[0001] 本发明涉及桥梁、 建筑等结构中的受力构件， 更具体地说， 涉及一种

FRP-混凝土 -钢双壁组合管梁以及采用这种组合管梁的梁� �式组合结构。 背景技术

[0002] 目前在桥梁、 建筑等工程结构领域中普遍使用的梁构件包括 钢筋混凝 土（Reinforced concrete, RC)梁和钢梁。 这两种梁构件耐腐蚀性均较差， 在野 外、 沿海或潮湿地等恶劣环境中容易腐蚀和退化。

[0003] 为了解决全世界范围内建筑、 桥梁结构的耐久性和退化问题， 纤维增 强聚合物 （fibre-reinforced polymer, FRP) 复合材料在近年来得到越来越广泛 的应用。 FRP是一种由碳纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维等 高性能纤维与树脂基 体混合，经过一定的加工工艺复合而成的新型 非金属材料。 FRP具有很强的耐 腐蚀能力， 同时还具有轻质、 高强、 成型方便等优点。

[0004] 现有的各种采用 FRP的梁构件包括： （a) 全 FRP梁 （以下称为第 I型 梁）， 该类型梁通常具有与钢梁类似的外形 （例如工字型或箱型）； (b ) FRP 与混凝土的组合梁， 包括 FRP筋混凝土梁、 由受拉 FRP型材和浇筑于其上的 受压混凝土层组合而成的组合梁、 以及 FRP管混凝土梁 （以下分别称为第 II 型梁、 第 III型梁、 和第 IV型梁）。 以上梁构件中 FRP作为主要的纵向受力材 料， 用量通常较大， 从而导致梁构件成本较高， 同时还常因构件刚度不够导致 其变形而非承载力成为设计的控制因素； 另外， 这些梁构件还因 FRP材料的 脆性而导致构件延性较差。 发明内容

[0005] 本发明要解决的技术问题在于， 针对现有技术的上述缺陷， 提供一种 新型的 FRP-混凝土-钢双壁组合管梁以及采用这种组合� ��梁的梁板式组合结 构。

[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 提出一种双壁组合管梁， 包括 FRP外管、 钢内管、 以及填充在该 FRP外管和钢内管之间的混凝土， 且 所述钢内管的固结混凝土一侧设有多个剪力连 接件以保证其和混凝土共同工 作。

[0007] 根据本发明的实施例中， 所述多个剪力连接件沿钢内管的周向及长度 方向分布。

[0008] 根据本发明的实施例中， 所述钢内管相对于 FRP外管朝该组合管梁的 受拉侧偏心设置。

[0009] 根据本发明的实施例中， 所述双壁组合管梁的横截面形状是圆形、 方 形、 矩形或其它合适形状的 FRP外管与圆形、 方形、 矩形或其它合适形状的 钢内管之间的任意组合。一个实施例中，所述 双壁组合管梁沿长度方向具有相 同的横截面形状。 或者， 所述钢内管在长度方向上相对于 FRP外管倾斜设置， 在正弯矩区内靠近梁横截面的下部， 在负弯矩区内靠近梁横截面的上部。

[0010] 根据本发明的实施例中， 所述 FRP外管可采用缠绕成型的工艺制作； FRP外管中纤维的方向可根据结构需要进行设计 ，在多数应用中纤维主要布置 在管环向或接近环向。

[0011】 本发明还提出一种梁板式组合结构， 包括梁和设置在其上的面板， 所 述梁为双壁组合管梁， 包括 FRP外管、 钢内管、 以及填充在该 FRP外管和钢 内管之间的混凝土，且所述钢内管的固结混凝 土一侧设有多个剪力连接件以保 证其和混凝土共同工作。

[0012] 本发明进一步提出一种梁板式组合结构， 包括双壁组合管梁和 FRP筋 混凝土面板， 所述双壁组合管梁的上部结合到 FRP筋混凝土面板的底层内形 成一体， 其中所述双壁组合管梁包括 FRP外管、 钢内管、 以及填充在该 FRP 外管和钢内管之间的混凝土，且所述钢内管的 固结混凝土一侧设有多个剪力连 接件以保证其和混凝土共同工作。

