一种纤维增强复合材料筋混凝土桩及其制作和施工方法 (一)技术领域：
本发明提供一种纤维增强复合材料筋混凝土桩及其制作和施工方法，它涉及一种提高普通桩基础结构耐久性的新材料和新工艺，属于土木工程中的土木工程材料和施工技术领域。
(二)背景技术
在近海、沿海及填海造地的场地和西部盐渍土场地进行基础设施建设，经常需要采用钢筋混凝土桩基础。由于这些场地的土中含有大量对钢筋有腐蚀性的盐分，对桩基础的耐久性造成极大威胁，很多此类环境中的钢筋混凝土结构使用寿命仅十几年甚至几年。由于上部结构施工完成后桩基础几乎不可能再进行修复，因此，桩基础的耐久性决定了基础设施的服务寿命。如何解决这类高含盐量地区桩基础中钢筋锈蚀问题，提高混凝土桩基础的耐久性是迫切需要解决的问题。
目前，提高钢筋抗锈蚀能力的方法主要有：在钢筋混凝土中掺加阻锈剂、增加混凝土的密实度、在钢筋表面涂镀保护层、采用电化学防护技术等。但是，这些方法不仅大幅度的提高了工程造价、提高了技术难度，而且仍然不能达到满意的效果。
本发明提出采用纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)替代钢筋构成FRP筋混凝土桩。由于FRP对盐类具有极强的抗蚀能力。因此，用FRP替代钢筋构成FRP筋混凝土桩，能够解决加筋混凝土桩基的筋材耐久性问题。
(三)发明内容
本发明的目的是提供一种FRP增强混凝土桩及其制作和施工方法，它是一种采用FRP材料替代钢筋(或型钢)构成的FRP混凝土桩。
本发明一种FRP混凝土桩，其结构组成如下：
FRP混凝土桩由基体材料C和加筋(或型材)F组成，如图1所示；FRP加筋(或型材)材料的布置方式可以采用钢筋混凝土桩、预应力混凝土桩、钢丝网片混凝土桩、核心型钢混凝土桩、钢管混凝土桩等桩结构中钢筋(或型钢)的任何布置方式，具体见国家现行桩基设计相关规范；F在C之中，C与F的连接方式为两种材料之间的胶结、摩擦、咬合的连接方式，与钢筋(或型钢)和混凝土之间的连接机理相同。
基体材料C为现行国家有关规范中规定使用的各种混凝土。
加筋为FRP材料F，其可以是碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、PBO有机纤维、硼纤维、陶瓷纤维(包括碳化硅纤维和氧化铝纤维等)超高强聚乙烯纤维、玄武岩纤维、混杂纤维等构成的FRP材料中的一种或数种。
FRP混凝土桩使用的FRP材料可以是棒材(筋和索)、片材(布和薄板)、型材、夹层板和蜂窝板以及网格材(如格栅)等，部分FRP材料形式如图2所示；其断面形状可以是圆形、矩型、不规则形式等各种形式，断面形状如图3所示；其表面可以是平滑的，也可以是带有各种凹凸不平的花纹(如螺纹)。部分FRP筋外观形式，部分外观形式如图4所示。
FRP混凝土桩，可以对FRP加筋混凝土桩中的FRP加筋材料施加预应力。
FRP混凝土桩，根据C与F的具体性能，按国家现行桩基础设计规范设计，其横截面可以是圆形、矩形、环形等现行桩基采用的各种形状，部分截面形状见图5。
FRP混凝土桩可以采用现浇方式制作，也可以采用预制方式制作。除加筋筋材料本身的连接外(筋材或型材的交叉搭接、筋材或型材不满足尺寸要求时的连接)，其它制作方法与普通钢筋混凝土桩制作方法一致。加筋筋材料连接可以采用耐久性纤维材料绑扎、耐久性胶体材料黏结、耐久性螺栓连接等耐久性连接方法，部分连接方式见图6。
本发明一种FRP筋混凝土桩的制作和施工方法，可以采用与目前钢筋混凝土桩相同的制作施工方法，具体见桩基础施工相关规范。
本发明的优点及功效
本发明具有如下优点及功效(1)可以大幅度的提高腐蚀环境中的桩基础筋材的耐久性，从而提高桩基础和上部结构的服役年限；(2)可以大幅度降低实现桩基础筋材耐久性的成本和技术难度。
