CN102979251A - 一种基于pbl加劲肋的scs钢管混凝土结构 - Google Patents

一种基于pbl加劲肋的scs钢管混凝土结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于PBL加劲肋的SCS钢管混凝土结构，包括外钢管、内钢管、布设于外钢管与内钢管之间的多道PBL加劲肋和由填充于外钢管与内钢管之间空腔内的混凝土浇筑成型的混凝土结构；外钢管、内钢管和多道PBL加劲肋的纵向长度均相同；多道PBL加劲肋沿内钢管的圆周方向进行布设，每一道PBL加劲肋的内侧壁均与内钢管的内侧壁紧固连接为一体且其外侧壁均与外钢管的外侧壁紧固连接为一体。本发明结构简单、设计合理、施工方便且施工成本较低、力学性能优良、使用效果好，能有效解决现有钢管混凝土结构存在的自重大、外侧钢管与其内部混凝土间连接性能差、外侧钢管对内部混凝土的套箍作用小等问题。

Description

一种基于PBL加劲肋的SCS钢管混凝土结构
技术领域
本发明涉及一种钢管混凝土结构，尤其是涉及一种基于PBL加劲肋的SCS钢管混凝土结构。
背景技术
钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土后形成的结构。钢和混凝土两种材料相互弥补彼此的弱点，充分发挥彼此的长处，使钢管混凝土具有很高的承载力，有优良的力学性能。现如今，钢管混凝土结构在海洋平台与大跨、重载、轻型桥梁等结构中有着越来越广泛的应用，且所采用的钢管混凝土结构主要有圆形、方形和矩形三种截面形式。但是，目前所使用的钢管混凝土结构普遍存在结构自重大等缺陷，因而在很大程度上限制了钢管混凝土结构的发展应用。
另外，在钢管内布设开孔加劲肋（简称PBL加劲肋）后，不仅提高了核心混凝土的抗压强度，增强了钢管管壁的稳定性；同时开孔加劲肋充当了剪力件的作用，使钢管与混凝土连成整体，提高了钢与混凝土的组合作用。但实际使用时，钢管屈曲的早晚与PBL加劲肋的刚度有直接关系，因而不易控制，且结构自重很大。
综上，现有的钢管混凝土结构普遍存在几个问题：第一、外侧钢管对混凝土的套箍作用较弱，易发生局部屈曲，且钢管与混凝土所形成组合结构的整体性不够；第二、自重偏大，限制了结构尺寸；第三、钢材的耐火性能较差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于PBL加劲肋的SCS钢管混凝土结构，其结构简单、设计合理、施工方便且施工成本较低、力学性能优良、使用效果好，能有效解决现有钢管混凝土结构存在的自重大、外侧钢管与其内部混凝土之间的连接性能差、外侧钢管对内部混凝土的套箍作用小等问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于PBL加劲肋的SCS钢管混凝土结构，其特征在于：包括外钢管、套装于外钢管内部的内钢管、布设于外钢管与内钢管之间的多道PBL加劲肋和待多道所述PBL加劲肋均布设完成后由填充于外钢管与内钢管之间空腔内的混凝土浇筑成型的混凝土结构，所述内钢管为圆形钢管且其布设于外钢管的内侧中部；所述外钢管和内钢管呈同轴布设，且多道所述PBL加劲肋的布设方向均与所述内钢管和外钢管的中心轴线方向一致，多道所述PBL加劲肋均与混凝土结构紧固连接为一体；所述外钢管、内钢管和多道所述PBL加劲肋的纵向长度均相同；所述PBL加劲肋为长条形钢肋板，且所述长条形钢肋板的中部由上至下开有多个通孔，多个所述通孔布设在同一直线上；多道所述PBL加劲肋沿内钢管的圆周方向进行布设，每一道所述PBL加劲肋的内侧壁均与内钢管的内侧壁紧固连接为一体，且每一道所述PBL加劲肋的外侧壁均与外钢管的外侧壁紧固连接为一体。
