CN110821041A - 一种高强钢管约束高强型钢混凝土组合柱 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高强钢管约束高强型钢混凝土组合柱，包括高强钢管、高强型钢和高强混凝土，高强钢管套接于高强混凝土外，高强混凝土上端高于高强钢管上端，高强钢管下端高于高强混凝土下端，高强钢管内壁设有光滑层，光滑层抵接于高强混凝土外壁，高强混凝土包裹高强型钢。高强钢管承受的纵向应力主要来源于高强钢管和高强混凝土之间的粘结摩擦。光滑层减少了高强钢管和高强混凝土之间的粘结摩擦，避免或延缓了高强钢管局部屈曲，最大限度发挥高强钢管对高强混凝土的核心套箍作用。内置高强型钢在高强混凝土包裹下，局部屈曲的发生被抑制。高强混凝土在高强钢管和内置高强型钢的双重约束下，强度和延性得到大幅提升，克服了容易脆性破坏的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及建筑结构领域，特别是涉及一种高强钢管约束高强型钢混凝土组合柱。
背景技术
目前我国已进入城镇化快速发展期，建筑市场规模巨大，成为耗能大户。采用高性能材料，例如：高强钢或者高强混凝土，可以达到节能、节水、节地、节材的目的，建立低消耗、低碳排放的节约型社会，实现人与自然和谐发展和社会可持续发展。
然而，高强钢和高强混凝土都具有先天的缺陷，严重制约着其在土木工程中作为柱子的应用和发展。随着钢材屈服强度的提高，屈强比增大而断后伸长率减小，屈服平台长度缩短甚至消失，高强钢的应变强化效应并不明显；另外，高强纯钢结构中，高强钢由于强度高，钢板比普通钢更薄，在受压无约束的条件下，更加容易发生局部屈曲，从而导致材料强度无法得到充分利用；高强混凝土虽然强度高，但是其脆性高、延性差的缺点也严重限制了其作为柱子的应用。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种高强钢管约束高强型钢混凝土组合柱，克服了在柱子的应用中高强钢受压状态下容易发生局部屈曲和高强混凝土延性差的缺点，强度较高，延性更好，在相同的受力条件下可以采用更小的截面尺寸，用钢量和结构重量大大降低，不仅能够进一步提高结构的安全性和可靠性，而且可以创造更大的建筑使用空间，实现更灵活的建筑表现。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高强钢管约束高强型钢混凝土组合柱，包括高强钢管、高强型钢和高强混凝土，高强钢管套接于高强混凝土外，高强混凝土上端高于高强钢管上端，高强钢管下端高于高强混凝土下端，高强钢管内壁设有光滑层，光滑层抵接于高强混凝土外壁，高强混凝土包裹高强型钢，高强型钢延伸方向与高强混凝土延伸方向平行。
进一步，光滑层为在高强钢管内壁镀锌形成的镀锌层。
进一步，光滑层为在高强钢管内壁涂抹润滑油形成的润滑层。
进一步，高强型钢包括第一钢板、第二钢板和第三钢板，第一钢板、第二钢板和第三钢板延伸方向与高强混凝土延伸方向平行，第二钢板一端固接于第一钢板中部，第二钢板另一端固接于第三钢板中部，第二钢板位于高强混凝土中部。
进一步，第一钢板、第二钢板和第三钢板三者厚度相等，第一钢板、第二钢板和第三钢板三者宽度相等，第二钢板一端垂直于第一钢板，第二钢板另一端垂直于第三钢板。
进一步，第一钢板侧部和第三钢板侧部均间隔设有多个抗剪栓钉。
进一步，第一钢板、第二钢板和第三钢板为一体成型结构。
进一步，高强钢管为高强圆钢管，采用Q690或以上钢材强度等级的钢材制成。
进一步，高强型钢采用Q690或以上钢材强度等级的钢材制成。
进一步，高强混凝土采用C60或以上混凝土强度等级的混凝土制成。
总的说来，本发明具有如下优点：
