CN104032897B - 一种抗滞回损伤压曲的钢管混凝土柱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗滞回损伤压曲的钢管混凝土柱，包括钢管混凝土柱，该钢管混凝土柱至少在其上下两端头内置有可侧滑的抗压模块，以在钢管混凝土柱的滞回损伤区传递轴压力，并阻断钢管混凝土柱核心混凝土滞回损伤与其抗压承载力下降的耦合作用，避免或延迟钢管局部压曲或焊缝开裂；在钢管混凝土柱复合受扭时阻碍柱中部核心混凝土斜裂缝开展及产生斜冲切运动；该抗压模块与钢管混凝土柱核心混凝土浇筑一体，形成组合钢管混凝土柱。本发明采用至少在钢管混凝土柱的上下端头内置可侧滑抗压模块，形成组合刚管混凝土柱，将显著提高钢管混凝土柱的抗受压破坏能力、抗粘结破坏能力，及显著提高钢管混凝土柱的滞回变形和耗能能力。

Description

一种抗滞回损伤压曲的钢管混凝土柱

技术领域

本发明涉及结构工程抗震领域，特别是涉及一种抗滞回损伤压曲的钢管混凝土柱。

背景技术

钢管混凝土柱因其性能和施工工艺上的众多优点，在高层建筑、工业厂房和大跨度结构有广泛应用，型式上有圆钢管柱、方钢管柱和薄壁钢管柱等。现有的钢管混凝土柱100的剖立面示意如图1所示，现有的钢管混凝土柱100包括钢管101和位于钢管101内部的核心混凝土102。试验研究显示，高轴压比或重载钢管混凝土柱的延续并不理想，在水平反复荷载作用下柱底或柱顶容易出现钢管101局部压曲或焊缝开裂，柱体受压破坏；钢管混凝土柱复合受扭较严重时，柱中部核心区混凝土102斜裂缝也可能发展成斜断裂面，柱体在轴压下产生斜冲切运动而粘结破坏。为改善钢管混凝土柱100在高轴压比或重载下的抗震性能，已有技术在钢管混凝土柱100内置钢骨，出现钢骨－钢管混凝土组合柱和多腔钢管混凝土组合柱等，有效提高了钢管混凝土柱的延性、抗受压破坏能力和抗粘结破坏能力，但仍受柱轴压比的影响。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术之不足，提供了一种抗滞回损伤压曲的钢管混凝土柱，显著提升钢管混凝土柱抗局部滞回损伤压曲破坏和粘结破坏能力。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种抗滞回损伤压曲的钢管混凝土柱，包括钢管混凝土柱，该钢管混凝土柱至少在其上下两端头内置有可侧滑的抗压模块，以在钢管混凝土柱的滞回损伤区传递轴压力，并阻断钢管混凝土柱核心混凝土滞回损伤与其抗压承载能力下降的耦合作用，在钢管混凝土柱复合受扭时阻碍其中部核心混凝土斜裂缝开展及产生斜冲切运动；所述抗压模块与钢管混凝土柱核心混凝土浇筑成一体，形成组合钢管混凝土柱。

进一步的，所述抗压模块包括多个叠合面水平的块体，该多个块体沿所述钢管混凝土柱的轴线方向依次层叠。

进一步的，所述抗压模块的侧面周圈为所述钢管混凝土柱的核心混凝土或包括有环绕层。

进一步的，所述各个块体的材质分别为天然石材或人工石材。

进一步的，所述各个块体分别呈扁柱状，其侧面向外鼓出。

进一步的，所述各个块体的叠合面分别为不光滑表面和/或所述各个块体的叠合面分别涂覆有石墨层。

进一步的，所述多个块体的中心分别设有一通孔，所述多个块体依次层叠后，其中心通孔竖穿钢筋，该钢筋的上下两端分别伸出所述抗压模块外。

进一步的，所述环绕层为金属丝网、涤纶布、玻璃纤维布、金属片中的任意一种围成的结构。

进一步的，所述环绕层紧贴包裹所述抗压模块。

进一步的，还包括内切于所述抗压模块的环绕层，所述抗压模块与环绕层之间的空隔填充耗能材料。

本发明采用至少在钢管混凝土柱的上下端头处内置可侧滑的抗压模块，并与其核心混凝土浇筑一体形成组合钢管混凝土柱，有如下有益效果：

⑴、提高钢管混凝土柱抗受压破坏能力：所述抗压模块可在钢管混凝土柱因核心混凝土滞回损伤而抗压承载能力下降时承担和传递轴压力，维持组合钢管混凝土柱的抗压承载能力，避免或延迟其滞回损伤区钢管局部压曲或焊缝开裂破坏。

