CN106906951A - 一种带夹层的钢管约束的圆钢管混凝土构件及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带夹层的钢管约束的圆钢管混凝土构件及其加工方法，其中所述带夹层的钢管约束的钢管混凝土新型构件由外层钢管、夹层材料和核心钢管混凝土构件组成，所述外层钢管和夹层材料仅对核心钢管混凝土提供侧向约束作用；所述外层钢管与核心钢管混凝土构件均为圆形；其中外层钢管沿核心钢管混凝土构件表面通长布置并且不与核心构件的端部及梁柱节点进行连接，本发明可增强核心构件钢管与核心混凝土之间的共同工作性能，提高构件的承载力和延性，改善构件的破坏模式，增强构件的抗震、耐腐蚀和抗火性能；本发明原理清晰、力学性能优越、工程成本较低。

Description

一种带夹层的钢管约束的圆钢管混凝土构件及其加工方法

技术领域

本发明属于建筑结构构件领域，尤其涉及一种带夹层的钢管约束的圆钢管混凝土构件及其加工方法。

背景技术

钢管混凝土指在钢管中填充混凝土而形成的组合构件。钢管混凝土构件在受力过程中，钢管对混凝土的约束作用使混凝土处于三向受压的应力状态，从而使钢管中核心混凝土的强度得以提高，延性得到显著改善；同时，核心混凝土的存在可避免或延缓钢管发生局部屈曲，从而保证其材料性能得到充分发挥。与钢筋混凝土结构相比，在钢管混凝土施工过程中，钢管可以作为浇筑其核心混凝土的模板，可节省模板费用，加快施工进度；与钢结构相比，核心混凝土的存在使构件的耐火性能更好，节约防火涂料，降低工程造价。将钢管与混凝土组合为钢管混凝土，通过钢管与核心混凝土的相互作用，不仅可以弥补两种材料各自的缺点，而且能充分发挥二者的优点，使钢管混凝土结构具有一系列优越的力学性能。近年来，钢管混凝土结构因其优越的力学性能受到工程界的青睐，在高层建筑和大跨度桥梁中得到了越来越广泛的应用。

但钢管混凝土结构在实际工程中应用中也存在着不足之处，具体包括：

（1）钢管混凝土柱在轴向荷载作用下，钢管与核心混凝土同时承担纵向荷载，因此钢管对核心混凝土的约束效果未能得到充分发挥，特别是对于钢管高强混凝土柱，钢管对核心混凝土的约束效果不显著，核心高强混凝土在受力过程中易产生剪切压溃破坏；

（2）钢管混凝土构件在轴向荷载作用下，钢管一般处于纵向受压横向受拉的应力状态，这使钢管的纵向屈服强度低于钢管单向受拉屈服强度；随着变形的增加，钢管对核心混凝土的横向约束作用逐渐增强，特别是当钢管屈服后，钢管的纵向应力随其横向应力的增加而逐渐降低，即钢管对构件纵向承载力的贡献也随之减弱；

（3）钢管混凝土构件在遭遇相当于本地区抗震设防烈度的设防地震影响时，构件可能发生损坏，其钢管可能达到屈服或产生屈曲，构件需进行修复加固才可继续使用；

（4）钢管混凝土构件在轴向荷载作用下，在加载初期，钢管与核心混凝土均处于弹性阶段，由于钢管的泊松比大于核心混凝土，钢管的横向变形比核心混凝土的横向变形大，这导致钢管与核心混凝土之间产生脱开现象，特别对于薄壁钢管高强混凝土构件，高强核心混凝土在加载初期横向变形小，薄壁钢管与核心混凝土脱开现象更为显著；此外，实际工程中由于核心混凝土的浇筑、养护方式不当或核心混凝土产生收缩、徐变和温度变形可导致钢管与核心混凝土之间产生脱空现象，以上现象均可影响钢管与核心混凝土的相互作用，使钢管在加载初期可产生较大初应力，从而影响构件的力学性能；

