CN102787695A - 内核-套管组合压杆 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种内核-套管组合压杆，属于建筑结构领域。该组合压杆主要由Q460高强钢内核钢管和Q235普通钢外套钢管以及Q235钢材法兰盘（或内置圆箍）等组件构成。外套管和内核钢管之间保留间隙以减轻组合压杆的自重，通过外套管与法兰盘（或内置圆箍）为内核钢管提供有效的侧向约束，迫使其出现预期的类似高阶屈曲模态的失稳形式，能够充分发挥内核钢管Q460强度等级钢材的强度优势,使得组合构件整体稳定承载力提高,其经济性指标（承载力/用钢量）也提高。

Description

内核-套管组合压杆

技术领域

本发明是一种采用法兰盘式（或内置圆箍式）连接件将Q460强度等级钢材的内核钢管和Q235强度等级钢材的外套钢管连接为整体的内核-套管组合压杆，属于一种由两种不同强度等级钢材组成的组合构件。

背景技术

近几年来，随着钢材材料的不断改进，高强度钢材已经在国内外多个实际工程中得到应用，并获得了很好的效果。高强度钢材的应用能有效地减小构件截面尺寸和结构自重，获得更大的建筑使用空间，同时能够减少焊接、涂层等工作量，降低运输和施工安装成本。然而，对于高强度钢材受压构件而言，构件截面尺寸的减小势必导致其稳定问题更加凸显。

目前改善钢压杆稳定性能的做法主要有两类：1采用组合结构；2加设稳定控制装置。

组合结构是指由两种或两种以上不同材料的构件组合在一起，形成能够共同受力、协同变形的结构。型钢-混凝土组合结构就是典型的通过型钢外包裹混凝土的形式来改善型钢构件稳定性能的组合结构。型钢-混凝土组合结构等组合构件虽然在很大程度上提高了型钢构件的稳定性能及整体结构的承载能力，但因采用混凝土，其自重较大、制作工序繁琐、施工周期较长，不宜应用在大跨空间等要求自重轻以及安装机械化水平较高的结构中。

稳定控制装置是通过对受压构件加设附加装置来改善受压构件屈曲性能的一种组件。目前已有的稳定控制装置主要有预应力撑杆装置、限制力装置、限位螺栓装置、套管装置等。预应力撑杆装置是在钢压杆外围设置若干撑杆或内部设置横隔板，然后利用张紧的预应力拉索通过撑杆或横隔隔板提供给钢压杆有效的侧向弹性支撑作用，从而减小钢压杆计算长度，提高其稳定承载力。限制力装置是由外套筒、内钢管、四周中部布置的板条组成。在压力作用下，外套管、内钢管承受压力，而四周的板条承受拉力，通过设计使板条首先受拉屈服，屈服荷载小于受压杆的屈曲荷载，从而受压杆具有理想弹塑性的轴力-轴向位移曲线，即在杆件中引入人为的延性变形能力从而改善构件脆性破坏性能。限位螺栓装置是在矩形外套钢管上沿轴向布设定位螺栓对内核工字形钢压杆提供侧向支撑，使内核钢杆发生高阶失稳破坏。套管装置是由内核圆钢管与外套圆钢管组成，内核管比外钢管稍长，且两者之间留有间隙。内核管承受轴向压力，发生失稳现象，产生侧向弯曲变形与外套管接触后，外钢管参与受力，为内核杆提供侧向约束。当外核管刚度足够大时，能迫使内核杆在高阶屈曲模态下发生失稳破坏，使得整体构件承载力得到很大的提高。

对预应力撑杆装置而言，内部设置横隔板及预应力索方式的稳定改善效果不显著；而外设撑杆及预应力索形式，使整体杆件外围不平整，不易设置维护材料，不适合用于大跨结构。限制力装置构造复杂，施工难度大，不利于推广应用。限位螺栓装置构造简单明确，属主动控制失稳形式，但因核心钢杆为工字形截面，用于大跨结构时节点处理有难度，外管为矩形钢管，约束能力也逊于相应圆钢管。套管装置为了有效提高外套管抗弯刚度，需要内外管间隙足够大，这使得杆件失稳破坏时，内核管发生较大的轴向变形，影响结构整体刚度，另外对发生的杆件屈曲模态控制也是属于被动控制。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种内核-套管组合压杆。该组合压杆主要由Q460高强钢内核钢管和Q235普通钢外套钢管以及Q235钢材法兰盘（或内置圆箍）等组件构成。外套管和内核钢管之间保留间隙以减轻组合压杆的自重，通过外套管与法兰盘（或内置圆箍）为内核钢管提供有效的侧向约束，迫使其出现预期的类似高阶屈曲模态的失稳形式，能够充分发挥内核钢管Q460强度等级钢材的强度优势,使得组合构件整体稳定承载力提高,其经济性指标（承载力/用钢量）也提高。

