一种FRP复合螺旋箍筋约束混凝土柱及其受压设计方法与流程

一种frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱及其受压设计方法
技术领域
1.本发明属于土木工程技术领域，特别涉及一种frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱及其受压设计方法。


背景技术：

2.钢筋混凝土柱在应用过程中存在结构自重大、在恶劣环境中耐久性差等问题。随着结构使用年限的增加，海洋环境和化工厂等恶劣环境中的氯离子等腐蚀性离子通过裂缝渗入构件内造成钢筋的锈蚀，降低结构的耐久性。另外对于抗震要求中的“强柱弱梁”原则，在具有良好耐久性前提下提高柱的承载力及延性也是一个亟需解决的问题。
3.海工混凝土建筑物必须坚固、安全、耐久和经济。然而，海工混凝土由于受到氯离子侵蚀、硫酸盐侵蚀、碳化作用、微生物腐蚀及干湿交替的频繁作用和风暴引起的海浪冲刷磨损等多种因素的综合作用，往往会过早地导致混凝土破坏掉，极大地缩减了结构使用寿命，耐久性问题亟需解决。
4.纤维增强聚合物(fiber reinforced polymer/plastic，简称frp)筋具有轻质高强、耐腐蚀、耐疲劳性能优良等优点被国内外学者认为可以代替钢筋解决恶劣环境中钢筋锈蚀的问题。然而frp筋增强混凝土柱常因延性不足而发生脆性破坏，限制了frp筋增强混凝土柱的推广应用。
5.箍筋对核心混凝土提供约束作用可以提升柱的延性，目前frp筋增强混凝土柱受压性能的研究主要是箍筋形式。frp螺旋箍筋产生的侧向压力是均匀分布的，不存在拱形的“非有效约束区域”，具有较强的约束作用，但用于工程中常见的方形截面混凝土柱时，无法约束其边角处混凝土，导致其应用受到限制。frp方形箍筋可以用于方形截面混凝土柱，但其提供的约束是不均匀分布的，存在拱形的“非有效约束区域”，约束作用相对较弱。需提出一种具有较强约束效果和适用于实际工程应用的新型的配箍形式。
6.中国发明专利“一种cfrp(bfrp)纵筋-gfrp复合箍筋方管桩及设计方法”(公开号：cn111287179a)公开了一种cfrp(bfrp)纵筋-gfrp复合箍筋方管桩及设计方法，其利用复合箍筋及预应力筋来提高柱的承载及抗开裂能力，将其运用在海洋等易腐蚀地区，但由于方形箍筋和螺旋箍筋相隔较远，无法对其中的混凝土进行约束，并且其提出的是抗拔桩，对于框架柱而言其受压承载力需要进行准确评估，因此需要了解复合螺旋箍筋约束柱的受压承载力计算模型及计算方法。


技术实现要素：

7.本发明的目的是应用耐腐蚀的frp筋来克服恶劣的海洋环境，保证结构的耐久性，并为提高对核心区混凝土约束，提出复合箍筋这种可以提供双约束的箍筋形式，如下设计了一种frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱，并给出复合螺旋箍筋约束柱的受压承载力计算模型及计算方法。
8.为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：
9.一种frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱，包括frp复合螺旋箍筋1、纵筋2以及混凝土3；其中纵筋2包括中部纵筋2-1和角部纵筋2-2；中部纵筋2-1与frp复合螺旋箍筋1绑扎、角部纵筋2-1与方形箍筋绑扎形成筋材骨架，筋材骨架布置于混凝土3内；
10.所述frp复合螺旋箍筋1包括内部frp螺旋箍筋1-1及外部的frp方形箍筋1-2，且内部frp螺旋箍筋1-1直径和外部的frp方形箍筋1-2边长相等，每一圈frp螺旋箍筋均绑扎一道frp方形箍筋；
11.所述frp方形箍筋的角部还均配设有纵筋。
12.所述frp方形箍筋和frp螺旋箍筋采用gfrp筋、cfrp筋、bfrp筋以及afrp筋中的一种或多种。
13.所述纵筋采用钢筋、gfrp筋、cfrp筋、bfrp筋、afrp筋其中一种或者钢筋与frp筋的混合筋。
14.基于frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱的受压设计方法，包括以下步骤：
15.第一步：将该柱应用于海洋环境中，故确定所在区域环境类别及其作用等级，对不同的设计使用年限及相应的极限状态下的构件进行耐久性设计；
16.第二步，根据设计要求，拟订整体方案和结构形式，参照已有设计和相关数据，初步确定frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱的截面尺寸；
17.第三步，根据建筑结构的拟定建筑规模、柱所在的位置、设定的荷载特征，计算设计使用年限及极限状态下柱的控制截面的最大设计承载力；
18.第四步，根据初步拟定的截面尺寸、极限状态下的最大设计承载力及规范中的配筋要求，初步拟定其纵筋及箍筋的配置；