[0013] 根据本发明的实施例中， 所述双壁组合管梁的上部内嵌有加强筋， 该 加强筋穿透 FRP外管并与 FRP筋混凝土面板的底层 FRP筋连接以将该双壁组 合管梁与 FRP筋混凝土面板结合成一体。

[0014] 本发明具有以下有益效果： 与钢筋混凝土梁和钢梁相比， 本发明的双 壁组合管梁的最大优点在于具有非常好的耐腐 蚀性。 与第 I到 IV型梁相比， 本发明的双壁组合管梁的优点在于： （1 ) 由于使用了较少的 FRP材料 （仅需 要一个薄 FRP外管）， 这种梁节省成本； （2)采用延性较好的钢内管作为纵向 受拉材料， 从而使该组合管梁具有很好的延性。 除了以上这两个优点之外， 该 双壁组合管梁因为采用了钢内管和混凝土而比 第 I 型梁更易于与其它构件连 接； 同时该双壁组合管梁的 FRP外管为受压混凝土提供了很好的约束， 这是 第 II和 III型梁所不具有的优势； 并且， 该双壁组合管梁因去除了多余的受拉 混凝土而比第 II和 IV型梁更轻。 附图说明

[0015] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说 明， 附图中：

[0016] 图 1是本发明双壁组合管梁第一实施例的截面结� �示意图；

[0017] 图 2是本发明双壁组合管梁第二实施例的截面结� �示意图；

[0018] 图 3是本发明双壁组合管梁第三实施例的截面结� �示意图；

[0019] 图 4是本发明梁板式组合结构第一实施例的截面� �构示意图；

[0020] 图 5是本发明梁板式组合结构第二实施例的截面� �构示意图。 具体实施方式

[0021] 为了使本发明的目的、 技术方案及优点更加清楚明白， 以下结合附图 及实施例， 对本发明进行进一步详细说明。应当理解， 此处所描述的具体实施 例仅用以解释本发明， 并不用于限定本发明。

[0022] 图 1所示是根据本发明第一实施例的双壁组合管� � 10的截面结构示意 图。 如图 1所示， 该双壁组合管梁 10为中空圆柱状梁构件， 包括由 FRP制成 的圆形外管 11、 由钢制成的圆形内管 12、 以及填充在该外管 11和内管 12之 间的混凝土 13。 其中， FRP外管 11和钢内管 12之间并非同心设置， 钢内管 12朝着该组合管梁 10的受拉侧偏心一定距离， 以更好的发挥钢管作为延性较 好的纵向受拉材料的作用。 并且， 所述钢内管 12的固结混凝土一侧设有多个 剪力连接件 14， 用于确保钢内管 12和混凝土 13之间的组合作用， 在浇筑混 凝土时还可作为 FRP外管 11和钢内管 12之间的间隔件以固定两管的相对位 置。如图 1所示的实施例中， 剪力连接件 14沿内管 12的周向和长度方向（图 中未示出） 均匀分布。 剪力连接件 14可以采用 T型肋、 栓钉或其他合适的的 形式，焊接或通过其它方式固定在钢内管 12的侧面上，其嵌入混凝土 13内的 深度取决于相应位置处的混凝土 13的厚度以及构件的受力要求。 显然， 本发 明并不仅限于此，在各种不同实施例中， 剪力连接件的形状和分布可以根据实 际应用场合而采用不同的设置。

[0023] 图 2所示是根据本发明第二实施例的双壁组合管� � 20的截面结构示意 图。 该双壁组合管梁 20为中空矩形柱状梁构件， 具有与图 1所示的组合管梁 10相似的结构。 具体如图 2所示， 该双壁组合管梁 20包括矩形 FRP外管 21、 圆形钢内管 22、 以及填充在该外管 21和内管 22之间的混凝土 23。 同样， 钢 内管 22相对于 FRP外管 21朝着该组合管梁 20的受拉侧偏心一定距离， 以更 好的发挥钢管作为延性较好的纵向受拉材料的 作用。 并且， 钢内管 22的固结 混凝土一侧沿周向设有多个剪力连接件 24， 用于确保钢内管 22和混凝土 23 之间的组合作用， 在浇筑混凝土时还可作为 FRP外管 11和钢内管 12之间的 间隔件以固定两管的相对位置。