⑵、提高钢管混凝土柱抗粘结破坏能力：钢管混凝土柱复合受扭较严重时，所述抗压模块可阻碍钢管混凝土柱中部核心混凝土的斜裂缝发展，并在该斜裂缝聚集处承担和传递轴压力，阻止核心混凝土的斜冲切运动，提高钢管混凝土柱抗粘结破坏能力。

⑶、可侧滑抗压模块有消能减震作用：采用天然或人工石材制作所述抗压模块的各层叠块体，选材和加工容易，所述石材块体的叠合面分别为不光滑表面和/或分别涂覆有石墨层，使各块体随钢管混凝土柱滞回变形而之间相对滑移时产生摩擦耗能；此外，所述抗压模块的各层叠块体侧面鼓出，所述抗压模块与侧面周圈的混凝土、紧贴包裹的环绕层或之间填充的耗能材料也有摩擦或滞回耗能作用。

⑷、提高钢管混凝土柱的滞回变形和耗能能力：所述抗压模块阻断了钢管混凝土柱核心混凝土滞回损伤与其抗压承载能力下降的耦合作用，延缓了钢管混凝土柱滞回损伤演化进程，提高了钢管混凝土柱的滞回变形和耗能能力。

⑸、提高钢管混凝土柱结构的抗地震倒塌能力：因钢管混凝土柱抗受压破坏和粘结破坏能力提高，避免或延迟了钢管混凝土柱退出对结构的轴向支撑作用，钢管混凝土柱结构的抗地震连续性倒塌能力显著提高；钢管混凝土柱的滞回变形和耗能能力提高、所述抗压模块及其周圈环绕层的消能减震作用也有利于削减结构的弹塑性地震响应。

与现有技术比较，本发明组合钢管混凝土柱显著减小了高轴压比对其抗震性能的影响。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种抗滞回损伤压曲的钢管混凝土柱不局限于实施例。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是现有技术的普通钢管混凝土柱剖立面示意图。

图2是本发明的组合钢管混凝土柱剖立面示意图。

图3是本发明的抗压模块的组成示意图。

图4是本发明的抗压模块的单个层叠块体的结构示意图(侧面鼓出)。

图5是本发明的组合钢管混凝土柱的横截面示意图一(方钢管，块体叠合面为正方形)。

图6是本发明的组合钢管混凝土柱的横截面示意图二(方钢管，块体叠合面为圆形)。

图7是本发明的组合钢管混凝土柱的横截面示意图三(圆钢管，块体叠合面为正方形)。

图8是本发明的组合钢管混凝土柱的横截面示意图四(圆钢管，块体叠合面为圆形)。

图9是本发明的组合钢管混凝土柱的横截面示意图五(方钢管，方形抗压模块的侧面包括紧贴包裹的环绕层)。

图10是本发明的组合钢管混凝土柱的横截面示意图五(圆钢管，圆形抗压模块的侧面包括紧贴包裹的环绕层)。

图11是本发明的组合钢管混凝土柱的横截面示意图六(方钢管，方形抗压模块的侧面包括圆形环绕层形成内切腔体)。

图12是本发明的组合钢管混凝土柱的横截面示意图七(圆钢管，圆形抗压模块的侧面包括方形环绕层形成内切腔体)。

具体实施方式

实施例，请参照图2至图12，本发明的一种抗滞回损伤压曲的钢管混凝土柱，包括钢管混凝土柱1，该钢管混凝土柱1包括钢管11、浇筑在钢管11内部的核心混凝土12、设置在核心混凝土12内的抗压模块2。该钢管混凝土柱1至少在其上下两端头处内置有可侧滑的抗压模块2，以在钢管混凝土柱1的滞回损伤区传递轴压力，并阻断钢管混凝土柱1滞回损伤演化与其抗压承载能力下降的耦合作用，在钢管混凝土柱1复合受扭时阻碍其中部核心混凝土12斜裂缝开展及产生斜冲切运动；该抗压模块2与钢管混凝土柱的核心混凝土12浇筑一体，形成组合钢管混凝土柱。