由于高强混凝土上端高于高强钢管上端，高强钢管下端高于高强混凝土下端，因此高强钢管无需直接承受外部纵向荷载，高强钢管承受的纵向应力主要来源于高强钢管和高强混凝土之间的粘结摩擦。高强钢管内壁设有光滑层，光滑层抵接于高强混凝土外壁，光滑层减少了高强钢管和高强混凝土之间的粘结摩擦，使高强钢管主要承受横向拉应力，基本不承受纵向应力，避免或延缓了高强钢管局部屈曲，能够充分利用钢材的受拉性能，最大限度发挥高强钢管对高强混凝土的核心套箍作用。
通常高强混凝土在承受纵向荷载时横向膨胀变形，容易出现脆性破坏。本发明中高强混凝土在高强钢管和内置高强型钢的双重约束下，横向膨胀变形得到有效的双向抑制，强度和延性得到大幅提升，克服了容易脆性破坏的缺点。
高强混凝土包裹住内置的高强型钢，抑制了高强型钢局部屈曲的发生，充分利用高强型钢的受拉性能，提高了组合柱的承载力。
本发明的组合柱克服了在柱子的应用中高强钢受压状态下容易发生局部屈曲和高强混凝土延性差的缺点，充分利用了高强钢抗拉强度高和高强混凝土抗压强度高的优点，强度较高，延性更好，在相同的受力条件下可以采用更小的截面尺寸，用钢量和结构重量大大降低，不仅能够进一步提高结构的安全性和可靠性，而且可以创造更大的建筑使用空间，实现更灵活的建筑表现。
附图说明
图1为本发明实施例的立体结构示意图。
图2为本发明实施例的横截面图。
图3是本发明实施例的内置高强型钢的结构示意图。
附图标记说明：
1——高强钢管；2——高强混凝土；3——高强型钢；4——光滑层；5——抗剪栓钉。
具体实施方式
下面来对本发明做进一步详细的说明。
如图1～图3所示，一种高强钢管约束高强型钢混凝土组合柱，包括高强钢管1、高强型钢3和高强混凝土2，高强钢管1套接于高强混凝土2外，高强混凝土2上端高于高强钢管1上端，高强钢管1下端高于高强混凝土2下端，高强钢管1内壁设有光滑层4，光滑层4抵接于高强混凝土2外壁，高强混凝土2包裹高强型钢3，高强型钢3延伸方向与高强混凝土2延伸方向平行。
具体地，高强钢管1竖直设置。在高强钢管1内设置高强型钢3，高强钢管1和高强型钢3平行设置。在高强钢管1和高强型钢3之间浇筑高强混凝土2，高强型钢3与高强混凝土2等高。浇筑好后，高强钢管1两端分别割去一小段，使高强混凝土2上端高于高强钢管1上端，高强钢管1下端高于高强混凝土2下端，从而使高强钢管1无需直接承受外部纵向荷载，其承受的纵向应力主要来源于高强钢管1和高强混凝土2之间的粘结摩擦。高强钢管1内壁设置的光滑层4减少了高强钢管1和高强混凝土2之间的粘结摩擦，使高强钢管1主要承受横向拉应力，避免或延缓了高强钢管1局部屈曲，能够充分利用钢材的受拉性能，最大限度发挥高强钢管1对高强混凝土2的核心套箍作用。
通常高强混凝土2在承受纵向荷载时容易发生横向膨胀变形，容易出现脆性破坏。本发明中高强混凝土2在高强钢管1和内置高强型钢3的双重约束下，横向膨胀变形得到双向的抑制，强度和延性得到大幅提升，克服了容易脆性破坏的缺点。
高强混凝土2包裹住内置的高强型钢3，抑制了高强型钢3局部屈曲的发生，充分利用高强型钢3的受拉性能，提高了组合柱的承载力。
本发明的组合柱克服了在柱子的应用中高强钢受压状态下容易发生局部屈曲和高强混凝土2延性差的缺点，充分利用了高强钢抗拉强度高和高强混凝土2抗压强度高的优点，强度较高，延性更好，在相同的受力条件下可以采用更小的截面尺寸，用钢量和结构重量大大降低，节约模板，施工更加便利；耐火性和耐久性更好；不仅能够进一步提高结构的安全性和可靠性，而且可以创造更大的建筑使用空间，实现更灵活的建筑表现。
光滑层4为在高强钢管1内壁镀锌形成的镀锌层。高强钢管1内壁的镀锌层外表光滑，能够有效减少高强钢管1和高强混凝土2之间的摩擦，使高强钢管1主要承受横向拉应力，基本不承受纵向力。
光滑层4也可以为在高强钢管1内壁涂抹润滑油形成的润滑层。高强钢管1内壁涂抹润滑油形成的润滑层外表光滑，能够有效减少高强钢管1和高强混凝土2之间的摩擦，使高强钢管1主要承受横向拉应力，基本不承受纵向力。
