CN1008643B - 带填充料的钢管柱 - Google Patents

Abstract

一种带有填充料的钢管柱，它包括：一根具有内表面的钢管；在钢管内有用填充料浇注成的柱芯；以及介于上述钢管内表面和上述柱芯之间的第一隔离层。隔离层把柱芯从钢管的内表面隔开，使钢管不粘结到柱芯上。钢管包括一对同轴顺序连接的管段，并在它们相邻端部之间隔开以便在两管段之间造成一个间隙，当钢管承受轴向压载时，间隙可通过减少轴向宽度来吸收钢管上的轴向应变，从而阻止轴向应变传给管段。根据(Mieses′s)屈服条件，钢管给柱芯的侧向约束是增强了。

Description

本发明涉及一种用作建筑结构的柱或椿的带填充料的钢管柱。

迄今为止，这种类型的钢管柱，如填充混凝土的钢管柱，在建造时要架立一根不是作为套管而是作为构架的钢管，然后向钢管内灌注混凝土来形成混凝土柱芯。由于钢管与混凝土柱芯互相粘结在一起，当钢管混凝土柱承受轴向压力时，钢管和柱芯以紧密结合成一体地共同作用。在钢管混凝土柱承受超过予定的抗压强度的轴向压力时，钢管和混凝土柱芯中会产生过度的应变，引起钢管局部翘曲或导致钢管达到（Mieses′s）屈服条件的屈服区。于是，钢管未能向混凝土柱芯提供足够的约束，从而导致在荷载远低于予定值的情况下，混凝土柱芯就进入应力-应变曲线中的下降区域。由于这个原因，难以用钢管的侧向约束来有效地提高混凝土柱芯的抗压强度。因此，填充混凝土的钢管柱必须采用较大的横截面以保证足够的强度。

本发明的目的是：提供一种能有效地提高柱芯的抗压强度的带填充料的钢管柱，从而与现有技术的柱相比，能大大地减少柱的横截面。

本发明的另一目的是：提供一种带填充料的钢管柱，它能够抵抗对整个建筑物因由地震等引起的倾覆力矩所产生的轴向张拉荷载，因而有效地增强了建筑物的刚度。

从本发明的这些目的及其它的目的出发，本发明所提供的带填充料的钢管柱包括：具有内表面的钢管;由填充材料浇注成并置于钢管内的柱芯;以及将柱芯与钢管内壁隔开的第一隔离层。为了防止钢管与柱芯粘结，把隔离层插入柱芯与钢管内壁之间。另外，钢管包括一 对同轴地相邻接的管段，在管段相邻端部之间隔开以形成一环状间隙。当钢管承受轴向压载时，环状间隙可通过减少轴向宽度来吸收钢管上的轴向应变，以防止轴向应变传到管段中。因此，按（Mieses′s）屈服条件，作用于柱芯的钢管的侧向约束是增强了。

其可取之处是钢管包括有间隔件，它嵌入两管段相邻接的端部之间以保持两管段相邻端部之间的间隙，而又允许这个间隙能减少轴向宽度。间隔件可采用环形间架同心地安装在环形间隙中，并在间架的周边方向嵌入一加长部件，它在间架内形成一个筒圈。

更为可取的是，钢管包含有一种把管段同轴顺序地偶联装置，它允许管段之间可互相轴向的活动。

上述偶联装置可以是一种装在两管段相邻端部的管接头。这种管接头包括：一段限定了从它本身的内表面到管段之间的空间的管件;一层由填充料浇注成并置于间隙内的内层;以及插入上述内层与至少一根管段之间的第二隔离层。

此外，偶联装置也可以是一种接合管，其一端同轴地与一根管段的内表面连接，而另一个端部同轴地接到另一根管段的内表面上。这种接合管可对另一根管段作同轴地滑动。为了把作用于两根管段之一上的轴向荷载传到柱芯的装置可以装在接合管上，这种荷载传递装置，最好是一个内法兰，它周向连接到接合管的任一端部并且径向向外突出。最好是接合管装有一个轴向柔性部件，轴向柔性部件可沿周边放入接合管的上端，柔性部件可减少从柱芯传递到接合管上的轴向压力。

钢管可带有紧固装置，使管段可以互相靠近而又不会彼此脱开。这种紧固装置可以是一对分别周向连接到相邻的管段上的外法兰和带有多个接合部件。一对外法兰径向向外突出且互相面对面，这样，每 件外法兰都有一个外表面和内表面。每个接合部件都具有相对的端部，它们分别和外法兰的外表面直接接触。

