(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111279342.8 (22)申请日 2021.10.2 9 (71)申请人 郑州大学 地址 450001 河南省郑州市高新区科 学大 道100号 申请人 河南郑大建筑材料有限公司 (72)发明人 张普　胡俊敏　赵军　高丹盈　 刘烨　沙米姆·艾哈迈德·谢赫　 (74)专利代理 机构 郑州联科专利事务所(普通 合伙) 41104 代理人 程世芳 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 30/13(2020.01) E04C 3/34(2006.01)G06F 111/04(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种FRP复合螺旋箍筋约束混凝土柱及其受 压设计方法 (57)摘要 本发明公开了一种FRP复合螺旋箍筋约束混 凝土柱及其受压设计方法， 通过设置FRP复合螺 旋箍筋、 纵筋以及混凝土， 利用F RP筋突出的耐腐 蚀性， 解决海洋工程结构筋材锈蚀的问题， FRP复 合螺旋箍筋包括内部FRP螺旋箍筋和外部的FRP 方形箍筋， 该FRP复合螺旋箍筋形式通过箍筋间 的有效绑扎， 建立有效横向应力传递， 能充分发 挥FRP筋的力学性能， 为核心混凝土提供 “双重约 束”， 大幅度提升核心混凝土的峰值应力， 并分析 了FRP复合螺旋箍筋对不同区域混凝土的约束机 理， 提出FRP复合螺旋箍筋约束混凝土柱的约束 模型及承 载力计算方法， 并在得到准确的承 载力 计算方法后提出一种F RP复合螺旋箍筋约束混凝 土柱的设计方法。 权利要求书3页 说明书9页 附图3页 CN 114004085 A 2022.02.01 CN 114004085 A 1.一种FRP复合螺旋箍筋约束混凝土柱， 其特征在于： 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； 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； 所述FRP方 形箍筋的角部还均配设有纵筋。 2.根据权利 要求1所述的一种FRP复合螺旋箍筋约束混凝土柱， 其特征在于： 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。 3.根据权利要求1所述的一种FRP复合螺旋箍筋约束混凝土柱， 其特征在于： 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。 4.基于权利要求1至3任一项所述的一种FRP复合螺旋箍筋约束混凝土柱的受压设计方 法， 其特征在于， 包括以下步骤： 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； 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； 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； 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； 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； 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。 5.根据权利要求4所述的一种FRP复合螺旋箍筋约束混凝土柱的受压设计方法， 其特征 在于： 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： 式中ffb取螺旋箍筋的弯曲强度和0.0 04Eft中的较小值,Eft为筋材的受拉弹性模量； Af为螺旋箍筋的截面积； S为箍筋间距； ds为螺旋箍筋中线之间的直径； ke为有效约束系数； 而FRP螺旋箍筋的有效约束系数ke的计算公式如下： 权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114004085 A 2式中Acc为螺旋箍筋中线所包围的混凝 土面积， 不包括纵筋面积； Ae为有效约束 核心混凝 土面积； S'为箍筋净距； ρcc为纵筋面积与截面核心面积之比。 6.根据权利要求4所述的一种FRP复合螺旋箍筋约束混凝土柱的受压设计方法， 其特征 在于： 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wi2/6， 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”； 故， 对于FRP方 形箍筋， 其有效侧向约束应力f2'计算过程如下： 其中， 式中， flx'为x方向的有效侧向约束应力； fly'为y方向的有效侧向约束应力； Asx为x方向上的箍筋总面积； Asy为y方向上的箍筋总面积； bc和dc分别为矩形两个方向箍筋中心的距离， 且bc≥dc； 而FRP方形箍筋的有效约束系数ke的计算公式如下： 式中， n为纵筋的数量。 7.根据权利要求4所述的一种FRP复合螺旋箍筋约束混凝土柱的受压设计方法， 其特征 在于： 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； 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： 式中， fcc1为双重约束区混凝 土峰值应力； fco为未约束混凝 土强度； fd'为螺旋与矩形箍筋有效侧向约束应力之和；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114004085 A 3