(四)附图说明
图1--FRP桩组成图 图1a--FRP桩组成图
图1b--图1a之1-1剖面图 图1c--图1a之2-2剖面图
图2--FRP材料形式
图2a--FRP筋材示意图 图2b--FRP索材示意图
图2c--FRP网格材示意图 图2d--FRP片材示意图
图3--FRP加筋截面形状示意图
图3a--FRP筋圆形截面示意图 图3b--FRP筋方形截面示意图
图3c--FRP筋扁平截面示意图 图3d--FRP筋不规则形状截面示意图
图4--FRP加筋表面形式图
图4a--FRP筋材表面带肋示意图 图4b--图4a之3-3剖面图
图4c--FRP片材表面压痕示意图 图4d--FRP筋材表面光圆示意图
图4e--图4d之4-4剖面图 图4f--图4c之5-5剖面图
图5--FRP桩断面形状示意图
图5a--圆形桩截面示意图 图5b--方形桩截面示意图
图5c--圆环桩截面示意图 图5d--方环桩截面示意图
图6--FRP筋材连接方式
图6a--FRP筋材绑扎连接示意图 图6b--FRP筋材黏结连接示意图
图6c--FRP筋材耐久性螺栓连接示意图
图7--具体实施方式一中桩配筋图(一)
图7a--实施例一中桩上段配筋图
图7b--实施例一中桩中段配筋图
图7c--实施例一中桩下段配筋图
图8--实施例一中桩配筋图(二)
图8a-图7a、b、c中之1-1剖面图 图8b--图7a、b中之2-2剖面图
图8c--图7b、c中之3-3剖面图 图8d--图7b、c中之W5局部放大图
图8e--图7a中之W8局部放大图 图8f--图7a、b中之W6局部放大图
图8g--实施例一中硼纤维主筋示意图
图8h--实施例一中硼纤维箍筋示意图
图9--静压壮施工示意图
图10--实施例二中桩配筋图(一)
图11--实施例二中桩配筋图(二)
图11a--实施例二中碳纤维(CFRP)布主筋示意图
图11b--实施例二中硼纤维箍筋示意图
图12--振动陈桩施工工艺示意图
图13--实施例三中桩配筋图(一)
图13a--实施例三中桩配筋图 图13b--图13a之1-1(2-2)剖面图
图14--实施例三中桩配筋图(二)
图14a--实施例三中普通碳纤维(CFRP)带肋筋示意图
图14b--实施方式三中普通碳纤维(CFRP)光圆筋示意图
图15--灌注桩施工工艺示意图
图16--实施例四中桩配筋图
图17--实施例五中桩配筋图(一)
图17a--实施例五中桩上段配筋图
图17b--实施例五中桩中段配筋图
图17c--实施例五中桩下段配筋图
图18--实施例五中桩配筋图(二)
图18a--图17之1-1剖面图 图18b--图17之2-2剖面图
图18c--图17之3-3剖面图
图18d--实施例五中玻璃纤维(GFRP)AR(抗碱)索示意图
图18e--实施例五中硼纤维光圆钢筋示意图
图19--锤击沉桩施工工艺示意图
图中标号及符号说明如下：
FCZ--FRP桩 C--FRP桩的基体材料 F--FRP桩的FRP加筋材料
FRP-J--FRP筋材 FRP-S--FRP索材 FRP-WG--FRP网格材
FRP-P--FRP片材 FRP-SEC-Y--FRP加筋圆形截面
FRP-SEC-F--FRP加筋方形截面 FRP-SEC-BP--FRP加筋扁平截面
FRP-SEC-BGZ--FRP加筋不规则截面 S-DL--FRP加筋表面带肋
S-GY--FRP加筋表面光圆 S-YH--FRP加筋表面压痕
Z-SEC-Y--FRP桩圆形截面 Z-SEC-F--FRP桩方形截面
Z-SEC-YH--FRP桩圆环截面 Z-SEC-FH--FRP桩方环截面
LJ-B--FRP丝绑扎连接 LJ-N--结构胶黏结连接