附图的简要说明

图1是带填充料的钢管柱所构成的建筑物框架的局部立视图;

图2是图1中的钢管柱沿轴向剖视的局部放大图;

图3是图2中的间隔环的部分剖开的透视图;

图4是按照本发明的另一实施例的局部轴向剖视图;

图5是按照图4中Ⅴ-Ⅴ线的剖视图;

图6是图5中的钢管柱的替换形式的横截面图;

图7是按照本发明又一个实施例中的建筑物框架的部分剖视图;

图8是图7中的钢管柱放大的轴向剖视图;

图9是图8中的钢管柱的替换形式的局部轴向剖视图;

图10是图8中的钢管柱的另一种替换形式的局部轴向剖视图;

图11是图8中的钢管柱的又一种替换形式的局部轴向剖视图;

图12是按照本发明的再一种实施例的局部轴向剖视图;

图13是图12中的钢管柱的替换形式的局部轴向剖视图。

最佳实施例的详细说明

在附图中，用标记字符来表示相应的部件，在一旦给定了部件的标号后，就省略了其相应部件的说明。

图1表示了按本发明建造的建筑物框架的一部分，这种框架具有多根同轴地顺序连接的钢管柱20，和多根钢梁22，每根钢梁的内端连接到每根钢管柱的上端。图2所示的每根钢管柱20包括在它的内表面24^a衬有隔离层26的钢管24和置于钢管24内的柱芯28。隔离层可由沥青、油脂、石腊、凡士林、原油、合成树脂或纸等分隔 材料制成，柱芯可用混凝土、泥浆、砂、泥土、粘土、玻璃粒料、金属粉末或合成树脂等填充材料制成，这些材料固结后可得到高的抗压强度。隔离层26用来将钢管24和柱芯28隔开，以便使柱芯28并不粘结在钢管24上。

如图2所示，钢管24包括一对都由钢制成而且都有同样尺寸的环形横截面的管段30和32，每根管段30和32的壁厚为它的外直径的1/500～1/10之间。管段30和32是同轴连接但互相隔开，所以在两根管段的接合端30^a和32^a之间形成了环形间隙36。在图1中，间隙36被布置在柱的中间点上，即在柱20的弯矩的反弯点上。所以，通过减少它的轴向宽度W，间隙36可吸收由钢管24中所产生的轴向应变。间隙36的轴向宽度W最好是取决于钢管24最大轴向应变的幅度内，而这种最大轴向应变是由建筑物的倾覆力矩所引起的。

钢管24还带有与管段30和32内径相等的间隔环34，间隔环34同轴地装入间隙36中，以便在管段30和32之间确实保持间隙36。在图3中，间隔环具有一个环形间架38和一个装在间架38内的加长部件40，加长部件40沿间架38的周边方向伸出形成间架内的一个筒圈。间架38可以用橡胶、氯乙烯树脂或聚酮醚树脂制成，以便得到比管段30和32更低的抗压强度和刚度，加长部件40可以用芳基乙酰胺纤维、玻璃丝或碳纤维制成，以便得到与管段几乎相等的抗拉强度。因而，间隔环34提高了轴向抗弯曲能力及周向和径向的抗拉强度。这就是说，当柱20承受轴向压力时，间隔环34使间隙36可以减少它的轴向宽度W，也为柱芯28提供了侧向约束。间隔环34的厚度可以由管段30和32的抗压强度来确定。

回顾图2，间隔环34的上、下端部34^a和34^b的外径比环34的主体部分的外径要小。管段30和32在它们的接合端部30^a和32^a分别设有槽口42和44，槽口42和44沿管段30和32的内表面的周边延伸。间隔环34的上端部34^a和下端部34^b分别插入相应的两根管段的槽口42和44，使间隔环与管段30和32相啮合。

由于设置了隔离层26，钢管24可对柱芯28轴向活动。因此，当柱芯28承受轴向压力时，钢管24随同柱芯28所发生的应变与钢管和柱芯相粘结的现有技术相比是非常小的。并且间隙36通过减少轴向宽度W吸收了钢管24上的轴向应变。换句话说，当轴向压力作用在钢管24上时，钢管24由于仅是间隔环34的变形而减少了本身的轴向长度，因此，轴向应变很难传给管段30和32，尽管它在柱芯上扩展。这意味着，钢管24提高了它抵抗由柱芯28的横向应变所产生的周向应力强度。因此，按照（Mieses′s）屈服条件，增强了设置在柱芯28上的钢管24的侧向约束。其结果是柱芯28的抗压强度大大地提高了。因此，与现有技术的柱相比可大大减少柱20的横截面。