19.第五步，确定内部frp螺旋箍筋和外部frp方形箍筋的有效侧向约束应力；
20.第六步，制定复合螺旋箍筋约束模型，计算frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱的极限承载力。
21.第五步中，frp螺旋箍筋的有效侧向约束应力，其计算公式如下：
[0022][0023]
式中f
fb
取螺旋箍筋的弯曲强度和0.004e
ft
中的较小值,e
ft
为筋材的受拉弹性模量；af为螺旋箍筋的截面积；
[0024]
s为箍筋间距；
[0025]ds
为螺旋箍筋中线之间的直径；
[0026]
ke为有效约束系数；
[0027]
而frp螺旋箍筋的有效约束系数ke的计算公式如下：
[0028][0029]
式中a
cc
为螺旋箍筋中线所包围的混凝土面积，不包括纵筋面积；
[0030]ae
为有效约束核心混凝土面积；
[0031]
s'为箍筋净距；
[0032]
ρ
cc
为纵筋面积与截面核心面积之比。
[0033]
第五步中，对于frp方形箍筋，其在水平面内产生的侧向约束应力呈不均匀分布，约束力在纵筋处达到最大，相邻两根纵筋间的拱形“非有效约束区”为二次抛物线形状，抛物线的面积为w
i2
/6，其中wi为相邻两纵筋的净距，方形箍筋在竖直方向同样存在拱形“非有效约束区”；
[0034]
故，对于frp方形箍筋，其有效侧向约束应力f2'计算过程如下：
[0035][0036]
其中，
[0037][0038][0039]
式中，f
lx
'为x方向的有效侧向约束应力；
[0040]fly
'为y方向的有效侧向约束应力；
[0041]asx
为x方向上的箍筋总面积；
[0042]asy
为y方向上的箍筋总面积；
[0043]bc
和dc分别为矩形两个方向箍筋中心的距离，且bc≥dc；
[0044]
而frp方形箍筋的有效约束系数ke的计算公式如下：
[0045][0046]
式中，n为纵筋的数量。
[0047]
第六步中，制定复合螺旋箍筋约束模型时，为准确反映各箍筋实际的约束作用，将复合箍筋约束区分为双重约束区和单约束区，准确反映各箍筋实际的约束作用；
[0048]
其中双重约束区为螺旋箍筋内部区域，单约束区为螺旋箍筋至方形箍筋所在区域；而双重约束区混凝土峰值应力表达式如下：
[0049][0050]
式中，f
cc1
为双重约束区混凝土峰值应力；
[0051]fco
为未约束混凝土强度；
[0052]
fd'为螺旋与矩形箍筋有效侧向约束应力之和；
[0053]
而单约束区混凝土峰值应力表达式如下：
[0054][0055]
式中，f
cc2
为单约束区混凝土峰值应力；
[0056]fco
为未约束混凝土强度；
[0057]
f2'为frp矩形箍筋有效侧向约束应力；
[0058]
最终，frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱的承载力计算公式如下：
[0059]
p0＝f
cc1
(a
1-n1a
bar
) f
cc2
(a
2-n2a
bar
) nε
barebarabar
[0060]
式中，p0为frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱承载力；
[0061]fcc1
为双重约束区约束混凝土峰值应力；
[0062]
a1为双重约束区面积；
[0063]
n1为双重约束区纵筋数量；
[0064]fcc2
为单约束区约束混凝土峰值应力；
[0065]
a2为单约束区面积；
[0066]
n2为单约束区纵筋数量；
[0067]abar
为单根纵筋的截面面积；
[0068]
n为纵筋总数量；
[0069]
ε
bar
为frp筋的极限压应变；
[0070]ebar
为frp筋的弹性模量。
[0071]
所述frp筋的极限压应变ε
bar
，根据长细比为6、10、15取极限压应变为1.3％、1.2％、0.7％，其余长细比根据插值取值。
[0072]
本发明的有益效果是：
[0073]
(1)传统钢筋混凝土中的钢箍筋在达到屈服强度后，其对核心混凝土的约束作用不在增加。而frp筋具有线弹性的特点，frp箍筋产生的约束作用随混凝土的侧向膨胀而不断增加，直到frp箍筋被拉断，可以充分发挥frp箍筋对核心混凝土的约束性能。
[0074]
(2)利用内部的螺旋箍筋提供环向的横向约束力，通过外部再布置方形箍筋不仅能使截面变成方形来增加柱的应用范围，还能与内部螺旋箍筋协同工作，实现对核心混凝土的“双重约束”[0075]
(3)一般的螺旋箍筋柱的计算模型不能准确体现frp复合螺旋箍筋约束效果，经过理论及实验数据分析提出复合螺旋箍筋约束模型，分析复合螺旋箍筋对不同区域混凝土的约束机理，提供一种所述的frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱设计方法。
