专利名称：底部带软钢套管的双功能多腔体钢管混凝土柱及作法
底部带软钢套管的双功能多腔体钢管混凝土柱及作法技术领域
本发明是一种底部带软钢套管的双功能多腔体钢管混凝土柱及作法，属于一种新型耗能减震构件，主要应用于建筑结构中的耗能减震控制领域。
背景技术：
社会在发展进步，人们生活水平也在不断提高，各种形式的建筑层出不穷，满足不同使用功能的建筑也应运而生。尤其是高层、超高层建筑的大量涌现，这就需要有新的理论和新的技术来支撑这类建筑的建设。在这种前提下，多腔体钢管混凝土结构也就随之而产生。
多腔体钢管混凝土由钢管腔体和混凝土两种材料组成，由于腔体内混凝土的作用，钢管壁板的稳定性有很大的提高，延缓或者避免了钢管壁板过早的发生局部屈曲；同时钢管对其核心混凝土的约束作用，使混凝土处于高度复杂的应力状态，从而使混凝土的强度得以提高，塑性和韧性性能得到改善，两种材料的组合弥补了各自的缺点，使其材料性能得到了充分发挥。
在多腔体钢管混凝土巨型柱受压性能试验中发现多腔体钢管混凝土结构性能优良的同时也存在一些不足。钢管混凝土结构在强震作用下，破坏一般发生在底部，腔体壁板容易发生局部鼓曲，腔体壁板承载力下降，导致腔体角部焊缝撕裂，对内部混凝土约束作用减弱，钢板向外鼓出部分相应部位的核心混凝土严重酥碎，而此时其上部结构可能还没有达到屈服，材料的性能没有得到充分发挥，造成了材料的严重浪费，大量震害现象也证明了这一点。
软钢耗能减震技术和高韧性材料的应用为建筑的抗震设计和抗震加固提供了一个薪新的思路，为闻层和超闻层建筑实现减震控制和抗震性能提闻提供了一个切实有效的途径。发明内容
本发明所要解决的技术问题是提高多腔体钢管混凝土结构的抗震性能，延缓或避免由于钢管混凝土结构底部钢板鼓曲，导致结构或构件的破坏，充分发挥材料的性能。本发明为了解决这一问题，提出了底部带软钢套管的双功能多腔体钢管混凝土柱及作法。
底部带软钢套管的双功能多腔体钢管混凝土柱，其特征在于其包括多腔体钢管I、核心混凝土 2、软钢套管3、连接抗剪螺栓4、螺母5和高韧性复合材料层6 ;在原有由多腔体钢管I和填充于多腔体钢管I内的核心混凝土 2构成的普通多腔体钢管混凝土柱的外侧底部添加软钢套管3，在软钢套管3和原有凝土柱的多腔体钢管I之间嵌入高性能复合材料层6，多腔体钢管I与软钢套管3之间用抗剪螺栓4连接；软钢套管底部应伸进基础并与其锚固。
所述混凝土柱截面为矩形；高韧性复合材料层6由聚合物改性水泥混凝土、橡胶细集料水泥混凝土、普通纤维混凝土和高韧性水泥基纤维混凝土构成。
在软钢套管3和多腔体钢管I统一水平高度的相对应的位置双向开有螺栓孔，软钢套管上开孔的直径稍大于螺栓的直径，连接抗剪螺栓4的直径不小于软钢套管和多腔体钢管的钢板厚度；开孔的数量不少于两排，每排螺栓孔的水平和竖向间距不大于200mm，保证软钢套管3以及多腔体钢管I和嵌入的高韧性复合材料层6接触紧密，且同一排不同方向的孔净距不小于20mm，使能够连接抗剪螺栓4能够顺利穿过多腔体钢管I和软钢套管3 且减小对同一水平截面的削弱；软钢套管3的壁厚度不小于内管的壁厚；软钢套管3和多腔体钢管I通过连接抗剪螺栓4连接，并且形成预压力；所述高韧性复合材料层6的厚度不小于软钢套管3的厚度,且不小于20mm。
所述软钢套管3高出地面或楼面的高度宜为I. 0h，其中h为矩形钢管截面长边尺寸，也就是加强钢管混凝土柱的塑性铰域，延缓或避免钢管混凝土柱底部的破坏，提高其抗震承载能力和耗能能力。
所述底部带软钢套管的双功能多腔体钢管混凝土柱按如下方法制作
I)在多腔体钢管I和软钢套管3相对应的位置双向预留螺栓孔洞；
2)对多腔体矩形钢管混凝土柱，在多腔体钢管I预留的螺栓孔处的外侧面对应位置焊接上相应的螺母5 ；
3)对多腔体钢管I和底部软钢套管3进行正确的定位，使其同一排上的螺栓孔在同一水平高度上；
4)在预留的螺栓孔洞处穿入连接抗剪螺栓4，通过内部的螺母5拧紧连接抗剪螺栓4，完成软钢套管3与多腔体钢管I的连接，然后在软钢套管3和多腔体钢管I之间嵌入高韧性复合材料层6 ；
