一种钢管高延性组合柱及其施工方法

1.本发明涉及一种钢管高延性组合柱及其施工方法。


背景技术：

2.组合柱一般是指由钢管、混凝土等两种或多种材料组合而成的结构构件。常见的为钢管混凝土柱，钢管混凝土柱的核心混凝土可承受纵向压力，并且受到钢管的侧向约束，处于三向受压的状态，使核心混凝土具有更高的轴向抗压强度和压缩变形能力，塑性和韧性性能大为改善。同时，钢管借助内填的混凝土的支撑作用，增强钢管壁的稳定性，提高了整体的稳定性。
3.然而，随着高层、超高层结构以及大跨度拱桥的出现，传统钢管组合柱使用时，由于混凝土材料自身的脆性，其抗拉、抗剪和抗弯强度都较低，且与钢管之间的粘结性能差，尤其是对于要频繁承受暴风和地震的海滨或地震带区域的建筑，由于组合柱在承受震动和暴风时，其延展性较差，无法很好的抵消震动的能量，导致其他结构体损坏严重。地震灾害具有发生频率低、破坏力大和不确定性高的特点，提高结构抗震性能的方法最为基本的手段是提高结构自身强度和延性，以主体结构抵抗地震及吸收地震能量。
4.因此，对于组合柱而言，由于在地震中可能需要承受各向的震动，因此要求其在正常承载能力的前提下，一方面要充分发挥混凝土与钢管结合的优势，使得两者之间不脱离，另一方面，要尽可能提高组合柱的各个方向的延展性和抗弯、抗剪切的综合承载能力。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种钢管高延性组合柱，用以解决现有组合柱在承受多向载荷时延展性不足的技术问题；本发明的目的还在于提供一种使用上述钢管高延性组合柱的施工方法。
6.本发明的钢管高延性组合柱的技术方案如下：钢管高延性组合柱包括：外钢管，横截面为圆形，内周面上均匀固定有多根第一挂条，第一挂条沿外钢管的轴向延伸，第一挂条的横截面为c形；内波纹管，材质为纤维增强复合材料，与外钢管同轴设置，内波纹管上的波纹形沟槽为螺旋形，内波纹管的外周面上一体固定有与第一挂条一一对应设置的第二挂条，相互对应的第一、第二挂条的连线经过内波纹管的轴心，内波纹管上均布有多个贯通内外的贯穿孔；连接板，有多个，材质为纤维增强复合材料，包括两层波纹板以及两条对称连接在两层波纹板两端的插板，插板与波纹板垂直连接，两块插板之间沿插板长度方向间隔设置至少两组所述的两层波纹板，插板的两端分别向外伸出对应的波纹板以使相邻连接板的波纹板之间具有一定间隔；连接板通过插板分别插入一组相互对应的第一挂条和第二挂条之间；
纤维混凝土，浇筑在外钢管内且经由任意上下相邻的波纹板之间以及所述贯穿孔将外钢管内的空腔填满，以使外钢管内的纤维混凝土在凝固后形成一体结构。
7.进一步地，所述纤维混凝土中添加的是pva纤维。
8.进一步地，第一挂条的材质为钢材，通过焊接方式与外钢管连接。
9.进一步地，外钢管的内表面为高粗糙度的打毛表面。
10.本发明的钢管高延性组合柱施工方法的技术方案如下：钢管高延性组合柱施工方法包括以下步骤：s10、在外钢管的内周面上均匀固定有三根第一挂条，使第一挂条均沿外钢管的轴线方向延伸；s20、将加工好的内波纹管放置在外钢管内，使对应的第二挂条与第一挂条对齐；s30、取三块连接板，分别通过其插板连接在三组第一挂条和第二挂条之间，以使内波纹管定位在外钢管的中心处；s40、继续将其余的连接板通过插板插入三组第一挂条和第二挂条之间，直至每组第一、第二挂条对应的区域内堆砌的连接板的高度与外钢管的高度一致；s50、向外钢管内腔中充填纤维混凝土，通过振动器对外钢管进行震动，以使纤维混凝土将外钢管的内腔填满，待纤维混凝土凝固后即可。