作为一种优选，所述抗压模块2包括多个叠合面水平的块体21，该多个块体21沿所述钢管混凝土柱1的轴线方向依次层叠组成抗压模块2，如图3；且该抗压模块2的中心与钢管混凝土柱1的轴心(横截面中心)基本重合，如图5-图11所示。具体，所述抗压模块2的高度等于或略大于钢管混凝土柱1的横截面高度(此高度范围为钢管混凝土柱1的主要滞回损伤区)，或抗压模块2高度为楼层底梁顶至同楼层顶梁底高度(钢管混凝土柱复合受扭较严重时，柱中可能发生粘结破坏)；块体21叠合面与水平面的倾角误差范围为±3°。

作为一种优选，所述各个块体21分别由天然或人工石材加工制作，层叠组成所述抗压模块2后内置于钢管混凝土柱1，可随钢管混凝土柱1滞回变形而相对滑移，所述抗压模块2是可侧滑的，以避免内置抗压模块2导致钢管混凝土柱1的主要滞回损伤部位转移。天然石材的立方抗压强度差别较大，花岗岩为100～250MPa，石英岩为300MPa，玄武岩为400MPa等，而目前常用混凝土的立方抗压强度为15～80MPa，故容易选取立方抗压强度远高钢管混凝土柱1核心混凝土数倍的高强天然石材，加工制作为扁柱状块体21并层叠组成可侧滑的抗压模块2。

作为优选实例，所述各个块体21的叠合面(承压面)可加工成正方形、长方形、菱形、圆形或椭圆形等，块体21的叠合面面积适度取钢管混凝土柱1横截面面积的1/8～1/3；块体21的厚度根据柱横截面高度适度取50mm～120mm等。

上述抗压模块2内置于钢管混凝土柱1轴心处，各块体21的面积适度取框架柱1横截面积的1/8～1/3，对钢管混凝土柱1的抗弯刚度及抗弯承载力影响小；抗压模块2削减钢管混凝土柱1的部分核心混凝土12的面积，但抗压模块2对钢管混凝土柱1的核心混凝土12的斜剪切开裂和冲切有阻碍作用，故对钢管混凝土柱1的抗剪承载能力也影响小；块体21的厚度应适度，过大会使抗压模块2侧面核心混凝土12对各块体21的相对滑移产生较大限制，影响抗压模块2的可侧滑性质，故优选实例取块体21厚度为50mm～120mm。

作为一种优选，所述块体21的侧面分别鼓出。目的是进一步减小抗压模块2侧面混凝土对块体21相对侧滑的限制，也可增加抗压模块2与侧面周圈混凝土的摩擦。优选例中具体采用块体21侧面鼓出5mm，如图4。

作为一种优选，各块体21的叠合面分别为不光滑表面和/或所述各个块体的叠合面分别涂覆有石墨层，各块体21之间有适度摩擦，使抗压模块2的各块体21随钢管混凝土柱1滞回变形而相对滑移时产生摩擦耗能。具体，各块体21的叠合面精度可选在精加工表面与半精加工表面之间，也可进一步在其叠合面涂覆不大于0.5毫米厚的石墨层。

细颗粒花岗岩块体21叠合面为半精加工表面(粗糙度为6)时，块体21表面的静滑动摩擦系数约为0.6，或块体21叠合面涂覆石墨层，环境温度25℃时，石墨与石墨的静滑动摩擦系数约为0.3。