图4表示了本发明的另一个实施例，其中的钢管46具有把管段50和52顺序偶联的管接头48，管接头48具有一个管体54，管体54包住管段50和52的相邻端部50^a和52^a，以便在管体54的内表面54^a和两根管段50和52之间限定一个环状空间56（见图5），在本实施例中采用混凝土浇注成的内层58，它置于环形空间56中并填满这个空间。隔离层60置于内层58和管段50和52之间，以便不使内层58粘结在管段50和52上。隔离层60可用如图2中同样的分隔材料制成。环状密垫62填塞在管体54的下端和管段52周边 上，以封住环状空间56的下端开口，由于装有管接头48，钢管46提高了机械强度并在轴向压力作用在钢管46上时，通过减少间隙36的宽度来减短它的轴向长度。在本实施例中，由橡胶这类柔性材料制成的间隔环64同轴地装入间隙36中，一些钢筋66沿轴向插入柱芯68内，柱芯68可用混凝土之类的水硬性材料制成。上管段50在靠近它的接合端区域内开设许多穿透的孔70，当混凝土浇灌入管段50时，混凝土由穿透孔70流出管段50，从而灌满环形空间56，这样就筑成了柱芯68。

隔离层60可介于内层58和管段50和52之一之间而不是介于内层58和管段50和50两者之间，可采用直接装到管段50和52的邻接端部50^a和52^a上的管体以代替管体54。可用予应力钢筋代替普通钢筋66，并且，为了替代图2和图4中的间隔环，可采用多个由柔性材料制成的块状分隔件环绕管段轴线以等角的间距插入管段之间。具有如图6所示的那种八边形横截面的多边形管段可用来替代图2和图4中的管段。

图7和图8表示了本发明的又一个实施例，在图7中，为用多根柱74顺序连接构成的建筑物框架。每根钢管柱74具有钢管76，在它的上端焊接了许多钢梁78，每根柱74上的钢梁78将分别支承建筑物的每层楼板。如图8所示，每三根柱74的钢管76包括：一对管段80和82，及同心地顺序连接管段80和82的接合管84。上管段80包括：管段体80和环形管88，环形管的上端部焊接于管段体80的下端，即：环形管88构成了上管段80的接合端部。接合管84的上端部90同轴心地连接到上管段80的内表面80^a上，而其下端部92同轴心地插入下管段82的内表面82^a内。在 接合管84的下端部92和下管段82的内表面82^a之间装入了一层由四氟乙烯之类抗摩擦材料制成的润滑层94。并且，接合管84的下端部84^a与径向向内突出的内法兰96沿周边焊在一起，以便把作用在上管段80的轴向荷载通过内法兰96传到柱芯28上。

在装配图8中的钢管柱时，在装配工厂中先将接合管84在和内法兰焊接之前或后同轴地焊在环形管88内表面上，然后把环形管88的上端焊到管段86本体的下端，再把按上述加工好的带接合管84的上管段80送到施工工地，与已架立在那里的下管段82连接，并在管段80和82之间限定间隙36。最后向钢管76（即管段80和82及接合管84）中灌注混凝土并养护。另一种方法是，把装有接合管84的环形管88在工地上连接到下管段82上，并在灌注混凝土的工序前把管段80的下端焊到环形管88上。对于这两种的任一种装配方法，都需要保持管段80和82之间的间隙36的间隔装置。例如，这种间隔装置可以是装在两管段相邻接的端部80^a和82^a上的能拆卸的间隔件或是如图2和图4所示的那种间隔环。另外也可把管段80和82的相邻端部偶接，在灌入混凝土并硬化后再切开相接的任一管段的端部，以便在两管段之间形成间隙36，但必须仔细地切割上述端部以防损坏接合管84。

在图7所示的结构中，钢梁78把剪力传递给与它相联结的每一根钢管76上。然后，在每个接合管84之间的三根连续的钢管76上的剪力通过下部的接合管84的内法兰96传递给柱芯28而不传给间隙36以下的同轴的钢管76。换句话说，钢管76仅承受三根柱上的梁78传来的剪力（轴向压力），这样一来，与现有技术的钢管上所承受的轴向压力相比，钢管76所承的轴向压力要小得多，这 就增强了钢管76提供给柱芯28的侧向约束。

