专利名称：底部带软钢套管内嵌高韧性材料的钢管混凝土柱及作法
技术领域：
本发明涉及一种根底部带软钢套管内嵌高韧性材料的钢管混凝土柱及作法，属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。无论是高度还是外形，都有很大的发展，这就需要有新的理论和新的技术来支撑这类建筑的建设。在社会发展的需求下，钢管混凝土结构也就随之而产生。钢管混凝土由钢管和混凝土两种材料组成，由于管内混凝土的作用，钢管壁板的稳定性有很大的提高，避免或者延缓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。国内外学者通过大量的试验发现钢管混凝土结构优良性能的同时也发现其存在着一些不足之处。钢管混凝土结构在强震作用下，破坏部位一般都发生在其底部，钢管壁板容易发生局部鼓曲，之后由于钢管壁板承载力下降，对内部混凝土约束作用减弱，导致钢管角部焊缝撕裂，钢管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崭新的思路，为高层和超高层建筑实现减震控制和抗震性能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管鼓曲导致结构或构件的破坏，充分发挥材料的潜在性能。本发明为了解决这一问题，提出了一种底部带软钢套管内嵌高韧性材料的钢管混凝土柱及作法。本发明采用的技术方案是底部带软钢套管内嵌高韧性材料的钢管混凝土柱，其特征在于所述钢管混凝土柱包括内管、核心混凝土、软钢套管、螺栓和高韧性复合材料；内管内部灌注有核心混凝土， 内管的底部管壁内侧或外侧套接有软钢套管，内管与软钢套管通过螺栓连接固定；内管与软钢套管之间内嵌有高韧性复合材料；软钢套管伸进下部的地面或基础顶面并与其锚固， 锚固长度应符合设计的要求。所述钢管混凝土柱钢管混凝土为圆形或矩形截面。
所述内管为矩形钢管或者圆形钢管。所述软钢套管高出地面或基础顶面的高度为1. 0h，其中h为矩形钢管截面长边尺寸或者圆形钢管截面的直径。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。所述高韧性复合材料包括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。在软钢套管和内管相对应的位置设有螺栓孔，软钢套管上螺栓孔的直径稍大于螺栓的直径，螺栓的直径不小于软钢套管和内管的厚度。螺栓孔的数量应根据实际工程需要设置，而且不应少于两排，每排螺栓孔的水平和竖向间距不大于200mm，以保证软钢套管以及内管和嵌入的高韧性复合材料接触紧密，且同一排不同方向的孔静距不小于20mm，使螺栓能够顺利穿过内管和软钢套管且减小对同一水平截面的削弱。软钢套管的厚度不小于内管的壁厚。高韧性复合材料的厚度不小于软钢套管的厚度，且不小于20mm。上述底部带软钢套管内嵌高韧性材料的钢管混凝土柱的作法，制作顺序如下对于软钢套管套在内管外侧面的情况1)在内管和其底部的软钢套管相对应的位置双向预留螺栓孔；2)在内管预留的螺栓孔处的外侧面对应位置焊接上相应的螺母，使螺母置于内管与软钢套管之间；3)将软钢套管套在内管底部管壁外侧，并对内管和底部的软钢套管进行正确的定位，使内管和软钢套管的同一排上的螺栓孔在同一水平高度上；4)在预留的螺栓孔处穿入螺栓，通过内管与软钢套管之间的螺母拧紧螺栓，然后在内管中灌注核心混凝土；5)在外侧露出的螺栓上也拧紧螺母，形成一定的预压力，在软钢套管和内管之间嵌入高韧性复合材料，成型后即为底部带软钢套管内嵌高韧性材料的钢管混凝土柱；对于软钢套管套在内管内