上述一种基于PBL加劲肋的SCS钢管混凝土结构，其特征是：多道所述PBL加劲肋沿内钢管的圆周方向进行均匀布设。
上述一种基于PBL加劲肋的SCS钢管混凝土结构，其特征是：所述内钢管的外径为Ф102mm～Ф2000mm，所述外钢管和内钢管的壁厚均为4mm～100mm，且A1︰A2=1︰（0.6～0.8），其中A1=a1+b1，a1为外钢管的横截面积且b1为外钢管内侧中空部的横截面积，A2=π·r2且r为内钢管的外径。
上述一种基于PBL加劲肋的SCS钢管混凝土结构，其特征是：每一道所述PBL加劲肋的内侧壁与内钢管的外侧壁之间均以焊接方式进行连接，且每一道所述PBL加劲肋的外侧壁与外钢管的内侧壁之间均以焊接方式进行连接。
上述一种基于PBL加劲肋的SCS钢管混凝土结构，其特征是：所述外钢管的横截面为圆形、长方形或正多边形。
上述一种基于PBL加劲肋的SCS钢管混凝土结构，其特征是：多道所述PBL加劲肋的数量为4道～8道；多道所述PBL加劲肋上所开设的多个所述通孔的数量和各通孔所布设的位置均相同。
上述一种基于PBL加劲肋的SCS钢管混凝土结构，其特征是：多个所述通孔由上至下呈均匀布设，且多个所述通孔的结构和尺寸均相同。
上述一种基于PBL加劲肋的SCS钢管混凝土结构，其特征是：多道所述PBL加劲肋的厚度均相同，且多道所述PBL加劲肋的厚度均为d1，其中d1≤D，D为外钢管或内钢管的壁厚；所述外钢管与内钢管的壁厚越大，多道所述PBL加劲肋的厚度均越大。
上述一种基于PBL加劲肋的SCS钢管混凝土结构，其特征是：每一道所述PBL加劲肋的横向宽度，均与其所布设位置处外钢管和内钢管之间的间距相同；所述通孔为圆形孔，且所述圆形孔的孔径
Figure BDA00002668310100031
其中d3为所述圆形孔所处PBL加劲肋的横向宽度。
上述一种基于PBL加劲肋的SCS钢管混凝土结构，其特征是：所述混凝土结构为碳纤维混凝土结构。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、结构简单、设计合理且施工成本较低。
2、结构轻盈且抗震与抗扭性能良好。同时，使用方式灵活，可适用于墩柱、拱肋、横梁等结构中。
3、施工方便且使用效果好，所施工成型的SCS钢管混凝柱形结构件的力学性能好且结构轻盈，内外两层钢管之间通过所浇注的混凝土连接成为一个整体。实际使用时，本发明能充分改善钢管混凝土结构自重大等缺陷，其利用外钢管较大的截面积来提供较大的截面抗扭与抗弯惯性矩，利用内钢管有效减小混凝土体积来减轻自重，并且夹层混凝土处于三向受压状态并将内外钢管连成整体。因而，本发明能充分发挥钢管混凝土节点所具有的形式简单、易于施工等优点，截面的相对惯性矩较大，抗震、抗扭性能好，能有效克服钢管与其内部混凝土之间的连接性能差、外侧钢管对内部混凝土的套箍作用小等缺点，本发明利用内置的圆钢管增强对混凝土的套箍作用，并利用内钢管有效混凝土体积来减轻自重的目的。