图9表示了一种图8中的钢管柱的替换形式。接合管98和环形管100压制成一体，内法兰102也与接合管98压制成一体，或内法兰102焊在接合管98上，由于省去了把接合管焊在环形管上的接合工序、这种结构的管柱就易于装配。也可采用与管段86连成一体的环形管来取代环形管100。

图10表示了图8中的钢管柱的另一种替换形式，其中在接合管84上端部84^b沿周边配置了柔性部件104。柔性部件104用橡胶之类的材料制成以便减少由柱芯28传给接合管84的轴向压力。如图11所示，可以在接合管98上端部84^b上形成斜面106以取代前述的柔性部件104。斜面106与正交于接合管98的轴线的平面斜交并向接合管的下端部收拢。

图12表示了本发明另一种实施例，管段80和82的邻接端80^b和82^b分别沿其周边焊上一对外法兰108和110。这些外法兰108和110互相面对面地径向向外突出并带有多个沿外法兰轴向等角度分布和穿透两个外法兰的螺栓112，每根螺栓112的相对的两个端部112^a和112^b分别与一对螺母114和116螺纹接合并通过螺母114和116分别与外法兰的外表面108^a和110^a紧密地接触。这种结构防止了管段80和82相互分离而是使它们彼此靠近。因此，本实施例中的柱可以承受由地震力之类短时荷载对建筑物所产生的倾覆力矩而引起的张拉荷载并增强了建筑物的刚度和耐久性。此外，每个外法兰108和110装配了多个与外法兰沿轴等角度分布的加劲肋118。位于上法兰108上的肋的下边缘焊在上法兰外表面108^a上，而肋的径向的内边缘焊到上管段 80的外表面上。另一方面，位于下法兰110上的肋118的上边缘焊在外法兰110的外表面110^a上，而肋的径向内边缘焊到下管段82的外表面上。这就是说，通过肋118分别将外法兰的外表面108^a和110^a与管段80和82的外表面连接以便增强法兰108和110抵抗轴向荷载的能力。

当装配图12中的钢管柱时，在钢装配工厂把接合管84、环形管88、内法兰96、外法兰108、肋118和柔性部件连接在一起，然后把管段86的本体焊在环形管88上。把这种带有其它连结件的上管段80运到建筑工地与已架立在那里的和外法兰焊在一起的下管段耦接。在上述装配工序中，可将间隔件（图中未表示）装入法兰108和110之间，以便保持两法兰之间的环形间隙36，此后，把与螺栓112配合的螺母114和116装到外法兰108和110上，最后，把混凝土灌入管段80和82及接合管84中，并在混凝土硬化后从间隙36中拆除间隔件。由于钢管柱连接在一起是比较长的，通过减少间隙36的轴向宽度W可承受更多的压载。在这种情况下，在每个螺栓112和每个螺母114和116之间的螺纹连结必须重新拧紧，以便使螺母再次与外法兰的外表面108^a和110^a紧密接触。

在带有其它连接件的环形管88与下管段82相连接并用螺栓112装到外法兰108和110上之后，可把管段86的本体焊到环形管88上。另一种方法是，在上管段80或环形管88与下管段82连接之前，可将混凝土灌入下管段82，如果间隔件是用柔性材料做的，甚至在混凝土硬化后它也可以被保留在间隙36中。如果不用间隔件，可用另一对螺母与每根螺栓112螺纹结合，以便分别与 外法兰108和110的内表面108^b和110^b直接接触。

图13表示了在图12中的柱的一种替换形式，图中下管段122包括：管段本体124和环形管126，环形管124的下端同轴地焊到管段体124的上端，就是说，环形管形成了下管段122的邻接端部。接合管84的下端部92同轴地与下管段122的内表面120^a相连接而其上端部90同轴地装到上管段120的内表面120^a上，在接合管84的上端部和上管段120的内表面120^a之间，装入了润滑层94，以便使接合管84对上管段120可以同轴地滑动。此外，接合管84的上端部84^b周边地焊在内法兰96上，这样一来，作用于下管段122上的轴向荷载通过内法兰96传到柱芯28上，柔性部件104沿周边装在内法兰96的顶面上。

在图13的结构中，连接到下管段122的梁产生的剪力传递给下管段122，然后，在下管段122中的剪力通过内法兰传给柱芯28。由于有了间隙36，上管段120中的剪力不会传给下管段122。这就是说，按照图8中的实施例的同样理由，管段120和122提供给柱芯的侧向约束增强了。