[0024] 图 3所示是根据本发明第三实施例的双壁组合管� � 30的截面结构示意 图。 该双壁组合管梁 30为中空矩形柱状梁构件， 具有与图 1所示的组合管梁 10和图 2所示的组合管梁 20相似的结构。 具体如图 3所示， 该双壁组合管梁 30包括矩形 FRP外管 31、 矩形钢内管 32、 以及填充在该外管 31和内管 32 之间的混凝土 33。 同样， 钢内管 32相对于 FRP外管 31朝着该组合管梁 30 的受拉侧偏心一定距离，以更好的发挥钢管作 为延性较好的纵向受拉材料的作 用。 并且， 钢内管 32的固结混凝土一侧沿周向设有多个剪力连接� �� 34， 用于 确保钢内管 32和混凝土 33之间的组合作用， 在浇筑混凝土时还可作为 FRP 外管 11和钢内管 12之间的间隔件以固定两管的相对位置。

[0025] 以上结合图 1一 3给出了具有不同截面形状的双壁组合管梁的� �同实施 例， 但是显然， 本发明并不仅限于此。 例如， 在各种应用中， 该双壁组合管梁 的截面形状可以是圆形、 方形、 矩形或其它合适形状的 FRP外管与圆形、 方 形、 矩形或其它合适形状的钢内管之间的任意组合 。

[0026] 本发明的双壁组合管梁中， FRP外管主要承受周向应力， 它的功能主 要是约束混凝土并增强该组合管梁的抗剪能力 。 FRP外管纵向仅需要有很低的 承载力， 用于在现场浇筑时支撑湿的混凝土， 以及在工作负载下避免产生拉伸 裂缝。该组合管梁的这一特征使其具有两个优 点： （l ) FRP管可以很薄， 从而 降低材料成本； （2) 混凝土得到约束， 梁的延性被加强。 这样的 FRP外管可 以通过纤维缠绕成型技术来制成， 并使纤维沿着接近周向的方向 （例如， 士 80° ) 缠绕， 以提高该组合管梁的抗剪能力并保证对混凝土 的约束作用。

[0027] 本发明的双壁组合管梁的一个最大优点是具有 极佳的耐腐蚀性， 因为 FRP外管是高度抗腐蚀的， 而钢内管被 FRP外管和混凝土所保护， 不会受到 腐蚀。必要的情况下，还可以在钢内管的两端 部焊接钢板以将该组合管梁内部 密封。本发明的双壁组合管梁的其它主要优点 包括： （1 )由于使用了延性较好 的钢内管来作为纵向受拉材料， 并且混凝土被内、 外管很好地约束， 因而该组 合管梁具有极好的延性； （2) 中空的截面形式省去了大量多余的受拉混凝土 ， 因而该组合管梁很轻； （3 ) 内、 外管可用作浇筑混凝土的永久模板， 因而该组 合管梁非常容易施工，而且钢内管和混凝土的 存在使得该组合管梁易于与其它 结构件连接。此外， 钢内管的采用确保了该组合管梁具有较大的弯 曲刚度， 这 消除了现有的玻璃纤维 FRP筋混凝土梁的一个主要缺陷， 即因玻璃纤维 FRP 的相对较低的弹性模量， 使得过大的挠度而非强度成为了设计控制因素 。

[0028] 本发明的双壁组合管梁即使从初始建造成本考 虑也是非常经济的梁构 件。 由于 FRP外管主要用作抗腐蚀的保护层、 浇筑混凝土的永久模板、 以及 增强抗剪能力和延性的外壳， FRP外管中的纤维主要受拉， 因而相对较薄的 FRP管便足以实现这些功能。 这样的薄 FRP外管和钢内管的成本， 完全可以 因去除了多余的受拉混凝土、 以及节省掉临时模板和钢筋的劳动力 /材料成本 而抵消。因此， 本发明的双壁组合管梁与现有的钢筋混凝土梁 具有大致相同的 初始建造成本。此外， 由于前者重量较轻，进一步节省了支撑构件所 需的成本。 最后， 本发明双壁组合管梁的极佳耐腐蚀性还大大节 省了后期维护的成本。

