一种新型的中空夹层钢管混凝土构件及其连接方法与流程

1.本发明涉及一种新型的中空夹层钢管混凝土构件及其连接方法。


背景技术：

2.目前我国有许多基础设施建设处于山区、近海或海洋环境下，施工的便捷性和结构的耐腐蚀性面临较大的挑战。特别是高温高湿的腐蚀环境大大提高了钢结构部件的维护周期与成本，进而给国家造成巨大的财力与物力损失。如何合理有效地优化复杂工程环境下的施工过程以及苛刻环境条件下结构部件耐久性是现阶段基础设施工程待解决的难题。
3.与钢结构相比，钢管混凝土结构具有承载力大、塑性韧性好、抗火性能好及施工方便等优点。特别是近年来中空夹层钢管混凝土构件的发展，不仅能够通过双层钢管的设置提高构件刚度并进一步降低自重，相应的构件承载能力和延性也得到了提升。由于受力合理并充分利用钢材和混凝土各自受力性能的优势大幅度提高组合构件性能，这使得中空夹层钢管混凝土构件也特别适用于高架桥的桥墩、海洋平台结构的支架柱、输电塔等由刚度控制的竖向构件中；但是在进行类似框架结构和输电线路杆塔的施工时，存在因为上下段构件内钢管难以焊接的问题。
4.目前传统的中空夹层钢管混凝土构件多采用法兰连接方法；通过在构件端部设置端板与加劲肋并通过螺栓连接，连接过程繁琐且耗费材料增加结构自重，同时法兰连接部位耐久性较差，易出现局部腐蚀问题进而使得结构整体的安全性难以得到保证。这在很大程度上制约了中空夹层钢管混凝土构件在相对恶劣工况下的广泛应用。


技术实现要素：

5.本发明对上述问题进行了改进，即本发明要解决的技术问题是提供一种新型的中空夹层钢管混凝土构件及其连接方法，连接可靠且施工方便，耐腐蚀性好，受力连续性好，同时外表面平滑美观。
6.本发明是这样构成的，它包括由多段外钢管组成的外钢管构件和位于外钢管构件内部且由多段内钢管组成的内钢管构件，所述外钢管构件和内钢管构件之间设有夹层，所述夹层由上至下间隔设置有多个混凝土层，相邻混凝土层之间设置有用以填充高强灌注砂浆的空腔，所述空腔内设置有抗剪连接件，相邻外钢管的连接处与相邻内钢管的连接处错位设置且均位于空腔侧部。
7.进一步的，所述抗剪连接件包括多个位于空腔上部且向下弯曲的上抗剪栓钉、位于空腔下部且向上弯曲的下抗剪栓钉，所述上抗剪栓钉和下抗剪栓钉之间间隔设置有多个直抗剪栓钉，相邻内钢管连接处的位于上方的内钢管外侧设置有向下弯折的上加强抗剪栓钉，相邻内钢管连接处的位于下方的内钢管外侧设置有向上弯折的下加强抗剪栓钉，上加强抗剪栓钉与下加强抗剪栓钉交错设置。
8.进一步的，所述上抗剪栓钉、下抗剪栓钉均包括水平部和垂直部，所述水平部位于普通混凝土层内，所述垂直部由混凝土层延伸至空腔内部。
9.进一步的，所述空腔上方外侧部设置有出料口，所述空腔下方外侧部设置有进料口。
10.进一步的，相邻外钢管中位于上方的外钢管下端设置有上坡口，位于下方的外钢管上端设置有下坡口，所述上坡口与下坡口形成用以方便焊接的坡口结构。
11.进一步的，相邻内钢管中位于上方的内钢管下端设置有下延伸件，所述下延伸件内侧设置有榫槽，位于下方的内钢管上端设有上延伸件，所述上延伸件外侧设置有与榫槽相配合的榫头。
12.进一步的，所述外钢管构件和内钢管构件包括由上至下依次设置有a构件、至少一个b构件和c构件。
13.进一步的，所述a构件包括外钢管a和内钢管a，所述外钢管a上端与内钢管a的上端平齐，所述内钢管a下端高于外钢管a下端；所述b构件包括外钢管b和内钢管b，所述外钢管b上端低于内钢管b上端，所述外钢管b下端低于内钢管b下端；所述c构件包括外钢管c和内钢管c，所述内钢管c上端高于外钢管c，所述内钢管c下端与外钢管c下端平齐。
14.进一步的，所述外钢管a与内钢管a的上部之间设置有普通混凝土层，所述外钢管a侧部设置有出料口a，所述普通混凝土层a上表面与外钢管上端平齐，所述普通混凝土层a下端面与出料口上表面平齐；所述外钢管b与内钢管b的中部之间设置有普通混凝土层，所述外钢管b的上侧部设置有进料口a，所述外钢管b的上侧部设置有出料口b，所述混凝土层上表面与进料口b下表面平齐，所述混凝土层下表面与出料口b上表面平齐；所述外钢管c和内钢管c的下部之间设置有普通混凝土层，所述外钢管c两侧设置有进料口b，所述普通混凝土层上表面与进料口b下表面平齐，所述普通混凝土层下表面与外钢管c下表面平齐。