11.本发明的有益效果：本发明的一种钢管高延性组合柱及其施工方法具有以下优点：1.多方向的高延展性，对于沿组合柱的轴线的上下方向，当承受交变载荷时，例如承受纵向震波时，由于内波纹管和连接板均为高延性的纤维增强复合材料，与其粘附在一体的也是高延性的纤维混凝土，因此，可以有效补偿原有组合柱轴向延性不足的缺点，另外，由于内波纹管上设置的为螺旋形的波纹形沟槽，其主要起到轴向延展变形的作用，可以有效吸收震动的能量，避免结构损坏；而在垂直轴线的径向上，由于采用的连接板为双层波纹板，其波纹为沿径向延伸，因此具有径向良好的延展性，不仅可以抵抗地震时最常见的横向震波，而且还能承受组合柱弯曲应力，消耗掉交变应力的能量，提高结构强度，加之连接板为高延性、高强度的纤维增强复合材料，也进一步提高了径向承载和抵抗震动的能力，由于外钢管内无论是混凝土是一体结构，而且高延展、高强度的纤维增强复合材料以内波纹管和连接板的形式裹挟其中，纤维混凝土具有轴向高承载性能，由于增加了高强纤维，其延展和强度均增加，加之内波纹管上的贯穿孔和波纹板之间间隔的设置，使得纤维混凝土填充穿插其中，整体结构更为牢固、稳定；2.组合柱的各结构部分连接紧密、不易脱离，整体性高，可以充分利用各结构件的优点进行互补，提高了整体的强度，主要变现为径向上，通过多个连接板将外钢管与位于中心处的内波纹管径向连接，避免彼此脱离而失去结合的加强效果，内波纹管由于处于中间，其与核心混凝土紧密连接为一体，内波纹管与外钢管的机械连接就是相当于将核心混凝土与外钢管进行了紧密牢固连接，因此承载能力大幅提升。
附图说明
12.图1为本发明的一种钢管高延性组合柱的横截面结构示意图；图2为两个连接板上下对接前的纵剖示意图；
图3为图1中的内波纹管沿a-a处的旋转剖视图；图中：1-外钢管，11-第一挂条，2-内波纹管，21-波纹沟槽，22-贯穿孔，23-第二挂条，3-连接板，31-插板，32-波纹板，4-纤维混凝土。
具体实施方式
13.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，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
14.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
15.需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
16.以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
17.本发明的一种钢管高延性组合柱的一种实施例：如图1-3所示，钢管高延性组合柱包括外钢管1、内波纹管2、多块连接板3和充填在外钢管1内的纤维混凝土4。具体地：如图1所示，外钢管1横截面为圆形，内周面上均匀固定有多根第一挂条11，第一挂条11沿外钢管1的轴向延伸，第一挂条11的横截面为c形，本实施例中，外钢管1和第一挂条11均为钢材，其中第一挂条11可以由两条角钢对称焊接而成，也可由c形的型钢直接切断后焊接在外钢管1上。或者，外钢管1和对应的第一挂条11是一体挤出成型。
18.如图1、3所示，内波纹管2材质为纤维增强复合材料，可添加玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维中的至少一种，与外钢管1同轴设置，内波纹管2上的波纹形沟槽为螺旋形，螺旋形的波纹沟槽可以承受多向延展变形，内波纹管2的外周面上一体固定有与第一挂条11一一对应设置的第二挂条23，相互对应的第一、第二挂条的连线经过内波纹管2的轴心，内波纹管2上均布有多个贯通内外的贯穿孔22，内波纹管2可以是一体加工，也可以是在现有波纹管基础上经过机械加工而成，若为机械加工，第二挂条23与波纹管之间可以采用粘接、焊接等塑料连接工艺连接。
