CN109750794A - 钢木组合柱及组合方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钢木组合柱及组合方法，钢木组合柱包括型钢和胶合木，型钢包括十字型钢和短一字型钢，十字型钢有四个端部，每个端部的两侧分别焊接有短一字型钢，十字型钢每个端部两侧焊接短一字型钢后呈T形，十字型钢和短一字型钢之间的空间夹有胶合木，胶合木、十字型钢和短一字型钢皆设有位置相对应的预设孔，多组螺栓穿过四周各相对侧的短一字型钢、之间的胶合木和十字型钢，将整体锁紧连接成一体；位于型钢与胶合木之间夹持有胶垫。本发明组合了钢木两种材料，提高了钢木组合柱的力学性能，增加连接使用寿命，发挥了组合优势。

Description

钢木组合柱及组合方法

技术领域

本发明属于土木工程领域，涉及一种钢木组合柱及组合方法。

背景技术

如何有效利用绿色、环保材料，提高结构的力学性能、减轻结构重量、延长使用寿命是当今社会发展的前沿问题。在众多结构中，组合结构是一种可以有效地同时发挥材料性能和构件优势的结构，因而得到了广泛的应用。目前，钢木组合是一种较为新颖的组合结构形式。其中，钢材强度高、材质均匀、连接方式灵活，但稳定性和耐火性能较差。近年来，木结构在我国逐渐得到应用，木材高温下强度损失小、可再生、易加工，但由于木结构柱承载力较低，强度低、各项异性，木结构在高层建筑和桥梁中的应用受到局限。因此，可利用钢木组合结构中，钢材高强度和灵活性，弥补木材强度低、各项异性的不足。钢木组合是一种可以获得高承载力、提高结构稳定性的方法，也是当前研究领域的一个非常重要，也是非常活跃的方向。

国内外研究者对钢-木组合体系的研究主要集中在钢-木节点连接、组合梁、楼板、楼盖等结构构件及耐火性的研究。钢-木组合体系的研究尚处在初步阶段，迄今为止，针对钢-木组合柱力学性能相关研究较为少见，尚未形成相关将木和钢融合到一起的成果。本领域技术人员通常使用一体式和分离式两种方法形成钢木组合结构，但是这种通过一体式组合的方法，通常钢木泊松比之间的差异并未考虑，影响其进一步组合受力变形的能力；而在钢木分离式组合中，木材与钢材单独形成构件受力，结构有存在刚度不均匀、木材构件形成薄弱环节的趋势。如何组合钢木两种材料，进一步提高钢-木组合柱的力学性能，发挥组合优势是当前学科需要解决的问题。

发明内容

发明目的

本发明的目的是组合钢木两种材料，提高钢木组合柱的力学性能，增加连接使用寿命，发挥组合优势。

技术方案

一种钢木组合柱，其特征在于：包括型钢和胶合木，型钢包括十字型钢和短一字型钢，十字型钢有四个端部，每个端部的两侧分别焊接有短一字型钢，十字型钢每个端部两侧焊接短一字型钢后呈T形，十字型钢和短一字型钢之间的空间夹有胶合木，胶合木、十字型钢和短一字型钢皆设有位置相对应的预设孔，多组螺栓穿过四周各相对侧的短一字型钢、之间的胶合木和十字型钢，将整体锁紧连接成一体；位于型钢与胶合木之间夹持有胶垫。

