[實用新型]一種FRP約束鋼管混凝土拱結構

有效

• 申請號: 201720321159.2
• 申請日: 2017-03-29
• 公開（公告）號: CN206635632U
• 公開（公告）日: 2017-11-14
• 發明（設計）人: 劉昌永;王代玉;胡清
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: E01D4/00
• 分類號: E01D4/00;E21D11/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所23109
• 代理人: 侯靜

技術領域

本實用新型涉及一種拱結構，具體涉及一種FRP約束鋼管混凝土拱結構。

背景技術

傳統的鋼管混凝土拱結構具有自重輕、抗壓強度高、施工便捷等優點，其核心混凝土在外圍鋼管的約束作用下處于三向受壓狀態，與單軸受壓時相比，抗壓強度大幅度提高，脆性得到明顯改善；同時核心混凝土的存在對鋼管的屈曲變形起到一定的限制作用，能夠延緩鋼管管壁過早發生局部失穩。因此鋼管混凝土拱在橋梁工程、地鐵隧道開挖支護及大跨空間結構中得到廣泛應用。

然而由于外圍鋼管裸露于混凝土外，傳統鋼管混凝土拱的防腐、防火、防銹等技術要求較高，尤其是鋼管的易腐蝕性使得這種理想的拱構件很少被應用于高腐蝕的環境中。實際工程中一般采用防腐涂裝等措施對鋼管進行保護，但伴隨而來的卻是高額的防腐及維護成本。另外，如果鋼管混凝土拱所受荷載較大，構件截面往往采用直徑較大、壁厚較厚的鋼管給混凝土提供足夠的緊箍力，但同時會產生鋼管制作困難、用鋼量大、焊接工作繁重等問題；若采用復式或高強鋼管，則存在施工難度大、造價較高等問題。

近些年來，纖維增強復合材料(Fiber Reinforced Polymer—FRP)由于具有抗拉強度高、耐腐蝕性能好、自重輕、抗疲勞性能強等優點多被應用于加固改造領域。新出現的FRP約束混凝土拱結構采用FRP套管為核心混凝土提供較強的側向約束，能夠提高拱的極限承載力，同時FRP的化學穩定性又可以避免傳統的鋼管混凝土拱易腐蝕的問題。但是FRP屬于線彈性材料，結構產生破壞一般表現為FRP管體被撐破，雖然這種脆性破壞的模式可以通過優化鋪層等方式得到某種程度的改善，但其提高的延性程度仍無法滿足越來越高的抗震性能要求；同時FRP多為柔性片材，因此FRP約束混凝土拱的剛度也較鋼管混凝土拱低，且單體跨度往往較小。因此申請號為201420830765.3的中國實用新型專利公開了一種分段式FRP管混凝土拱圈單體的拼接結構，可以有效增加FRP約束混凝土拱結構的長度和跨越能力，但這種拼接結構施工較為復雜，不易推廣使用。

實用新型內容

本實用新型為解決傳統的鋼管混凝土拱結構采用鋼管裸露于混凝土外，導致鋼管拱結構容易發生屈服，且制作困難、用鋼量大、焊接工作繁重、易腐蝕及使用壽命短的問題，而提出一種FRP約束鋼管混凝土拱結構。

本實用新型的一種FRP約束鋼管混凝土拱結構，其組成包括實腹式拱肋和兩個基礎，兩個基礎對稱設置在實腹式拱肋的兩端，所述實腹式拱肋包括鋼管、FRP層和混凝土，FRP層包覆在鋼管的外層，且FRP層與鋼管通過樹脂粘結成復合管，復合管內澆筑混凝土。

本實用新型與現有技術相比具有以下有益效果：

一、本實用新型的FRP約束鋼管混凝土拱由于FRP層被動約束的作用，使得鋼管在屈服后對混凝土的套箍效應增強并得到持續充分的發展，進一步提高了混凝土的抗壓強度，并使鋼管和混凝土之間產生持續的內力重分布，提高FRP約束鋼管混凝土拱的承載能力和塑性變形能力。

二、FRP材料結合鋼管使用可以替代一部分鋼管，不但減輕了結構整體的重量，減薄大直徑鋼管的壁厚，降低拱肋的用鋼量和成本，還能夠延緩鋼管的屈曲，改善鋼管的受力性能。

三、FRP層化學性質穩定、不易腐蝕、耐久性好，能夠解決普通鋼管混凝土拱鋼管銹蝕的問題。同時利用FRP約束鋼管混凝土拱的原理也可為現存老舊拱橋結構外貼FRP材料進行防腐保護與加固。

四、鋼管具有較大的軸向剛度，在混凝土澆注過程中可以直接作為模板使用，能夠節省模板的制作費用，縮短工期，同時還可以避免澆筑混凝土過程中出現局部屈曲現象；同時鋼管在FRP材料的粘貼過程中可以作為纏繞模具，能夠節省模具的制作費用和脫模過程，降低生產成本。

五、當FRP層和鋼管之間增加橡膠層時，由于橡膠層的存在，延緩了FRP層約束作用的發揮，推遲了FRP層的斷裂，使得結構具有更好的延性，同時提供了結構在鋼管屈服后強化的二次剛度，使結構具有足夠的承載力儲備。橡膠層的高阻尼特性，也可消耗結構的振動能量，減小結構的地震反應，增強結構的抗震性能。

附圖說明

圖1是本實用新型FRP約束鋼管混凝土拱結構的示意圖；

圖2是實腹式拱肋2的截面形狀為圓形結構示意圖；

圖3是實腹式拱肋2的截面形狀為方形結構示意圖；

圖4是實腹式拱肋2的截面形狀為啞鈴形結構示意圖；

圖5是FRP層3與鋼管4設置有橡膠層6的示意圖；

圖6是本實用新型的拱肋為桁式拱的結構示意圖；