CN103243832B - 一种钢管内灌聚氨酯高效支撑 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢管内灌聚氨酯高效支撑，属于结构工程中抗侧力构件技术领域。本发明的一种钢管内灌聚氨酯高效支撑，包括轴力单元、约束单元和连接单元，所述的轴力单元包括钢管，且位于支撑的最外层，所述的约束单元为浇筑于钢管内部的聚氨酯，所述的聚氨酯充满由钢管和两端连接单元形成的封闭空间，所述的聚氨酯和钢管粘结成一个共同体，所述的聚氨酯用于提供支撑的一部分轴向抗拉、抗压能力。本发明提供了一种在往复荷载作用下拥有优秀的滞回性能和较强的抗震耗能能力，且制作工艺简单、重量轻、成本低的高效支撑。

Description

一种钢管内灌聚氨酯高效支撑

技术领域

本发明涉及一种结构工程技术领域的抗侧力构件，更具体地说，涉及一种钢管和钢管内部灌注的高性能聚氨酯材料共同构成的高效支撑。

背景技术

钢支撑是钢结构中的主要抗侧力构件之一，广泛应用于支撑钢框架、厂房柱间支撑系统等结构中。钢支撑在结构中一般按一定倾斜角度成对布置，具备很大的承载能力和刚度，常常提供高达75%的结构水平刚度，是地震作用和风荷载的主要承担者。普通钢支撑在受拉力时可以充分发挥钢材的强度和塑性优势，有很高的承载能力和变形能力，并能提供可靠的刚度；但当受压力时，常常由于稳定承载能力不足而发生失稳，此时承载能力和刚度大大下降，致使结构的延性不足，往复荷载作用下的滞回曲线不够饱满，结构变形能力、耗能能力较弱，影响了钢结构抗震优势的发挥。在支撑钢框架结构中，水平荷载较大的情况下，当支撑斜杆相交于框架梁时（例如V形、人字形支撑），会出现受压支撑由于失稳承载能力大大降低无法平衡受拉支撑的竖向分力的情况，此时《建筑结构抗震设计规范》GB50017-2010规定需把与支撑相连的框架梁设计得足够强劲，这使得梁截面明显增大；同时设计方面根据GB50017-2010规定的“强柱弱梁”原则又必然要对与此框架梁相连的柱进行加强，这样不但结构的用钢量大大增加，而且结构刚度会明显增大，从而导致更大的地震反应。宽肢薄壁的钢结构支撑构件在往复荷载作用下，往往会因局部屈曲导致受压行程中的整体失稳现象发生，使得抗压能力大大小于抗拉能力，整体性能最优的管状截面结构同样也有这一缺点。

现有的防屈曲耗能支撑一般有核心单元、约束单元及滑动机制单元组成，具有很好的稳定承载力，在往复荷载作用下具有良好的塑性滞回耗能能力，如中国专利号ZL201020302287.0，授权公告日2010年9月29日，发明创造名称为：一种带横隔板单管双芯屈曲约束支撑，该申请案涉及一种带横隔板单管双芯屈曲约束支撑，包括核心钢支撑、约束钢管、约束钢管与核心钢支撑之间的填充层，约束钢管套在核心钢支撑之外，所述核心钢支撑是两根，每根包括中央的屈服段、两外端部的外伸段及外伸段和屈服段之间的过渡段，所述外伸段上部有用于连接节点板的螺栓孔，所述屈服段的中部焊有与屈服段垂直的横隔板，横隔板在屈服段的外围分布有预留孔洞，横隔板的两侧连接两段约束钢管，所述核心钢支撑的屈服段和过渡段的外表面有光滑脱粘层，所述填充层紧贴约束钢管的内表面，其与光滑脱粘层之间留有缝隙。该申请案虽然提高了结构刚度，增大结构整体耗能能力，但其成本高昂，构成复杂，核心钢支撑需要用特定强度钢板制成，制作工艺复杂，生产条件要求较高；约束钢管本身并不参加受力，仅是起约束核心单元失稳的作用，从受力角度看力学性能未能得到利用。