（5）实际钢管混凝土构件中，钢管因其耐腐蚀性能差需定期进行严格的防腐处理，否则容易发生锈蚀，影响构件的耐久性和力学性能，限制了此类构件在某些特殊环境中的使用，例如超大跨径钢管混凝土拱桥因外层钢管的耐腐性差导致其在沿海地区的发展与应用受到限制；

（6）钢管混凝土构件的钢管处于最外层，且钢管需承担纵向荷载，在火灾作用下，钢管的强度和弹性模量急剧减小，从而降低钢管混凝土构件的承载力，因此实际工程中，为提高钢管混凝土构件的耐火性能，仍需在钢管外表面喷涂防火保护层，从而增加工程造价。

为此，有必要设计一种新型的钢管混凝土结构构件，能够增强构件钢管对核心混凝土的约束作用，提高构件的承载力和延性，改善构件的破坏模式，增强构件的抗震、耐腐蚀和耐火性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带夹层的钢管约束的圆钢管混凝土构件，旨在解决现有钢管混凝土构件技术的不足，用以增强核心构件钢管与核心混凝土之间的共同工作性能，提高构件的承载力和延性，改善构件的破坏模式，增强构件的抗震、耐腐蚀和耐火性能。

本发明是这样实现的，一种带夹层的钢管约束的圆钢管混凝土构件，由空心柱体结构的核心组件和空心柱体结构的外层组件嵌套组成，所述外层组件与所述核心组件之间填充有夹层材料；所述核心组件内部填充有内层材料，所述核心组件和所述外层组件的横截面图形均为中心对称图形；所述核心组件和所述外层组件的横截面的对称中心重合；所述外层组件的内壁宽度大于所述核心组件的外壁宽度且两者不相互接触；所述外层组件的长度小于所述核心组件；所述夹层材料长度与所述外层组件相同；所述内层材料长度与所述核心组件相同；所述核心组件为空心圆柱体结构。由于核心组件的长度要长于所述外层组件和夹层材料，且实际工程中外层组件和夹层材料不与核心组件的梁柱节点连接，所以本方案中外层组件和夹层材料实质上是不受力的，只是对核心组件与混凝土提供横向约束的作用。

这与现有技术中普通的双层嵌套钢管具有很大的不同，现有技术中的双层钢管虽然从构件中部的横截面结构上来说与本方案是一样的，但是由于其外层结构的长度于内层结构相同，所以受力时两者是同时承受纵向力作用；使外层结构钢管对内层结构的约束作用不能充分发挥。

本发明的进一步技术方案是：所述外层组件为空心圆柱体结构。空心圆柱结构能够在各个方向上提供相同的横向约束作用，从而增强核心组件对内层材料的约束作用。

本发明的进一步技术方案是：所述核心组件和所述外层组件的制造材料为碳素钢、不锈钢和高强钢中的一种。这些材料容易获得，成本低廉。

本发明的进一步技术方案是：所述内层材料的制备材料为高性能混凝土、高强混凝土、普通混凝土和再生混凝土中的一种或多种；所述夹层材料的制备材料为水泥基灌浆材料、纤维增强灌浆材料、结构胶、高性能混凝土、高强混凝土、普通混凝土或再生混凝土中的一种或多种。这些材料容易获得，成本低廉。

下面介绍本方案的带夹层的钢管约束的圆钢管混凝土构件的安装方法，该方法包括以下步骤：

步骤A：定位步骤，所述定位步骤系按设计将核心组件和外层组件进行定位，所述核心组件系圆柱体结构；

步骤B：浇筑步骤，所述浇筑步骤系将内层材料灌注进入所述核心组件、将夹层材料灌注进入所述外层组件和核心组件之间；

步骤C：养护步骤，所述养护步骤系对步骤B获得的产品进行养护。

本发明的进一步技术方案是，所述步骤A包括以下分步骤：

步骤A1：制作组件步骤，所述制作组件步骤系按设计长度截取矩形核心组件和外层组件，或按设计要求选取板材卷曲焊接形成圆形外层组件和核心组件；

步骤A2：组件固定步骤，在所述核心组件和所述外层组件的端部插入固定件，所述固定件系圆环形钢板，所述固定件中间设有圆的镂空，所述镂空形状与所述核心组件的外表面相同，所述固定件的外径与所述外层组件的外径相同，所述固定件与所述外层组件点焊相连。通过固定件保证核心组件和外层组件之间的位置，确保两者能够同心。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤B包括以下分步骤：

