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CN112593658A - 一种钢-frp复合筋海水海砂混凝土梁、设计方法和制备方法 - Google Patents

一种钢-frp复合筋海水海砂混凝土梁、设计方法和制备方法 Download PDF

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CN112593658A CN202011495846.9A CN202011495846A CN112593658A CN 112593658 A CN112593658 A CN 112593658A CN 202011495846 A CN202011495846 A CN 202011495846A CN 112593658 A CN112593658 A CN 112593658A
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郭永昌
蔡咏键
肖淑华
洪林波
陈晓彬
杨嘉霖
林嘉祥
曾俊杰
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Guangdong University of Technology
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    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B1/00—Producing shaped prefabricated articles from the material
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Abstract

本发明提供一种钢‑FRP复合筋海水海砂混凝土梁，其中，包括位于两侧的受压纵筋，所述受压纵筋之间设有若干根箍筋，所述纵筋和箍筋的四周填充海砂混凝土，所述受压纵筋和箍筋均采用钢‑FRP复合筋，所述钢‑FRP复合筋是以钢筋为内芯，以FRP为外层，所述FRP为纤维束在所述钢筋表面缠绕而成的螺纹状肋。本发明还提供一种钢‑FRP复合筋海水海砂混凝土梁的设计方法。本发明还提供一种钢‑FRP复合筋海水海砂混凝土梁的制备方法。本发明中的FPR采用的是纤维束，纤维束能够使用设备自动化缠绕在钢筋外部，可工业化大量生产，生产的产品性能更加稳定。

Description

一种钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁、设计方法和制备方法
技术领域
本发明涉及钢-FRP复合混凝土梁技术领域，更具体地，涉及一种钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁、设计方法和制备方法。
背景技术
在我国海洋强国的战略背景下，海上和周边需要进行大量的基础设施建设。钢筋混凝土结构作为应用最为广泛的建筑结构，在海洋高盐环境下其内部钢筋极易发生腐蚀，降低了结构的服役寿命甚至危及结构安全；随着海洋工程的建设对普通混凝土的需求日益增多而造成河砂的过度开采，导致了河砂资源的枯竭以及我国许多河床河岸出现严重的环境问题，现有的解决方案是采用FRP筋代替普通钢筋，但是其特性与普通钢筋不同，其单独被用于混凝土梁结构中时，FRP筋混凝土构件容易产生脆性破坏以及在使用状态下产生过大的裂缝宽度和挠度的问题，极大地影响了FRP筋混凝土构件的承载和使用性能，极大地限制了FRP筋混凝土构件在土木工程领域中的推广和应用。
中国专利公开号CN206859515U，公开日期为2017年5月5日，该申请公开了一种混杂式FRP-钢复合筋海砂混凝土梁，包括海砂混凝土和固设于海砂混凝土内的上复合筋、下复合筋和箍筋，箍筋设为多个，且沿上复合筋和下复合筋的长度方向均匀固定绑接于上复合筋和下复合筋的外表面上；上复合筋与下复合筋均设为多个，且分别设于海砂混凝土的上端和下端；上复合筋和下复合筋包括钢筋和包覆于钢筋的外表面上的FRP纤维布，每个上复合筋的FRP纤维布为相同材料或不同材料，多个下复合筋的FRP纤维布采用至少两种材料，FRP纤维布与海砂混凝土粘结；下复合筋的FRP纤维布包括碳纤维布、玻璃纤维布、玄武岩纤维布和芳纶纤维布中的至少两种，该专利采用的是纤维布，纤维布需要人工覆于钢筋的外表面，这样的生产成本高，生产获得的复合筋质量良莠不齐，制得的梁性能不稳定，且没有提及FRP-钢复合筋海砂混凝土梁的设计和制备方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的FRP复合筋质量良莠不齐，制得的梁性能不稳定的缺点，提供一种钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁。本发明中的FPR采用的是纤维束，纤维束能够使用设备自动化缠绕在钢筋外部，可工业化大量生产，生产的产品性能更加稳定。
本发明还提供一种钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁的设计方法。
本发明还提供一种钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁，包括位于混凝土梁两侧的受压纵筋，所述受压纵筋之间设有若干根箍筋，所述受压纵筋和箍筋的四周填充海砂混凝土，所述受压纵筋和箍筋均采用的钢-FRP复合筋，所述钢-FRP复合筋是以钢筋为内芯，以FRP为外层，所述FRP为纤维束在所述钢筋表面缠绕形成螺纹状肋。
本技术方案中，纤维束的FRP能够通过自动化设备在钢筋外表面缠绕形成螺纹肋，带有螺纹肋的钢-FRP复合筋兼具钢筋弹性模量高、延性好与FRP轻质高强、耐腐性优良的优点，且自动化生产代替了人工制备，可大量生产，降低了生产成本，产品性能更加稳定。