为了解决上述技术问题，本发明内核-套管组合压杆主要由两种构造做法以实现其相应的技术方案：

第一种：法兰盘式内核-套管组合压杆

该类法兰盘式内核-套管组合压杆包括：Q460强度等级钢材的内核钢管、Q235强度等级钢材的外套管、法兰圆盘、连接螺栓、橡胶圆环块和橡胶垫片。外套管不参与受压仅起到约束作用，外套管的数量一般为4个（如果内核钢管长细比小于80，可减少为2个；如果内核钢管长细比大于150，则可以增加为6个）。上下端两个外套管仅在一端焊接法兰圆盘，中部两个外套管则在两端均焊接法兰圆盘；法兰圆盘的内径为内核钢管的外径，套管外侧法兰盘上沿周边等间距布设四个螺栓孔。内核钢管为主要抗压构件，其中部焊接一个法兰圆盘，其外径与外套管法兰盘外径一致。内核钢管和外套管之间以及外套管之间均通过法兰圆盘和高强螺栓连接为整体。各法兰圆盘之间通过添加橡胶圆垫片起到密封作用。在外套管两端头和内核钢管相应位置填充橡胶圆环块以起到密封和固定内核钢管的作用。外套管和内核钢管之间保留间隙，使得组合构件的自重较轻，并且内核钢管可以自由地发生轴向变形，起到主要抵抗轴向压力的作用。

第二种：内置圆箍式内核-套管组合压杆

该类内置圆箍式内核-套管组合压杆包括：Q460强度等级钢材的内核钢管、Q235强度等级钢材的外套管、圆箍盘、橡胶圆环块和橡胶垫片。其中Q460强度等级钢材的内核钢管为主要受压构件，其中部以及上、下1/4长度位置各焊接一个圆箍盘，该类圆箍盘的外径稍小于外套管内径，以便套入外套管。在内核钢管离下端50～200mm位置焊接一个圆环盘，该圆环盘的外径大于外套管外径15～25mm。外套管焊接于内核钢管的下部圆环盘上而与内核钢管连接为整体。外套钢管和内核钢管之间保留间隙，使得组合构件的自重较轻，并且内核钢管可以自由地发生轴向变形，起到抵抗轴向压力的作用。外套钢管上部端头和内核钢管相应位置处填充橡胶圆环块以起到密封和固定内核钢管的作用。

外套管和内核钢管之间保留间隙δ的计算公式如下：

$\mathrm{\δ}=\frac{D_1}{2}\×[{\left[\frac{i_{\mathrm{\ω}}(1-{\left(\frac{d_1}{D_1}\right)}^4)}{(1-{(1-\frac{{2f}_y}{23500})}^4)}\right]}^{\frac{1}{4}}\×(1-\frac{{2f}_y}{23500})-1]$

各参数说明：

δ：外套管和内核钢管之间的间隙；

D₁：内核管外径，d₁：内核管内径；

f_y：外套钢管钢材屈服强度；

i_ω：外、内管有效刚度比。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明法兰盘式（内置圆箍式）组合压杆通过中部或其他相应位置的法兰盘（或圆环板）连接件将Q460强度等级钢材的内核钢管和Q235强度等级钢材的外套管连接在一起，通过法兰盘（或内置圆箍）为内核钢管在中部及其相应位置提供有效的侧向支撑，使内核钢管出现预期的高阶屈曲模态失稳破坏，从而提高了组合压杆的承载力。不仅如此，由于内核钢管采用Q460强度等级的钢材，使得钢材的“高强度”优势得到了很大的发挥，在提高构件承载力的同时也能提高其经济性（承载力/总用钢量）指标。