步骤B1：内层材料浇筑步骤，所述内层材料浇筑步骤系将混凝土按照设计配比制备内层材料，对与夹层材料4接触的固定件5的表面铺设聚乙烯薄膜并涂抹机油；然后将所述内层材料灌注至所述核心组件内部，并充分振捣至所述内层材料达到密实；

步骤B2：夹层材料浇筑步骤，所述夹层材料浇筑步骤系按照设计配比制备夹层材料，将所述内层材料灌注至所述核心组件和所述外层组件之间，并充分振捣至所述内层材料达到密实。

所述步骤C包括以下分步骤：

步骤C1：对浇筑完成的试件进行养护；

步骤C2：取下步骤A2中用到的固定件。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）外层圆钢套管不承担纵向荷载，对核心圆形钢管混凝土构件的钢管及核心混凝土起约束作用，与传统钢管混凝土构件相比，核心混凝土受到的约束效果更强，其延性可得到进一步改善，减弱了核心混凝土产生剪切破坏的现象，同时外层圆钢套管对核心圆形钢管混凝土构件的钢管（内层圆形钢管）产生约束作用可有效防止或延缓内层钢管产生局部屈曲，而外层圆钢套管不承担纵向荷载，同样避免了钢管的屈曲问题，因此本发明构件将有效改善传统钢管混凝土构件的破坏模式；

（2）外层圆钢套管对核心圆形钢管混凝土柱的钢管及核心混凝土起约束作用，核心混凝土受到的约束效果增强，其承载力可得到进一步提高；内层钢管的横向受拉作用将得到减弱，其纵向应力则相应提高，对构件承载力的贡献更大，与传统钢管混凝土构件相比，本发明核心混凝土与钢管的力学性能得到更有效的发挥，受力明确合理，承载力可得到显著提高；

（3）外层圆钢套管不承担纵向荷载，避免钢管的屈曲问题，同时可更有效的约束核心混凝土，减轻了核心混凝土破坏的现象；当构件遭受相当于本地区抗震设防烈度的设防地震影响时，可能发生损坏，采用本发明方式对构件进行局部修复加固，可使构件继续使用，因此本发明在提高传统钢管混凝土构件抗震能力的同时也为构件的震后修复加固提供了途径；

（4）外层圆钢套管不承担纵向荷载，可减弱加载初期内层钢管与核心混凝土之间的脱开现象，使内层钢管对核心混凝土在加载初期即产生约束作用，增强构件的力学性能；本发明还可有效克服核心混凝土浇筑、养护方式不当或核心混凝土产生收缩、徐变、温度变形引起的内层钢管与核心混凝土粘结强度不足的问题，从而提高内层钢管和混凝土二者之间的工作性能；

（5）当构件的外层圆钢套管采用不锈钢管时，外层不锈钢管将大幅度改善构件的耐腐蚀性能，减少防腐处理工序，可将传统钢管混凝土构件扩展至潮湿、腐蚀性介质强等特殊环境中使用；

（6）本发明在原有核心圆形钢管混凝土构件的外侧外包了一层夹层材料，夹层材料的比热容比内层钢管的比热容大，能有效延缓火灾的热量传递，同时外层圆钢套管在火灾作用下不承担纵向荷载，以上均可提高核心圆形钢管混凝土构件的耐火极限。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的带夹层的钢管约束的圆钢管混凝土构件的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的带夹层的钢管约束的圆钢管混凝土构件的横截面示意图。