进一步的，所述钢筋为光圆钢筋或带肋钢筋。
进一步的，所述纤维束为玻璃纤维增强聚合物、碳纤维增强聚合物、玄武岩纤维增强聚合物、方纶纤维增强聚合物中的一种或多种。
进一步的，所述海水海砂混凝土包括水泥、细骨料、粗骨料、海水。细骨料为原始海砂中的中砂，粗骨料为粒径5～20mm的花岗岩碎石，海水为天然海水。
一种钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁的设计方法，包括以下步骤：
S1.根据跨高比和高宽比的经验值确定钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁的截面高度h和宽度b，再根据需要的弹性模量选取钢-FRP复合筋类型；
S2.通过抗弯承载力设计值Mu计算所需配筋面积Asf，选取配筋数量n；
S3.根据设计好的钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁的截面尺寸和配筋数量n，计算屈服挠度和极限挠度；
S4.对裂缝宽度验算。
进一步的，所述步骤S2包括以下具体步骤：
S21.计算极限承载力状态时混凝土相对受压区高度，计算公式如下：
Figure BDA0002842122130000021
S22.计算钢-FRP复合筋应力；计算公式如下：
Figure BDA0002842122130000031
S23.计算钢-FRP复合筋所需配筋面积Asf，选取配筋数量n，Asf的计算公式如下：
Figure BDA0002842122130000032
上式中，a为荷载到支座的距离；εv为钢-FRP复合筋屈服时应变，取εv＝0.002；EⅠ、EⅡ分别为钢-FRP复合筋的初始弹性模量、屈服后弹性模量；fsfy为钢-FRP复合筋的屈服强度；ho为截面有效高度。
进一步的，所述步骤S3包括以下具体步骤：
S24.计算钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁屈服弯矩；
S25.根据有效惯性矩计算极限挠度。
进一步的，所述步骤S24中需要先计算受压区混凝土高度，根据受压区高度计算屈服弯矩，计算公式如下：
屈服时受压区混凝土高度：
Figure BDA0002842122130000033
屈服弯矩：
Figure BDA0002842122130000034
上式中Ec、Es、Ef分别为混凝土、钢筋内芯、FRP的弹性模量；Af和AS分别为FRP和钢筋内芯的横截面积。
截面有效惯性矩：
Figure BDA0002842122130000035
根据材料力学理论，钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁屈服时挠度计算公式：
Figure BDA0002842122130000036
上述(6)、(7)式中，α为与荷载、支承条件相关的挠度系数，四点弯曲简支梁α＝23/216；βd＝0.5(1+Ef/Es)，为粘结系数；Ec为混凝土弹性模量；lo为钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁跨度；
Figure BDA0002842122130000044
分别表示钢-FRP复合筋屈服前后的截面有效惯性矩；Icr表示截面开裂惯性矩；Ig表示截面未开裂时的惯性矩；Mcr、My、Ma分别表示受拉区混凝土开裂时、钢-FRP复合筋屈服时、使用时弯矩。
步骤S4的裂缝宽度计算公式如下所示：
Figure BDA0002842122130000041
Figure BDA0002842122130000042
Figure BDA0002842122130000043
式中，β为受拉区表面至中性轴距离与FRP筋形心至中性轴距离的比值；kd为粘结程度系数，对于钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁，取kd＝1.4；dc为纵筋形心至梁底面的距离；s为纵筋间距；Ef、Es分别为FRP和钢筋的弹性模量。
一种钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁的制备方法，包括以下步骤：
步骤一.根据钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁结构施工图绑扎钢-FRP复合筋笼；
步骤二.建立模板将绑扎好的钢-FRP复合筋笼放入模板，将混凝土充满整个模板，利用振捣棒振捣成型，并抹平表面；
步骤三.在钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁上覆盖防水膜，钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁完成终凝后进行拆模，再洒水养护，同时覆盖防水膜保湿。
进一步的，所述步骤二中混凝土为海水海砂混凝土，所述海水海砂混凝土制备过程如下，将水泥、海砂、碎石按配合比称好重量；将水泥、海砂、碎石这些干料先倒入搅拌机搅拌均匀，搅拌时间为180s；干料搅拌完成后，加入海水，搅拌时间为300s。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明改进了钢-FRP复合筋的结构，使得其能够通过工业化加工，提升生产效率和质量，降低了人工制作的成本；本发明提供了钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁的设计方法，能够快速有效的得出符合性能要求的混凝土梁尺寸，并计算出其屈服扰度和极限挠度，配合建筑要求；本发明还提供了钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁的制造方法，根据该制造方法能够得到性能更佳的混凝土梁，本发明中使用的混凝土是海砂海水制成的混凝土，使用海水海砂混凝土有效地解决河砂资源枯竭以及海洋工程中建筑材料运输成本高昂的问题，大大降低了经济成本。
