专利名称：方套方中空夹层碳纤维钢骨-钢管混凝土组合柱的制作方法
技术领域：
本发明涉及土木工程中的结构工程技术领域，具体涉及一种方套方中空夹层碳纤维钢骨-钢管混凝土组合柱。
背景技术：
钢骨-钢管混凝土柱在一定程度上克服了钢骨混凝土柱和钢管混凝土柱的不足， 发扬了二者的长处，是一种新型的结构形式。此柱能够利用空腹式钢骨混凝土柱的优点，弥补钢管混凝土组合柱的存在的不足。碳纤维加固技术是国际上新兴起的一项新型、高效、便捷的结构加固技术。它利用树脂类胶结材料将碳纤维布粘贴在结构构件表面，与之协同工作，对结构构件起到加固以及改善受力性能的作用。将碳纤维布环向包裹于钢骨一钢管混凝土柱外侧，可以进一步综合两种结构形式的优点，提高柱构件的承载力与延性。目前，通过对中空夹层钢管混凝土柱构件的研究表明，中空构件较相同截面面积的实心构件具有较高的抗弯刚度与抗扭刚度，可以充分利用各种材料的力学性能。
1.目前已有结构形式
1)、钢骨-钢管混凝土组合柱结构形式
徐亚丰教授研究了 “钢骨-钢管混凝土柱”，并获得国家专利。钢骨-钢管混凝土柱在一定程度上克服了钢骨混凝土和钢管混凝土柱的不足，发扬了二者的长处，是一种新型的结构形式。该柱的外围根据需要可以设置钢筋，也可不设，在混凝土柱的中心部位设置钢管，在钢管的外侧四角设置钢骨(角钢)，钢骨通过钢筋连接成整体，最后浇筑混凝土。此柱能够利用空腹式钢骨混凝土柱的优点，弥补钢管混凝土组合柱的存在的不足。在钢骨-钢管混凝土柱中，钢管和钢骨分别对混凝土提供约束作用，因此能提高其承载力和抗震性能， 如附图1所示。2)、碳纤维钢骨-钢管混凝土组合柱结构形式
碳纤维钢骨-钢管混凝土柱是在钢骨一钢管混凝土柱的基础上，在柱子外侧环向包裹一层碳纤维布。角钢可以看做钢筋混凝土构件中的受力纵筋，而碳纤维布可以看做受力箍筋，同时两种材料又可以对内部混凝土起到约束作用，提高混凝土的极限应力和塑性性能。 内部钢管可以约束核心混凝土，同时也可以直接承受纵向荷载，如附图2所示。。3)、中空夹层钢管混凝土柱结构形式
中空夹层钢管混凝土是在两个同心放置的钢管之间浇筑混凝土而形成的组合构件。它是在是新钢管混凝土的基础上发展起来的一种新型的钢管混凝土构件形式。外部钢管可以约束夹层间混凝土，提高其极限应力与塑性性能。如变换内外钢管的截面形式组合，可形成多种不同截面形式的中空夹层钢管混凝土，如图3所示。2.应用现状
目前，钢骨-钢管混凝土柱在应用中主要存在钢管内外混凝土破坏不同步问题，实际工程中通常通过提高含钢骨率来解决这一问题，从而提高了制作成本。碳纤维钢骨-钢管混凝土柱虽然可以改善这个问题，但是，核心混凝土仍然不能得到充分利用，从而造成材料的浪费。3.部分专利现状
1)、钢骨-钢管混凝土柱(申请号200420113700. 3)，该专利涉及混凝土结构，特别是一种用于土木工程中的钢骨一钢管混凝土柱，包括钢骨及钢管，两者均设在混凝土柱内， 钢管的外侧设有钢骨，钢管和钢骨均浇筑于混凝土内；所述钢管设在混凝土柱的中心部位， 钢骨位于钢管外侧、混凝土柱内的四个角上。本发明的钢管设在混凝土柱内，钢管外侧设有钢骨，钢管和钢骨分别对混凝土提供约束作用，提高了混凝土柱的承载力、抗震性能及延性，从而减小柱的截面尺寸，增加使用面积，利于地震区抗震设计，在合理地选择钢骨后可以减小钢管的直径，在施工时方便操作。2)、碳纤维增强塑料钢骨-钢管混凝土组合柱(申请号200820011506. 2)，该专利涉及一种建筑构件形式，该组合柱包括碳纤维增强塑料纤维织物、钢骨和钢管混凝土核心柱。所述钢骨位于钢管混凝土核心柱的四角，碳纤维增强塑料纤维织物粘贴于钢骨的外侧，碳纤维增强塑料纤维织物与钢骨、钢管混凝土核心柱粘贴为一整体。