[0076]
(4)本发明提供的frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱，frp复合螺旋箍筋形式可以对核心混凝土提供“双重约束”，大幅度提升核心混凝土的峰值应力，从而提升了混凝土柱的承载力及延性，解决了frp筋混凝土柱使用过程中遇到的因延性不足而发生脆性破坏的问题。
[0077]
(5)本发明提供的frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱，与传统钢筋混凝土柱相比，采用frp筋能解决海洋环境和化工厂等恶劣环境中钢筋锈蚀的问题，对于提高混凝土柱耐久性有重要的意义。
[0078]
(6)一般的螺旋箍筋柱的计算模型不能准确体现frp复合螺旋箍筋约束效果，而本发明经过理论及实验数据分析提出复合螺旋箍筋约束模型，分析复合螺旋箍筋对不同区域混凝土的约束机理，提供一种所述的frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱设计方法。
[0079]
(7)本发明提供的frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱，工序简单，易于操作，方便在工程应用中推广使用。
附图说明
[0080]
图1是本发明的结构示意图；
[0081]
图2是图1中a-a向平面剖视图；
[0082]
图3是本发明中frp螺旋箍筋有效侧向约束应力的横向剖示图；
[0083]
图4是本发明中frp螺旋箍筋有效侧向约束应力的纵向局部剖视图；
[0084]
图5是本发明中frp方形箍筋有效侧向约束应力的横向剖示图；
[0085]
图6是本发明中frp方形箍筋有效侧向约束应力的纵向局部剖视图；
[0086]
图7是本发明中复合螺旋箍筋约束区示意图。
具体实施方式
[0087]
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
[0088]
本发明提供了一种frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱及其受压设计方法，如图1至图7所示。
[0089]
一种frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱，包括frp复合螺旋箍筋1、纵筋2以及混凝土3；其中纵筋2包括中部纵筋2-1和角部纵筋2-2；中部纵筋2-1与frp复合螺旋箍筋1绑扎、角部纵筋2-1与方形箍筋绑扎形成筋材骨架，筋材骨架布置与混凝土3内；所述frp复合螺旋箍筋1包括内部frp螺旋箍筋1-1及外部的frp方形箍筋1-2，且内部frp螺旋箍筋1-1直径和外部的frp方形箍筋1-2边长相等，每一圈frp螺旋箍筋均绑扎一道frp方形箍筋。利用内部的螺旋箍筋提供环向的横向约束力，通过外部再布置方形箍筋不仅能使截面变成方形来增加柱的应用范围，还能与内部螺旋箍筋协同工作，实现“双重约束”。
[0090]
所述frp螺旋箍筋1-1和frp方形箍筋1-2采用gfrp筋、cfrp筋、bfrp筋以及afrp筋中的一种或多种；所述纵筋采用钢筋、gfrp筋、cfrp筋、bfrp筋、afrp筋或者钢筋与frp筋的混合配筋，按照工况的腐蚀环境条件由一般到恶劣，依次挑选钢筋、frp与钢筋混合配筋及全frp纵筋，从而即满足耐久性要求，也能节约结构造价。
[0091]
frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱的设计方法包括以下步骤：
[0092]
第一步：将该柱应用于海洋环境中，故确定所在区域环境类别及其作用等级，对不同的设计使用年限及相应的极限状态下的构件进行耐久性设计；
[0093]
第二步，根据设计要求，拟订整体方案和结构形式，参照已有设计和相关数据，初步确定frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱的截面尺寸；
[0094]
第三步，根据建筑结构的拟定建筑规模、柱所在的位置、设定的荷载特征，计算设计使用年限及极限状态下柱的控制截面的最大设计承载力；
[0095]
第四步，根据初步拟定的截面尺寸、极限状态下的最大设计承载力及规范中的配筋要求，初步拟定其纵筋及箍筋的配置；
[0096]
第五步，确定内部frp螺旋箍筋1-1和外部frp方形箍筋1-2的有效侧向约束应力；
[0097]
第六步，制定复合螺旋箍筋约束模型，计算frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱的极限承载力。
[0098]
其中，第五步中，内部frp螺旋箍筋和外部frp方形箍筋的有效侧向约束应力计算，为更准确表示箍筋的约束效果，根据螺旋及方形箍筋约束混凝土都存在有效约束区，如图3