附图说明
图1为本发明一种钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁的内部结构示意图。
图2为本发明一种钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁横截面的结构示意图。
图示标记说明如下：
1--顶部受压纵筋，2-底部受压纵筋，3-箍筋，4-海水海砂混凝土
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例1
如图1至图2所示为本发明一种钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁的实施例一种钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁，海水海砂混凝土梁内部的两侧设有受压纵筋，图1中位于上方的为顶部受压纵梁1，下方为底部受压纵梁2，两者之间设有若干根箍筋3，顶部受压纵筋1、底部受压纵筋2和箍筋3的四周填充海水海砂混凝土4，受压纵筋和箍筋3均采用钢-FRP复合筋，钢-FRP复合筋以钢筋为内芯，以FRP为外层，本实施例中FRP以纤维束形态在钢筋表面缠绕形成螺纹肋。
本实施例中，钢筋采用的带肋钢筋，纤维束为的材料为玻璃纤维增强聚合物，需要说明的是，纤维束的材料还可以采用碳纤维增强聚合物、玄武岩纤维增强聚合物、方纶纤维增强聚合物中的一种或多种。
本实施例中，海水海砂混凝土4包括水泥、细骨料、粗骨料、海水，其中细骨料为原始海砂中的中砂，粗骨料为粒径5～20mm的花岗岩碎石，海水为天然海水。
本实施例中，纤维束的FRP能够通过自动化设备在钢筋外表面缠绕形成螺纹肋，带有螺纹肋的钢-FRP复合筋兼具钢筋弹性模量高、延性好与FRP轻质高强、耐腐性优良的优点，且自动化生产代替了人工制备，可大量生产，降低了生产成本，产品性能更加稳定。
实施例2
一种钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁的设计方法的实施例。一种钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁的设计方法，包括以下步骤：
S1.根据跨高比和高宽比的经验值确定钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁的截面尺寸b×h＝200mm×400mm，混凝土强度等级为c30，fc＝25.6MPa，Ec＝25.32GPa；选取钢-FRP复合筋的内芯为10mm直径的HRB400级钢筋，外层为厚度3mm的GFRP，钢-FRP复合筋力学参数为：As＝78.5mm2，Af＝122.5mm2，fy＝470MPa，Ef＝50.7GPa，Es＝193GPa，Ef＝50.7GPa，Es＝193GPa，EⅠ＝106.29GPa，EⅡ＝30.90GPa，fsfy＝258.8MPa；设计弯矩值为95kN·m。
S2.通过抗弯承载力设计值Mu计算所需配筋面积Asf，选取配筋数量n，具体过程如下；
极限承载力状态时混凝土相对受压区高度：
Figure BDA0002842122130000061
钢-FRP复合筋应力：
Figure BDA0002842122130000062
钢-FRP复合筋所需配筋面积：
Figure BDA0002842122130000071
所需钢-FRP复合筋数量：
Figure BDA0002842122130000072
取n＝3根，Asf＝602.9mm2
S3.根据设计好的钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁的截面尺寸和配筋数量n，计算屈服挠度和极限挠度，具体过程如下，
屈服时钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁抗弯承载力：
受压区混凝土高度：
Figure BDA0002842122130000073
根据截面弯矩平衡，屈服弯矩：
Figure BDA0002842122130000074
以钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁屈服时的状态为其正常使用极限状态，则挠度计算：
Figure BDA0002842122130000075
Figure BDA0002842122130000076
钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁的正常使用状态是在钢-FRP复合筋屈服之前的，根据计算结果可知，钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁的屈服挠度小于挠度限值9mm。
钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁承载力极限状态时挠度：
Figure BDA0002842122130000077
Figure BDA0002842122130000081
S4.对裂缝宽度验算，具体过程如下；
Figure BDA0002842122130000082
Figure BDA0002842122130000083
Figure BDA0002842122130000084
Figure BDA0002842122130000085
Figure BDA0002842122130000086
根据计算结果可知，钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁屈服时的裂缝宽度小于正常使用极限状态时的裂缝限值0.5mm。