4、内外钢管之间所浇注的混凝土既可以采用普通混凝土，也可以采用碳纤维混凝土。并且，所采用的碳纤维混凝土中所添加碳纤维的含量为质量百分含量在0.6%左右，可将混凝土的抗拉强度和抗拉延性分别提高30%和25%。碳纤维是由碳纤维长丝经过短切机械切制而成，长度一般以mm为单位，外形为一定长度的绒须，具有轻质、高强、高模、耐腐蚀、导电、屏蔽性能好、吸波性高等特点，且具有分散均匀，喂料方式多样，工艺简单的优点。混凝土中加入适量的短切碳纤维，可以提高混凝土的抗拉强度、抗强度和抗冲击性能，降低干缩，改善耐磨性能，且这种混凝土较普通混凝土质量轻，具有一定的隔热性能和减震性能。与内钢管内部以及内钢管与外钢管之间形成的空间内均填满混凝土的钢管混凝土结构相比，本发明能充分利用内置圆钢管的强度。
5、利用开孔加劲肋增强外钢管的面外稳定性，并相应大幅度增强结构抗剪能力，同时将整个钢管混凝土结构的各组成部分紧密连成整体。再配合多道箍筋，将多道开孔加劲肋有机连接为一体，进一步增强了整个钢管混凝土结构的整体性。所设置的开孔加劲肋不仅提高了核心混凝土的抗压强度，增强管壁的稳定性；同时开孔加劲肋充当了剪力件的作用，使钢管与混凝土连成整体，提高了钢与混凝土的组合作用。并且，本发明的可操作性强，能有效解决现如今钢管的曲弯时间因与开孔加劲肋刚度有关系而导致的不易控制的难题。
综上所述，本发明结构简单、设计合理、施工方便且施工成本较低、力学性能优良、使用效果好，能有效解决现有钢管混凝土结构存在的自重大、外侧钢管与其内部混凝土之间的连接性能差、外侧钢管对内部混凝土的套箍作用小等多种问题。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图。
图2为本发明实施例1的内部结构示意图。
图3为本发明实施例1的顶部结构示意图。
图4为本发明实施例2的结构示意图。
图5为本发明实施例3的结构示意图。
图6为本发明实施例4的结构示意图。
图7为本发明实施例5的结构示意图。
图8为本发明实施例6的结构示意图。
图9为本发明实施例7的结构示意图。
附图标记说明:
1—外钢管；               2—内钢管；               3—PBL加劲肋；
4—混凝土结构；           5—通孔。
具体实施方式
实施例1
如图1、图2及图3所示，本发明包括外钢管1、套装于外钢管1内部的内钢管2、布设于外钢管1与内钢管2之间的多道PBL加劲肋3和待多道所述PBL加劲肋3均布设完成后由填充于外钢管1与内钢管2之间空腔内的混凝土浇筑成型的混凝土结构4，所述内钢管2为圆形钢管且其布设于外钢管1的内侧中部。所述外钢管1和内钢管2呈同轴布设，且多道所述PBL加劲肋3的布设方向均与所述内钢管2和外钢管1的中心轴线方向一致，多道所述PBL加劲肋3均与混凝土结构4紧固连接为一体。所述外钢管1、内钢管2和多道所述PBL加劲肋3的纵向长度均相同。所述PBL加劲肋3为长条形钢肋板，且所述长条形钢肋板的中部由上至下开有多个通孔5，多个所述通孔5布设在同一直线上。多道所述PBL加劲肋3沿内钢管2的圆周方向进行布设，每一道所述PBL加劲肋3的内侧壁均与内钢管2的内侧壁紧固连接为一体，且每一道所述PBL加劲肋3的外侧壁均与外钢管1的外侧壁紧固连接为一体。
实际加工时，所述内钢管2的外径为Ф102mm～Ф2000mm，所述外钢管1和内钢管2的壁厚均为4mm～100mm，且A1︰A2=1︰（0.6～0.8），其中A1=a1+b1，a1为外钢管1的横截面积且b1为外钢管1内侧中空部的横截面积，A2=π·r2且r为内钢管2的外径。
本实施例中，所述内钢管2的外径为Ф200mm且其壁厚为15mm。实际使用时，可根据具体需要，将所述内钢管2的外径在Ф102mm～Ф2000mm的范围内进行相应调整，并将内钢管2的壁厚在4mm～100mm的范围内进行相应调整。