15.进一步的，一种新型的中空夹层钢管混凝土构件的连接方法，包括步骤如下：（1）预制加工a构件：在外钢管a侧上部预留孔洞并埋设灌浆嘴作为出料口a，在出料口a上方的外钢管a内侧、内钢管a外侧焊接向下弯曲的上抗剪栓钉，在外钢管a下端加工预留上坡口，内钢管a外侧、外钢管a内侧按一定间距焊接直抗剪栓钉，内钢管a下部外侧焊接向下弯曲的上加强抗剪栓钉，内钢管a下端制作榫槽，最后在外钢管a与内钢管b上部之间浇筑普通混凝土，形成的普通混凝土层与出料口a上表面平齐；（2）预制加工b构件：在外钢管a侧上部和侧下部预留孔洞并埋设灌浆嘴分别作为进料口a和出料口b，在进料口a下方的外钢管b内侧、内钢管b外侧焊接向上弯曲的下抗剪栓钉，在出料口b上方的外钢管b内侧、内钢管b外侧焊接向下弯曲的上抗剪栓钉，在外钢管b的上、下端分别预制下坡口和上坡口，在进料口a和出料口b之间的内钢管a外侧、外钢管a内侧按一定间距焊接直抗剪栓钉，内钢管b上端外侧焊接向上弯曲的下加强抗剪栓钉，内钢管b下端外侧焊接向下弯曲的上加强抗剪栓钉，内钢管b上端制作榫头，内钢管b下端制作榫槽，最后在外钢管a与内钢管b中部之间浇筑普通混凝土层，形成的普通混凝土层上表面与进料口a下表面平齐，普通混凝土层下表面与进料口b上表面平齐；（3）预制加工c构件：在外钢管c侧下部预留孔洞并埋设灌浆嘴作为进料口b，在出料口b下方的外钢管c内侧、内钢管c外侧焊接向上弯曲的下抗剪栓钉，外钢管c上端预制下坡口，内钢管c外侧、外钢管c内侧按一定间距焊接直抗剪栓钉，内钢管c上端外侧焊接向上弯曲的下加强抗剪栓钉，内钢管c上端制作榫头，最后在外钢管c与内钢管c的下部之间浇筑普通混凝土，形成的普通混凝土层上表面与进料口b下表面平齐。（4）将预制的a构件、b构件、c构件进行连接，先将内钢管a、内钢管b、内钢管c通过榫头与榫槽的配合连接起来，使a
构件、b构件、c构件初步连接；（5）将外钢管a、外钢管b、外钢管c进行坡口焊接；（6）通过进料口a、进料口b向空腔内浇灌制备好的高强灌注砂浆，直至高强灌注砂浆由出料口a、出料口b溢出，保证将空腔灌满。
16.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本装置设计合理，使用方便，通过高强灌注砂浆与抗剪连接件的组合工作弥补中空夹层钢管混凝土构件的内钢管难以焊接的问题，适用于中空夹层钢管混凝土构件内钢管尺寸不大难以进行现场焊接，同时避免了法兰连接处易腐蚀及影响外立面美观，外钢管焊接并保证了外立面的平滑美观，较好的解决了构件局部耐腐蚀性的问题；同时本发明连接可靠、耐腐蚀性好、施工方便、受力连续性好，还可以有效地降低结构自重，节约材料并提高施工便利性及外立面的美观。提高连接区域的连续性及其在地震等荷载作用下的耗能性能。通过设置榫槽榫头的结构，提高了内外钢管连接定位精准性，配合上加强抗剪栓钉、下加强抗剪栓钉还在一定程度上提高了内钢管抵抗水平（风荷载和地震）作用力产生的剪切破坏。
附图说明
17.图1为本发明实施例工作示意图；图2为本发明实施例结构示意图；图3为本发明实施例a构件、b构件和c构件结构示意图；图4为本发明实施例局部剖视图；图5为本发明实施例a构件、b构件和c构件局部剖视图；图6为本发明实施例相邻内钢管榫头、榫槽结构示意图；图7为本发明实施例一图4中a-a剖视图；图8为本发明实施例二图4中a-a剖视图；图9为本发明实施例三图4中a-a剖视图；图10为图4中b-b剖视图；图11为本发明实施例相邻内钢管连接处结构示意图。
18.图中：1-外钢管构件，11-外钢管，111-上坡口，112-下坡口，12-外钢管的连接处，2-内钢管构件，21-内钢管，211-下延伸件，212-榫槽，213-上延伸件，214-榫头，22-内钢管的连接处，3-夹层，4-混凝土层，5-空腔，51-出料口，52-进料口，6-抗剪连接件，61-上抗剪栓钉，62-下抗剪栓钉，63-直抗剪栓钉，64-上加强抗剪栓钉，65-下加强抗剪栓钉，66-水平部，67-垂直部，7-高强灌注砂浆层，8-a构件，801-外钢管a，802-内钢管a，803-出料口a，9-b构件，901-外钢管b，902-内钢管b，903-进料口a，904-出料口b，10-c构件，101-外钢管c，102-内钢管c，103-进料口b。