高强型钢3包括第一钢板、第二钢板和第三钢板，第一钢板、第二钢板和第三钢板延伸方向与高强混凝土2延伸方向平行，第二钢板一端固接于第一钢板中部，第二钢板另一端固接于第三钢板中部，第二钢板位于高强混凝土2中部。
钢板对高强混凝土2的横向膨胀变形能够产生面的约束。当高强混凝土2的横向膨胀变形作用在第一钢板、第二钢板和第三钢板中任意钢板上时，由于三块钢板互相连接，构成联动，三块钢板共同抑制了高强混凝土2的横向膨胀变形，克服了高强混凝土2容易脆性破坏的缺点，高强混凝土2的强度和延性得到提升。
第一钢板、第二钢板和第三钢板三者厚度相等，第一钢板、第二钢板和第三钢板三者宽度相等，第二钢板一端垂直于第一钢板，第二钢板另一端垂直于第三钢板。采用这种结构，第一钢板、第二钢板和第三钢板形成工字形结构，结构对称，受力均衡，对高强混凝土2的约束效果更好。
第一钢板侧部和第三钢板侧部均间隔设有多个抗剪栓钉5。抗剪栓钉5能够对高强混凝土2的横向膨胀变形产生点的约束。多个抗剪栓钉5结合第一钢板、第二钢板和第三钢板，对高强混凝土2的横向膨胀变形产生点面结合的约束，提高了高强型钢3与高强混凝土2的整体协同作用，提高了整体的耐久性和延性。
第一钢板、第二钢板和第三钢板为一体成型结构。具体地，第一钢板、第二钢板和第三钢板为工字型钢梁，可以外购得到，无需专门加工。多个抗剪栓钉5间隔设于工字型钢梁两侧的翼缘上。
高强钢管1为高强圆钢管。高强圆钢管内壁为圆形，与高强混凝土2之间能够形成旋转，能够有效减少高强钢管1和高强混凝土2之间的摩擦，使高强钢管1主要承受横向拉应力，基本不承受纵向力。
高强型钢3采用Q690或以上钢材强度等级的钢材制成。
高强混凝土2采用C60或以上混凝土强度等级的混凝土制成。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高强钢管约束高强型钢混凝土组合柱，其特征在于：包括高强钢管、高强型钢和高强混凝土，高强钢管套接于高强混凝土外，高强混凝土上端高于高强钢管上端，高强钢管下端高于高强混凝土下端，高强钢管内壁设有光滑层，光滑层抵接于高强混凝土外壁，高强混凝土包裹高强型钢，高强型钢延伸方向与高强混凝土延伸方向平行。
2.按照权利要求1所述的一种高强钢管约束高强型钢混凝土组合柱，其特征在于：光滑层为在高强钢管内壁镀锌形成的镀锌层。
3.按照权利要求1所述的一种高强钢管约束高强型钢混凝土组合柱，其特征在于：光滑层为在高强钢管内壁涂抹润滑油形成的润滑层。
4.按照权利要求1所述的一种高强钢管约束高强型钢混凝土组合柱，其特征在于：高强型钢包括第一钢板、第二钢板和第三钢板，第一钢板、第二钢板和第三钢板延伸方向与高强混凝土延伸方向平行，第二钢板一端固接于第一钢板中部，第二钢板另一端固接于第三钢板中部，第二钢板位于高强混凝土中部。
5.按照权利要求4所述的一种高强钢管约束高强型钢混凝土组合柱，其特征在于：第一钢板、第二钢板和第三钢板三者厚度相等，第一钢板、第二钢板和第三钢板三者宽度相等，第二钢板一端垂直于第一钢板，第二钢板另一端垂直于第三钢板。
6.按照权利要求5所述的一种高强钢管约束高强型钢混凝土组合柱，其特征在于：第一钢板侧部和第三钢板侧部均间隔设有多个抗剪栓钉。
7.按照权利要求6所述的一种高强钢管约束高强型钢混凝土组合柱，其特征在于：第一钢板、第二钢板和第三钢板为一体成型结构。
8.按照权利要求1～7中任意一项所述的一种高强钢管约束高强型钢混凝土组合柱，其特征在于：高强钢管为高强圆钢管。
9.按照权利要求8所述的一种高强钢管约束高强型钢混凝土组合柱，其特征在于：高强型钢采用Q690或以上钢材强度等级的钢材制成。
10.按照权利要求9所述的一种高强钢管约束高强型钢混凝土组合柱，其特征在于：高强混凝土采用C60或以上混凝土强度等级的混凝土制成。
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