附图说明

图1是法兰盘式内核-套管组合压杆轴向示意图

图2是图1所示A-A剖切位置的剖面图

图3是图1所示B-B剖切位置的剖面图

图4是内置圆箍式内核-套管组合压杆轴向示意图

图5是图4所示A-A剖切位置的剖面图

图6是图4所示B-B剖切位置的剖面图

附图代号说明：

图1：1-Q460强度等级钢材内核钢管，2-Q235强度等级钢材外套钢管，3-法兰圆盘，4-橡胶圆环块，5-连接螺栓，6-橡胶垫片，7-间隙

图2：1-Q460强度等级钢材内核钢管，4-橡胶圆环块，7-间隙，8-Q235强度等级钢材外套钢管，9-圆箍盘，10-圆环板

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的进一步说明：

第一种：法兰盘式内核-套管组合压杆

如图1所示，本发明法兰盘式内核-套管组合压杆包括Q460强度等级钢材内核钢管、Q235强度等级钢材的外套管、法兰圆盘、连接螺栓、橡胶圆环块和橡胶垫片。其中Q460强度等级钢材的内核钢管1为主要受力构件，其中部焊接一个法兰圆盘3且两端头各伸出外套管50～200mm长度。Q235强度等级钢材的外套管2不参与受力仅起到约束作用，外套管的数量一般为4个（如果内核钢管长细比小于80，可减少为2个；如果内核钢管长细比大于150，则可以增加为6个）。上下端两个外套管仅在一端焊接法兰圆盘3，中部两个外套管则在两端均焊接法兰圆盘3,其中法兰圆盘3的内径为内核钢管的外径，并布设沿周边等间距的有四个螺栓孔。内核钢管和外套管之间以及外套管之间均通过法兰圆盘和高强螺栓连接为整体。外套管和内核钢管之间保留间隙，使得组合构件的自重较轻，并且内核钢管可以自由地发生轴向变形。各法兰圆盘之间添加橡胶圆垫片起到密封作用。在外套管两端头和内核钢管相应位置填充橡胶圆垫片以起到密封和固定内核钢管的作用。本发明法兰盘式内核-套管组合压杆实施顺序为：在Q460强度等级钢材钢管1中部焊接一个法兰圆盘3，然后将两端部均焊有法兰圆盘3的外套钢管2从上、下分别套入，在法兰圆盘之间加入橡胶垫片并用高强螺栓进行连接，接着将仅一端焊有法兰盘的两个外套钢管从上、下分别套入，在法兰圆盘之间加入橡胶垫片并用高强螺栓进行连接，最后在外套管两端头和内核钢管相应位置填充橡胶圆环块4以起到密封和固定内核钢管的作用。

第二种：内置圆箍式内核-套管组合压杆

如图4所示，本发明内置圆箍式内核-套管组合压杆包括：Q460强度等级钢材钢管、Q235强度等级钢材的外套管、圆箍盘、橡胶圆环块和橡胶垫片。其中Q460强度等级钢材内核钢管为主要受力构件，其中部以及上、下1/4长度位置各焊接一个圆箍盘，该类圆箍盘的外径稍小于外套管内径。在其靠下端头50～200mm位置焊接一个圆环盘，该圆环盘的外大于外套管外径15～25mm，以便采用角焊缝将外套管焊于圆环盘上。外套管通过焊接于内核钢管下端的圆环盘上而与内核钢管连接为整体。外套钢管和内核钢管之间保留间隙，使得组合构件的自重较轻，并且内核钢管可以自由地发生轴向变形。外套钢管端头和内核钢管相应位置处填充的橡胶圆环块以起到密封和固定内核钢管的作用。本发明内置圆箍式内核-套管组合压杆实施顺序为：在Q460强度等级钢材内核钢管1的中部以及其上、下1/4长度位置各焊接一个圆箍盘8（该圆箍的外径稍小于外套管内径），在距离下端50～200mm位置焊接一个圆环盘10（圆环盘外径大于外套管外径15～25mm），接着将外套管8套入内核钢管并将其端部焊接于圆环盘10上。外套钢管端头和内核钢管相应位置处填充橡胶圆环块4以起到密封和固定内核钢管的作用。