所示，分别计算两种箍筋的有效侧向约束应力。
[0099]
首先，对于frp螺旋箍筋有效侧向约束应力，frp螺旋箍筋在水平面内产生的径向压力是均匀分布的，frp螺旋箍筋在竖直方向存在拱形“非有效约束区”，非有效约束区边界呈二次抛物线形状。因此，对于frp螺旋箍筋有效侧向约束应力fl'计算公式如下：
[0100][0101]
式中，f
fb
取螺旋箍筋的弯曲强度和0.004e
ft
中的较小值；
[0102]af
为螺旋箍筋的截面积；
[0103]
s为箍筋间距；
[0104]ds
为螺旋箍筋中线之间的直径；
[0105]
ke为有效约束系数。
[0106]
而frp螺旋箍筋有效约束系数ke的计算公式如下：
[0107][0108]
式中a
cc
为螺旋箍筋中线所包围的混凝土面积，不包括纵筋面积；
[0109]ae
为有效约束核心混凝土面积；
[0110]
s'为箍筋净距；
[0111]
ρ
cc
为纵筋面积与截面核心面积之比。
[0112]
其次，对于frp方形箍筋有效侧向约束应力，方形箍筋在水平面内产生的侧向约束应力呈不均匀分布，约束力在纵筋处达到最大，相邻两根纵筋间的拱形“非有效约束区”为二次抛物线形状，抛物线的面积为w
i2
/6，wi为相邻两纵筋的净距，矩形箍筋在竖直方向同样存在拱形“非有效约束区”。
[0113]
故，对于frp方形箍筋，frp方形箍筋有效侧向约束应力f2'可按下式计算：
[0114][0115]
其中，
[0116][0117][0118]
式中，f
lx
'为x方向的有效侧向约束应力；
[0119]fly
'为y方向的有效侧向约束应力；
[0120]asx
为x方向上的箍筋总面积；
[0121]asy
为y方向上的箍筋总面积；
[0122]bc
和dc分别为两个方向箍筋中心的距离，且bc≥dc；
[0123]
而frp方形箍筋的有效约束系数ke的计算公式如下：
[0124][0125]
式中n为纵筋的数量。
[0126]
第六步中，制定复合螺旋箍筋约束模型时，分析了两种箍筋对不同区域混凝土的约束机理，提出复合螺旋箍筋约束柱的承载力计算方法。
[0127]
复合螺旋箍筋约束模型：创新的将复合箍筋约束区分为双重约束区(即螺旋箍筋内部区域，如图4中14区域)和单约束区(即螺旋箍筋至矩形箍筋所在区域，如图4中13区域)，这样可以准确反映各箍筋实际的约束作用；如图4所示的约束模型，将不同的约束区域对柱的承载能力的贡献分开计算。
[0128]
对于双重约束区混凝土峰值应力，约束混凝土峰值应力与未约束混凝土强度之比f
cc
/f
co
与约束比f
l
'/f
co
有较强的非线性相关性。根据试验数据进行拟合，得出如下frp箍筋约束混凝土强度模型的峰值应力表达式：
[0129][0130]
式中f
cc1
为双重约束区混凝土峰值应力；
[0131]fco
为未约束混凝土强度；
[0132]
fd'为螺旋与矩形箍筋有效侧向约束应力之和。
[0133]
对于单约束区混凝土峰值应力：在单约束区，混凝土只受到矩形箍筋的约束，采用截面两个方向的有效侧向约束应力相同，箍筋约束混凝土的峰值应力的计算公式如下：
[0134][0135]
式中，f
cc2
为单约束区混凝土峰值应力；
[0136]fco
为未约束混凝土强度；
[0137]
f2'为frp矩形箍筋有效侧向约束应力。
[0138]
最终，复合螺旋箍筋约束柱的承载力，分别考虑三个不同受约束效果的混凝土及纵筋对承载力的贡献，得出frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱承载力p0的计算公式如下：
[0139]
p0＝f
cc1
(a
1-n1a
bar
) f
cc2
(a
2-n2a
bar
) nε
barebarabar
[0140]
式中，p0为frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱承载力；
[0141]fcc1
为内双重约束区约束混凝土峰值应力；
[0142]
a1为双重约束区面积；
[0143]
n1为双重约束区纵筋数量；
[0144]fcc2
为单约束区约束混凝土峰值应力；
[0145]
a2为单约束区面积；
[0146]
n2为单约束区纵筋数量；
[0147]abar
为单根纵筋的截面面积；
[0148]
n为纵筋总数量；
[0149]
ε
bar
为frp筋的极限压应变；
[0150]ebar
为frp筋的弹性模量。
[0151]
其中，ε
bar
为frp筋的极限压应变，根据长细比为6、10、15取极限压应变为1.3％、1.2％、0.7％，其余长细比根据插值取值；而e
bar
为frp筋的弹性模量，取值为46.3gpa。
[0152]
该frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱浇筑方式如下：
[0153]
先在中部纵筋(2-1)上绑扎frp螺旋箍筋(1-1)，同时根据设计要求调节frp螺旋箍筋间距，然后再绑扎frp方形箍筋(1-2)，最后将角部纵筋(2-2)绑扎至frp方形箍筋(1-2)的角部，由此得到具有frp复合螺旋箍筋约束的筋材骨架。
[0154]
本实施例中，为保证在frp螺旋箍筋(1-1)与frp方形箍筋(1-2)间的混凝土也得到有效约束，frp方形箍筋为闭合的箍筋，由两端搭接而成，搭接处位于方形箍筋的一个直角处，四个弯折角度均为90
°
，搭接长度需大于12倍箍筋直径，从而满足有效搭接长度，保证在高应力下frp方形箍筋2能提供有效约束。
[0155]
所述高强混凝土(3)为抗压强度为c60的混凝土，为绑扎的筋材骨架支模，边缘预留出设定好的保护层厚度25mm；可以采用立式或卧式来浇筑高强混凝土3。
[0156]
所述的frp筋选取gfrp筋，其具有轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳和相对于其他frp筋性价比高的特性。
[0157]
根据实际设计要求，选择合适的frp筋直径、螺旋箍筋和方形箍筋尺寸，且frp螺旋箍筋的直径与frp方形箍筋边长相等(
±
5mm)，其可以保证两种箍筋的准确绑扎，从而为核心混凝土提供“双重约束”，提升混凝土柱的承载力及延性。
[0158]
下面以设计实例进一步证明提出的frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱承载力计算方法的准确性：
[0159]
为避免长柱造成柱体的偏压，拟设计柱的尺寸为300mm
×
300mm
×
900mm，保护层厚度为25mm，纵筋为8根直径为16mm的gfrp筋，gfrp箍筋直径为8mm，箍筋间距为50、100、150mm，采用复合螺旋箍筋形式(内部螺旋箍筋，外部矩形箍筋)，混凝土强度等级为c60。
[0160]
现采用两种传统计算螺旋箍筋柱的计算方法和本发明提出的计算方法进行对比分析，并用相应实验数据来验证准确性：
[0161]
第一种，如下为不考虑约束区，整体计算柱承载力的公式及计算结果：
[0162]
p0＝0.85f
′c(a
g-as) 0.002e
fas
[0163]
式中fc
′
为螺旋箍筋及矩形箍筋的有效侧向约束应力；ag为截面面积，as为纵筋截面面积，ef为gfrp纵筋的弹性模量。
[0164]
计算得出在50mm、100mm、150mm三种箍筋间距下，柱的承载力均为3241kn。
[0165]
第二种，采用螺旋箍筋的有效约束模型，但未区分双重约束区及单约束区，其计算公式及结果如下：
[0166]
p0＝f
cc1
(a
1-na
bar
) nε
barebarabar
[0167]
式中，f
cc1
为简单的螺旋箍筋及矩形箍筋的有效侧向约束应力进行偶和。
[0168]
计算得出在50mm、100mm、150mm三种箍筋间距下，柱的承载力分别为5296kn、4383kn和4136kn。
[0169]
第三种，即本发明提出的复合螺旋箍筋约束模型，通过区分不同区域的实际约束效果，如下为计算公式及结果：
[0170]
p0＝f
cc1
(a
1-n1a
bar
) f
cc2
(a
2-n2a
bar
) nε
barebarabar
[0171]
计算得出在50mm、100mm、150mm三种箍筋间距下，柱的承载力分别为4926kn、4006kn、3843kn。
[0172]
通过实验得出该柱在50mm、100mm、150mm三种箍筋间距下，柱的承载力分别为5016kn、4083kn、3943kn。
[0173]
通过与试验数据的对比可知，三种计算方法在不同箍筋间距下的平均误差分别为75.39％、106.5％、97.93％，故采用本发明提出的复合螺旋箍筋约束模型计算得出的承载力准确度最高，并且数值偏小有利于为实际工程保留承载富余量。
[0174]
最后需说明的是：以上实施举例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施举例对本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举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，但这些修改或者替换，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。
[0175]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“中心”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。