实施例3
一种钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁的制备方法的实施例。一种钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁的制备方法，已知钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁的截面尺寸为b×h＝200mm×400mm，梁长l＝2200mm，跨度lo＝1800mm，具体步骤如下：
步骤一、海水海砂混凝土4选用强度等级为c30，根据《海砂混凝土应用技术规范》计算配合比为：水泥:海砂:碎石:海水＝1.00:2.26:3.70:0.65；砂率为38％，水灰比为0.65；水泥为P.O.42.5，海砂为中砂，碎石为粒径5～20mm的花岗岩。
步骤二、按照钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁结构施工图绑扎钢-FRP复合筋笼，且应符合绑扎要求。
步骤三、在浇筑现场立模板，固定、清理模板，将绑扎好的钢-FRP复合筋笼放入模板，将制备好的海水海砂混凝土填充满模具，用振捣棒振捣密实海水海砂混凝土，抹平钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁表面，给浇筑好的钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁铺上防水膜防止水分蒸发过快，海水海砂混凝土4终凝后拆模，定期浇水养护并铺上防水膜保湿。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁，其特征在于：包括位于混凝土梁两侧的受压纵筋，所述受压纵筋之间设有若干根箍筋，所述受压纵筋和箍筋的四周填充海砂混凝土，所述受压纵筋和箍筋均采用的钢-FRP复合筋，所述钢-FRP复合筋是以钢筋为内芯，以FRP为外层，所述FRP为纤维束在所述钢筋表面缠绕形成螺纹状肋。
2.根据权利要求1所述的一种钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁，其特征在于：所述钢筋为光圆钢筋或带肋钢筋。
3.根据权利要求1所述的一种钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁，其特征在于：所述纤维束为玻璃纤维增强聚合物、碳纤维增强聚合物、玄武岩纤维增强聚合物、方纶纤维增强聚合物中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁，其特征在于：所述海水海砂混凝土包括水泥、细骨料、粗骨料、海水。
5.一种钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁的设计方法：其特征在于：包括以下步骤：
S1.根据跨高比和高宽比的经验值确定钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁的截面高度h和宽度b，再根据需要的弹性模量选取钢-FRP复合筋类型；
S2.通过抗弯承载力设计值Mu计算所需配筋面积Asf，选取配筋数量n；
S3.根据设计好的钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁的截面尺寸和配筋数量n，计算屈服挠度和极限挠度；
S4.对裂缝宽度验算。
6.根据权利要求5所述的一种钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁的设计方法：其特征在于：所述步骤S2包括以下具体步骤：
S21.计算极限承载力状态时混凝土相对受压区高度；
S22.计算钢-FRP复合筋应力；
S23.计算钢-FRP复合筋所需配筋面积Asf，选取配筋数量n。
7.根据权利要求6所述的一种钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁的设计方法：其特征在于：所述步骤S3包括以下具体步骤：
S24.计算钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁屈服弯矩；
S25.根据有效惯性矩计算极限挠度。
8.根据权利要求6所述的一种钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁的设计方法：其特征在于：所述步骤S24中需要先计算受压区混凝土高度，根据受压区高度计算屈服弯矩。
9.一种钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一.根据钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁结构施工图绑扎钢-FRP复合筋笼；
步骤二.建立模板将绑扎好的钢-FRP复合筋笼放入模板，将混凝土充满整个模板，利用振捣棒振捣成型，并抹平表面；
步骤三.在钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁上覆盖防水膜，钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁完成终凝后进行拆模，再洒水养护，同时覆盖防水膜保湿。
10.根据权利要求9所述的一种钢-FRP复合筋海水海砂混凝土梁的制备方法，其特征在于，所述步骤二中混凝土为海水海砂混凝土，所述海水海砂混凝土制备过程如下，将水泥、海砂、碎石按配合比称好重量；将水泥、海砂、碎石这些干料先倒入搅拌机搅拌均匀，搅拌时间为180s；干料搅拌完成后，加入海水，搅拌时间为300s。
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