另外需要指出的是：现有的钢管混凝土轴心受力构件的抗震性能并不理想，混凝土材料的拉、压性能迥异，一般受拉能力仅有受压能力的1/10左右，不能用来承受拉力。如中国专利申请号200710062637.3，公告日为2007年7月18日，发明创造名称为：钢管防屈曲耗能支撑，该申请案涉及一种属于结构工程领域的钢管防屈曲耗能支撑，所述钢管防屈曲耗能支撑由轴力单元、约束单元、隔离单元和连接单元组成；所述轴力单元为圆钢管；所述屈曲约束单元为浇筑于圆钢管内部的混凝土；所述隔离单元设置在圆钢管与混凝土之间；所述连接单元安装于支撑两端，用于连接支撑与框架结构。该申请案的钢管轴力单元具有很高的刚度，能够有效防止支撑发生整体失稳；钢管内所填充的混凝土可以防止钢管轴力单元发生局部失稳及高阶屈曲，但其不足之处在于：该申请案的一种钢管防屈曲耗能支撑在往复荷载作用下，在受拉行程中，混凝土基本不能提供可以利用的抗拉承载力；而在受压行程中，混凝土受压变形的能力也很有限，在应变不大的情况下就会压碎，失去对钢管的有效约束作用，使得钢管良好的塑性变形能力不能充分发挥。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中普通钢支撑抗压承载力不足，容易发生整体失稳，抗震耗能能力差，而防屈曲耗能支撑造价高昂、制作复杂的不足，提供了一种钢管和钢管内部灌注的高性能聚氨酯材料共同构成的高效支撑，采用本发明提供的技术方案，利用聚氨酯材料和钢材良好的粘结性能使钢管和聚氨酯成为一个共同体，同时聚氨酯可以提供支撑的一部分轴向抗拉、抗压能力，使支撑在往复荷载作用下拥有优秀的滞回性能，抗震耗能能力强，且支撑的制作工艺简单，重量轻、成本低。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种钢管内灌聚氨酯高效支撑，包括轴力单元、约束单元和连接单元，所述的轴力单元包括钢管，且位于支撑的最外层，所述的约束单元为浇筑于钢管内部的聚氨酯，所述的聚氨酯充满由钢管和两端连接单元形成的封闭空间，所述的聚氨酯和钢管粘结成一个共同体，所述的聚氨酯用于提供支撑的一部分轴向抗拉、抗压能力。

更进一步地，所述的连接单元包括端部封板、端部加劲肋、连接板和连接板加劲肋，所述的端部封板、端部加劲肋、连接板和连接板加劲肋之间采用焊接的方式连接，上述连接单元通过端部封板、端部加劲肋和钢管焊接成封闭空间。

更进一步地，所述的钢管的横截面为矩形或圆形。

更进一步地，所述的钢管一端侧壁上设有钢管导气孔。

更进一步地，所述的端部封板上设置有封板导气孔。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

（1）本发明的一种钢管内灌聚氨酯高效支撑，其约束单元为浇筑于钢管内部的聚氨酯，该聚氨酯固化时间仅为7分钟，且无需专门养护；聚氨酯材料抗拉、抗压强度基本相等，其延性指标远远大于钢材的延性指标，既不会被拉裂也不会被压碎，能够很好的协同钢管工作，提供优秀的抗震性能；

（2）本发明的一种钢管内灌聚氨酯高效支撑，聚氨酯充满由钢管和两端连接单元形成的封闭空间，聚氨酯和钢管粘结成一个共同体，同时聚氨酯可以提供支撑的一部分轴向抗拉、抗压能力，利用聚氨酯材料和钢材良好的粘结性能，使支撑在往复荷载作用下，拥有优秀的滞回性能；并且聚氨酯具有重量轻、抗老化性能好、抗冲击与抗爆能力强、具备粘滞阻尼的优点，减轻了支撑的整体重量，延长了支撑的使用寿命；

（3）本发明的一种钢管内灌聚氨酯高效支撑，钢管一端侧壁上设有钢管导气孔，端部封板上设置有封板导气孔，上述导气孔用于聚氨酯填充时的导气，支撑的制作工艺极为简单，甚至可以在施工工地的制作水平下，快速、可靠地制造；

