的受压承载能力、变形能力和耗能能力。

38、(3)本发明加劲构件中使用的复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋中，通过局部重复缠绕复材纤维丝，使其缠绕厚度沿钢管长度方向呈变化分布，以获得可靠的凸起肋结构，以保证复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋与混凝土之间的可靠粘结。肋结构的凸起高度可优选大于等于钢管外径的二十分之一、凸起宽度可优选大于等于凸起高度的两倍、凸起之间的间距可优选大于等于凸起高度，以进一步确保粘结效果。不同于使用厚度均匀的复材布，本发明使用纤维丝进行缠绕，缠绕厚度沿钢管长度方向变化分布形成局部凸起的肋结构，同时纤维缠绕角度可变化，这些局部凸起肋结构，可以增强组合筋和混凝土之间的粘结作用，保证它们共同受力，而缠绕角度可变化，可设计性强，能够更加合理充分的利用材料性能。

39、(4)本发明的复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋中，尤其可采用特定配方的超高性能混凝土(配方具体如下：超高性能混凝土是由基体材料、纤维和膨胀剂拌和而成，其中，基体材料由水泥、硅灰、粉煤灰、石英砂、石英粉、高效减水剂和水组成，每立方米用量分别为800kg、240kg、112kg、960kg、224kg、40kg和208kg；膨胀剂是由二氧化硅、三氧化二铝、氧化钙、氧化镁、三氧化硫粉末按质量比12：16：37：2：29配置而成；膨胀剂占胶凝材料质量的8％以上，其中，胶凝材料质量为基体材料中水泥、硅灰、粉煤灰三者的质量之和)，一方面，混凝土的强度大于等于100mpa、扩展度大于等于750mm，保证了复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋的高承载力，使得复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋的截面形式设计灵活、适用范围广泛、运输方便；同时，由于该配方采用特定的膨胀剂构成，使超高性能混凝土的自膨胀大于等于100微应变，保证了超高性能混凝土和钢管的紧密贴合协同变形、共同受力，取得更优的技术效果。

40、(5)不同于现有技术中已有的复材筋混凝土构件受力脆性的特点，本发明中基于复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋形成的加劲构件可以提供更高的承载能力、变形能力和耗能能力。构件的破坏模态改善为有征兆的、逐步的延性破坏；承载力得到大幅提高，构件可设计为空心截面，降低自重、减小加劲构件中混凝土用量，抗震耗能能力得到显著提升。

41、(6)基于本发明得到的加劲构件，可作为梁、柱、板构件在结构中使用(加劲构件的截面形状可根据梁、柱、板结构的不同，灵活调整)，适用性广。复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋可重点布置在受压荷载较大的区域，充分合理利用材料性能，降低建造成本(当然，其他区域也可以布置复材缠绕钢管-超高性能混凝土组合筋；例如，全部替代复材筋混凝土构件中的复材纵筋)。