可按下式选择块体21的叠合面粗糙度或进一步涂覆石墨层：

2.0×块体21叠合面静滑动摩擦系数×柱轴力设计值≤柱剪力设计值

作为一种优选，块体21的中心加工预留一通孔22，多个块体21依次层叠组成抗压模块2，其中心通孔竖穿有钢筋3，且钢筋3的上下两端分别伸出所述抗压模块2外，如图3。作为优选实例，具体取该通孔22为直径13mm的圆孔，竖穿钢筋3直径为12mm，其上下两端分别伸出所述抗压模块外120mm，以便于固定抗压模块2及调节水平。这里，竖穿钢筋的设置不影响各块体21随钢管混凝土柱1滞回变形而相对滑移。

作为一种优选，所述抗压模块2的侧面周圈为钢管混凝土柱的核心混凝土12和/或包括有环绕层41、42，具体该环绕层41或42可以是由金属丝网、涤纶布、玻璃纤维布、金属片等的任意一种围成的结构。即：所述抗压模块2的侧面直接与钢管混凝土柱1核心混凝土12浇筑一体，如图5～图8所示；或所述抗压模块2与钢管混凝土柱1的核心混凝土之间包括有环绕层41或42，如图9～图12所示。

作为一种优选，所述环绕层41与所述抗压模块2之间紧贴包裹，或所述环绕层42与所述抗压模块2之间填充有耗能材料43。具体又分以下情况：⑴所述抗压模块2仅布置在钢管混凝土柱1的上下端头部位：抗压模块2侧面适宜包括紧贴包裹的环绕层41，如图9～10，作为优选实例，环绕层41具体为丝径较小的金属丝网、涤纶布或玻璃纤维布中的任意一种；⑵所述抗压模块2从钢管混凝土柱的下端头至上端头通体布置：抗压模块2的侧面既适宜包括紧贴包裹的环绕层41，如图9～10，环绕层41具体为金属丝网、涤纶布、玻璃纤维布或金属片中的任意一种；抗压模块2的侧面又适宜包括内切于抗压模块2的环绕层42，抗压模块与环绕层42之间的空隔填充高耗能材料(或混凝土)43，如图11—12，环绕层42具体为金属片围成的腔体。

上述抗压模块2的侧面设置环绕层41或42，可增加抗压模块2的各层叠块体21随钢管混凝土柱1滞回变形而相对滑移的协调性，及增加所述组合钢管混凝土柱的滞回和摩擦耗能。若抗压模块2仅布置于钢管混凝土柱1的上下端头部位，且抗压模块2侧面包括的环绕层41为金属丝网，则该金属丝网的丝径宜较小，以避免钢管混凝土柱1的主要滞回损伤区从柱端头转移到其它部位，优选例采用孔径30mm、丝径3mm、强度为Q235的低碳钢丝网。

钢管混凝土柱1复合受扭较严重时，采用抗压模块2从钢管混凝土柱1的下端头至上端头通体布置，可避免或延迟框架柱1在轴压下中部发生斜冲剪破坏；抗压模块2的侧面包括环绕层41或42，将进一步提高组合钢管混凝土柱的水平承载能力、滞回变形能力和滞回耗能能力。若抗压模块2的侧面包括环绕层42，环绕层42为与钢管混凝土柱外钢管材质相同的钢板，则所述组合钢管混凝土柱相当于多腔钢管混凝土柱内置抗压模块2。

本发明的一种抗滞回损伤压曲的钢筋混凝土框架柱，其工作机理如下：

钢管混凝土柱1受水平往复水平力作用时，滞回损伤主要发生在上下端头部位(一倍柱截面高度范围内)，在此区域内置所述抗压模块2并与钢管混凝土柱的核心混凝土12浇筑一体形成组合钢管混凝土柱。所述抗压模块2由一系列叠合面水平的块体21层叠组成，各块体21随钢管混凝土柱1的滞回变形而相对滑移，抗压模块2是可侧滑的；钢管混凝土柱1滞回变形使其上下端头部位核心混凝土12的有效抗压面积减小，抗压承载力下降，而内置的可侧滑抗压模块2没有滞回损伤，且其层叠块体21由天然或人工高强石材制作，使其立方抗压强度远高于钢管混凝土柱1核心混凝土12的数倍，故在钢管混凝土柱1上下端头的核心混凝土12因损伤而抗压承载能力下降时，将向抗压模块2卸载部分轴压力，从而维持组合钢管混凝土柱的抗压承载能力，避免或延迟钢管混凝土柱1上下端头核心混凝土12压馈导致钢管11局部压曲或焊缝开裂；此外，钢管混凝土柱1上下端头核心混凝土12实际承担的轴压力随其滞回损伤而不断卸载给抗压模块2，从而阻断钢管混凝土柱1滞回损伤与其抗压承载力下降的耦合作用，减慢了钢管混凝土柱1的滞回损伤演化进程，相应提高了钢管混凝土柱1的滞回变形能力和滞回耗能能力。