具体实施方式
19.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
20.实施例1：参照附图1-11所示，提供一种新型的中空夹层钢管混凝土构件，包括由多段外钢管11组成的外钢管构件1和位于外钢管构件内部且由多段内钢管21组成的内钢管构件2，所述外钢管构件内壁和内钢管构件外壁之间设有夹层3，所述夹层由上至下间隔设置有多个混凝土层4，相邻混凝土层之间设置有用以填充高强灌注砂浆的空腔5，所述空腔
内设置有抗剪连接件6，相邻外钢管的连接处12与相邻内钢管的连接处错位设置且均位于空腔侧部。
21.抗剪连接件抗剪切性能好，外钢管构件和内钢管构件的抗拉强度高，二者相互结合。
22.上述的中空夹层钢管混凝土构件可以采用多种结构形式：比如圆套圆中空夹层钢管混凝土构件、方套圆中空夹层钢管混凝土构件或圆套方中空夹层钢管混凝土构件。圆套圆中空夹层钢管混凝土构件中的外钢管构件、内钢管构件的截面均为圆形；方套圆中空夹层钢管混凝土构件中外钢管构件截面为方形，内钢管构件的截面为圆形；圆套方中空夹层钢管混凝土构件中的外钢管构件截面为圆形，内钢管构件的截面为方形。
23.在本实施例中，所述抗剪连接件6包括多个位于空腔上部且向下弯曲的上抗剪栓钉61、位于空腔下部且向上弯曲的下抗剪栓钉62，所述上抗剪栓钉和下抗剪栓钉之间间隔设置有多个直抗剪栓钉63，相邻内钢管连接处的位于上方的内钢管外侧设置有向下弯折的上加强抗剪栓钉64，相邻内钢管连接处的位于下方的内钢管外侧设置有向上弯折的下加强抗剪栓钉65，上加强抗剪栓钉与下加强抗剪栓钉交错设置。
24.上加强抗剪栓钉和下加强抗剪栓钉形成对相邻内钢管连接处的保护，在内钢管发生弯曲时保证该处的结构稳定。
25.在本实施例中，上抗剪栓钉、下抗剪栓钉、上加强抗剪栓钉、下加强抗剪栓钉外表面设有螺纹；上抗剪栓钉、下抗剪栓钉、上加强抗剪栓钉、下加强抗剪栓钉可以采用圆柱头栓钉、六角头栓钉、方形头栓钉或带螺纹的栓钉；优选的，带螺纹的栓钉可以增大与高强灌注砂浆或普通混凝土的咬合力。
26.在本实施例中，所述上抗剪栓钉、下抗剪栓钉均包括水平部66和垂直部67，所述水平部位于普通混凝土层内，所述垂直部由混凝土层延伸至空腔内部。
27.下抗剪栓钉、下抗剪栓钉能够加强普通混凝土层与设置在空腔内部的高强灌注砂浆层7之间的联系。
28.在本实施例中，所述空腔上方外侧部设置有出料口51，所述空腔下方外侧部设置有进料口52。
29.在本实施例中，相邻外钢管中位于上方的外钢管下端设置有上坡口111，位于下方的外钢管上端设置有下坡口112，所述上坡口与下坡口形成用以方便焊接的坡口结构。
30.在本实施例中，相邻内钢管中位于上方的内钢管下端设置有下延伸件211，所述下延伸件内侧设置有榫槽212，位于下方的内钢管上端设有上延伸件213，所述上延伸件外侧设置有与榫槽相配合的榫头214。
31.在本实施例中，所述外钢管构件和内钢管构件组成的整体包括由上至下依次设置有a构件8、至少一个b构件9和c构件10。
32.在本实施例中，所述a构件包括外钢管a801和内钢管a802，所述外钢管a上端与内钢管a的上端平齐，所述内钢管a下端高于外钢管a下端；所述b构件9包括外钢管b901和内钢管b902，所述外钢管b上端低于内钢管b上端，所述外钢管b下端低于内钢管b下端；所述c构件10包括外钢管c101和内钢管c102，所述内钢管c上端高于外钢管c，所述内钢管c下端与外钢管c下端平齐。
33.在本实施例中，所述外钢管a与内钢管a的上部之间设置有普通混凝土层，所述外
钢管a侧部设置有出料口a803，所述普通混凝土层a上表面与外钢管上端平齐，所述普通混凝土层a下端面与出料口上表面平齐。
