具有负泊松比效应的双层圆钢管混凝土空心柱及设计方法

1.本发明涉及一种通过设计三维负泊松比孔洞结构来设计具有负泊松比效应的双层圆钢管混凝土空心柱，也涉及了钢与混凝土的组合结构，并且提出了具有负泊松比效应的双层圆钢管混凝土空心柱的设计方法，属于新材料和新结构领域。


背景技术：

2.混凝土具有成本低、强度高、可塑性佳等优点，决定了其在工程实践中有着极其广泛的应用。但混凝土同时存在着初始缺陷：即在单轴受压的作用下发生横向膨胀，导致裂缝扩大、连通直至破坏。钢管混凝土中的钢管在一定程度上能对核心混凝土起到约束作用，但是这种约束效果仅发生在钢管泊松比小于混凝土泊松比时；然而构件开始受压时，钢管的泊松比大于混凝土的泊松比，导致钢管的约束作用在弹性受压阶段并不能生效。
3.负泊松比材料和结构具有特殊的变形特性和优良的力学性能，即在轴向拉(压)的作用下发生横向膨胀(收缩)。负泊松比材料在抗剪、抗断裂性及吸能等方面较传统材料有更大的优势。而负泊松比管状结构受压时内外壁同时向内收缩且拥有良好的吸能、防屈曲、拉扭特性，因此负泊松比管状结构在医疗设备、防护设备、航空航海及建筑工程等领域有广泛的应用前景。
4.本发明将负泊松比圆钢管、普通圆钢管与传统钢管混凝土相结合，利用外层负泊松比圆钢管轴向受压横向收缩、内层普通圆钢管轴向受压横向膨胀的性质，增强了对核心混凝土部分的约束作用，以此提升构件整体的轴向承载力和延性，并且。本发明将新颖的负泊松比结构和传统的钢管混凝土相结合，设计和制作了具有负泊松比效应的双层圆钢管混凝土。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有钢管混凝土的一些不足，利用负泊松比材料和结构的特殊性质，设计和制造了具有实用性的具有负泊松比效应的双层圆钢管混凝土空心柱，并提出了具体设计方法，设计的圆钢管混凝土能够主动约束核心混凝土的横向变形，提高了结构的受压承载力和延性。
6.本发明采用的技术方案是：一种具有负泊松比效应的双层圆钢管混凝土空心柱，包括具有负泊松比效应的外层圆钢管、核心混凝土和内层普通圆钢管；通过设计外层圆钢管上的孔洞使其具有负泊松比效应，与内层普通圆钢管协同作用，进而增强对混凝土的主动约束；
7.所述具有负泊松比效应的外层圆钢管为具有周期性横竖交替的孔洞结构；
8.所述具有负泊松比效应的外层圆钢管、核心混凝土和内层普通圆钢管的高度均应等于整体圆钢管混凝土空心柱的高度l；
9.所述具有负泊松比效应的外层圆钢管的外直径d与圆钢管混凝土空心柱的高度l的关系应满足2.5<l/d<10；
10.所述具有负泊松比效应的外层圆钢管的厚度t1与之外直径d的关系应满足30<d/t1<40；
11.所述内层普通圆钢管的厚度t2与具有负泊松比效应的外层圆钢管的外直径d的关系应满足45<d/t2<55；
12.所述核心混凝土厚度t3与圆钢管混凝土空心柱的高度l的关系应满足15<l/t3<55。
13.作为优选，所述具有负泊松比效应的外层圆钢管的孔洞形状包括椭圆形和多边形。
14.作为优选，所述具有负泊松比效应的外层圆钢管使用聚氨酯泡沫填充钢管孔洞和粘性缠绕膜进行包裹。
15.上述具有负泊松比效应的双层圆钢管混凝土空心柱的设计方法，包括以下步骤：
16.1)根据圆钢管混凝土的受力情况和建筑用途来确定外层负泊松比圆钢管、核心混凝土和内层普通圆钢管的尺寸；
17.2)设计的负泊松比圆钢管为具有周期性横竖交替的孔洞结构，并在满足受力要求的情况下，尽量减小孔洞的间距；
