一种复合筋增强ECC-十字型加劲肋方钢管空心柱

本发明涉及建筑物承重混凝土构件技术领域，尤其涉及一种复合筋增强ecc-十字型加劲肋方钢管空心柱。

背景技术：

随着我国社会经济的快速发展，我国基础设施建设规模和总量均居世界首位。钢管混凝土是一种典型的钢—混凝土组合结构，它以承载力高、自重轻、抗震性能好、施工便捷等优点，在大跨度桥梁、城市立交、高层及超高层建筑、地铁车站、海洋平台等工程中得到了广泛应用，并取得了良好的经济和社会效益。但在实际工程中钢管混凝土结构存在钢管容易向外发生局部屈曲破坏、外层钢管耐久性差、外层钢管需要喷涂昂贵防火材料等问题。为了提升钢管混凝土结构的耐久性和抗火性能，由我国自主开发的新型组合结构—钢管混凝土叠合柱在近十几年来获得了国内外学者的广泛关注。

传统钢管混凝土叠合柱包括水泥基材料、钢管、纵筋和箍筋，纵筋和箍筋连接成钢筋笼，钢筋笼与水泥基材料形成柱体，其特征在于:所述水泥基材料包括核心混凝土和外部混凝土，所述钢筋笼内穿设有钢管，所述核心混凝土填充于钢管内，所述外部混凝土浇筑于钢管外及钢筋上。传统钢管混凝土叠合柱承载力相对较高，但是仍存在一定的问题：(1)外层混凝土压碎剥落时，内部钢管混凝土柱仍处于弹塑性阶段，钢管混凝土柱的强度并未完全发挥。(2)外层混凝土脆，内部钢管混士延性好，导致内外结构变形不协调。(3)由于外层混凝土脆性易碎，因此用混凝士外包的钢管混疑土柱的耐用性成为主要问题，尤其在恶劣环境下。(4)在地震荷载下，钢管混凝土叠合柱在地震反复荷载作用下，外层混凝土易受拉开裂，其与钢筋和内部钢管的粘结性能也快速退化，甚至发生严重剥离破坏，在实际应用中很难对核心钢管混凝土提供长期的抗火、抗腐蚀保护。

进一步，中国专利文献cn201635260u公开了一种中空钢管-钢筋混凝土叠合构件，该叠合构件由外钢筋混凝土包裹钢管构成，是在钢管中不填充混凝土的新型钢管混凝土叠合构件；外层采用钢筋混凝土，内层采用普通钢管。该构件具有较好的抗火性能，自重较轻，但仍存在外层混凝土与内层钢管协同性能较差、内层钢管容易向内屈曲、耐久性不足等缺点。

技术实现要素：

本发明提供了一种复合筋增强ecc-十字型加劲肋方钢管空心柱，以解决普通钢管混凝土叠合柱内外结构组合效应较低、外层混凝土脆性易碎耐久性不好和叠合柱整体质量较重等问题。

本发明采用的技术方案是：一种复合筋增强ecc-十字型加劲肋方钢管空心柱，包括十字型加劲肋方钢管、外部ecc、复合筋笼；所述十字型加劲肋方钢管包括方钢管、插入式十字型内加劲组件以及螺栓，所述方钢管和插入式十字型内加劲组件之间通过所述螺栓连接，所述外部ecc外包所述十字型加劲肋方钢管，所述十字型加劲肋方钢管轴线与所述外部ecc中心轴线重合，所述十字型加劲肋方钢管端面与外部ecc的端面共面；所述复合筋笼布置于外部ecc内，所述复合筋笼由纵筋和frp箍筋连接而成，所述frp箍筋内侧搭接所述纵筋，且所述纵筋垂直于所述frp箍筋所在平面，所述复合筋笼与外部ecc形成外层保护层，所述外部ecc厚度和十字型加劲肋方钢管外边长的比值为0.5，所述外部ecc表面与纵筋轴线之间距离不小于35mm。

优选地，所述插入式十字型内加劲组件包括十字型内加劲板和四块设置有若干螺栓孔的侧板，四块所述侧板焊接在所述十字型内加劲板的四个棱上。

优选地，所述侧板上的螺栓孔沿柱轴方向等间距双列布置，所述方钢管上开设有与所述侧板上的螺栓孔对应的螺栓孔。

优选地，所述方钢管的外边长与方钢管的壁厚比值小于30。

优选地，所述方钢管和插入式十字型内加劲组件采用普通碳素钢管、不锈钢管或高强钢管。

优选地，所述方钢管外表面设置有抗剪键。

优选地，所述frp箍筋为仅含一个闭合的箍筋，闭合箍筋的两端搭接而成，箍筋弯折角度为90°直搭接，相邻两边搭接长度大于12倍箍筋直径。

优选地，所述frp箍筋在柱子的上下端三分之一柱高范围内加密，所述纵筋配筋率大于0.6％。

优选地，所述十字型加劲肋方钢管内部的中空腔室内填充有轻质保温材料或者轻质混凝土。

本发明的有益效果是：

(1)强重比高，内部采用厚壁十字型加劲肋方钢管，方钢管中空使结构以较小的截面满足强度要求，插入式十字内加劲组件可以抑制方钢管向内屈曲，从而提升方钢管轴向承载力和刚度。

(2)防止方钢管屈曲能力强，插入式十字内加劲组件可以抑制方钢管向内屈曲可避免或延缓钢管向内发生屈曲，提高柱体性能。

(3)抗震性能优越，外部ecc的极限拉应变可达3％以上，在地震作用下，复合筋增强ecc-十字型加劲肋方钢管空心柱的外部ecc可更好地控制裂缝的开展，避免外部ecc的剥落。而且，采用frp箍筋也可提高组合柱延性，使得组合柱具有更高的残余强度、刚度和变形能力，抗震性能优越。