5)在多腔体钢管I中灌注核心混凝土 2，成型后即为底部带软钢套管的双功能多腔体钢管混凝土柱。
与普通多腔体钢管混凝土柱相比，本发明具有以下优点在多遇地震作用下，多腔体钢管混凝土受力较小，此时底部软钢套管3和多腔体钢管I在螺栓4压力作用下摩擦耗能；此时螺栓4的存在不仅提高了其摩擦耗能能力，而且使软钢套管3和多腔体钢管I连为一体，其整体工作性能好，刚度大，强度也大，具有良好的抗震承载能力；在罕遇地震作用下，螺栓4受剪损伤严重，多腔体钢管I和软钢套管3的联系减弱，共同工作性能退化，多腔体钢管I、软钢套管3开始各自充分发挥其延性和耗能作用，结构总体刚度减小，自振周期变长，地震作用减小，在钢管混凝土柱底部增加软钢套管3和高韧性复合材料层6后，相当于增加了一道抗震防线，提高了结构的安全性。
传统高强度钢管可以承受较大的荷载作用，但反复大变形下容易鼓曲或者断裂破坏。低周反复荷载试验研究表明，普通多腔体钢管混凝土柱的屈服、屈曲和断裂破坏主要集中于钢管根部的。在钢管混凝土柱底部塑性铰域范围内的外侧加设软钢套管3，并嵌入高韧性复合材料层6，罕遇地震作用下外侧软钢套管3首先屈服，消耗地震输入结构的能量，直至结构或构件破坏都可以发挥其抗力和延性作用，起到了防止或延缓高强度钢板的过早损伤和破坏的作用；由于软钢套管3的存在，在多腔体钢管钢板焊缝撕裂后，能阻止混凝土的变形，对结构整体受力有利，这也就是底部带软钢套管的双功能作用。
本发明中，钢管混凝土柱先浇筑混凝土 2，再拧紧螺栓4产生预压力，然后嵌入高韧性复合材料层6 ;软钢套管3和多腔体钢管I连接部位的刚度相对于钢管内部混凝土 2刚度较弱，形成了内刚外柔的结构，有利于提高这种结构在地震作用下的耗能能力，够充分发挥外部软钢耗能钢管3和多腔体钢管I的耗能能力，使其在地震作用下表现出更优异的性倉泛。
图I是底部带软钢套管的双功能多腔体钢管混凝土柱的平面示意图2是图I中的A-A剖面图3是图I中的B-B剖面其中1-多腔体内管，2-核心混凝土，3-软钢套管，4-连接剪切螺栓，5-螺母， 6-高韧性复合材料层，7-楼面或地面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明
实施例I
如图I所示，底部带软钢套管的双功能多腔体钢管混凝土柱包括矩形的多腔体钢管I、核心混凝土 2、软钢套管3、连接剪切螺栓4、螺母5和高韧性复合材料层6。该底部带软钢套管的双功能多腔体钢管混凝土柱的剖面图如图2和图3所示。底部带软钢套管的双功能多腔体钢管混凝土柱是在普通多腔体钢管混凝土柱的外侧底部添加软钢套管3，软钢套管3与原多腔体钢管I通过连接剪切螺栓4连接，中间嵌入高韧性复合材料层6 ；
软钢套管3的高度宜取为I. Oh (h为矩形截面钢管的长边尺寸)，也就是加强钢管混凝土柱的塑性铰域，延缓或避免钢管混凝土柱底部的破坏，提高其抗震承载能力和耗能能力；软钢套管3沿多腔体钢管I周圈布置；在软钢套管3和多腔体钢管I相对应的位置双向开孔，开孔的数量应根据实际工程需要设置，而且不应少于两排，且每排螺栓孔的水平和竖向间距不应大于200mm，以保证软钢套管3与多腔体钢管I接触紧密，同一排不同方向的孔静距不应小于20mm，使螺栓4顺利穿过多腔体钢管I和软钢套管3且减小对同一截面的削弱；
软钢套管3的厚度不宜小于多腔体钢管I的壁厚，软钢套管3和多腔体钢管I通过连接剪切螺栓4连接；所述连接剪切螺栓4的数量和直径应根据实际需要布置，螺栓的直径不宜小于软钢套管3和多腔体钢管I的钢板厚度，通过连接剪切螺栓4将多腔体钢管I 和软钢套管3连接为一体，共同工作，完成连接后浇筑混凝土，成型后即为底部带软钢套管的双功能多腔体钢管混凝土柱。
本实施例中的底部带软钢套管的双功能多腔体钢管混凝土柱可以按如下方法制作
I)在多腔体钢管I和软钢套管3相对应的位置双向预留螺栓孔洞，内外管的预留孔洞直径相同，且相同部位的螺栓孔必须在同一水平高度上，以使连接剪切螺栓4顺利穿过；预留螺栓孔的数量和直径应根据实际工程需要设置，且不少于两排，同一排不同方向的孔静距不应小于20mm，连接剪切螺栓4的直径不宜小于软钢套管3和多腔体钢管I的厚度；