侧面的情况1)在内管和其底部的软钢套管相对应的位置双向预留螺栓孔；2)在内管预留的螺栓孔处的内侧面对应位置焊接上相应的螺母，使螺母置于内管与软钢套管之间；3)将软钢套管套在内管底部管壁内侧，并对内管和底部的软钢套管进行正确的定位，使内管和软钢套管的同一排上的螺栓孔在同一水平高度上；4)在预留的螺栓孔处穿入螺栓，通过内管与软钢套管之间的螺母拧紧螺栓；5)在外侧露出的螺栓上也拧紧螺母，形成一定的预压力，在软钢套管和内管之间嵌入高韧性复合材料，之后再浇筑核心混凝土，成型后即为底部带软钢套管内嵌高韧性材料的钢管混凝土柱。本发明的底部带软钢套管内嵌高韧性材料的钢管混凝土柱及作法，由于钢管混凝土柱在浇筑混凝土以后，拧紧螺栓产生预压力后再嵌入高韧性复合材料，在软钢套管和内部钢管连接部位的刚度相对于钢管内部混凝土的刚度较弱，形成了内刚外柔的结构，这种结构有利于在地震作用下的耗能能力，能够充分发挥外部软钢耗能钢管和内部钢管的耗能
5能力，使其在地震作用下表现出更优异的性能。本发明的底部带软钢套管内嵌高韧性材料的钢管混凝土柱及作法，其内部高强度钢管可以承受较大的荷载作用，节约钢材，但反复大变形下容易鼓曲或者断裂破坏。在低周反复荷载作用下的试验研究表明，钢管混凝土柱的破坏，主要在于根部钢管的屈服、屈曲和断裂破坏。有益效果与普通钢管混凝土柱相比，本发明具有以下优点在多遇地震作用下，钢管混凝土受力较小，此时底部软钢套管和内管在螺栓压力作用下摩擦耗能；此时螺栓的存在不仅提高了其摩擦耗能能力，而且使软钢套管和内管连为一体，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，螺栓受剪损伤严重，内管和软钢套管的联系减弱，共同工作性能退化，内管、软钢套管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和高韧性复合材料后，相当于增加了一道抗震防线，提高了结构的安全性。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，再嵌入高韧性复合材料，罕遇地震作用下外侧软钢套管首先屈服，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。
图1是底部带软钢套管内嵌高韧性材料的矩形钢管混凝土柱的平面示意图；图2是底部带软钢套管内嵌高韧性材料的圆形钢管混凝土柱的平面示意图；图3是图1中的A-A剖面图；图4是图1中的B-B剖面图；图5是图2中的A-A剖面；图6是图2中的B-B剖面图；图7是软钢套管在柱体内部的矩形钢管混凝土柱的平面示意图；图8是软钢套管在柱体内部的圆形钢管混凝土柱的平面示意图；图9是图7中的A-A剖面图；图10是图8中的A-A剖面图；其中1-内管，2-核心混凝土，3-软钢套管(外管)，4-螺杆，5-螺母，6-高韧性复合材料，7-地面或基础顶面。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明做进一步说明实施例1如图1所示，底部带软钢套管内嵌高韧性材料的钢管混凝土柱包括内管1、核心混凝土 2、软钢套管3、螺栓4和高韧性复合材料6。该底部带软钢套管内嵌高韧性材料的钢管混凝土柱及作法的剖面图如图3和图4所示。内管1内部灌注有核心混凝土 2，内管1的底部管壁内侧或外侧套接有软钢套管3，内管1与软钢套管3通过螺栓4连接固定；内管1与软钢套管3之间内嵌有高韧性复合材料6 ；软钢套管3伸进下部的地面或基础顶面7并与其锚固。钢管混凝土柱钢管混凝土为矩形截面。内管1为矩形钢管。软钢套管3高出地面或基础顶面7的高度为1. 