本发明内核-套管组合压杆的间隙确定：

本发明内核-套管组合压杆的间隙如果太小，增强外套管约束作用的方式(即增大外套管抗弯刚度)只能通过增大外套管的壁厚实现，这样会导致外套管用钢量增大，自重增大；如果间隙太大，组合杆件截面总体外径变大，相应连接件的用钢量增大。因此合适的间隙对于该组合压杆的稳定承载性能和经济性能的发挥都有着很大的影响。在此结合ANSYS有限元软件的数值模拟和相应的力学分析对该组合压杆的合理间隙公式加以推导确定，并结合该公式做了一个算例分析。

推导过程：

设内核管截面惯性矩： $I_{x1}=\frac{\mathrm{\π}{D_1}^4}{64}(1-{a_1}^4)---(1-1),$ 其中 $a_1=\frac{d_1}{D_1}$

设外套管截面惯性矩： $I_{x2}=\frac{\mathrm{\π}{D_2}^4}{64}(1-{a_2}^4)---(1-2),$ 其中 $a_2=\frac{d_2}{D_2}$

记i_ω为有效的外套管与内核管的抗弯刚度比：

$i_{\mathrm{\ω}}=\frac{{\mathrm{EI}}_{x2}}{{\mathrm{EI}}_{x1}}=\frac{\mathrm{\π}{D}_2^4(1-a_2^4)/64}{\mathrm{\π}{D}_1^4(1-a_1^4)/64}=\frac{D_2^4(1-a_2^4)}{D_1^4(1-a_1^4)}=\frac{{\mathrm{\β}}^4-{(1-{2t}_{\mathrm{\ω}}/D_1)}^4}{(1-a_1^4)}---(1-3)$

其中β=D₂/D₁，t_ω为外套管满足局部稳定时的壁厚限值，即t_ω=D₂f_y/23500

所谓的有效性是指该抗弯刚度比下，内核钢管的稳定系数在0.8以上，并且此时组合压杆的经济性较内核钢管（不加外套管约束装置时）有所提高。该抗弯刚度比的数值可以通过有限元数值模拟加以确定。经济指标是指：承载力/用钢量

将t_ω=D₂f_y/23500带入公式1-3，即得

$i_{\mathrm{\ω}}=\frac{{\mathrm{\β}}^4-{(\mathrm{\β}-\frac{2D_2{f}_y}{23500D_1})}^4}{(1-{a_1}^4)}=\frac{{\mathrm{\β}}^4-{(\mathrm{\β}-\frac{2\mathrm{\β}{f}_y}{23500})}^4}{(1-{a_1}^4)}=\frac{{\mathrm{\β}}^4(1-{(1-\frac{{2f}_y}{23500})}^4)}{(1-{a_1}^4)}---(1-4)$

从公式1-4推导出： $\mathrm{\β}={\left[\frac{i_{\mathrm{\ω}}(1-{a_1}^4)}{(1-{(1-\frac{{2f}_y}{23500})}^4)}\right]}^{\frac{1}{4}}---(1-5)$

带入公式1-5，即得间隙公式为：

$\mathrm{\δ}=\frac{D_2-D_1-2t_{\mathrm{\ω}}}{2}=\frac{D_1}{2}[{\left[\frac{i_{\mathrm{\ω}}(1-{a_1}^4)}{(1-{(1-\frac{{2f}_y}{23500})}^4)}\right]}^{\frac{1}{4}}\×(1-\frac{{2f}_y}{23500})-1]---(1-6)$

各参数说明：

I_x1：内核管截面惯性矩，I_x2：外管截面惯性矩

D₁：内核管外径，D₂：外套管外径

d₂：外套管内径d₁：内核管内径

f_y：外套钢管钢材屈服强度，δ：组合压杆间隙

壁厚局部稳定计算公式：

其中D：圆钢管外径，t：圆钢管壁厚

从（1-6）公式可以看出：一旦确定内核钢管的截面尺寸和外套管的钢材强度等级以及外、内管的有效刚度比，即可确定外、内套管的间隙以及外套管的截面尺寸。

算例分析：

条件：内核钢管截面尺寸：φ76×4，内核管长度：3060mm，外套管长度：2860mm，内核管长细比：120。外、内管刚度比分别取为1.61、2.68、4.33。外、内钢管仅在中部进行约束。内核钢管钢材强度等级取Q460，外套管钢材强度等级取Q235。具体材性见表1，有限元数值计算结果见表2。