实际加工时，所述外钢管1的横截面为圆形、长方形或正多边形。
本实施例中，所述外钢管1的横截面为正方形。
具体加工时，所述外钢管1的横截面也可以采用长方形、圆形、其它正多边形等形状。
本实施例中，A1︰A2=1︰0.7。实际使用时，可根据具体需要，将A1︰A2的比例值在1︰（0.6～0.8）的范围内进行相应调整。多个所述通孔5由上至下呈均匀布设，且多个所述通孔5的结构和尺寸均相同。
本实施例中，所述混凝土结构4为碳纤维混凝土结构。
实际加工时，A1优选为4m2～10m2，且所述外钢管1和内钢管2的壁厚均优选为18mm～25mm。
本实施例中，A1=D2=6m2，其中D为所述外钢管1的外侧壁边长，所述外钢管1的壁厚为20mm。实际使用时，可根据具体需要将A1在4m2～10m2的范围内进行相应调整，并将外钢管1的壁厚在4mm～100mm的范围内进行相应调整。
实际施工时，当所施工的钢管混凝土结构用于房屋建筑、桥梁等领域时，所述内钢管2和外钢管1的壁厚优选在4mm～66mm的范围内进行相应调整。当所施工的钢管混凝土结构用于海洋平台时，所述内钢管2和外钢管1的壁厚优选在12mm～100mm的范围内进行相应调整。
实际加工制作时，多道所述PBL加劲肋3沿内钢管2的圆周方向进行均匀布设。所述PBL加劲肋3的数量为4道～8道。多道所述PBL加劲肋3上所开设的多个所述通孔5的数量和各通孔5所布设的位置均相同。
本实施例中，多道所述PBL加劲肋3的数量为4道，且4道所述PBL加劲肋3分别固定在外钢管1的4个侧壁中部。
并且，每一道所述PBL加劲肋3的内侧壁与内钢管2的外侧壁之间均以焊接方式进行连接，且每一道所述PBL加劲肋3的外侧壁与外钢管1的内侧壁之间均以焊接方式进行连接。
本实施例中，所述混凝土结构4为碳纤维混凝土结构。
本实施例中，多道所述PBL加劲肋3的厚度均相同，且多道所述PBL加劲肋3的厚度均为d1，其中d1≤D，D为外钢管1的壁厚。所述外钢管1的壁厚越大，多道所述PBL加劲肋3的厚度均越大。所述通孔5为圆形孔，且所述圆形孔的孔径
Figure BDA00002668310100071
其中d3为所述圆形孔所处PBL加劲肋3的横向宽度。
实际加工制作时，每一道所述PBL加劲肋3的横向宽度，均与其所布设位置处外钢管1和内钢管2之间的间距相同。并且，可以根据具体需要，将每一道所述PBL加劲肋3的横向宽度在其所布设位置处外钢管1和内钢管2之间间距的
Figure BDA00002668310100072
之间进行相应调整。同时，可以根据具体需要，对所述PBL加劲肋3和所述箍筋6的数量进行相应调整。
实际加工时，当所述外钢管1的横截面为长方形或正多边形时，多道所述PBL加劲肋3分别布设在所述外钢管1的各侧壁中部。
实施例2
如图4所示，本实施例中，与实施例1不同的是：所述外钢管1的横截面为圆形，A1︰A2=1︰0.6，所述外钢管1和内钢管2的壁厚均为25mm，A1=π·R2=10m2，其中R为外钢管1的外径。
本实施例中，其余部分的结构和连接关系均与实施例1相同。
实施例3
如图5所示，本实施例中，与实施例2不同的是：所述PBL加劲肋3的数量为6道。
本实施例中，其余部分的结构和连接关系均与实施例2相同。
实施例4
如图6所示，本实施例中，与实施例1不同的是：所述外钢管1的横截面为正十六边形，外钢管1内侧中空部的横截面为正十六边形孔，且A1=所述外钢管1的横截面积+所述正十六边形孔的横截面积；所述PBL加劲肋3的数量为8道，且8道所述PBL加劲肋3分别固定在外钢管1的8个侧壁中部。