0h，其中h为矩形钢管截面长边尺寸。高韧性复合材料6包括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。 在软钢套管3和内管1相对应的位置设有螺栓孔，软钢套管3上螺栓孔的直径稍大于螺栓 4的直径，螺栓4的直径不小于软钢套管3和内管1的厚度。螺栓孔的数量应根据实际工程需要设置，而且不应少于两排，每排螺栓孔的水平和竖向间距不大于200mm，且同一排不同方向的孔静距不小于20mm。软钢套管3的厚度不小于内管1的壁厚。高韧性复合材料6 的厚度不小于软钢套管3的厚度，且不小于20mm。其制作顺序如下1)在内管1和其底部的软钢套管3相对应的位置双向预留螺栓孔；2)在内管1预留的螺栓孔处的外侧面对应位置焊接上相应的螺母5，使螺母5置于内管1与软钢套管3之间；3)将软钢套管3套在内管1底部管壁外侧，并对内管1和底部的软钢套管3进行正确的定位，使内管1和软钢套管3的同一排上的螺栓孔在同一水平高度上；4)在预留的螺栓孔处穿入螺栓4，通过内管1与软钢套管3之间的螺母5拧紧螺栓4，然后在内管1中灌注核心混凝土 2 ；5)在外侧露出的螺栓4上也拧紧螺母5，形成一定的预压力，在软钢套管3和内管 1之间嵌入高韧性复合材料6，成型后即为底部带软钢套管内嵌高韧性材料的钢管混凝土柱。实施例2如图2所示，底部带软钢套管内嵌高韧性材料的钢管混凝土柱的截面形式为圆形，其剖面图如图5和图6所示。其基本原理和抗震性能以及制作方法与实施例1基本相同。实施例3如图7所示，为了保证结构外立面上的美观，底部带软钢套管内嵌高韧性材料的钢管混凝土柱的软钢套管3放置在内管1的内部，其剖面图如图9所示。这样从外表上看， 该底部带软钢套管内嵌高韧性材料的钢管混凝土柱和普通钢管混凝土柱没有区别，但其抗震性能明显优于普通钢管混凝土柱。本实施例应该先在内部嵌入高韧性复合材料，之后再浇筑混凝土 ；由于高韧性复合材料在钢管混凝土内部，对施工技术要求较高，在满足设计要求的条件下，也可以不再嵌入高韧性复合材料，直接浇筑混凝土，其制作方法和实施例1基本相同。实施例4如图8所示，为了保证结构外立面上的美观，底部带软钢套管内嵌高韧性材料的钢管混凝土柱的软钢套管放置在柱体的内部，其剖面图如图10所示。本实施例和实施例3 的区别在于截面形式的不同，本实施例为圆形，其它和实施例3基本一致。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.底部带软钢套管内嵌高韧性材料的钢管混凝土柱，其特征在于所述钢管混凝土柱包括内管(1)、核心混凝土(2)、软钢套管(3)、螺栓(4)和高韧性复合材料(6)；内管(1)内部灌注有核心混凝土(2)，内管(1)的底部管壁内侧或外侧套接有软钢套管(3)，内管(1) 与软钢套管(3)通过螺栓(4)连接固定；内管(1)与软钢套管(3)之间内嵌有高韧性复合材料(6)；软钢套管(3)伸进下部的地面或基础顶面(7)并与其锚固。
2.如权利要求1所述的底部带软钢套管内嵌高韧性材料的钢管混凝土柱，其特征在于所述钢管混凝土柱钢管混凝土为圆形或矩形截面。
3.如权利要求1所述的底部带软钢套管内嵌高韧性材料的钢管混凝土柱，其特征在于所述内管(1)为矩形钢管或者圆形钢管。
4.如权利要求3所述的底部带软钢套管内嵌高韧性材料的钢管混凝土柱，其特征在于所述软钢套管(3)高出地面或基础顶面(7)的高度为1. 0h，其中h为矩形钢管截面长边尺寸或者圆形钢管截面的直径。
5.如权利要求1所述的底部带软钢套管内嵌高韧性材料的钢管混凝土柱，其特征在于所述高韧性复合材料(6)包括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。
