一种薄壁复合材料-竹胶合板管约束混凝土组合柱及其制作方法与流程

本发明涉及土木工程结构领域，具体地说是一种薄壁复合材料-竹胶合板管约束混凝土组合柱及其制作方法。

背景技术：

1、传统的钢筋或钢管混凝土柱耗能高、资源消耗大，随着可持续发展理念在全球范围内的深入推广以及对土木工程材料高效利用和环境友好的迫切需求，研究和开发不含钢材的复合材料与混凝土组合结构构件已成为土木工程领域的重要发展方向。如何高效地开发利用竹材资源和固体废弃材料，正是当前存量可再生资源高质量发展国家重大需求所面临的重要课题。

2、竹筋代替钢筋包裹约束混凝土或再生混凝土组合柱技术有重大的工程价值，但编织受力性能稳定可靠的竹筋骨架笼工艺相对复杂，竹材使用量小，且难以大规模工业化制造。预制生产竹胶合板管代替钢管包裹约束混凝土或再生混凝土组合柱技术，开拓了竹材以及竹胶板在工程结构领域的应用，但其长期使用耐候性是关键问题。纤维增强复合材料直接包裹竹胶合板管代替钢管，显著强化了管材的长期使用耐候性和受力稳定性，但只能先预制竹胶板管、再缠绕复合材料布，难以标准化生产制造；且矩形截面组合柱转角处复合材料应力过于集中，要求复合材料厚度大，组合柱的制造成本显著提高。非常必要研发集经济性、力学性能、制造工艺高效简捷的复合材料、竹胶板、混凝土集成的新型组合柱技术。

3、cn110700492a公开了一种含固废物再生混凝土的生态组合柱，包括含固废物的再生混凝土、胶合竹板层、frp(纤维增强复合材料)和内衬环；胶合竹板层黏结于再生混凝土的外表面，内衬环嵌于再生混凝土内，且外表面与胶合竹板层黏结；frp环向缠绕黏结于胶合竹板层的外表面。该生态组合柱通过调节不同弹性模量功能性材料的横截面含量比，并辅以横向拉杆约束，基于再生混凝土的微膨胀形成受力自约束套管效应。该组合柱存在如下缺点：1)纤维增强复合材料直接包裹竹胶合板管，抗压和抗侧荷载作用下组合柱转角处复合材料应力过于集中；2)混凝土集中在柱芯部位，竹胶板管在外围，弹性模量差异较大的两种材料在复杂受力状态下受力变形不协调，界面粘结强度降低，整体复合效果不理想。解决以上缺陷均需增大纤维增强复合材料的厚度，提高横向约束效应，制造成本高。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种薄壁复合材料-竹胶合板管约束混凝土组合柱及其制作方法。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种薄壁复合材料-竹胶合板管约束混凝土组合柱，包括预制外模单元和柱芯混凝土，预制外模单元包括纤维增强复合材料管(frp管)、中间层混凝土和竹胶合板管；填灌装配成混凝土组合柱时，纤维增强复合材料管套设在竹胶合板管的外侧，中间层混凝土填充在纤维增强复合材料管与竹胶合板管之间的空隙，并将纤维增强复合材料管与竹胶合板管相互黏结为一体，竹胶合板管的内部中空，形成纤维增强复合材料管-混凝土-竹胶合板管构成的预制空腔柱，柱芯混凝土浇筑于预制空腔柱的空腔内，形成薄壁复合材料-竹胶合板管约束混凝土组合柱。

4、作为一种优选，竹胶合板管由若干竹胶合板积材交错卡接合或平行正接合或两者的复合接合而成，竹胶合板积材沿着竹胶合板管轴线方向黏结形成圆形或多边形管状结构；竹胶合板积材由若干长条形的单层竹胶合板逐层黏结而成；单层竹胶合板为竹层积材、竹集成材和重组竹中任意一种；竹层积材为竹席竹胶板和竹帘竹胶板中任意一种或两种。

5、作为一种优选，竹胶合板管还包括若干约束拉杆；约束拉杆的两端设有螺纹，配合有用于固定的螺帽；约束拉杆横向贯穿竹胶合板管和柱芯混凝土；若干约束拉杆沿薄壁复合材料-竹胶合板管约束混凝土组合柱的柱体的轴向排列设置，不同方向的约束拉杆交错布置。