抗压模块2的各层叠块体21的叠合面为不光滑表面，在协同钢管混凝土柱1滞回变形而相对滑移时产生摩擦耗能；抗压模块2与侧面周圈的核心混凝土12或紧贴包裹的环绕层41剥离后，与之相对错动滑移产生摩擦耗能；抗压模块2从钢管混凝土柱1的下端头至上端头通体布置，且环绕层42为金属片形成的腔体，腔体空隔内填充的高耗能材料43在钢管混凝土柱1滞回变形时产生滞回耗能。

抗压模块2从钢管混凝土柱1的下端头至上端头通体布置，且抗压模块2的侧面包括环绕层41或42，环绕层41或42将作为组合钢管混凝土柱的抗力部件，进一步提高组合钢管混凝土柱的水平承载能力、滞回变形能力和滞回耗能能力；钢管混凝土柱1复合受扭较严重时，所述抗压模块2、和/或环绕层41或42将阻碍钢管混凝土柱1中部核心混凝土12的斜裂缝开展，及阻碍钢管混凝土柱1的核心混凝土12在轴压下沿中部斜裂缝斜冲切运动，从而避免或延迟钢管混凝土柱1粘结破坏。

以上所述实施例，仅用以进一步说明本发明的一种抗滞回损伤压曲的钢管混凝土柱，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种抗滞回损伤压曲的钢管混凝土柱，包括钢管混凝土柱，其特征在于：该钢管混凝土柱至少在其上下两端头内置有可侧滑的抗压模块，以在钢管混凝土柱的滞回损伤区传递轴压力，并阻断钢管混凝土柱核心混凝土滞回损伤与其抗压承载能力下降的耦合作用，在钢管混凝土柱复合受扭时阻碍其中部核心混凝土斜裂缝开展及产生斜冲切运动；所述抗压模块与钢管混凝土柱核心混凝土浇筑成一体，形成组合钢管混凝土柱；所述抗压模块包括多个叠合面水平的块体，多个块体沿所述钢管混凝土柱的轴线方向依次层叠。

2.根据权利要求1所述的一种抗滞回损伤压曲的钢管混凝土柱，其特征在于：所述抗压模块的侧面周圈为所述钢管混凝土柱的核心混凝土或包括有环绕层。

3.根据权利要求1所述的一种抗滞回损伤压曲的钢管混凝土柱，其特征在于：所述块体的材质为天然石材或人工石材。

4.根据权利要求1所述的一种抗滞回损伤压曲的钢管混凝土柱，其特征在于：所述块体呈扁柱状，其侧面向外鼓出。

5.根据权利要求1所述的一种抗滞回损伤压曲的钢管混凝土柱，其特征在于：所述块体的叠合面为不光滑表面和/或所述块体的叠合面涂覆有石墨层。

6.根据权利要求1所述的一种抗滞回损伤压曲的钢管混凝土柱，其特征在于：所述块体的中心设有一通孔，所述块体依次层叠后，其中心通孔竖穿钢筋，该钢筋的上下两端分别伸出所述抗压模块外。

7.根据权利要求2所述的一种抗滞回损伤压曲的钢管混凝土柱，其特征在于：所述环绕层为金属丝网、涤纶布、玻璃纤维布、金属片中的任意一种围成的结构。

8.根据权利要求2所述的一种抗滞回损伤压曲的钢管混凝土柱，其特征在于：所述环绕层紧贴包裹所述抗压模块。