一种采用预应力复材筋增强UHPC模壳的组合梁及其制造方法

一种采用预应力复材筋增强uhpc模壳的组合梁及其制造方法
技术领域
1.本发明属于钢筋混凝土组合梁技术领域，具体涉及一种采用预应力复材筋增强uhpc模壳的组合梁及其制造方法。


背景技术：

2.超高性能混凝土(uhpc)梁因具有轻质、高拉/压强度、高延性/韧性、高损伤容限及优异的抗裂、耐久性能等特点，被广泛应用于高性能需求结构(如：桥梁等大跨、高耐久性需求结构)。然而，过高的材料成本及繁琐、复杂的临时支模工序一定程度限制其推广应用。结构一体化预制uhpc永久模板的出现有效简化施工工序且避免了大量现场湿作业，整体施工周期、工程造价及后期维护成本均得到大幅减少。相较于临时模板，uhpc永久模板可同时起到支撑、定型及承载的作用，通过与后浇核心钢筋混凝土梁结合，实现组合梁优异的结构性能。
3.类似地，纤维增强复合材料(简称：frp复材)因具有轻质、高强、突出的耐久性等优点，被广泛应用于既有结构或新建结构的加固或增强。其中，复材筋替代传统钢筋应用于混凝土构件，同样实现良好的结构性能。
4.已有研究表明：尽管素或配筋uhpc永久模壳对提升钢筋混凝土梁的强度、刚度及延性变形性能作用显著，但内嵌于基体中的钢纤维仅对构件微裂缝桥接作用明显。随着荷载的增加，模壳表面宏观开裂严重并导致uhpc材料性能过早退化，其高抗压性能无法得到充分发挥。通常，预制uhpc模壳主要布置于组合梁受拉侧，模壳过早开裂容易造成uhpc与核心后浇钢筋混凝土界面局部粘结滑移，由此内外两部分协同工作性能下降、组合梁刚度及承载力大幅退化，其安全性和耐久性受到巨大考验。因此，创新原有结构形式对提升普通uhpc模壳钢筋混凝土组合梁的结构性能具有重要意义。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种采用预应力复材筋增强uhpc模壳的组合梁及制造方法，以解决现有普通uhpc模壳-钢筋混凝土组合梁受拉区模壳易开裂，导致组合梁刚度及承载力大幅退化，其安全性和耐久性受到影响的技术问题。
6.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
7.本发明公开了一种采用预应力复材筋增强uhpc模壳的组合梁，包括uhpc模壳和核心梁；uhpc模壳为u型结构，包括底部的uhpc底模壳和两侧的uhpc侧模壳；uhpc底模壳内预埋有若干预应力复材筋，uhpc侧模壳内预埋有若干非预应力复材筋；uhpc底模壳和uhpc侧模壳采用结构一体化施工技术浇筑成型；核心梁直接成型于uhpc模壳内腔，核心梁由普通混凝土及预埋在普通混凝土中的钢筋笼制成，所述钢筋笼由非预应力受拉钢筋、受压钢筋及箍筋绑扎构成，非预应力受拉钢筋、受压钢筋及箍筋均为普通钢筋。
8.优选地，uhpc底模壳中的预应力复材筋和核心梁中的非预应力受拉钢筋承受荷载引起的正弯矩，受压钢筋和箍筋承受荷载引起的负弯矩，uhpc侧模壳中的非预应力复材筋
只起构造作用。
9.优选地，预应力复材筋和非预应力复材筋均为复材筋，由纤维增强复合材料frp组成。
10.优选地，预应力复材筋上的预应力采用先张法施加。
11.优选地，uhpc模壳由超高性能混凝土组成，其中，uhpc强度约120-140mpa常温养护及220mpa/60℃热养护，纤维掺量1.5％。
12.优选地，两侧的uhpc侧模壳相向的一侧预制多组“梯形”抗剪键，抗剪键的键齿数量根据组合梁界面抗剪需求设置。
13.本发明还公开了一种采用预应力复材筋增强uhpc模壳的组合梁的制造方法，包括以下步骤：
14.s1：张拉预应力复材筋并将其临时锚固在台座上，具体配筋数量按照复材筋-钢筋混合配筋梁设计方法计算确定；
15.s2：成型uhpc模壳；首先支设u形临时外钢膜、临时防漏端板及内侧塑料泡沫填充物，覆盖均匀凸起的型材，预应力复材筋穿过uhpc底模壳合适的位置，然后在合适的位置布设非预应力复材筋，并使其内嵌于uhpc侧模壳中，最后浇筑预拌超高性能混凝土成型uhpc模壳并放松预应力；