(4)耐久性高，外部ecc具有优越的控制裂缝的能力，裂缝宽度可控制在60微米以下，害介质很难达到内部钢管表面引起其发生锈蚀。而且耐腐蚀性优异的frp箍筋由于其位于复合筋笼的最外侧位置，受恶劣环境的影响较小，可提供有效横向约束性能，从而提高结构使用寿命。

(5)抗火性能好，ecc材料具有良好的抗火性能，可作为永久防火层。

附图说明

图1是本发明公开的复合筋增强ecc-十字型加劲肋方钢管空心柱横截面图；

图2是本发明公开的复合筋笼俯视图；

图3是本发明公开的十字型加劲肋方钢管横截面图；

图4是本发明公开的插入式十字型内加劲组件横截面图；

图5是本发明公开的侧板的侧视图；

图6是本发明公开的十字型内加劲板侧视图。

附图标记：1、十字型加劲肋方钢管；11、方钢管；12、插入式十字型内加劲组件；121、十字型内加劲板；122、侧板；13、螺栓；2、外部ecc；3、复合筋笼；31、纵筋；32、frp箍筋。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步详细描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

参见图1-6，一种复合筋增强ecc-十字型加劲肋方钢管空心柱，包括十字型加劲肋方钢管1、外部ecc2、复合筋笼3。

十字型加劲肋方钢管1包括方钢管11、插入式十字型内加劲组件12以及螺栓13。方钢管11和插入式十字型内加劲组件12之间通过螺栓13连接，外部ecc2外包十字型加劲肋方钢管1，十字型加劲肋方钢管1轴线与外部ecc2中心轴线重合，十字型加劲肋方钢管1的端面与外部ecc2的端面共面。

复合筋笼3布置于外部ecc2内，复合筋笼3由纵筋31和frp箍筋32连接而成，frp箍筋32内侧搭接纵筋31，且纵筋31垂直于frp箍筋32所在平面。复合筋笼3与外部ecc2形成外层保护层，外部ecc2的截面为方形，外部ecc2厚度和十字型加劲肋方钢管1外边长的比值为0.5，形成足够厚的外部ecc2层保护十字型加劲肋方钢管1不受腐蚀并提供更高的轴向承载力。外部ecc2表面与纵筋31轴线之间距离不小于35mm，保证纵筋31不容易受腐蚀。

ecc(engineeredcementitiouscomposites)全称为高延性纤维增强水泥基复合材料，外部ecc2在受压下具有优越的变形性能和韧性，可更好地与十字型加劲肋方钢管1协同工作，十字型加劲肋方钢管1的强度得以更大程度发挥。在地震水平反复荷载作用下，外部ecc2可更好地控制裂缝的开展，避免外部ecc2的剥落，具有更高的残余强度和极限变形能力，因而具有优越的抗震性能。外部ecc2具有优越的控制裂缝的能力，有害介质很难渗透到内部十字型加劲肋方钢管1表面导致钢管锈蚀。

参见图4-6，插入式十字型内加劲组件12包括十字型内加劲板121和四块设置有若干螺栓孔的侧板122，四块所述侧板焊接在所述十字型内加劲板的四个棱上。侧板122上的螺栓孔沿柱轴方向等间距双列布置，方钢管11上开设有与侧板122上的螺栓孔对应的螺栓孔。该十字型内加劲板121可由三块内加劲板排列成十字形，其中较长的一块内加劲板为贯通板居中,其他两块短内加劲板与贯通板正交对齐，并焊接在贯通板上。

方钢管11选用外边长与方钢管11的壁厚比值为小于30的厚壁方钢管，如选用比值为25的厚壁方钢管，厚壁方钢管具有更高的抗屈曲强度，使方钢管11具有更高的承载能力。考虑到结构的耐腐蚀性，方钢管11和插入式十字型内加劲组件12可采用不锈钢管；考虑到结构强度，方钢管11和插入式十字型内加劲组件12可采用高强钢管；性能要求不高，方钢管11和插入式十字型内加劲组件12可采用经济的普通碳素钢管。

方钢管11外表面设置有抗剪键，该抗剪键可以为栓钉剪力键、弯筋剪力键或型钢剪力键，防止外部ecc2和方钢管11的界面处发生滑移和分离，提高组合结构整体性。

frp箍筋32为仅含一个闭合的箍筋，闭合箍筋的两端搭接而成，箍筋弯折角度为90°直搭接，相邻两边搭接长度大于12倍箍筋直径，从而满足有效搭接长度，保证箍筋提供有效约束。frp箍筋32在柱子的上下端三分之一柱高范围内加密，防止柱端发生局部破坏。纵筋31配筋率大于0.6％，以满足最小纵向配筋率要求。

frp箍筋32为线弹性材料，在横向变形较大时，其约束作用随着混凝土横向变形的增大一直增加直到发生断裂破坏。而且frp箍筋32由于其位于复合筋笼3的最外侧位置，受恶劣环境的影响较小，耐久性良好。此外本发明通过试验研究发现用frp箍筋32替代钢箍筋，可以明显提高承压柱的延性。所采用的搭接形式可形成有效约束作用。

为了进一步提高十字型加劲肋方钢管1的强度，可以在十字型加劲肋方钢管1内部的中空腔室内填充轻质混凝土，为了提高保温性能，还可以在十字型加劲肋方钢管1内部的中空腔室内填充轻质保温材料。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。