[0029] 本发明以上结合图 1一 3所示的实施例介绍了沿梁的长度方向具有相� � 横截面的双壁组合管梁， 这种组合管梁特别适于用作简支梁。在本发明 的其它 实施例中，可将该组合管梁的钢内管沿长度方 向倾斜放置， 即将钢内管在正弯 矩区内靠近横截面的下部设置，在负弯矩区内 靠近横截面的上部设置， 这样的 双壁组合管梁便可用作连续梁。

[0030] 本发明的双壁组合管梁可用于大桥的主梁、 大桥的梁 /板结构、 或腐蚀 / 恶劣环境中的其它结构的受弯构件 （例如梁和面板）。 以下结合图 4和图 5介 绍本发明的双壁组合管梁用于梁板式组合结构 的两种应用。

[0031] 图 4所示是本发明梁板式组合结构的第一实施例� �截面结构示意图。 如图 4所示， 该梁板式组合结构 40 由根据本发明实施例的双壁组合管梁 41 和设置在其上的面板 42组成以形成梁-板式桥面系统。其中，双壁组 合管梁 41 是中空矩形柱状梁构件， 具有前述图 2所示的截面形式。 具体如图 4中所示， 双壁组合管梁 41包括矩形 FRP外管 411、 圆形钢内管 412和填充在二者之间 的混凝土 413， 且在钢内管 412的固结混凝土一侧设有多个剪力连接件 414以 加强钢内管 412和混凝土 413的组合作用。 面板 42可由 FRP复合材料、 铝、 或其它轻质且耐腐蚀的合适材料制成。面板 42也可以是 FRP-混凝土组合面板， 例如在 FRP型材上浇筑一层混凝土得到的组合面板。面 板 42可通过胶粘层 43 粘结固定在双壁组合管梁 41上， 或者， 也可以使用连接件 （例如剪力键） 将 组合管梁 41与面板 42连接。

[0032] 图 5 是本发明梁板式组合结构第二实施例的截面结 构示意图。 如图 5 所示， 该梁板式组合结构 50由根据本发明实施例的双壁组合管梁 51和 FRP 筋混凝土面板 52组成， 以形成桥面或楼板系统。 其中， FRP筋混凝土面板 52 内设置有许多 FRP筋， 例如图中所示的 FRP筋 521和 522， 面板 52底部用于 控制裂纹的纵向 FRP筋为清楚起见而没有示出。双壁组合管梁 51是中空圆柱 状梁构件， 具有与前述图 1所示实施例相似的截面形式， 包括圆形 FRP外管 511、 圆形钢内管 512和填充在二者之间的混凝土 513， 且在钢内管 512的固 结混凝土一侧设有多个第一剪力连接件 514 以加强钢内管 512和混凝土 513 的组合作用。 此外， 该组合管梁 51 的上部还预先内嵌有加强筋 515。 加强筋 515穿透 FRP外管 511的管壁伸出， 并与混凝土面板 52的底层 FRP筋 521通 过机械连接头 523连接， 从而将组合管梁 51与混凝土面板 52结合成一体。此 外，必要的情况下，组合管梁 51还可设有其它合适形式的第二剪力连接件 516 穿透 FRP外管 511嵌入混凝土面板 52内， 以确保组合管梁 51和混凝土面板 52之间的组合作用。 该加强筋 515和第二剪力连接件 516可以由不锈钢、 带 聚合物涂层的钢、 或其它具有极佳耐腐蚀性的材料制成。 由于 FRP外管 511 的纤维都是接近周向缠绕的， 加强筋 515和第二剪力连接件 516穿透 FRP外 管 511并不会对该外管的整体性能造成明显影响。 因而， 这种梁板式组合结构 50保留了前面所介绍的双壁组合管梁的全部优� ��。

[0033] 根据本发明的双壁组合管梁和采用这种组合管 梁的梁板式组合结构是 现有梁构件和桥面 /楼板系统的非常具有竞争优势的替代品。 本发明为克服全 世界范围内基建设施的腐蚀和退化问题提供一 种了耐久性好、延性佳、且造价 经济的解决方案。

[0034] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明， 凡在 本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等， 均应包含在本 发明的保护范围之内。