6.如权利要求1所述的底部带软钢套管内嵌高韧性材料的钢管混凝土柱，其特征在于在软钢套管(3)和内管(1)相对应的位置设有螺栓孔，软钢套管(3)上螺栓孔的直径稍大于螺栓(4)的直径，螺栓(4)的直径不小于软钢套管(3)和内管(1)的厚度。
7.如权利要求6所述的底部带软钢套管内嵌高韧性材料的钢管混凝土柱，其特征在于螺栓孔的数量应根据实际工程需要设置，而且不应少于两排，每排螺栓孔的水平和竖向间距不大于200mm，且同一排不同方向的孔静距不小于20mm。
8.如权利要求1所述的底部带软钢套管内嵌高韧性材料的钢管混凝土柱，其特征在于软钢套管(3)的厚度不小于内管(1)的壁厚。
9.如权利要求1所述的底部带软钢套管内嵌高韧性材料的钢管混凝土柱，其特征在于高韧性复合材料(6)的厚度不小于软钢套管(3)的厚度，且不小于20mm。
10.如权利要求1-9之一所述的底部带软钢套管内嵌高韧性材料的钢管混凝土柱的作法，其特征在于制作顺序如下对于软钢套管⑶套在内管⑴外侧面的情况1)在内管(1)和其底部的软钢套管(3)相对应的位置双向预留螺栓孔；2)在内管(1)预留的螺栓孔处的外侧面对应位置焊接上相应的螺母(5)，使螺母(5) 置于内管⑴与软钢套管⑶之间；3)将软钢套管(3)套在内管(1)底部管壁外侧，并对内管(1)和底部的软钢套管(3) 进行正确的定位，使内管(1)和软钢套管(3)的同一排上的螺栓孔在同一水平高度上；4)在预留的螺栓孔处穿入螺栓(4)，通过内管(1)与软钢套管(3)之间的螺母(5)拧紧螺栓(4)，然后在内管(1)中灌注核心混凝土(2)；5)在外侧露出的螺栓(4)上也拧紧螺母(5)，形成一定的预压力，在软钢套管(3)和内管(1)之间嵌入高韧性复合材料(6)，成型后即为底部带软钢套管内嵌高韧性材料的钢管混凝土柱；对于软钢套管⑶套在内管(1)内侧面的情况1)在内管(1)和其底部的软钢套管(3)相对应的位置双向预留螺栓孔；2)在内管(1)预留的螺栓孔处的内侧面对应位置焊接上相应的螺母(5)，使螺母(5) 置于内管⑴与软钢套管⑶之间；3)将软钢套管(3)套在内管(1)底部管壁内侧，并对内管(1)和底部的软钢套管(3) 进行正确的定位，使内管(1)和软钢套管(3)的同一排上的螺栓孔在同一水平高度上；4)在预留的螺栓孔处穿入螺栓(4)，通过内管(1)与软钢套管(3)之间的螺母(5)拧紧螺栓(4)；5)在外侧露出的螺栓(4)上也拧紧螺母(5)，形成一定的预压力，在软钢套管(3)和内管(1)之间嵌入高韧性复合材料(6)，之后再浇筑核心混凝土(2)，成型后即为底部带软钢套管内嵌高韧性材料的钢管混凝土柱。
全文摘要
底部带软钢套管内嵌高韧性材料的钢管混凝土柱包括内管(1)、核心混凝土(2)、软钢套管(3)、螺栓(4)和高韧性复合材料(6)。本发明是在普通钢管混凝土底部设置软钢套管(3)，在软钢套管(3)和内管(1)之间嵌入高性能复合材料(6)。在多遇地震作用下，底部软钢套管和普通钢管混凝土柱整体工作性能好，刚度大，强度也大；在罕遇地震作用下，螺栓受剪损伤严重，内管和外管联系减弱，共同工作性能退化，内管、外管开始各自充分发挥其延性和耗能作用，总体刚度变小，结构周期变长，地震作用减小，增加了软钢套管后，相当于增加了一道抗震防线，提高了结构的安全性，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E04C3/34GK102409809SQ20111038548
公开日2012年4月11日 申请日期2011年11月28日 优先权日2011年11月28日
发明者惠存, 曹万林, 王智慧 申请人:北京工业大学