[实用新型]一种FRP约束钢管混凝土拱结构

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种拱结构，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。

实用新型内容

本实用新型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。

本实用新型的一种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。

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：

一、本实用新型的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是本实用新型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是本实用新型的拱肋为桁式拱的结构示意图；