一种木包钢‑钢木组合柱的制作方法

本发明属于木组合技术领域，尤其涉及一种木包钢-钢木组合柱。

背景技术：

钢木组合结构”——对于钢木组合结构的定义有两种，准确的是一种叫钢木混合结构，这种结构是指传统木结构与现代钢结构相结合，建筑的承重梁、柱采用钢结构，外围的维护以及附属构件采用木结构，这种结构形式从本质上讲没有能够在同一构件中实现钢、木的协同工作。另一种定义是指结构体系的承重部分比如梁、柱等等都是采用钢材和木材共同组成并协同工作的结构体系。按照组成构件的方式又可分为：一体式——木与钢合为一体组成结构的基本构件；分离式——木与钢相分离分别组成结构的基本构件(钢木桁架)两种。2008年5.12汶川大地震之后，国家重新修订了《建筑抗震设计规范》对结构体系、建筑构件、建筑材料的抗震性能提出了更高的要求。绿色、环保、节能、良好的抗震性能是现代建筑结构体系的发展方向。从保护天然资源和全球环境的角度出发，推进对木材资源的有效利用，并实现在结构和消防领域的高性能应用，符合国家可持续发展建筑的发展理念。研发高性能基于木材的复合构件这一领域，如用钢或纤维加固的木梁，木材和钢筋混凝土组成的地板系统，木梁包裹钢筋混凝土或钢筋的结构系统等都已取得一定进展，但是对于木材与钢材组成的一体化构件研究还很少。

综上所述，现有技术中，抗震建筑材料中缺少木材与钢材组成的一体化构件，而且现有的抗震建筑材料防火性能差，稳定性弱、不耐高温、耐腐蚀性差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种木包钢-钢木组合柱，旨在解决目前抗震建筑材料中缺少木材与钢材组成的一体化构件，而且现有的抗震建筑材料防火性能差，稳定性弱、不耐高温、耐腐蚀性差的问题。

本发明是这样实现的，一种木包钢-钢木组合柱，所述木包钢-钢木组合柱包括方钢管；所述方钢管外部包覆有上木板和下木板；所述上木板和下木板通过扣件连接或通过粘合剂粘贴连接；所述方钢管表面镀有Ni－P二元合金层或Ni－W－P三元合金层或Ni－Mo－P三元合金层；按质量百分比Ni－P二元合金层或Ni－W－P三元合金层或Ni－Mo－P三元合金层的各元素含量分别为：Ni5.13％－P0.015％、Ni 5.13％－W 9.32％－P0.018％、Ni5.13％－Mo4％－P0.02％；所述Ni－P二元合金层或Ni－W－P三元合金层或Ni－Mo－P三元合金层的厚度为0.05mm～0.1mm。

所述上木板或下木板上连接有木板凸起块；所述木板凸起块两侧分别通过螺丝钉固定有胶合板；木板凸起块两侧的胶合板通过螺栓与外部预埋件连接；所述螺栓贯穿两胶合板和预埋件。

进一步，所述木板的长和宽为200mm×200mm或300mm×200mm或300mm×300mm。

进一步，所述方钢管的厚和边长为5mm×65mm或6mm×100mm或7mm×100mm或8mm×65mm。

进一步，所述方钢管或为100×65×5的矩形钢，或为100×65×6的矩形钢，或为100×65×8的矩形钢。

进一步，所述粘合剂为间苯二酚。

进一步，Ni－P二元合金层或Ni－W－P三元合金层或Ni－Mo－P三元合金层的镀层方法包括：

活化方钢管120～150秒，清水冲洗，然后去离子水或蒸馏水清洗；

在100μA～800μA电流作用下电镀诱发60～90秒；

化学镀膜：将诱发后方钢管置于真空磁控溅射设备内，控制溅射室内真空度为10^-4量级时，向溅射室充保护气体，调节流量计至保护气体的流量显示为15sccm～20sccm；当磁控溅射设备的真空度为1Pa～10Pa时，打开直流溅射总电源使Ni－P二元合金层或Ni－W－P三元合金层或Ni－Mo－P三元合金层逐渐起辉，起辉后调节闸板阀使抽气的气路口变小，抽气变慢，使磁控溅射设备的真空度为0.85Pa～8Pa,控制功率为50W～100W进行溅射，溅射时间为2S～10S；

将得到的镀有Ni－P二元合金层或Ni－W－P三元合金层或Ni－Mo－P三元合金层的方钢管在真空度为0.05Torr～2Torr的条件下进行加热，以8℃/min～15℃/min的速率加热镀有合金层的方钢管，然后升温至300℃～900℃并在此温度下保持60min～100min，即获得退火后的镀有Ni－P二元合金层或Ni－W－P三元合金层或Ni－Mo－P三元合金层的方钢管；备用；