LJ-M--耐久性螺栓连接 W5--5号FRP网片
W6--6号FRP网片 W8--8号FRP网片
(1)--钢筋编号1 (2)--钢筋编号2 (3)--钢筋编号3
(4)--钢筋编号4 (5)--钢筋编号5 (6)--钢筋编号6
(7)--钢筋编号7 (8)--钢筋编号8 (9)--钢筋编号9
(10)--钢筋编号10 (11)--钢筋编号11 (12)--钢筋编号12
(13)--钢筋编号13 (14)--钢筋编号14 (15)--钢筋编号15
(五)具体实施方式
(1)实施例一：
本发明一种FRP混凝土桩，其结构组成如下：
FRP混凝土桩由基体材料C和加筋(或型材)F组成，如图1所示；FRP加筋的布置方式采用预制钢筋混凝土方桩的布置方式；C与F的连接方式采用胶结、摩擦、咬合的连接方式，与钢筋(或型钢)和混凝土之间的连接方式相同。
基体材料F为C40混凝土。
加筋FRP材料选用硼纤维一种材料，其参数指标为：密度--2400～2650kg/m3；拉伸强度--3200～5200MPa；模量--350～400GPa。
FRP混凝土桩，使用的硼纤维带肋筋为棒材(筋)，如图2中FRP-J所示；其表面为带有各种凹凸不平的花纹(肋)，如图4中S-DL所示。
FRP混凝土桩，按国家先行桩基础设计规范设计，400mm×400mm方形横截面，配硼纤维带肋筋；箍筋采用硼纤维光圆筋，普通箍筋，加密区间距100mm，非加密区间距200mm，如图7、图8所示。
FRP混凝土桩，采用预制方式制作。除加筋筋材料本身的连接外(筋材或型材的交叉搭接、筋材或型材不满足尺寸要求时的连接)，其它制作方法与普通钢筋混凝土桩制作方法一致。主筋和箍筋之间的搭接采用硼纤维丝绑扎、主筋的连接采用高强塑料螺栓。
按常规静压预制桩工艺施工，如图9所示。
(2)实施例二：
本发明一种FRP混凝土桩，其结构组成如下：
FRP混凝土桩由基体材料C和加筋(或型材)F组成，如图1所示；FRP加筋的布置方式采用预制钢板带混凝土管桩的布置方式；C与F的连接方式采用胶结、摩擦、咬合的连接方式，与钢筋(或型钢)和混凝土之间的连接方式相同。
基体材料为C60混凝土。
加筋FRP材料选用高模量碳纤维一种材料，其参数指标为：密度--1750kg/m3；拉伸强度--2400MPa；模量--350GPa。
FRP混凝土桩，使用的高模量碳纤维布为片材(布)，如图2中FRP-P所示；其表面为带有各种凹凸不平的花纹(压痕)，如图5中S-YH所示。
FRP混凝土桩，按国家先行桩基础设计规范设计，圆环形截面，外径400mm，壁厚50mm；主筋采用8条2mm厚、100mm幅宽高模量碳纤维(CFRP)布，布表面做压痕；箍筋采用高模量碳纤维CFRP)圆形螺旋箍，间距100mm。如图10、图11所示。
FRP混凝土桩，采用预制方式制作。除加筋筋材料本身的连接外(筋材或型材的交叉搭接、筋材或型材不满足尺寸要求时的连接)，其它制作方法与普通钢筋混凝土桩制作方法一致。主筋和箍筋之间的搭接采用硼纤维丝绑扎、主筋主筋的连接采用结构胶黏结。
振动预制桩沉桩工按常规方式施工，如图12所示。
(3)实施例三：
本发明一种FRP混凝土桩，其结构组成如下：
FRP混凝土桩由基体材料C和加筋(或型材)F组成，如图1所示；FRP加筋的布置方式采用现浇混凝土灌注桩的布置方式；C与F的连接方式采用胶结、摩擦、咬合的连接方式，与钢筋(或型钢)和混凝土之间的连接方式相同。
基体材料为C20混凝土。
加筋FRP材料选用普通碳纤维一种材料，其参数指标为：密度--1750kg/m3；拉伸强度--3000MPa；模量--230GPa。