所述胶合木为正交胶合木。

所述胶垫接触胶合木的一侧密布三角形凸齿，胶合木接触胶垫的一侧密布有与胶合木三角形凸齿相匹配的三角形凹齿。

所述十字型钢每个端部两侧焊接的短一字型钢还同时连接有一个长一字型钢，所有螺栓也同样穿过长一字型钢并将其一并锁紧。

所述长一字型钢远离短一字型钢的一侧壁与胶合木最外侧的侧壁共线，短一字型钢和长一字型钢与胶合木非夹持的缝隙使用密封胶密封。

所述胶垫为发泡多孔结构，为挤压缩状态。

所述螺栓的螺栓帽和螺母皆包有橡胶件，所述橡胶件内设有容纳空腔，容纳空腔下端结构为内翻状的底边，螺栓帽和螺母位于容纳空腔内将内翻状底边压紧。

一种如所述的钢木组合柱的组合方法，其特征在于：胶合木、十字型钢、短一字型钢、胶垫和长一字型钢打有预组装孔，将胶垫置于十字型钢与四个胶合木之间，将胶垫置于四个胶合木与短一字型钢之间，将十字型钢与四个胶合木摆成田字形，再将短一字型钢将胶合木和胶垫压实并与十字型钢焊接在一起，使用螺栓将胶合木、十字型钢、短一字型钢、胶垫和长一字型钢连接成一个整体，短一字型钢和长一字型钢与胶合木非夹持的缝隙使用密封胶密封。

优点及效果

1.钢木之间结合采用胶垫，改善钢木泊松比之间的差异，提高组合受力变形和受力的性能；

2.十字形钢，惯性矩较大，屈曲承载力高；

3.胶垫与木结构之间采用锯齿连接，改善受力过程中产生的滑移，从而提高力学性能；

4.木材包裹钢柱，形成稳定的屈曲约束，可有效防止钢材屈曲，提高抗压承载力；

5.采用钢材作为主要受力构件，相比木结构，其承载力高，绿色环保可回收。

附图说明

图1实施例1结构示意图；

图2实施例2结构示意图；

图3橡胶件和螺栓的示意图。

附图标记说明：

1.胶合木、2.十字型钢、3.短一字型钢、4.胶垫、5.螺栓、6.长一字型钢、7.橡胶件、8.容纳空腔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

实施例1

如图1所示，一种钢木组合柱，包括型钢和胶合木1，胶合木1为正交胶合木，型钢包括十字型钢2和短一字型钢3，十字型钢2有四个端部，每个端部的两侧分别焊接有短一字型钢3，十字型钢2每个端部两侧焊接短一字型钢3后呈T形，十字型钢2和短一字型钢3之间的空间夹有胶合木1，胶合木1、十字型钢2和短一字型钢3皆设有位置相对应的预设孔，多组螺栓5穿过四周各相对侧的短一字型钢3、之间的胶合木1和十字型钢2，将整体锁紧连接成一体；位于型钢与胶合木1之间夹持有胶垫4，胶垫4接触胶合木1的一侧密布三角形凸齿，胶合木1接触胶垫4的一侧密布有与胶合木1三角形凸齿相匹配的三角形凹齿。胶垫4为发泡多孔结构，为挤压缩状态。短一字型钢3内侧夹持胶合木1，外侧边突出在胶合木1的外侧。如图3所示，螺栓5的螺栓帽和螺母皆包有橡胶件7，所述橡胶件7内设有容纳空腔8，容纳空腔8下端结构为内翻状的底边，螺栓帽和螺母位于容纳空腔8内将内翻状底边压紧。由于橡胶件7为柔软的材质，可调节的扳手依旧可以隔着橡胶件7将螺栓5拧紧，使得本实施例钢、木和螺栓的连接面有胶垫4或橡胶件7的软性连接，而且橡胶件7还能够防水，增加整体结构的使用寿命。