19.连接板3有多个，材质为纤维增强复合材料，包括两层波纹板32以及两条对称连接在两层波纹板32两端的插板31，插板31与波纹板32垂直连接，两块插板31之间沿插板31长度方向间隔设置至少两组所述的两层波纹板32，插板31的两端分别向外伸出对应的波纹板32以使相邻连接板3的波纹板32之间具有一定间隔，两层波纹板32之间彼此不连接，以尽可能提高其延展性，尤其在组合柱承受扭转力矩时，其承载能力更佳。连接板3通过插板31分别插入一组相互对应的第一挂条11和第二挂条23之间。
20.纤维混凝土4浇筑在外钢管1内且经由任意上下相邻的波纹板32之间以及贯穿孔22将外钢管1内的空腔填满，以使外钢管1内的纤维混凝土4在凝固后形成一体结构。
21.纤维混凝土4中添加的是pva纤维。第一挂条11的材质为钢材，通过焊接方式与外钢管1连接。外钢管1的内表面为高粗糙度的打毛表面。
22.本发明的钢管高延性组合柱施工方法的技术方案如下：钢管高延性组合柱施工方法包括以下步骤：s10、在外钢管1的内周面上均匀固定有三根第一挂条11，使第一挂条11均沿外钢管1的轴线方向延伸；s20、将加工好的内波纹管2放置在外钢管1内，使对应的第二挂条23与第一挂条11对齐；s30、取三块连接板3，分别通过其插板31连接在三组第一挂条11和第二挂条23之间，以使内波纹管2定位在外钢管1的中心处；s40、继续将其余的连接板3通过插板31插入三组第一挂条11和第二挂条23之间，直至每组第一、第二挂条对应的区域内堆砌的连接板3的高度与外钢管1的高度一致；s50、向外钢管1内腔中充填纤维混凝土4，通过振动器对外钢管1进行震动，以使纤维混凝土4将外钢管1的内腔填满，待纤维混凝土4凝固后即可。
23.本发明的一种钢管高延性组合柱及其施工方法具有多方向的高延展性，对于沿组合柱的轴线的上下方向，当承受交变载荷时，例如承受纵向震波时，由于内波纹管2和连接板3均为高延性的纤维增强复合材料，与其粘附在一体的也是高延性的纤维混凝土4，因此，可以有效补偿原有组合柱轴向延性不足的缺点，另外，由于内波纹管2上设置的为螺旋形的波纹形沟槽，其主要起到轴向延展变形的作用，可以有效吸收震动的能量，避免结构损坏；而在垂直轴线的径向上，由于采用的连接板3为双层波纹板32，其波纹为沿径向延伸，因此具有径向良好的延展性，不仅可以抵抗地震时最常见的横向震波，而且还能承受组合柱弯曲应力，消耗掉交变应力的能量，提高结构强度，加之连接板3为高延性、高强度的纤维增强复合材料，也进一步提高了径向承载和抵抗震动的能力，由于外钢管1内无论是混凝土是一体结构，而且高延展、高强度的纤维增强复合材料以内波纹管2和连接板3的形式裹挟其中，纤维混凝土4具有轴向高承载性能，由于增加了高强纤维，其延展和强度均增加，加之内波纹管2上的贯穿孔22和波纹板32之间间隔的设置，使得纤维混凝土4填充穿插其中，整体结构更为牢固、稳定。
24.组合柱的各结构部分连接紧密、不易脱离，整体性高，可以充分利用各结构件的优点进行互补，提高了整体的强度，主要变现为径向上，通过多个连接板3将外钢管1与位于中心处的内波纹管2径向连接，避免彼此脱离而失去结合的加强效果，内波纹管2由于处于中间，其与核心混凝土紧密连接为一体，内波纹管2与外钢管1的机械连接就是相当于将核心混凝土与外钢管1进行了紧密牢固连接，因此承载能力大幅提升。
25.以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。