18.3)选用高强度钢材作为圆管的基础材料，采用激光切割技术与传统施工技术相结合的方式制作所设计的圆钢管混凝土空心柱；
19.4)使用聚氨酯泡沫填充钢管孔洞和粘性缠绕膜包裹外层钢管，防止浇筑时混凝土填入；
20.5)将混凝土浇入两层圆钢管间，养护后得到具有负泊松比效应的圆钢管混凝土。
21.有益效果：本发明其产生负泊松比效应的关键在于负泊松比圆钢管的设计。保证横竖交替的孔状结构较小，使得钢管具有负泊松比效应。通过该方法所设计出的圆钢管混凝土具有明显的负泊松比效应，同时能在大的应变范围内维持负泊松比性能。
22.本发明利用该方法设计出的圆钢管混凝土在轴向受压时具有较大的负泊松比效应。较传统的钢管混凝土能够更好的约束核心混凝土的横向变形，提高结构的承载力，增加结构的延性。
附图说明
23.图1为具有负泊松比效应的双层圆钢管混凝土空心柱的前视图
24.图2为具有负泊松比效应的双层圆钢管混凝土空心柱的俯视图
25.图中：1.具有负泊松比效应的外层圆钢管，2.内层普通圆钢管，3.核心混凝土。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明：
27.如图1、2所示，一种具有负泊松比效应的双层圆钢管混凝土空心柱，包括具有负泊松比效应的外层圆钢管1、内层普通圆钢管2、核心混凝土3；
28.所述具有负泊松比效应的外层圆钢管1为具有周期性横竖交替的孔洞结构，具有负泊松比效应的外层圆钢管1的孔洞形状包括椭圆形和多边形，具有负泊松比效应的外层圆钢管1使用聚氨酯泡沫填充钢管孔洞和粘性缠绕膜进行包裹。
29.所述具有负泊松比效应的外层圆钢管1、核心混凝土3和内层普通圆钢管2的高度均应等于整体圆钢管混凝土空心柱的高度l。
30.所述具有负泊松比效应的外层圆钢管1的外直径d与圆钢管混凝土空心柱的高度l的关系应满足2.5<l/d<10。
31.所述具有负泊松比效应的外层圆钢管1的厚度t1与之外直径d的关系应满足30<d/t1<40。
32.所述内层普通圆钢管2的厚度t2与具有负泊松比效应的外层圆钢管1的外直径d的关系应满足45<d/t2<55。
33.所述核心混凝土3厚度t3与圆钢管混凝土空心柱的高度l的关系应满足15<l/t3<55。
34.上述一种具有负泊松比效应的圆钢管混凝土的设计方法，包括以下步骤：
35.1)根据圆钢管混凝土的受力情况和建筑用途来确定外层负泊松比圆钢管、核心混凝土和内层普通圆钢管的尺寸；
36.2)设计的负泊松比圆钢管为具有周期性横竖交替的孔洞结构，并在满足受力要求的情况下，尽量减小孔洞的间距；
37.3)选用高强度钢材作为圆管的基础材料，采用激光切割技术与传统施工技术相结合的方式制作所设计的圆钢管混凝土空心柱；
38.4)使用聚氨酯泡沫填充钢管孔洞和粘性缠绕膜包裹外层钢管，防止浇筑时混凝土填入；
39.5)将混凝土浇入两层圆钢管间，养护后得到具有负泊松比效应的圆钢管混凝土。
40.本发明依据负泊松比圆钢管受压时径向收缩和普通圆钢管受压时径向膨胀的变形特性，可以将钢管的轴向压力转化为径向的约束力，使其与受压膨胀的核心混凝土协同变形。混凝土在整个承压阶段均受到了负泊松比钢管和普通钢管的约束作用，从而延缓其开裂，提高了钢管混凝土的承载力和结构整体延性。同时，由于外层负泊松比钢管独特的变形特性，可以避免外层钢管出现严重的鼓曲和屈曲变形。
41.应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本事例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。