34.外钢管b与内钢管b的中部之间设置有普通混凝土层，所述外钢管b的上侧部设置有进料口a903，所述外钢管b的上侧部设置有出料口b904，所述混凝土层上表面与进料口b下表面平齐，所述混凝土层下表面与出料口b上表面平齐。
35.外钢管c和内钢管c的下部之间设置有普通混凝土层，所述外钢管c两侧设置有进料口b103，所述普通混凝土层上表面与进料口b下表面平齐，所述普通混凝土层下表面与外钢管c下表面平齐。
36.在本实施例中，连接的工作步骤如下：（1）预制加工a构件：在外钢管a侧上部预留孔洞并埋设灌浆嘴作为出料口a，在出料口a上方的外钢管a内侧、内钢管a外侧焊接向下弯曲的上抗剪栓钉，在外钢管a下端加工预留上坡口，内钢管a外侧、外钢管a内侧按一定间距焊接直抗剪栓钉，内钢管a下部外侧焊接向下弯曲的上加强抗剪栓钉，内钢管a下端制作榫槽，最后在外钢管a与内钢管b上部之间浇筑普通混凝土，形成的普通混凝土层与出料口a上表面平齐；（2）预制加工b构件：在外钢管a侧上部和侧下部预留孔洞并埋设灌浆嘴分别作为进料口a和出料口b，在进料口a下方的外钢管b内侧、内钢管b外侧焊接向上弯曲的下抗剪栓钉，在出料口b上方的外钢管b内侧、内钢管b外侧焊接向下弯曲的上抗剪栓钉，在外钢管b的上、下端分别预制下坡口和上坡口，在进料口a和出料口b之间的内钢管a外侧、外钢管a内侧按一定间距焊接直抗剪栓钉，内钢管b上端外侧焊接向上弯曲的下加强抗剪栓钉，内钢管b下端外侧焊接向下弯曲的上加强抗剪栓钉，内钢管b上端制作榫头，内钢管b下端制作榫槽，最后在外钢管a与内钢管b中部之间浇筑普通混凝土层，形成的普通混凝土层上表面与进料口a下表面平齐，普通混凝土层下表面与进料口b上表面平齐；（3）预制加工c构件：在外钢管c侧下部预留孔洞并埋设灌浆嘴作为进料口b，在出料口b下方的外钢管c内侧、内钢管c外侧焊接向上弯曲的下抗剪栓钉，外钢管c上端预制下坡口，内钢管c外侧、外钢管c内侧按一定间距焊接直抗剪栓钉，内钢管c上端外侧焊接向上弯曲的下加强抗剪栓钉，内钢管c上端制作榫头，最后在外钢管c与内钢管c的下部之间浇筑普通混凝土，形成的普通混凝土层上表面与进料口b下表面平齐。（4）将预制的a构件、b构件、c构件进行连接，先将内钢管a、内钢管b、内钢管c通过榫头与榫槽的配合连接起来，使a构件、b构件、c构件初步连接；（5）将外钢管a、外钢管b、外钢管c进行坡口焊接；（6）通过进料口a、进料口b向空腔内浇灌制备好的高强灌注砂浆，直至高强灌注砂浆由出料口a、出料口b溢出，保证将空腔灌满。
37.上述的b构件可以重复连接多个，位于最下方的b构件与c构件相连接，位于最上方的b构件与a构件相连接。
38.实施例2：在实施例1的基础上，本实施例中，高强灌注砂浆由水泥、水、砂、掺和物、外加剂混合制成，水泥：水：砂：掺和物：外加剂=1:2.90:4.55:2.71:0.55。
39.本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
40.如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应
该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述上对零部件进行区别如没有另行声明外，上述词语并没有特殊的含义。
41.同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接（例如使用螺栓或螺钉连接），也可以理解为：不可拆卸的固定连接（例如铆接、焊接），当然，互相固定连接也可以为一体式结构（例如使用铸造工艺一体成形制造出来）所取代（明显无法采用一体成形工艺除外）。
42.另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
43.本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
44.最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。