6、作为一种优选，约束拉杆的端部向外延伸，并锚固在中间层混凝土中，外延长度为1.5d～2d(d为约束拉杆的直径)。

7、作为一种优选，竹胶合板管的外径或边长为纤维增强复合材料管外径或边长的2/3或以下；纤维增强复合材料管在径向方向上的厚度为竹胶合板管厚度的1/6～1/4。

8、作为一种优选，中间层混凝土采用自密实细石混凝土，柱芯混凝土采用普通混凝土或固废再生混凝土。

9、作为一种优选，固废再生混凝土的骨料为普通再生混凝土粗骨料、黏土砖粗骨料、碎陶瓷粗骨料、碎玻璃粗骨料、废弃橡胶骨料和粉尘固废物中的任意一种或多种。

10、作为一种优选，纤维增强复合材料管采用碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料、芳纶纤维增强复合材料、玄武岩纤维增强复合材料、钢纤维增强复合材料和竹纤维增强复合材料中的任意一种制备。

11、一种薄壁复合材料-竹胶合板管约束混凝土组合柱的制作方法，包括以下步骤：

12、s1：根据所需组合柱的力学性能要求，计算确定组合柱的截面形状尺寸、计算组合柱所需材料的截面含量，根据计算预制纤维增强复合材料管和竹胶合板管；

13、s2：根据所需组合柱中混凝土的力学性能要求，设计自密实细石混凝土配比、普通混凝土或固废再生混凝土配比，确保中间层混凝土采用的自密实细石混凝土和柱芯混凝土采用的普通混凝土或固废再生混凝土满足相应的工程技术标准和规范要求；

14、s3：将步骤s1预制的纤维增强复合材料管套设在竹胶合板管外侧；

15、s4：将按照步骤s2中自密实细石混凝土配比配制的混凝土灌入纤维增强复合材料管与竹胶合板管的空隙中，通过常温养护形成预制空腔柱；

16、s5：将按照步骤s2中普通混凝土或固废再生混凝土配比配制的混凝土灌入预制空腔柱的空腔内，通过常温养护形成薄壁复合材料-竹胶合板管约束混凝土组合柱。

17、作为一种优选，步骤s1中预制竹胶合板管的流程为：

18、a、根据所需组合柱的截面形状尺寸裁切单层竹胶合板；

19、b、用树脂结构胶将单层竹胶合板黏结为竹胶合板积材；

20、c、在完成的竹胶合板积材上钻出用于安装约束拉杆的孔；

21、d、竹胶合板积材采用交错卡接合或平行正接合或两者的复合接合方式接合成竹胶合板管；

22、e、在竹胶合板管上横向插入约束拉杆并用螺帽固定。

23、作为一种优选，步骤s1中预制纤维增强复合材料管的制备工艺为拉挤成型法、模压成型法、手糊成型法和离心浇铸法中的任意一种。

24、作为一种优选，步骤s3～s4在工厂填灌装配完成，在获得预制空腔柱后再运输至施工现场，进行现场安装；或者，步骤s3～s4在施工现场填灌装配完成，在获得纤维增强复合材料管和竹胶合板管后直接运输至施工现场，进行现场安装。

25、本发明的原理是：在纤维增强复合材料管-混凝土-竹胶合板管构成的预制空腔柱内填灌混凝土，通过“部分装配、部分现浇”的施工方法构造组合柱，简化制作工艺，提高施工效率。同时，通过薄壁复合材料-混凝土-竹胶合板管复式约束柱芯混凝土，既弥补混凝土力学性能上的缺陷，又大幅降低对竹材耐候性的要求，显著改进竹材与混凝土的界面粘结性能，优化截面转角处复合材料的受力性能。利用常规材料开发新结构、工业化与绿色化技术，具备材料多功能耦合与集成利用的新原理。