16.s3：核心梁按照混凝土结构设计规范推荐方法设计成型；按照复材筋-钢筋混合配筋梁设计思路计算核心梁中配筋量，并将绑扎好的钢筋笼放置于预制uhpc模壳内腔设计位置；
17.s4：将普通混凝土浇筑于uhpc模壳内腔，在uhpc模壳的两端支设临时木质端板，按照设计龄期养护组合梁成型构件。
18.优选地，步骤s2中，非预应力复材筋配筋数量确定方法与步骤s1中预应力复材筋的配筋数量确定方法相同。
19.优选地，步骤s2中，在uhpc模壳强度达到复合材料抗压强度标准值的80％以上时放松预应力。
20.优选地，步骤s4中，在uhpc模壳的两端支设临时木质端板的高度与uhpc侧模壳的高度相等。
21.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
22.本发明公开了一种采用预应力复材筋增强uhpc模壳的组合梁，包括uhpc模壳和核心梁，uhpc底模壳内预埋有若干预应力复材筋，核心梁中预埋有非预应力受拉钢筋，预应力复材筋及非预应力受拉钢筋的协同增强作用，组合梁呈现明显的延性变形，伴随着显著改善的结构抗裂性能及耐久性，是一种综合了“预应力uhpc模壳”和“复材筋-钢筋混合配筋梁”优点的创新结构形式，实现了组合梁高强、大刚度、高抗剪及高抗裂性能的突破；uhpc底模壳和uhpc侧模壳采用结构一体化施工技术浇筑成型，结构一体化模板的思路，将高性能uhpc作为组合梁制作做过程中的永久预制模壳，其施工工序简单、可靠、省时，可起到节约资源、合理控制造价并明显缩短施工周期的作用。
23.进一步地，预应力复材筋上的预应力采用先张法施加，采用经济、简单的先张法为复材筋施加预应力，预应力的大小根据实际需要确定；预应力复材筋的使用有效延缓了永久模壳底部受拉区uhpc易开裂的问题，复材筋的高抗拉强度及uhpc的高抗压、抗裂性能得
以充分发挥，新型组合梁的刚度、变形性能及耐久性大幅提升。
24.进一步地，两侧的uhpc侧模壳相向的一侧预制多组“梯形”抗剪键，增强了模壳与核心梁的界面抗剪能力。
25.本发明公开了一种采用预应力复材筋增强uhpc模壳的组合梁的制造方法，预应力复材筋穿过uhpc底模壳合适的位置，以对uhpc底模壳施加预应力，支设临时外端板，避免后浇核心混凝土时出现漏浆现象。
26.进一步地，在uhpc模壳强度达到复合材料抗压强度标准值的80％以上时放松预应力，使得复材筋与uhpc间建立足够的粘结作用。
附图说明
27.图1为本发明的uhpc模壳结构示意图；
28.图2为本发明组合梁的结构示意图；
29.图3为本发明的核心梁的配筋图；
30.图4为本发明组合梁的截面剖视图；
31.其中：1-uhpc模壳；2-预应力复材筋；3-非预应力复材筋；4-核心梁；5-非预应力受拉钢筋；6-受压钢筋；7-箍筋；8-抗剪键；1-1：uhpc底模壳；1-2：uhpc侧模壳。
具体实施方式
32.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
33.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
34.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
35.参见图1，本发明公开了一种采用预应力复材筋增强uhpc模壳的组合梁，包括uhpc模壳1、预应力复材筋2和非预应力复材筋3；复材筋由纤维增强复合材料(frp)组成，包含预应力筋和非预应力构造筋两类。
36.uhpc模壳1为u型结构，包括底部的uhpc底模壳1-1和两侧的uhpc侧模壳1-2；uhpc底模壳1-1沿其长度方向预埋有若干预应力复材筋2，uhpc侧模壳1-2沿其长度方向预埋有若干非预应力复材筋3。