图3是本发明实施例提供的带夹层的钢管约束的圆钢管混凝土构件制备过程中的示意图。

图4是本发明实施例提供的带夹层的钢管约束的圆钢管混凝土构件加工方法中固定件的示意图。

附图标记：1-内层材料；2-核心组件；3-外层组件；4-夹层材料；5-固定件。

具体实施方式

以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。

图1是本发明实施例提供的带夹层的钢管约束的圆钢管混凝土构件的结构示意图。从图1中可以看出本方案提供的带夹层的钢管约束的圆钢管混凝土构件的外观。一种带夹层的钢管约束的圆钢管混凝土构件，由空心柱体结构的核心组件2和空心柱体结构的外层组件3嵌套组成，所述外层组件与所述核心组件之间填充有夹层材料4；所述核心组件内部填充有内层材料1，所述核心组件和所述外层组件的横截面图形均为中心对称图形；所述核心组件和所述外层组件的横截面的对称中心重合；所述外层组件的内壁宽度大于所述核心组件的外壁宽度且两者不相互接触；所述外层组件的长度小于所述核心组件；所述夹层材料长度与所述外层组件相同；所述内层材料长度与所述核心组件相同。

图2是本发明实施例提供的带夹层的钢管约束的圆钢管混凝土构件的横截面示意图。从图2可以看出，具体到本实施例中，核心组件采用圆形结构，而外层组件也采用圆形结构。

由于核心组件的长度要长于所述外层组件，所以本方案中外层组件实质上是不受力的，只是对核心组件与混凝土提供横向约束的作用。相比于传统的钢管混凝土构件，本发明可增强钢管与核心混凝土之间的共同工作性能，提高构件的承载力和延性，改善构件的破坏模式，增强构件的抗震、耐腐蚀和耐火性能。

这与现有技术中普通的双层嵌套钢管具有很大的不同，现有技术中的双层钢管虽然从构件中部的横截面结构上来说与本方案是一样的，但是由于其外层结构的长度于内层结构相同，所以受力时两者是同时承受纵向力作用，使外层结构钢管对内层结构的约束作用不能充分发挥。

本方案中，当核心组件的两端比外层钢管和夹层材料两端各长一些时即可实现外层组件完全不受到纵向荷载，实际工程中，所述外层组件沿所述核心组件通长布置，但不以任何形式与所述核心组件的端部及节点相连接。

进一步的，所述核心组件和所述外层组件的制造材料为碳素钢、不锈钢和高强钢中的一种，以适应不同的工程需要，特别是当外层组件采用不锈钢管时，可提高整体构件的耐腐蚀性能和美观效果。

进一步的，所述内层材料的制备材料为高性能混凝土、高强混凝土、普通混凝土和再生混凝土中的一种或多种，以适应不同工程的需要，当构件用于高层、超高层建筑或大跨度拱桥结构中，高性能混凝土和高强混凝土可发挥更大的优势和效益，而当核心混凝土采用再生混凝土时，可解决天然骨料资源紧缺问题，保护骨料产地的生态环境，又能解决城市废弃物的堆放、占地和环境污染等问题，具有显著的社会、经济和环保效益。