26、总的说来，本发明具有如下优点：

27、1、本发明的纤维增强复合材料管、中间层混凝土和竹胶合板管构成的预制空腔柱既可以在工厂中预制，达到标准化生产、提高施工效率、减少现场施工周期和劳动强度的效果，也可以在施工现场中现制，根据结构设计的个性化需求生产，不受施工场地限制，能更好地适应各种非标准或特殊条件下的施工需求，整体简化了现场施工的装配步骤，结合了工厂标准化生产与现场快速拼装的优势。

28、2、本发明通过预制空腔柱与柱芯混凝土的有机结合，解决不同材料界面黏结效果差、受力变形不协调、制造工艺复杂等问题。该组合柱通过在纤维增强复合材料管和竹胶合板管之间的空隙填充中间层混凝土，形成薄壁复合材料-混凝土-竹胶合板管构成的预制空腔柱，一方面薄壁复合材料-混凝土-竹胶合板管对柱芯混凝土进行约束，通过复式约束弥补了固废再生混凝土在性能上的缺陷，又改进了竹材与混凝土的界面粘结性能，另一方面纤维增强复合材料管、中间层混凝土、竹胶合板管、柱芯混凝土之间的依次形成梯度约束，提高组合柱抗剪和抗压能力，调控承压稳定性，解决纯竹材结构柱刚度小而变形大的问题，极大地提高整体稳定性和承载能力，形成内外层材料的紧密配合和性能互补。

29、3、纤维增强复合材料管、中间层混凝土、竹胶合板管、柱芯混凝土之间形成的梯度约束，利用混凝土的微膨胀形成纤维增强复合材料管-混凝土-竹胶合板管的自约束套管效应，纤维增强复合材料管和中间层混凝土为竹胶合板管提供横向约束力，抑制竹胶合板管受力局部屈曲和开胶；竹胶合板管约束柱芯混凝土，可减少纤维增强复合材料的用量而提高约束效果，进而减少固废再生混凝土用量而降低柱体自重，并达到减薄纤维增强复合材料管壁厚的效果。

30、4、本发明通过将竹胶合板积材制成管状构造应用在组合柱中，竹胶合板管不仅被用作模具，往空腔内灌注混凝土形成复合结构，并且因其自身具有很好的弹性变形能力，能够“以竹代钢”实现构件的抗弯和抗震等性能，以及解决单一混凝土构件刚度过大的技术难题，竹胶合板管整体还作为组合柱的构成部分，充分利用竹材良好的抗压强度提高轴向受力性能，强化组合柱的承载力和受压稳定性。

31、5、本发明通过增设约束拉杆，为柱芯混凝土和竹胶合板管提供横向约束力，加强抑制竹胶合板管受力局部屈曲和开胶的效果，并且在复杂应力状态下，如在地震、风荷载或其他动态荷载作用下，约束拉杆能提供必要的侧向约束，增强整体复合效应和性能稳定性，提高组合柱的承载力和变形能力。

32、6、本发明的约束拉杆的端部向外延伸1.5d～2d(d为约束拉杆的直径)，约束拉杆可以有效传递内力分配到中间层混凝土、竹胶合板管、柱芯混凝土，增强组合柱的整体性能稳定性；约束拉杆的端部锚固在中间层混凝土中，能够有效地限制柱芯混凝土在受力时的横向膨胀或侧向位移，减少混凝土和竹胶合板管之间的粘结滑移，提高组合柱的抗裂性和韧性，强化组合柱抗剪能力。

33、7、本发明集成纤维增强复合材料、竹胶合板和固废再生混凝土三种建材，开拓了生态建材在工程结构中的应用，尤其是促进竹材产业和固废物资源化利用的发展。通过工业化生产流程，不仅简化了组合柱的生产和施工过程，提高了施工效率，而且大幅降低了制造成本；通过周期可控的再生材料和循环利用的新策略，实现常规材料高效开发利用，有望催生变革性的新产业和新领域。

34、8、本发明生产和施工过程中，该组合柱对竹胶合板和混凝土的力学性能要求相对较低，简化了生产流程，提高了工业化生产的便利性，易于实现快速高效的拼合。同时，采用该组合柱进行现场施工时，可采用薄壁复合材料-竹胶合板管空腔柱直接作为模板浇筑混凝土，实现免模施工，大大提高了施工效率。