37.所述超高性能混凝土采用课题基于最紧密堆积理论自行研制并推广的全粉体化包装材料制备，其主要利用p.o 42.5水泥、级配石英砂、硅粉、石英粉、钢纤维、高效聚羧酸减水剂、复合外加剂并按照一定配比设计而成，强度可达120-140mpa,(常温养护)及220mpa
(60℃热养)
38.采用经济、简单的先张法为复材筋施加预应力，预应力的大小根据实际需要确定；预应力复材筋的使用有效延缓了永久模壳底部受拉区uhpc易开裂的问题，复材筋的高抗拉强度及uhpc的高抗压、抗裂性能得以充分发挥；因此，新型组合梁的刚度、变形性能及耐久性大幅提升。
39.位于底部的uhpc底模壳1-1和位于两侧的uhpc侧模壳1-2采用结构一体化施工技术预制而成，uhpc模壳1由超高性能混凝土组成，其中，uhpc强度约120-140mpa(常温养护)及220mpa(60℃热养护)，纤维掺量1.5％。
40.两侧的uhpc侧模壳1-2相向的一侧预制多组“梯形”抗剪键8，键齿厚度约3-5cm、高度约2-4cm。
41.抗剪键8可显著增强永久模壳1与核心梁4的界面抗剪能力，具体键齿数量根据组合梁界面抗剪需求设置，抗剪键8主要借助常规外模板、内部填充塑料泡沫及表面均布凸起的覆盖型材预制成型。
42.参见图2，本发明公开的一种采用预应力复材筋增强uhpc模壳的组合梁，还包括设置于uhpc模壳1的空腔内的核心梁4；核心梁4按照混凝土结构设计规范推荐方法设计而成。参见图3和图4，核心梁4包括非预应力受拉钢筋5、受压钢筋6、箍筋7及直接浇筑于uhpc模壳1的空腔内设计位置的普通混凝土；其中，非预应力受拉钢筋5、受压钢筋6、及箍筋7均采用普通钢筋。
43.若干非预应力受拉钢筋5设置在核心梁4的底部，若干受压钢筋6设置在核心梁4的顶部，若干箍筋7设置在非预应力受拉钢筋5及受压钢筋6的外侧。
44.本发明组合梁中的预应力复材筋2、非预应力复材筋3、非预应力受拉钢筋5、受压钢筋6及箍筋7的布置位置、间距及具体用量按照已有复材筋-钢筋混合配筋梁设计要求配置。
45.uhpc底模壳1-1中的预应力复材筋2与核心梁4中的非预应力受拉钢筋5一起承受荷载引起的组合梁正弯矩，核心梁4内设置的受压钢筋6及箍筋7承受荷载引起的负弯矩。uhpc侧模壳1-2中的非预应力复材筋3只起构造作用；由于预应力复材筋2及非预应力受拉钢筋5的协同增强作用，组合梁呈现明显的延性变形，伴随着显著改善的结构抗裂性能及耐久性。
46.本发明还提供了一种采用预应力复材筋增强uhpc模壳的组合梁的制造方法，包括以下步骤：
47.s1:张拉预应力复材筋2并将其临时锚固在台座上，具体配筋数量按照复材筋-钢筋混合配筋梁设计方法计算确定；
48.s2:成型uhpc模壳1；首先，支设u形临时外钢膜、临时防漏端板及内侧塑料泡沫填充物(覆盖均匀凸起的型材以预制模壳内侧抗剪键8)，两者间距按照实际模壳厚度设置；然后，在合适的位置布设非预应力复材筋3(配筋数量确定方法同预应力复材筋2)，并使其内嵌于uhpc侧模壳中1-2中；最后，浇筑预拌超高性能混凝土成型uhpc模壳并放松预应力，张拉的预应力复材筋2穿过u形临时外钢模底部合适的位置，以对uhpc底模壳施加预应力。此外，在uhpc强度达到复合材料抗压强度标准值的80％以上时放松预应力，以使复材筋与uhpc间建立足够的粘结作用；
49.s3:按照复材筋-钢筋混合配筋梁设计思路计算普通钢筋配筋量，并将绑扎好的钢筋笼(底部非预应力受拉钢筋5、受压钢筋6及箍筋7)放置于预制uhpc模壳1内腔；
50.s4:为防止后浇核心梁时混凝土漏浆等现象，在uhpc模壳1的两端支设临时端板(与uhpc侧模壳1-2的高度相等)；将普通混凝土浇筑于uhpc模壳1内腔，并按照设计龄期养护成型构件。
51.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。