（4）本发明的一种钢管内灌聚氨酯高效支撑，连接单元包括端部封板、端部加劲肋、连接板和连接板加劲肋，连接单元设置于支撑的两端，便于支撑与框架梁的可靠连接，可用作连接建筑结构中的支撑构件，尤其适用于钢结构中的钢框架结构，具有优秀的滞回耗能能力和抗震性能。

附图说明

图1为本发明的一种钢管内灌聚氨酯高效支撑的结构示意图；

图2为图1中A-A方向的剖面示意图；

图3为图1中B-B方向的剖面示意图；

图4为图1中C-C方向的剖面示意图；

图5为本发明的一种钢管内灌聚氨酯高效支撑的安装示意图（以单斜杆支撑为例）；

图6为普通钢支撑在往复荷载作用下的滞回耗能特征图；

图7为本发明在往复荷载作用下的滞回耗能特征图。

示意图中的标号说明：

1、端部封板；2、端部加劲肋；3、连接板；4、连接板加劲肋；5、钢管；6、钢管导气孔；7、封板导气孔；8、聚氨酯；9、梁；10、柱；11、节点板。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。

结合图1、图2、图3和图4，本发明的一种钢管内灌聚氨酯高效支撑，包括由位于支撑最外层的钢管5组成的轴力单元、浇筑于钢管5内部的聚氨酯8构成的约束单元和连接单元，聚氨酯8充满由钢管5和两端连接单元形成的封闭空间，聚氨酯8和钢管5粘结成一个共同体，聚氨酯8用于提供支撑的一部分轴向抗拉、抗压能力，连接单元包括端部封板1、端部加劲肋2、连接板3和连接板加劲肋4，连接单元通过端部封板1和端部加劲肋2设置于钢管5的两端，形成可浇筑聚氨酯8的封闭空间。钢管5一端侧壁上设有钢管导气孔6（如图1所示），端部封板1上设置有封板导气孔7（如图2所示），钢管5的横截面为矩形或圆形。

下面结合实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

本实施例的一种钢管内灌聚氨酯高效支撑，包括轴力单元、约束单元和连接单元，轴力单元包括钢管5，且位于支撑的最外层，约束单元为浇筑于钢管5内部的聚氨酯8，聚氨酯8充满由钢管5和两端连接单元形成的封闭空间，聚氨酯8和钢管5粘结成一个共同体，聚氨酯8用于提供支撑的一部分轴向抗拉、抗压能力，聚氨酯8的抗拉、抗压强度基本相等，其延性指标远远大于钢材的延性指标，既不会被拉裂也不会被压碎，能够很好的协同钢管5工作，提供优秀的抗震性能；另外，聚氨酯8具有重量轻、抗老化性能好、抗冲击与抗爆能力强、具备粘滞阻尼的优点，减轻了支撑的整体重量，延长了支撑的使用寿命。连接单元由端部封板1、端部加劲肋2、连接板3和连接板加劲肋4通过焊接的方式连接而成，连接单元通过端部封板1和端部加劲肋2焊接于钢管5的两端，便于支撑与框架梁的可靠连接，可用作连接建筑结构中的支撑构件，尤其适用于钢结构中的钢框架结构，具有优秀的滞回耗能能力和抗震性能。本实施例采用普通钢管5作为本发明的管材，钢管5的横截面为矩形。为了保证聚氨酯8充满整个钢管5的管腔，便于空气排出，在钢管5的一端侧壁上设有1个直径为10mm的钢管导气孔6，端部封板1上设置有4个直径为20mm的封板导气孔7，上述导气孔均采用钻孔成型。本实施例采用高性能聚氨酯8，该聚氨酯8施工方便，将多元醇和异氰酸酯等液态材料按比例充分混合后浇筑于由钢管5和两端连接单元形成的封闭空间内，其固化时间仅为7分钟，且无需专门养护。