本实施例中，其余部分的结构和连接关系均与实施例4相同。
实施例5
如图7所示，本实施例中，与实施例1不同的是：所述外钢管1的横截面为正六边形，A1︰A2=1︰0.8，外钢管1内侧中空部的横截面为正六边形孔，且A1=所述外钢管1的横截面积+所述正六边形孔的横截面积，所述外钢管1和内钢管2的壁厚均为25mm，A1=10m2；所述PBL加劲肋3的数量为6道，且6道所述PBL加劲肋3分别固定在外钢管1的6个侧壁中部。实际使用时，所述外钢管1的横截面也可以为其它正多边形。
本实施例中，其余部分的结构和连接关系均与实施例1相同。
实施例6
如图8所示，本实施例中，与实施例1不同的是：所述外钢管1的横截面为正八边形，外钢管1内侧中空部的横截面为正八边形孔，且A1=所述外钢管1的横截面积+所述正八边形孔的横截面积；所述PBL加劲肋3的数量为8道，且8道所述PBL加劲肋3分别固定在外钢管1的8个侧壁中部。
本实施例中，其余部分的结构和连接关系均与实施例1相同。
实施例7
如图9所示，本实施例中，与实施例9不同的是：所述PBL加劲肋3的数量为4道，且4道所述PBL加劲肋3分别固定在外钢管1的4个侧壁中部。
本实施例中，其余部分的结构和连接关系均与实施例9相同。
实施例8
本实施例中，与实施例1不同的是：每一道所述PBL加劲肋3的横向宽度，均为其所布设位置处外钢管1和内钢管2之间间距的
Figure BDA00002668310100091
所述圆形孔的孔径d2为所述内钢管2的外径为Ф102mm，所述外钢管1和内钢管2的壁厚均为4mm，A1=4m2。
本实施例中，其余部分的结构和连接关系均与实施例1相同。
实施例9
本实施例中，与实施例1不同的是：每一道所述PBL加劲肋3的横向宽度，均为其所布设位置处外钢管1和内钢管2之间间距的所述圆形孔的孔径d2为
Figure BDA00002668310100094
所述内钢管2的外径为Ф1000mm，所述外钢管1和内钢管2的壁厚均为40mm，A1=8m2。
本实施例中，其余部分的结构和连接关系均与实施例1相同。
实施例10
本实施例中，与实施例1不同的是：每一道所述PBL加劲肋3的横向宽度，均为其所布设位置处外钢管1和内钢管2之间间距的
Figure BDA00002668310100095
所述圆形孔的孔径d2为
Figure BDA00002668310100096
所述内钢管2的外径为Ф2000mm，所述外钢管1和内钢管2的壁厚均为66mm，A1=10m2。
本实施例中，其余部分的结构和连接关系均与实施例1相同。
实施例11
本实施例中，与实施例1不同的是：每一道所述PBL加劲肋3的横向宽度，均为其所布设位置处外钢管1和内钢管2之间间距的
Figure BDA00002668310100101
所述圆形孔的孔径d2为所述内钢管2的外径为Ф2000mm，所述外钢管1和内钢管2的壁厚均为100mm，A1=10m2。
本实施例中，其余部分的结构和连接关系均与实施例1相同。