本发明对钢管混凝土核心柱受到破坏后所采用的加固方法进行加固，加固后的结构比单纯采用角钢的加固结构，能够更好的提高钢管混凝土核心柱的承载和延性。3)、中空夹层钢管混凝土结构(申请号03281066. 0)，该专利是一种在两层钢管的夹层中填充混凝土而成的新型钢管混凝土结构，尤其是能减小结构自重和提高结构的抗弯刚度。制造时保证外管和内管的截面几何形心重合，外钢管和内钢管相平或者外钢管比内钢管低lcm-lOcm。按截面形式可分为圆套圆中空夹层钢管混凝土、方套圆中空夹层钢管混凝土、圆套方中空夹层钢管混凝土、方套方中空夹层钢管混凝土，矩形套矩形中空夹层钢管混凝土、方形套矩形中空夹层钢管混凝土和圆形套矩形中空夹层钢管混凝土，其钢材可以采用普通强度钢材或屈服强度在550Mpa以上的高强钢材，混凝土可以是普通混凝土或抗压强度在80-120MPa的高强混凝土和自密实混凝土，而且可以采用钢管外直径或外边长与钢管壁厚的比值为40-150的薄壁钢管混凝土。综合以上的分析可见，在钢骨-钢管混凝土柱和碳纤维钢骨-钢管混凝土柱中还存在着许多弊端。
发明内容
本发明专利的目的是提供一种方套方中空夹层碳纤维钢骨-钢管混凝土组合柱。 可以有效地节约材料用量，提高构件刚度和延性。本发明技术方案如下
方套方中空碳纤维钢骨-钢管混凝土柱，它包括由核心钢管、混凝土、角钢、外部角钢、 缀板和碳纤维布，由方形截面四角的角钢与缀板构成，外钢骨架，钢骨架内放置核心钢管， 方钢管的形心可以与钢骨架形心重合，钢骨架与核心钢管之间以混凝土填充。在钢管混凝土柱的外侧包裹碳纤维布。核心钢管是方形设计，内含矩形孔洞，核心方钢管内部为中空结构，外部角钢与缀板通过焊接构成钢骨架。钢骨架内部放置方钢管，方钢管的形心可以与钢骨架形心重合，而设置为轴心受力构件；亦可不重合而设置为偏心受力构件。钢骨架与方钢管之间浇筑混凝土，钢管内部不浇筑混凝土而保持空心。最后在方柱的外侧环向包裹碳纤维布。碳纤维布、钢骨架可以约束内部混凝土的横向变形，而试件的纵向荷载可以由纵向布置角钢、夹层混凝土和内置方钢管共同承担。本发明的优点与效果是
1.核心钢管内部为中空结构，可以节省混凝土用量，减轻构件的自重，降低浇筑混凝土的施工难度，且具有较高的抗弯刚度与抗扭刚度。2.外部角钢与缀板可以构成钢骨架。钢骨架、核心钢管和夹层混凝土可以共同工作，承担纵向荷载；夹层混凝土可以限制方钢管和角钢的变形，避免钢材失稳而失去承载能力。3.外包钢骨架与碳纤维布共同约束内部混凝土，使其处于三向受压状态，使得混凝土的极限应变得以提升，塑性性能也得到改善。4.中空构件具有良好的隔热与隔声性能，避免实心钢筋混凝土结构中的“热桥”现象而造成室内能量损失。
图1为现有的钢骨-钢管混凝土组合柱截面示意图。图2为现有的碳纤维钢骨-钢管混凝土截面柱示意图。图3为现有的中空夹层钢管混凝土柱截面示意图。图4为方套方中空夹层碳纤维钢骨-钢管混凝土组合柱柱截面示意图。图5为方套方中空夹层碳纤维钢骨-钢管混凝土组合柱钢骨架示意图。图6为方套方中空夹层碳纤维钢骨-钢管混凝土组合柱试件成型示意图。在图中1是角钢；2是夹层混凝土 ；3是核心钢管；4是外钢管；5是内混凝土 ；6是箍筋；7是碳纤维；8是缀板。