热水、冷水先后清洗，干燥；在500℃温度下保温90分钟～100分钟对镀膜进行时效处理；然后得到时效处理后的镀有Ni－P二元合金层或Ni－W－P三元合金层或Ni－Mo－P三元合金层的方钢管。

进一步，活化方钢管120～150秒前需进行：

对待镀层的方钢管进行化学除油9分钟～12分钟，然后超声波清洗3分钟～6分钟，然后清水冲洗；再化学除锈60秒～90秒，清水冲洗。

进一步，所述保护气体为氩气。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述的木包钢-钢木组合柱修复古建筑的建筑构件。

本发明提供的木包钢-钢木组合柱，木材具有轻质高强、节能环保、可再生和重复使用的优点，但有各向异性、构件传递拉力需借助其他材料、防火性能差的缺点量；而钢材具有轻质高强、施工方便、各向同性、材质均匀、具有良好的耗能性能以及可以实现建筑工业化等优点，而稳定性弱、不耐高温、耐腐蚀性差是它的缺点；本发明可以充分利用以上两种材料的优点、取长补短，既具节能环保性，又具有良好抗震性能的绿色建筑。

本发明采用标准磁控溅射方法在方钢管衬底上溅射合金层，相比传统的镀层方法，本发明具有较高的比表面积，能够进行批量化并应用到实际的生产生活中起到安全防护的作用。

本发明在现有普通碳钢方钢管上镀上一层Ni-P(或Ni-W-P、Ni-Mo-P等)化学镀层，使的耐磨性能有了显著的提高，并增强了方钢管的耐蚀性，极大地延长了方钢管的使用寿命，从而显著降低方钢管的使用成本。如在方钢管上镀覆0.05mm厚的Ni-P镀膜并经时效处理后，相同条件下方钢管的使用寿命将延长20～25倍；如镀覆0.07mm厚的Ni-P镀膜并经时效处理后，相同条件下使用寿命将延长28～45倍。如果镀覆上相同厚度的Ni-W-P镀膜或Ni-Mo-P镀膜，方钢管的使用寿命还将在Ni-P镀膜基础上大幅度提高。如果镀覆有0.1mm厚的Ni-P镀膜并经时效处理后，其寿命与镀覆前将延长50～60倍。而且耐火性也大幅度提高。

附图说明

图1是本发明实施例提供的木包钢-钢木组合柱在使用扣件中的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的木包钢-钢木组合柱在使用粘合剂中的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的木板凸起块连接示意图。

图中：1、方钢管；2、上木板；3、下木板；4、扣件；5、木板凸起块；6、胶合板；7、螺丝钉；8、螺栓；9、预埋件。

具体实施方式

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1至图3所示，本发明实施例提供的木包钢-钢木组合柱包括方钢管；所述方钢管外部包覆有上木板和下木板；所述上木板和下木板通过扣件连接或通过粘合剂粘贴连接。所述方钢管表面镀有Ni－P二元合金层或Ni－W－P三元合金层或Ni－Mo－P三元合金层；按质量百分比Ni－P二元合金层或Ni－W－P三元合金层或Ni－Mo－P三元合金层的各元素含量分别为：Ni5.13％－P0.015％、Ni 5.13％－W 9.32％－P0.018％、Ni5.13％－Mo4％－P0.02％；所述Ni－P二元合金层或Ni－W－P三元合金层或Ni－Mo－P三元合金层的厚度为0.05mm～0.1mm。

所述上木板或下木板上连接有木板凸起块5；所述木板凸起块两侧分别通过螺丝钉7固定有胶合板6；木板凸起块两侧的胶合板通过螺栓8与外部预埋件9连接；所述螺栓贯穿两胶合板和预埋件。

所述木板的长和宽为200mm×200mm或300mm×200mm或300mm×300mm。

所述方钢管的厚和边长为5mm×65mm或6mm×100mm或7mm×100mm或8mm×65mm。

所述方钢管或为100×65×5的矩形钢，或为100×65×6的矩形钢，或为100×65×8的矩形钢。

所述粘合剂为间苯二酚。

Ni－P二元合金层或Ni－W－P三元合金层或Ni－Mo－P三元合金层的镀层方法包括：

活化方钢管120～150秒，清水冲洗，然后去离子水或蒸馏水清洗；

在100μA～800μA电流作用下电镀诱发60～90秒；

化学镀膜：将诱发后方钢管置于真空磁控溅射设备内，控制溅射室内真空度为10^-4量级时，向溅射室充保护气体，调节流量计至保护气体的流量显示为15sccm～20sccm；当磁控溅射设备的真空度为1Pa～10Pa时，打开直流溅射总电源使Ni－P二元合金层或Ni－W－P三元合金层或Ni－Mo－P三元合金层逐渐起辉，起辉后调节闸板阀使抽气的气路口变小，抽气变慢，使磁控溅射设备的真空度为0.85Pa～8Pa,控制功率为50W～100W进行溅射，溅射时间为2S～10S；