实施例2

本实施例的基本结构同实施例1，不同之处在于钢管5的横截面为圆形，为了保证聚氨酯8充满整个钢管5管腔，便于空气排出，在钢管5的一端侧壁上设有2个直径为10mm的钢管导气孔6，端部封板1上设置有2个直径为20mm的封板导气孔7。

为了更好地理解本发明的内容，现给出本发明的一种钢管内灌聚氨酯高效支撑的制作过程。

制作本发明的一种钢管内灌聚氨酯高效支撑，首先用角焊缝将钢管5的一端用端部封板1封闭，然后在钢管5内部浇灌聚氨酯8，并保证聚氨酯8充满整个钢管5的管腔；待聚氨酯8硬化后，将钢管5未封闭的一端的聚氨酯8磨平，并将端部封板1与钢管5未封闭的一端用角焊缝焊牢；随后将端部加劲肋2就位、校准，用角焊缝将其与钢管5侧壁和端部封板1焊牢（如图1所示）；接下来将连接板3、连接板加劲肋4就位、校准，用角焊缝与端部封板1焊牢，并将连接板3、连接板加劲肋4接触部位用角焊缝焊牢（如图2所示），其中，两块连接板3之间的间距大于焊接在梁9和柱10节点处的节点板11的厚度加上必要的安装间隙。以本发明的钢管内灌聚氨酯高效支撑应用于单斜杆中心支撑钢框架为例（如图5所示），用2排螺栓和3面围焊的角焊缝将支撑的连接板3与钢框架的梁9和柱10节点处的节点板11相连，连接牢固可靠。可以看出，本发明的一种钢管内灌聚氨酯高效支撑，制作工艺极为简单，可以在施工工地的制作水平下，快速、可靠地制造。

值得说明的是，本发明采用的聚氨酯8是一种性能优秀的结构用高分子材料。材料性质试验表明：该材料的抗拉与抗压能力基本相同，屈服强度超过20MPa，剪切强度达到25MPa以上；与钢材的粘结强度可达14MPa以上；延伸率可达50%～100%；弹性模量在1000MPa量级范围。同时，该材料还具有重量轻（其密度仅为钢材的1/7，并可通过配方调整）、抗老化性能好、抗冲击与抗爆能力强、具备粘滞阻尼的优点。聚氨酯8目前在船舶、海洋等工程领域应用广泛，但结构工程领域对其优秀的性能认识还不足，极少使用，在结构工程领域中引进推广聚氨酯8具有重大意义，且应用前景非常光明。

聚氨酯8是一种理想的钢管5填充材料，其延性指标远远大于钢材的延性指标，既不会被拉裂也不会被压碎。由于聚氨酯8与钢材具有非常好的粘结性能，仅凭制作时的一道灌注工艺就能将聚氨酯8和钢管5可靠地结合成一个整体，使之共同工作，而不需繁琐的构造措施，简化了制作工序，降低了成本。聚氨酯8一方面作为填充材料可以有效地防止钢管5在受压时发生局部失稳，以充分发挥钢材的承载和耗能能力；另一方面聚氨酯8以自身的抗拉、抗压性质也提供了支撑的部分承载能力，因而聚氨酯8同时发挥了构造材料和承载材料的双重作用。

本发明从改善钢支撑受压稳定性的角度出发，提出了一种钢管内灌聚氨酯高效支撑，将高性能聚氨酯8灌注于钢管5中，利用聚氨酯8和钢管5良好的粘结性能使钢管5和聚氨酯8成为一个共同体，使其在往复荷载作用下，拥有优秀的滞回性能。本发明的一种钢管内灌聚氨酯高效支撑工作时，一方面，灌注在钢管5内部并被端部封板1封闭的聚氨酯8能够很好地约束薄壁钢管5，避免支撑发生局部失稳导致整体稳定承载力降低；另一方面，聚氨酯8的横向膨胀被钢管5的环箍作用约束，其纵向承载能力和刚度得到强化，充分地发挥了支撑的承载能力。本发明的钢管内灌聚氨酯高效支撑在两种材料的有机结合下，获得了理想的、与抗拉能力相等或相近的抗压承载能力，避免了发生整体失稳的问题，实际上获得了类似于防屈曲耗能支撑的效果，抗震性能优秀，而制造成本则相对低廉，并且工艺非常简单。另外，作为约束单元的聚氨酯8本身也提供支撑轴向抗拉、抗压能力的一部分。采用本发明的钢管内灌聚氨酯高效支撑作抗侧力构件，当支撑汇交于框架梁时，在水平荷载作用下受拉支撑和受压支撑的轴向力的竖向分量能够可靠地互相抵消，避免框架梁承受不平衡竖向力，大大改善了结构性能，可有效地减少用钢量。