为了取代内法兰96，可把一个十字形部件的端部焊在接合管84的任一相对的端部84^a或84^b上。例如可以用一对钢杆互相垂直地焊在一起形成十字形以制成十字形部件。十字形部件及内法兰96可以焊到接合管84的内表面而代替焊在接合管84的两个相对端部之一。同样，外法兰108和110可以焊在管段的外表面上而替代焊到管段相邻接的端部。可用发泡聚苯乙烯或粘土制成的柔性部件来代替柔性部件104。

可以认为本发明的最佳实施例虽然已经揭示和说明了，但它的许 多替换形式对本领域的一般技术人员来说是可以自明的。因此，本发明的范围应由后附的权利要求及其等价物来确定。

Claims (10)

1、一种组成建筑物构架的带填充料的钢管柱，它包括：

一个钢管，它具有内表面，并与构架的梁连接，从而一个轴向压缩载荷由梁传递而施加于钢管上；

一个柱芯，它用一种结构填充料制成，装在上述钢管内，以承受从梁通过钢管传到柱芯的轴向压缩载荷；

其特征在于，

一个第一隔离层，它插在钢管的上述内表面和上述柱芯之间，用于将柱芯和钢管内表面隔开，从而钢管不会粘在柱芯上；

载荷传递装置，它安装在钢管内并径向伸入柱芯，以便将轴向压缩载荷从钢管传递给柱芯；以及

应力降低装置，用于降低钢管中产生的轴向应力而不降低钢管的能力以便为柱芯提供横向制约，应力降低装置包括一个形成于钢管内并包围柱芯的环状间隙，从而将上述钢管分成两个隔开而同轴对正的管段，当钢管受到轴向压缩载荷时，上述间隙减少其轴向长度，从而降低钢管中的轴向应力。

2、一种如权利要求1所述的带填充料的钢管柱，其特征在于，上述钢管包括间隔装置，它容纳在上述环状间隙中，用于保持两管段之间的上述间隔，而当钢管承受轴向压缩载荷时用以减少钢管的轴向长度。

3、一种如权利要求2所述的带填充料的钢管柱，其特征在于，上述间隔件包括：同心地装在环形间隙中的环形间架，所述环形间架具有比上述管段为低的抗压强度和刚度，沿环形间架的周边装入一个加长部件以形成环形间架中的一个筒圈，这个加长部件具有几乎与上述管段相同的抗拉强度。

4、一种如权利要求1或2所述的带填充料的钢管柱，其特征在于，上述钢管还包括用来把上述管段同轴地顺序连接而又允许上述管段互相能作轴向运动的偶联装置，偶联装置是一个同轴地装在钢管上的管状结构。

5、一种如权利要求4所述的些填充料的钢管柱，其特征在于，上述管段具有限定环状间隙的相邻端，上述偶联装置包括一个管接头，它环绕管段的上述两个相邻端安装，而同时能至少相对于上述管段之一作轴向滑动。

6、一种如权利要求5所述的带填充料的钢管柱，其特征在于，上述管接头包括：一个具有内表面的管体，所述管体限定了它的内表面与所述管段之间的空隙，在所述空隙中装有一层由填充材料制成的内层，以及处于所述内层和至少与两管段之一之间的第二隔离层。

7、一种如权利要求4所述的带填充料的钢管柱，其特征在于，上述每根管段具有内表面，上述偶联装置包括：一件具有两个端部的接合管，它的一端同轴地连接到上述两管段之一的内表面上，而另一端同轴地装入另一管段的内表面内，以便使接合管可对另一管段作轴向滑动，上述载荷传递装置安装在接合管上。

8、一种如权利要求7所述的带填充料的钢管柱，其特征在于，上述载荷传递装置是一件内法兰，它周向地连接在上述接合管任一相对的端部。

9、一种如权利要求8所述的带填充料的钢管柱，其特征在于，上述偶联装置具有一个上端部并在所述偶联装置的上端部还包括一件轴向连接的柔性部件，上述柔性部件周向地装在偶联装置的上端部以减少由所述柱芯传递给所述接合管的轴向压力载荷。

10、一种如权利要求1，2，3，7，8或9所述的带填充料的钢管柱，其特征在于，上述钢管还包括用于把所述两管段紧固在一起使两管段彼此靠近而又阻止两管段互相脱开的部件，这种紧固部件包括：各自与相应的管段邻接端周向连接在一起的一对外法兰，所述外法兰沿径向向外突出且彼此面对面，其中每个外法兰都有外表面和内表面，及多个接合部件，每个接合部件都有相对的端部部分，所述相对的端部部分分别与所述外法兰的外表面直接接触。

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