FRP混凝土桩，使用的普通碳纤维(CFRP)带肋筋为棒材(筋)，如图2中FRP-J所示；方形横截面，如图3中FRP-SEC-F所示；其表面为带有各种凹凸不平的花纹(肋)，如图4中S-DL所示。
FRP混凝土桩，按国家先行桩基础设计规范设计，圆环形截面，桩径800mm，壁厚50mm；主筋采用10根20×20mm2方形普通碳纤维(CFRP)带肋筋；箍筋采用普通碳纤维(CFRP)圆形螺旋箍，加密区间距100mm，非加密区间距200mm。
如图13、图14所示
本发明一种FRP混凝土桩的制作和施工方法，按现行常规的现浇混凝土灌注桩方法施工；主筋和箍筋之间的搭接采用普通碳纤维丝绑扎、主筋主筋的连接采用结构胶黏结；螺旋钻湿作业成孔，钻孔至设计标高后，吊入碳纤维(CFRP)筋笼，导管法水下浇注混凝土，如图15所示。
(4)实施例四：
本发明一种FRP混凝土桩，其结构组成如下：
FRP混凝土桩由基体材料C和加筋(或型材)F组成，如图1所示；FRP加筋的布置方式采用预制钢筋隔栅混凝土桩的布置方式；C与F的连接方式采用胶结、摩擦、咬合的连接方式，与钢筋(或型钢)和混凝土之间的连接方式相同。
基体材料为C40混凝土。
加筋FRP材料选用芳纶纤维(AFRP)Kelvar 49型材料，其参数指标为：密度--1450kg/m3；拉伸强度--3600MPa；模量--125GPa。
FRP混凝土桩，使用的芳纶纤维为网格材，构成网格材的筋为方形横截面，如图3中FRP-SEC-F所示；其表面为带有各种凹凸不平的花纹(肋)，如图4中S-DL所示。
FRP混凝土桩，按国家先行桩基础设计规范设计，圆形截面，桩径400mm；芳纶纤维网格材，纵向筋直径20mm、间距100mm，横向筋直径8mm、间距200mm。如图16所示。
FRP混凝土桩，采用预制方式制作。除加筋筋材料本身的连接外(筋材或型材的交叉搭接、筋材或型材不满足尺寸要求时的连接)，其它制作方法与普通钢筋混凝土桩制作方法一致。网格材为工厂预制，不需要考虑连接问题。
该静压预制桩的施工按现行常规静压桩施工工艺进行，如图9所示。
(5)实施例五：
本发明的目的是提供一种FRP混凝土桩及其施工方法，它是一种采用FRP材料替代钢筋(或型钢)构成的FRP筋混凝土桩。
本发明一种FRP混凝土桩，其结构组成如下：
FRP混凝土桩由基体材料C和加筋(或型材)F组成，如图1所示；FRP加筋的布置方式采用预制预应力钢绞线方桩的布置方式；C与F的连接方式采用胶结、摩擦、咬合的连接方式，与钢筋(或型钢)和混凝土之间的连接方式相同。
基体材料为C80混凝土。
加筋FRP材料选用玻璃纤维(GFRP)AR(抗碱)和硼纤维两种材料；玻璃纤维(GFRP)AR(抗碱)的材料参数指标为：密度--2680kg/m3；拉伸强度--3500MPa；模量--75Gpa；硼纤维的材料参数指标为密度--2400～2650kg/m3；拉伸强度--3200～5200MPa；模量--350～400GPa。
FRP混凝土桩，使用的玻璃纤维(GFRP)AR(抗碱)为棒材(索)，如图2中FRP-S所示；圆形横截面，如图3中FRP-SEC-Y所示；其表面为带有各种凹凸不平的花纹；使用的硼纤维为棒材(筋)，圆形截面，其表面呈光圆状。
FRP混凝土桩，按国家先行桩基础设计规范设计，方形截面，桩截面400×400mm2；主筋采用玻璃纤维(GFRP)AR(抗碱)索，先张法施加预应力710MPa，箍筋采用硼纤维方形螺旋箍，间距200mm。如图17、图18所示。
FRP混凝土桩，采用预制方式制作。除加筋筋材料本身的连接外(筋材或型材的交叉搭接、筋材或型材不满足尺寸要求时的连接)，其它制作方法与普通钢筋混凝土桩制作方法一致。主筋和箍筋之间的搭接采用硼纤维丝绑扎、主筋要求通常，不允许搭界。
该预制桩的施工按现行常规锤击桩施工工艺进行，如图19所示。