表1钢材主要材性指标表

表2有限元数值计算结果

由表2可见，通过有限元数值分析表明，当外、内刚度比为2.68时，组合压杆的经济指标最高，达到9.08kN/kg，即可认为2.68为有效的外、内管刚度比。从而通过公式1-6即可确定该组合压杆的间隙为32.82mm，外管的直径为：146.57mm，壁厚：1.4657mm。从制作施工方便的角度考虑，可以取该组合压杆的间隙为30mm，外管的直径为140mm，壁厚：1.5mm。此时的外、内管刚度比为：2.66,经济指标为：9.17kN/kg。由此可见，采用该内核-套管组合压杆，对于上述算例的情况而言，选用合适的间隙和外套管截面尺寸可使得组合压杆较原圆钢管（不加外套管约束装置时）的稳定承载力提高了180%，经济性提高了67%，换言之，在相同稳定承载力的情况下，该组合压杆的用钢量仅为原圆钢管（不加外套管约束装置时）的59.9%。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。对于长细比小于80的内核钢管构件，如果采用法兰盘式的构造做法，仅用两个外套管约束装置即可；如果采用内置圆箍式的构造做法，则在内核钢管中部位置焊接一个圆箍即可；而对于长细比大于150的内核钢管构件，如果采用法兰盘式的构造做法，可以采用多个外套管装置；如果采用内置圆箍式的构造做法，则在内核钢管多个位置焊接圆箍。同时，如果采用更高强度钢材（屈服强度大于460MPa）的内核钢管，则组合压杆的经济性和承载性能将更加优越。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.内核-套管组合压杆，其特征在于：包括以下两种构造：

第一种：法兰盘式内核-套管组合压杆

该类法兰盘式内核-套管组合压杆包括：Q460强度等级钢材的内核钢管以下简称内核钢管、Q235强度等级钢材的外套管以下简称外套管、法兰圆盘、连接螺栓、橡胶圆环块和橡胶垫片；外套管的数量为2-6个；上下端两个外套管仅在一端焊接法兰圆盘，中部两个外套管则在两端均焊接法兰圆盘；法兰圆盘的内径为内核钢管的外径，套管外侧法兰盘上沿周边等间距布设螺栓孔；内核钢管中部焊接一个法兰圆盘，其外径与外套管法兰盘外径一致；内核钢管和外套管之间以及外套管之间均通过法兰圆盘和螺栓连接为整体；各法兰圆盘之间通过添加橡胶圆垫片起到密封作用；在外套管两端头和内核钢管相应位置填充橡胶圆环块；外套管和内核钢管之间保留间隙；

第二种：内置圆箍式内核-套管组合压杆

该类内置圆箍式内核-套管组合压杆包括：Q460强度等级钢材的内核钢管以下简称内核钢管、Q235强度等级钢材的外套管以下简称外套管、圆箍盘、橡胶圆环块和橡胶垫片；其中Q460强度等级钢材的内核钢管中部以及上、下1/4长度位置各焊接一个圆箍盘，该类圆箍盘的外径小于外套管内径，以便套入外套管；在内核钢管离下端50～200mm位置焊接一个圆环盘，该圆环盘的外径大于外套管外径15～25mm；外套管焊接于内核钢管的下部圆环盘上而与内核钢管连接为整体；外套钢管和内核钢管之间保留间隙，外套钢管上部端头和内核钢管相应位置处填充橡胶圆环块。

2.根据权利要求1所述的内核-套管组合压杆，其特征在于：外套管和内核钢管之间保留间隙δ的计算公式如下：

$\mathrm{\δ}=\frac{D_1}{2}\×[{\left[\frac{i_{\mathrm{\ω}}(1-{\left(\frac{d_1}{D_1}\right)}^4)}{(1-{(1-\frac{{2f}_y}{23500})}^4)}\right]}^{\frac{1}{4}}\×(1-\frac{{2f}_y}{23500})-1]$

各参数说明：

δ：外套管和内核钢管之间的间隙；

D₁：内核管外径，d₁：内核管内径；

f_y：外套钢管钢材屈服强度；

i_ω：外、内管有效刚度比。

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