图6和图7分别为普通钢支撑和本发明的钢管内灌聚氨酯高效支撑在往复荷载作用下的滞回耗能特征图，图中水平轴为轴向位移，竖轴为轴向作用力，所有滞回环包围的面积之和说明了结构在地震作用下具备的耗能能力，滞回曲线越饱满，包围面积之和越大，说明该结构具备越强的抗震性能。从图6中可以看出纯钢管支撑在往复荷载作用下，屈曲退化的痕迹非常明显、滞回曲线不饱满，耗能能力不足，表明抗震能力很差；从图7中可以看出同样规格尺寸的钢管5按本发明原理制成的钢管内灌聚氨酯高效支撑在往复荷载作用下，滞回曲线非常饱满，耗能能力是纯钢管支撑的数倍，这表明在地震作用下该支撑能够有效地大量吸收、耗散地震能，从而保护主体结构的安全，显示出优秀的抗震性能。图7中的滞回曲线与防屈曲耗能支撑的滞回曲线非常相似，而本发明的成本相对较低，而且工艺极为简单，甚至可以在施工工地的制作水平下，快速、可靠地制造。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种钢管内灌聚氨酯高效支撑，包括轴力单元、约束单元和连接单元，其特征在于：所述的轴力单元包括钢管（5），且位于支撑的最外层，所述的约束单元为浇筑于钢管（5）内部的聚氨酯（8），所述的聚氨酯（8）充满由钢管（5）和两端连接单元形成的封闭空间，所述的聚氨酯（8）和钢管（5）粘结成一个共同体，所述的聚氨酯（8）用于提供支撑的一部分轴向抗拉、抗压能力；所述的连接单元包括端部封板（1）、端部加劲肋（2）、连接板（3）和连接板加劲肋（4），所述的端部封板（1）、端部加劲肋（2）、连接板（3）和连接板加劲肋（4）之间采用焊接的方式连接，上述连接单元通过端部封板（1）、端部加劲肋（2）和钢管（5）焊接成封闭空间；

该钢管内灌聚氨酯高效支撑的制作方法为：首先用角焊缝将钢管（5）的一端用端部封板（1）封闭，然后在钢管（5）内部浇灌聚氨酯（8），并保证聚氨酯（8）充满整个钢管（5）的管腔；待聚氨酯（8）硬化后，将钢管（5）未封闭的一端的聚氨酯（8）磨平，并将端部封板（1）与钢管（5）未封闭的一端用角焊缝焊牢；随后将端部加劲肋（2）就位、校准，用角焊缝将端部加劲肋（2）与钢管（5）侧壁和端部封板（1）焊牢；接下来将连接板（3）、连接板加劲肋（4）就位、校准，用角焊缝与端部封板（1）焊牢，并将连接板（3）、连接板加劲肋（4）接触部位用角焊缝焊牢，其中，两块连接板（3）之间的间距大于焊接在梁（9）和柱（10）节点处的节点板（11）的厚度加上必要的安装间隙。

2.根据权利要求1所述的一种钢管内灌聚氨酯高效支撑，其特征在于：所述的钢管（5）的横截面为矩形或圆形。

3.根据权利要求2所述的一种钢管内灌聚氨酯高效支撑，其特征在于：所述的钢管（5）一端侧壁上设有钢管导气孔（6）。

4.根据权利要求3所述的一种钢管内灌聚氨酯高效支撑，其特征在于：所述的端部封板（1）上设置有封板导气孔（7）。