将得到的镀有Ni－P二元合金层或Ni－W－P三元合金层或Ni－Mo－P三元合金层的方钢管在真空度为0.05Torr～2Torr的条件下进行加热，以8℃/min～15℃/min的速率加热镀有合金层的方钢管，然后升温至300℃～900℃并在此温度下保持60min～100min，即获得退火后的镀有Ni－P二元合金层或Ni－W－P三元合金层或Ni－Mo－P三元合金层的方钢管；备用；

热水、冷水先后清洗，干燥；在500℃温度下保温90分钟～100分钟对镀膜进行时效处理；然后得到时效处理后的镀有Ni－P二元合金层或Ni－W－P三元合金层或Ni－Mo－P三元合金层的方钢管。

活化方钢管120～150秒前需进行：

对待镀层的方钢管进行化学除油9分钟～12分钟，然后超声波清洗3分钟～6分钟，然后清水冲洗；再化学除锈60秒～90秒，清水冲洗。

所述保护气体为氩气。

下面结合试验对本发明的应用效果作进一步的说明。

对钢木组合结构构件性能进行分析，主要是通过大型计算软件以及试件实验的方式对这种新型结构体系构件的受力、变形性能进行分析，探讨合理的截面组成形式，不同材料之间如何有效保证协同工作，并能符合建筑构件防火要求。

(1)两种不同材料组成的柱构件截面形式试验(外围木尺寸与内部钢尺寸变化对试件性能的影响。

a、竖向加载

竖向荷载传递到一体化钢木组合柱中，观察受力过程，柱中木材的作用就像内部钢材的一个屈曲约束，并且，柱中的钢材在独自承受大概50％的屈曲应力时会弯曲。可是，组合构件在该轴向压力并没有屈曲，因为木材作为一个屈曲约束，有效提高了构件的承载能力。通过多次试验，寻找合适的材质比例，既满足经济要求，也满足承载要求。

b、水平加载

作为建筑结构各个方向受力是不同的。在侧向震动过程中，钢材部分受力没有发生屈曲。因此，在模拟地震过程中，组合构件中的木材功能也可类似一个屈曲约束，有效提高构件的承载。

(2)通过荷载测试对构件不同材料之间的连接处粘合剂耐久性的评价方法。

进行了一系列关于粘合剂耐久性实验，分析了对于构件中不同材料，以及不同位置处连接处粘合剂耐久性的评价方法。

(3)构件的防火试验

根据当前建筑构件防火标准，进行了构件的防火性能构件测试。按照标准测试方法确认构件与可燃材料1小时防火性能，在火中暴露小于3小时并测试构件在之后的负载，这意味着，构件能在测试期间承受荷载，并没有在重新点火、进一步烧焦或增加烧焦温度的测试之后失去了性能。

测试结果显示，插入钢材的钢木组合构件，进行构件规范化施工后，具有耐燃性的属性。当暴露在火中时会燃烧，但扑灭后，烧焦程度不再恶化。火灾试验后，构件可以承载并且使用的应力不超过屈曲极限。

本发明采用标准磁控溅射方法在方钢管衬底上溅射合金层，相比传统的镀层方法，本发明具有较高的比表面积，能够进行批量化并应用到实际的生产生活中起到安全防护的作用。

本发明在现有普通碳钢方钢管上镀上一层Ni-P(或Ni-W-P、Ni-Mo-P等)化学镀层，使的耐磨性能有了显著的提高，并增强了方钢管的耐蚀性，极大地延长了方钢管的使用寿命，从而显著降低方钢管的使用成本。如在方钢管上镀覆0.05mm厚的Ni-P镀膜并经时效处理后，相同条件下方钢管的使用寿命将延长20～25倍；如镀覆0.07mm厚的Ni-P镀膜并经时效处理后，相同条件下使用寿命将延长28～45倍。如果镀覆上相同厚度的Ni-W-P镀膜或Ni-Mo-P镀膜，方钢管的使用寿命还将在Ni-P镀膜基础上大幅度提高。如果镀覆有0.1mm厚的Ni-P镀膜并经时效处理后，其寿命与镀覆前将延长50～60倍。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。