所述夹层材料的制备材料为水泥基灌浆材料、纤维增强灌浆材料、结构胶、高性能混凝土、高强混凝土、普通混凝土或再生混凝土中的一种或多种。这些材料容易获得，成本低廉。

本方案的另一目的在于提供一种带夹层的钢管约束的圆钢管混凝土构件的制备方法，该方法包括以下步骤：

步骤A：定位步骤，所述定位步骤系按设计将核心组件和外层组件进行定位；所述核心组件系圆柱体结构。

其中，所述步骤A包括以下分步骤：

步骤A1：制作组件步骤，所述制作组件步骤系按设计长度截取矩形核心组件和外层组件，或按设计要求选取板材卷曲焊接形成圆形外层组件和核心组件；

步骤A2：组件固定步骤，在所述核心组件和所述外层组件的端部插入固定件5，图3是本发明实施例提供的带夹层的钢管约束的圆钢管混凝土构件制备过程中的示意图。从图3中可以看出所述固定件的安装位置。所述固定件系圆环形钢板，图4是本发明实施例提供的带夹层的钢管约束的圆钢管混凝土构件加工方法中固定件的示意图。从图4中可以看出所述固定件中间设有圆形的镂空，所述镂空形状与所述核心组件的外表面相同，所述固定件的外径与所述外层组件的外径相同，所述固定件与所述外层组件点焊相连。通过固定件保证核心组件和外层组件之间的位置，确保两者能够同心。

步骤B：浇筑步骤，所述浇筑步骤系将内层材料灌注进入所述核心组件、将夹层材料灌注进入所述外层组件和核心组件之间；

所述步骤B包括以下分步骤：

步骤B1：内层材料浇筑步骤，所述内层材料浇筑步骤系将混凝土按照设计配比制备内层材料，对与夹层材料4接触的固定件5的表面铺设聚乙烯薄膜并涂抹机油；然后将所述内层材料灌注至所述核心组件内部，并充分振捣至所述内层材料达到密实；

步骤B2：夹层材料浇筑步骤，所述夹层材料浇筑步骤系按照设计配比制备夹层材料，将所述内层材料灌注至所述核心组件和所述外层组件之间，并充分振捣至所述内层材料达到密实。

步骤C：养护步骤，所述养护步骤系对步骤B获得的产品进行养护。

具体的，所述步骤C包括以下分步骤：

步骤C1：对浇筑完成的试件进行养护；

步骤C2：取下步骤A2中用到的固定件。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）外层圆钢套管不承担纵向荷载，对核心圆形钢管混凝土构件的钢管及核心混凝土起约束作用，与传统钢管混凝土构件相比，核心混凝土受到的约束效果更强，其延性可得到进一步改善，减弱了核心混凝土产生剪切破坏的现象，同时外层圆钢套管对核心圆形钢管混凝土构件的钢管（内层圆形钢管）产生约束作用可有效防止或延缓内层钢管产生局部屈曲，而外层圆钢套管不承担纵向荷载，同样避免了钢管的屈曲问题，因此本发明构件将有效改善传统钢管混凝土构件的破坏模式；

（2）外层圆钢套管对核心圆形钢管混凝土柱的钢管及核心混凝土起约束作用，核心混凝土受到的约束效果增强，其承载力可得到进一步提高；内层钢管的横向受拉作用将得到减弱，其纵向应力则相应提高，对构件承载力的贡献更大，与传统钢管混凝土构件相比，本发明核心混凝土与钢管的力学性能得到更有效的发挥，受力明确合理，承载力可得到显著提高；

（3）外层圆钢套管不承担纵向荷载，避免钢管的屈曲问题，同时可更有效的约束核心混凝土，减轻了核心混凝土破坏的现象；当构件遭受相当于本地区抗震设防烈度的设防地震影响时，可能发生损坏，采用本发明方式对构件进行局部修复加固，可使构件继续使用，因此本发明在提高传统钢管混凝土构件抗震能力的同时也为构件的震后修复加固提供了途径；

（4）外层圆钢套管不承担纵向荷载，可减弱加载初期内层钢管与核心混凝土之间的脱开现象，使内层钢管对核心混凝土在加载初期即产生约束作用，增强构件的力学性能；本发明还可有效克服核心混凝土浇筑、养护方式不当或核心混凝土产生收缩、徐变、温度变形引起的内层钢管与核心混凝土粘结强度不足的问题，从而提高内层钢管和混凝土二者之间的工作性能；

（5）当构件的外层圆钢套管采用不锈钢管时，外层不锈钢管将大幅度改善构件的耐腐蚀性能，减少防腐处理工序，可将传统钢管混凝土构件扩展至潮湿、腐蚀性介质强等特殊环境中使用；

