[发明专利]一种FRP-UHPFRC-混凝土复合柱

说明书

本发明公开了一种FRP‑UHPFRC‑混凝土复合柱，其采用超高性能纤维混凝土(UHPFRC)管约束混凝土柱，UHPFRC管外粘FRP层，形成复合混凝土柱。UHPFRC管内放置衬子，以防止浇筑时对UHPFRC管造成损伤。混凝土柱中，可以根据需要配置钢筋。根据不同的结构设计要求，UHPFRC管既可起环向约束的作用，也可承受竖向荷载，复合柱端部采用相应的不同约束，采用FRP布对UHPC管约束混凝土进行进一步约束，可极大地提高混凝土柱的承载力。与传统钢管混凝土相比，UHPFRC管与混凝土内柱的界面力学性能更好，结构整体性佳，该复合柱具有更好的耐久性和耐火性，能很好的抵御地震、冲击、爆炸等灾害。此外，UHPFRC管可采用离心法预制生产，施工方便，工序简单，造价低。

技术领域

本发明涉及建筑材料及结构工程领域，具体涉及一种FRP-UHPFRC-混凝土复合柱。

背景技术

混凝土因其较低的成本和良好的力学性能，成为了使用最广泛的人造建筑材料。目前全球每年的混凝土使用量超过了100亿吨，预计到2050年将增至180亿吨，其中，中国消耗了全球所有混凝土产量的50％以上。但是，混凝土产业对环境具有严重的影响，每年释放超过16亿吨的二氧化碳，占每年全球人类活动二氧化碳排放量的7％。大多数混凝土产品是由普通强度的钢筋混凝土制成，由于材料劣化及钢筋锈蚀，使得建筑设计寿命仅为50年。因此，建筑行业仍然需要新的建筑材料和结构体系，从而向更安全，更绿色，更耐用和可持续的方向发展。这对于中国的可持续发展来说尤其迫切，因为低质量的建筑材料和技术，导致大多数建筑的使用寿命只有30年左右。

钢管混凝土柱已被广泛应用，特别是在中国，在高层建筑、桥梁和工厂等大跨度结构中，由于钢管对混凝土的约束作用，使得钢管混凝土柱比传统的钢筋混凝土柱具有更高的承载能力，延展性和耐久性。然而，钢管混凝土构件存在一些问题：(1)混凝土和钢材具有不同的模量和热膨胀系数，导致两者的不协调变形，且经常在界面处破坏，这对结构完整性是有害的。而且，这些缺陷隐藏在管内，很难测量和监测；(2)钢材的高强度性能通常没有被充分利用；(3)钢管容易被腐蚀和锈蚀，特别是在苛刻条件下环境(例如化工厂，海上平台，核电站)，其耐火性不如混凝土。额外的保护措施会增加成本和结构复杂性。

现今，FRP已大量应用于建筑结构增强及修复加固、海洋工程等；与钢材相比，FRP的强度可高出10倍不止，而质量却仅仅占其五分之一；FRP不仅可明显提高约束构件承载力，而且其耐腐蚀性优异。因此，FRP-UHPFRC-混凝土柱具有承载力高、耐腐蚀性好、耐久性好等特点。

发明内容

为了克服上述技术问题，本发明提供了一种全新的复合柱，采用超高性能钢纤维混凝土(UHPFRC)管来替代钢管，用来约束新拌混凝土，UHPFRC管外覆FRP层。该复合柱具有优异的强度，延展性，耐久性和可持续性。

超高性能钢纤维混凝土UHPFRC为一种将高强度钢/聚合物纤维随机分布于致密的高强砂浆中制成的材料，具有优异的抗渗透性，侵蚀性，耐腐蚀性和耐火性。UHPFRC的抗压强度超过150MPa。由于纤维的桥联作用，其拉伸和弯曲强度可分别达到12MPa和40MPa，断裂韧性达到40kJ/m²，使其具有与金属一样的韧性。此外，其密度、模量和热膨胀系数非常接近普通强度的混凝土。这将大大提高UHPFRC管与约束混凝土之间的变形协调性。与传统钢管混凝土相比，这种混合混凝土填充UHPFRC管柱具有更高的耐久性和耐火性，同时充分利用了UHPFRC的高强度，韧性和延展性，能够很好地抵御地震，冲击和爆炸等灾害。本发明在UHPFRC材料的基础上，复合FRP层，形成FRP-UHPFRC复合结构层，进一步提高结构的整体性、耐久性，力学性能尤其是承载力。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种FRP-UHPFRC-混凝土复合柱，其特征在于，包括FRP层、UHPFRC管、混凝土柱；所述FRP层和UHPFRC管作为混凝土柱的外部环向约束，UHPFRC管外覆FRP层，混凝土浇筑填充于UHPFRC管内形成混凝土柱，UHPFRC管作为永久模板与内部的混凝土连接成一体。