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于PBL加劲肋的SCS钢管混凝土结构，其特征在于：包括外钢管（1）、套装于外钢管（1）内部的内钢管（2）、布设于外钢管（1）与内钢管（2）之间的多道PBL加劲肋（3）和待多道所述PBL加劲肋（3）均布设完成后由填充于外钢管（1）与内钢管（2）之间空腔内的混凝土浇筑成型的混凝土结构（4），所述内钢管（2）为圆形钢管且其布设于外钢管（1）的内侧中部；所述外钢管（1）和内钢管（2）呈同轴布设，且多道所述PBL加劲肋（3）的布设方向均与所述内钢管（2）和外钢管（1）的中心轴线方向一致，多道所述PBL加劲肋（3）均与混凝土结构（4）紧固连接为一体；所述PBL加劲肋（3）为长条形钢肋板，且所述长条形钢肋板的中部由上至下开有多个通孔（5），多个所述通孔（5）布设在同一直线上；多道所述PBL加劲肋（3）沿内钢管（2）的圆周方向进行布设，每一道所述PBL加劲肋（3）的内侧壁均与内钢管（2）的外侧壁紧固连接为一体，且每一道所述PBL加劲肋（3）的外侧壁均与外钢管（1）的内侧壁紧固连接为一体；所述外钢管（1）、内钢管（2）和多道所述PBL加劲肋（3）的纵向长度均相同，所述外钢管（1）的顶端和多道所述PBL加劲肋（3）的顶端均与所述内钢管（2）的顶端相平齐，且所述外钢管（1）的底端和多道所述PBL加劲肋（3）的底端均与所述内钢管（2）的底端相平齐。
2.按照权利要求1所述的一种基于PBL加劲肋的SCS钢管混凝土结构，其特征在于：多道所述PBL加劲肋（3）沿内钢管（2）的圆周方向进行均匀布设。
3.按照权利要求1或2所述的一种基于PBL加劲肋的SCS钢管混凝土结构，其特征在于：所述内钢管（2）的外径为Ф102mm～Ф2000mm，所述外钢管（1）和内钢管（2）的壁厚均为4mm～100mm，且A1︰A2=1︰（0.6～0.8），其中A1=a1+b1，a1为外钢管（1）的横截面积且b1为外钢管（1）内侧中空部的横截面积，A2=π·r2且r为内钢管（2）的外径。
4.按照权利要求1或2所述的一种基于PBL加劲肋的SCS钢管混凝土结构，其特征在于：每一道所述PBL加劲肋（3）的内侧壁与内钢管（2）的外侧壁之间均以焊接方式进行连接，且每一道所述PBL加劲肋（3）的外侧壁与外钢管（1）的内侧壁之间均以焊接方式进行连接。
5.按照权利要求1或2所述的一种基于PBL加劲肋的SCS钢管混凝土结构，其特征在于：所述外钢管（1）的横截面为圆形、长方形或正多边形。
6.按照权利要求1或2所述的一种基于PBL加劲肋的SCS钢管混凝土结构，其特征在于：多道所述PBL加劲肋（3）的数量为4道～8道。
7.按照权利要求1或2所述的一种基于PBL加劲肋的SCS钢管混凝土结构，其特征在于：多个所述通孔（5）由上至下呈均匀布设，且多个所述通孔（5）的结构和尺寸均相同；多道所述PBL加劲肋（3）上所开设通孔（5）的数量和各通孔（5）的布设位置均相同。
8.按照权利要求1或2所述的一种基于PBL加劲肋的SCS钢管混凝土结构，其特征在于：多道所述PBL加劲肋（3）的厚度均相同，且多道所述PBL加劲肋（3）的厚度均为d1，其中d1≤D，D为外钢管（1）的壁厚；所述外钢管（1）的壁厚越大，多道所述PBL加劲肋（3）的厚度均越大。
9.按照权利要求7所述的一种基于PBL加劲肋的SCS钢管混凝土结构，其特征在于：每一道所述PBL加劲肋（3）的横向宽度，均与其所布设位置处外钢管（1）和内钢管（2）之间的间距相同；所述通孔（5）为圆形孔，且所述圆形孔的孔径
Figure FDA00002668310000021
其中d3为所述圆形孔所处PBL加劲肋（3）的横向宽度。
10.按照权利要求1或2所述的一种基于PBL加劲肋的SCS钢管混凝土结构，其特征在于：所述混凝土结构（4）为碳纤维混凝土结构。
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