实施例2

如图2所示，一种钢木组合柱，包括型钢和胶合木1，胶合木1为正交胶合木，型钢包括十字型钢2和短一字型钢3，十字型钢2有四个端部，每个端部的两侧分别焊接有短一字型钢3，十字型钢2每个端部两侧焊接短一字型钢3后呈T形，十字型钢2和短一字型钢3之间的空间夹有胶合木1，胶合木1、十字型钢2和短一字型钢3皆设有位置相对应的预设孔，多组螺栓5穿过四周各相对侧的短一字型钢3、之间的胶合木1和十字型钢2，将整体锁紧连接成一体；位于型钢与胶合木1之间夹持有胶垫4，胶垫4接触胶合木1的一侧密布三角形凸齿，胶合木1接触胶垫4的一侧密布有与胶合木1三角形凸齿相匹配的三角形凹齿。胶垫4为发泡多孔结构，为挤压缩状态。十字型钢2每个端部两侧焊接的短一字型钢3还同时连接有一个长一字型钢6，所有螺栓5也同样穿过长一字型钢6并将其一并锁紧。长一字型钢6远离短一字型钢3的一侧壁与胶合木1最外侧的侧壁共线，短一字型钢3和长一字型钢6与胶合木1非夹持的缝隙优选的使用硅酮密封胶密封。如图3所示，螺栓5的螺栓帽和螺母皆包有橡胶件7，所述橡胶件7内设有容纳空腔8，容纳空腔8下端结构为内翻状的底边，螺栓帽和螺母位于容纳空腔8内将内翻状底边压紧。由于橡胶件7为柔软的材质，可调节的扳手依旧可以隔着橡胶件7将螺栓5拧紧，使得本实施例钢、木和螺栓的连接面有胶垫4或密封胶或橡胶件7的软性连接，而且橡胶件7还能够防水，增加整体结构的使用寿命。

上述的钢木组合柱的组合方法：胶合木1、十字型钢2、短一字型钢3、胶垫4和长一字型钢6打有预组装孔，将胶垫4置于十字型钢2与四个胶合木1之间，将胶垫4置于四个胶合木1与短一字型钢3之间，将十字型钢2与四个胶合木1摆成田字形，再将短一字型钢3将胶合木1和胶垫4压实并与十字型钢2焊接在一起，使用螺栓5将胶合木1、十字型钢2、短一字型钢3、胶垫4和长一字型钢6连接成一个整体，短一字型钢3和长一字型钢6与胶合木1非夹持的缝隙优选的使用硅酮密封胶密封。

以上两个实施例的受力机理为：其核心的十字型钢2承受全部轴向力，外围胶合木1木单元依靠自己抗弯刚度和与核心钢柱单元提供侧向屈曲约束，确保核心钢柱单元受压屈服，而不发生组合柱整体屈曲破坏和核心钢柱单元的局部屈曲破坏，钢木之间通过胶垫和密封胶软性连接，可以达到变形协调。这种组合方式，有效避免了钢材容易屈曲失稳破坏和木材顺纹轴向强度低的缺点，钢材和木材都能发挥自身力学性能优势，钢材高强度和木材抗弯性能好的优势，连接方式灵活，在工程应用上便于施工。

新型钢-木组合柱中木板单元的屈曲约束，可以最大限度的利用钢材的强度，限制其失稳，与传统的钢柱相比，首先是用钢量减少；其次是木结构柱的力学性能受纹理影响，顺纹受压性能明显不足，压应力使得木纤维相互分离，最终木纤维因压应力而发生失稳。钢木组合柱比木结构柱承载力高，稳定性好。新型钢-木组合柱的创新得益于核心钢柱单元承担所有轴向力和外围木板单元侧向屈曲约束设计。

屈曲约束设计的目的就在于要避免钢木组合柱在受压时失稳，使其核心构件不发生屈曲。所以在受压时，除了基本的强度计算，还应考虑组合柱的整体失稳和核心钢柱单元自身的失稳问题，组合柱的整体失稳荷载与核心钢柱屈服荷载比值为约束比，需要保证整体失稳荷载大于核心钢柱单元的屈服荷载。在核心钢柱单元确定之后，屈服荷载也就随之确定，因此需要确定组合柱的整体失稳临界荷载和核心钢柱单元失稳临界荷载。如果外围木板约束单元的约束刚度不够，那么有可能发生核心钢柱单元和木板约束的共同失稳。木板约束单元有足够的抗弯刚度时，屈曲约束的核心单元可以屈服而不发生屈曲，也就是说钢木组合柱的整体失稳最常见的表现是外围木板约束单元在抗弯刚度较小的平面内发生半波弯曲破坏。钢材由于截面轮廓尺寸较小、构件细长，这也使得因受压、弯、剪等存在受压区的钢结构构件容易发生整体失稳或局部失稳。失稳前构件的变形可能很微小，但是突然失稳有可能造成构件几何形状的急剧变化而导致其抵抗能力的丧失。尤其是位于关键部位的构件，其失稳可能对整个结构产生严重破坏，造成严重后果，因此外围木板单元的屈曲约束设计是新的钢木组合柱的特色。