2)对多腔体钢管I预留的螺栓孔处的外侧面焊接上相应的螺母5 ；
3)对多腔体钢管I和软钢套管3进行正确的定位，使它们同一排上的螺栓孔在同一水平高度上；4)在预留的螺栓孔洞处穿入连接剪切螺栓4，通过内部的螺母5拧紧，完成多腔体钢管1与软钢套管3的连接，在软钢套管3和多腔体钢管1之间嵌入高韧性复合材料层6 ；5)在多腔体钢管1中灌注核心混凝土 2，成型后即为底部带软钢套管的双功能多腔体钢管混凝土柱。以上是本发明的典型实施例，本发明的实施不限于此。
权利要求
1.底部带软钢套管的双功能多腔体钢管混凝土柱，其特征在于其包括多腔体钢管 (I)、核心混凝土(2)、软钢套管(3)、连接抗剪螺栓(4)、螺母(5)和高韧性复合材料层(6)； 在原有由多腔体钢管(I)和填充于多腔体钢管(I)内的核心混凝土(2)构成的普通多腔体钢管混凝土柱的外侧底部添加软钢套管(3)，在软钢套管(3)和原有凝土柱的多腔体钢管(I)之间嵌入高性能复合材料层￠)，多腔体钢管(I)与软钢套管(3)之间用抗剪螺栓(4) 连接；软钢套管(3)底部应伸进基础并与其锚固。
2.根据权利要求I所述的底部带软钢套管的双功能多腔体钢管混凝土柱，其特征在于所述多腔体钢管(I)以及混凝土柱截面均为矩形；高韧性复合材料层￠)由聚合物改性水泥混凝土、橡胶细集料水泥混凝土、普通纤维混凝土和高韧性水泥基纤维混凝土构成。
3.根据权利要求I所述的底部带软钢套管的双功能多腔体钢管混凝土柱，其特征在于在软钢套管(3)和多腔体钢管(I)相对应的位置双向开有螺栓孔，软钢套管上开孔的直径稍大于螺栓的直径，连接抗剪螺栓(4)的直径不小于软钢套管(3)和多腔体钢管(I)的钢板厚度；开孔的数量不少于两排，每排螺栓孔的水平和竖向间距不大于200mm，软钢套管 (3)以及多腔体钢管(I)和嵌入的高韧性复合材料层(6)接触紧密，且同一排不同方向的孔净距不小于20mm，连接抗剪螺栓(4)顺利穿过多腔体钢管(I)和软钢套管(3);软钢套管(3)的壁厚度不小于多腔体钢管(I)的壁厚；软钢套管(3)和多腔体钢管(I)通过连接抗剪螺栓(4)连接，并且形成预压力；所述高韧性复合材料层(6)的厚度不小于软钢套管3 的厚度，且不小于20mm。
4.根据权利要求I所述的底部带软钢套管的双功能多腔体钢管混凝土柱，其特征在于所述软钢套管3高出地面或楼面的高度宜为I. 0h，其中h为矩形的多腔体钢管(I)截面长边尺寸。
5.根据权利要求I至4任一权利要求所述的底部带软钢套管的双功能多腔体钢管混凝土柱，其特征在于所述底部带软钢套管的双功能多腔体钢管混凝土柱按如下方法制作1)在多腔体钢管(I)和软钢套管(3)相对应的位置双向预留螺栓孔洞；2)对多腔体钢管(I)预留的螺栓孔处的外侧面对应位置焊接上相应的螺母(5)；3)对多腔体钢管(I)和底部软钢套管(3)进行正确的定位，使它们同一排上的螺栓孔在同一水平高度上；4)在预留的螺栓孔洞处穿入连接抗剪螺栓(4)，通过内部的螺母(5)拧紧连接抗剪螺栓(4)，在软钢套管(3)和多腔体钢管(I)之间嵌入高韧性复合材料层(6)；5)在多腔体钢管(I)中灌注核心混凝土(2)，成型后即为底部带软钢套管的双功能多腔体钢管混凝土柱。
全文摘要
底部带软钢套管的双功能多腔体钢管混凝土柱，属于建筑领域。本发明是在普通多腔体钢管混凝土底部设置软钢套管(3)，在软钢套管(3)和多腔体钢管(1)之间嵌入高性能复合材料层(6)。在多腔体钢管混凝土柱底部塑性铰域外侧加设软钢套管3后，软钢套管3首先屈服，消耗地震输入结构的能量，直至破坏都可以发挥其抗力和延性作用，起到了防止和延缓高强度钢板的过早损伤和破坏。
文档编号E04B1/98GK102535749SQ201110460348
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年12月31日
发明者张建伟, 惠存, 曹万林, 王智慧, 董宏英 申请人:北京工业大学