（6）本发明在原有核心圆形钢管混凝土构件的外侧外包了一层夹层材料，夹层材料的比热容比内层钢管的比热容大，能有效延缓火灾的热量传递，同时外层圆钢套管在火灾作用下不承担纵向荷载，以上均可提高核心圆形钢管混凝土构件的耐火极限。

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。

Claims (9)

1.一种带夹层的钢管约束的圆钢管混凝土构件，其特征在于：由空心柱体结构的核心组件和空心柱体结构的外层组件嵌套组成，所述外层组件与所述核心组件之间填充有夹层材料；所述核心组件内部填充有内层材料；所述核心组件和所述外层组件的横截面图形均为中心对称图形；所述核心组件和所述外层组件的横截面的对称中心重合；所述外层组件的内壁宽度大于所述核心组件的外壁宽度且两者不相互接触；所述外层组件的长度小于所述核心组件；所述夹层材料长度与所述外层组件相同；所述内层材料长度与所述核心组件相同；所述核心组件为空心圆柱体结构。

2.根据权利要求1所述的带夹层的钢管约束的圆钢管混凝土构件，其特征在于：所述外层组件为空心圆柱体结构。

3.根据权利要求1-2中任一所述的带夹层的钢管约束的圆钢管混凝土构件，其特征在于：所述夹层材料的制备材料为水泥基灌浆材料、纤维增强灌浆材料、结构胶、高性能混凝土、高强混凝土、普通混凝土或再生混凝土中的一种或多种。

4.根据权利要求1-2中任一所述的带夹层的钢管约束的圆钢管混凝土构件，其特征在于：所述核心组件和所述外层组件的制造材料为碳素钢、不锈钢和高强钢中的一种。

5.根据权利要求1-2中任一所述的带夹层的钢管约束的圆钢管混凝土构件，其特征在于：所述内层材料的制备材料为高性能混凝土、高强混凝土、普通混凝土和再生混凝土中的一种或多种。

6.一种带夹层的钢管约束的圆钢管混凝土构件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：定位步骤，所述定位步骤系按设计将核心组件和外层组件进行定位，所述核心组件系圆柱体结构；

步骤B：浇筑步骤，所述浇筑步骤系将内层材料灌注进入所述核心组件、将夹层材料灌注进入所述外层组件和核心组件之间；

步骤C：养护步骤，所述养护步骤系对步骤B获得的产品进行养护。

7.根据权利要求6所述的带夹层的钢管约束的圆钢管混凝土构件的制备方法，其特征在于，所述步骤A包括以下分步骤：

步骤A1：制作组件步骤，所述制作组件步骤系按设计长度截取矩形核心组件和外层组件，或按设计要求选取板材卷曲焊接形成圆形外层组件和核心组件；

步骤A2：组件固定步骤，在所述核心组件和所述外层组件的端部插入固定件，所述固定件系圆环形钢板，所述固定件中间设有圆形的镂空，所述镂空形状与所述核心组件的外表面相同，所述固定件的外径与所述外层组件的外径相同，所述固定件与所述外层组件点焊相连。

8.根据权利要求7所述的一种带夹层的钢管约束的圆钢管混凝土构件的制备方法，其特征在于，所述步骤B包括以下分步骤：

步骤B1：内层材料浇筑步骤，所述内层材料浇筑步骤系将混凝土按照设计配比制备内层材料，将所述内层材料灌注至所述核心组件内部，并充分振捣至所述内层材料达到密实；

步骤B2：夹层材料浇筑步骤，所述夹层材料浇筑步骤系按照设计配比制备夹层材料，将所述内层材料灌注至所述核心组件和所述外层组件之间，并充分振捣至所述内层材料达到密实。

9.根据权利要求8所述的一种带夹层的钢管约束的圆钢管混凝土构件的制备方法，其特征在于，所述步骤C包括以下分步骤：

步骤C1：对浇筑完成的试件进行养护；

步骤C2：取下步骤A2中用到的固定件。