对比表格：

表格说明：SW为钢木组合柱；SS为十字钢柱，厚度为5mm；WW为木结构柱；截面尺寸为250x250mm；长度为800mm。

有限元软件模拟结果，见上表，相比相同总尺寸的木结构柱，钢木组合柱提高极限抗压承载力约30％；相比单独使用同尺寸钢柱，由于钢柱组合柱木单元的屈曲约束支撑作用，钢柱组合柱的比钢柱极限承载力提高40％左右。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种钢木组合柱，其特征在于：包括型钢和胶合木（1），型钢包括十字型钢（2）和短一字型钢（3），十字型钢（2）有四个端部，每个端部的两侧分别焊接有短一字型钢（3），十字型钢（2）每个端部两侧焊接短一字型钢（3）后呈T形，十字型钢（2）和短一字型钢（3）之间的空间夹有胶合木（1），胶合木（1）、十字型钢（2）和短一字型钢（3）皆设有位置相对应的预设孔，多组螺栓（5）穿过四周各相对侧的短一字型钢（3）、之间的胶合木（1）和十字型钢（2），将整体锁紧连接成一体；位于型钢与胶合木（1）之间夹持有胶垫（4）。

2.根据权利要求1所述的钢木组合柱，其特征在于：所述胶合木（1）为正交胶合木。

3.根据权利要求1所述的钢木组合柱，其特征在于：所述胶垫（4）接触胶合木（1）的一侧密布三角形凸齿，胶合木（1）接触胶垫（4）的一侧密布有与胶合木（1）三角形凸齿相匹配的三角形凹齿。

4.根据权利要求3所述的钢木组合柱，其特征在于：所述十字型钢（2）每个端部两侧焊接的短一字型钢（3）还同时连接有一个长一字型钢（6），所有螺栓（5）也同样穿过长一字型钢（6）并将其一并锁紧。

5.根据权利要求4所述的钢木组合柱，其特征在于：所述长一字型钢（6）远离短一字型钢（3）的一侧壁与胶合木（1）最外侧的侧壁共线，短一字型钢（3）和长一字型钢（6）与胶合木（1）非夹持的缝隙使用密封胶密封。

6.根据权利要求1所述的钢木组合柱，其特征在于：所述胶垫（4）为发泡多孔结构，为挤压缩状态。

7.根据权利要求1所述的钢木组合柱，其特征在于：所述螺栓（5）的螺栓帽和螺母皆包有橡胶件（7），所述橡胶件（7）内设有容纳空腔（8），容纳空腔（8）下端结构为内翻状的底边，螺栓帽和螺母位于容纳空腔（8）内将内翻状底边压紧。

8.一种如权利要求5所述的钢木组合柱的组合方法，其特征在于：胶合木（1）、十字型钢（2）、短一字型钢（3）、胶垫（4）和长一字型钢（6）打有预组装孔，将胶垫（4）置于十字型钢（2）与四个胶合木（1）之间，将胶垫（4）置于四个胶合木（1）与短一字型钢（3）之间，将十字型钢（2）与四个胶合木（1）摆成田字形，再将短一字型钢（3）将胶合木（1）和胶垫（4）压实并与十字型钢（2）焊接在一起，使用螺栓（5）将胶合木（1）、十字型钢（2）、短一字型钢（3）、胶垫（4）和长一字型钢（6）连接成一个整体，短一字型钢（3）和长一字型钢（6）与胶合木（1）非夹持的缝隙使用密封胶密封。