具体实施例方式下面参照附图对本发明进行详细说明。方套方中空碳纤维钢骨-钢管混凝土柱构件主要由核心钢管(方形)3、夹层混凝土 2、角钢1、缀板8和碳纤维布7构成。截面形式如附图4所示。钢管与角钢可以预先用钢筋焊接以固定相对位置，角钢之间用缀板焊接，焊接完成后的钢骨架如附图5所示。角钢外部需要按照构造要求预留混凝土保护层，施工时需保证混凝土保护层的平整度，以便外部粘结碳纤维布。试件成型示意图如附图6所示。本发明由方形截面四角的角钢1与缀板8构成外钢骨架，钢骨架内放置核心钢管 3，方钢管的形心可以与钢骨架形心重合，钢骨架与核心钢管之间以混凝土 2填充。在钢管混凝土柱的外侧包裹碳纤维布7。核心钢管是方形设计，内含矩形孔洞，核心方钢管3内部为中空结构，外部角钢与缀板通过焊接构成钢骨架。钢骨架内部放置方钢管，方钢管的形心可以与钢骨架形心重合，而设置为轴心受力构件；亦可不重合而设置为偏心受力构件。本发明需要注意的是
(1)、角钢与方钢管尺寸应根据计算确定，角钢与钢管可以通过焊接钢筋以固定相对位置，防止其在浇筑或施工过程中发生错位；
(2)、如需纵向连接不同角钢或者钢管时，可采用对接焊缝焊接；
(3)、缀板间距应满足相应的构造要求，缀板与角钢采用三面围焊方式焊接；(4)、混凝土浇筑时应暂时封闭核心方钢管，避免混凝土灌入；混凝土配合比、坍落度应符合要求。(5)、粘结碳纤维布之前，将方形断面的直角进行倒角处理，倒圆角直径为20mm; 用砂轮轻微打磨试件表面，以便粘贴碳纤维布；
(6)、粘结碳纤维布前，首先将混凝土表面浸湿，然后再混凝土表面涂上适量的底胶，并涂刷平整，将碳纤维布小心平铺于上，用滚筒沿同一方向多次滚压，以排除气泡，并使胶液充分浸润碳纤维布，最终使两者接触密实。方套方中空碳纤维钢骨-钢管混凝土柱构件制作步骤如下
第一步角钢1与内钢管3分别就位，固定好角钢1与钢管3相对位置； 第二步在角钢1上焊接缀板8，连接成钢骨架；
第三步在钢骨架外部支模板，用盖板封闭中间圆钢管，浇筑柱身混凝土 2 ； 第四步养护到规定期限后，拆除模板，并进行夹层混凝土 2表面处理； 第五步在夹层混凝土 2表面涂抹底胶，沿柱环向粘结碳纤维布7 ； 第六步在碳纤维布7表面涂上一层面胶，并用灰刀抹平。按照上述步骤进行，即可生产出方套方中空碳纤维钢骨-钢管混凝土柱构件。
权利要求
1.方套方中空夹层碳纤维钢骨-钢管混凝土组合柱，它包括由核心钢管、混凝土、角钢、外部角钢、缀板和碳纤维布，其特征在于由方形截面四角的角钢(1)与缀板(8)构成外钢骨架，钢骨架内放置核心钢管(3)，方钢管的形心可以与钢骨架形心重合，钢骨架与核心钢管(3)之间以混凝土(2)填充，在钢管混凝土柱的外侧包裹碳纤维布(7)。
2.根据权利要求1所述方套方中空夹层碳纤维钢骨-钢管混凝土组合柱，其特征在于 核心钢管(3)是方形设计，其内含矩形孔洞，核心方钢管(3)内部为中空结构。
3.根据权利要求1所述方套方中空夹层碳纤维钢骨-钢管混凝土组合柱，其特征在于 外部角钢(4)与缀板(8)通过焊接构成钢骨架。
全文摘要
本发明涉及土木工程中的结构工程领域，具体涉及一种方套方中空夹层碳纤维钢骨-钢管混凝土组合柱。它可以节省混凝土用量，减轻构件的自重，降低浇筑混凝土的施工难度，且具有较高的抗弯刚度与抗扭刚度。它包括由核心钢管、混凝土、角钢、外部角钢、缀板和碳纤维布，由方形截面四角的角钢与缀板构成外钢骨架，钢骨架内放置核心钢管，方钢管的形心可以与钢骨架形心重合，钢骨架与核心钢管之间以混凝土填充，在钢管混凝土柱的外侧包裹碳纤维布。钢管内部不浇筑混凝土而保持空心。本发明节约材料用量，提高构件刚度和延性，降低浇筑混凝土的施工难度以及具有良好的隔热与隔声性能。
文档编号E04C3/34GK102433962SQ20111031833
公开日2012年5月2日 申请日期2011年10月19日 优先权日2011年10月19日
发明者于璐, 刘俊成, 刘强, 孙鹏举, 宋健, 张丽, 徐亚丰, 杜微, 杨文龙, 杨旭, 王傲, 王帅, 王晓龙, 陈科 申请人:沈阳建筑大学