CN116815989A - 一种轻质可装配式多功能梁及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种轻质可装配式多功能梁及其制备方法，属于工程技术领域，包括外钢管、内钢管、夹层混凝土，所述内钢管穿设于所述外钢管内部并朝梁的受拉侧偏心放置，所述外钢管与所述内钢管之间形成中空夹层，所述夹层混凝土为向所述中空夹层内浇筑并振捣密实的再生陶瓷混凝土。本发明具有截面开展、抗弯刚度大、抗震性能好等优点，且耐火性能优异，具有广阔的市场前景和应用空间。
Description
技术领域
本发明属于工程技术领域，具体是一种轻质可装配式多功能梁及其制备方法。
背景技术
梁作为建筑物中必不可少的一部分，其主要承担上部屋面传来的荷载，并将荷载传递给柱。现对于普通建筑物，钢筋混凝土梁运用最为广泛，而普通钢筋混凝土梁做工较为复杂，且施工工期慢，环境较为恶劣，自重较重，也有一些采用的是H型钢梁以及空钢管梁，然而无论是H型钢梁还是空钢管梁的承载力均较为有限，因此提出的一种轻质可装配式多功能梁可以弥补不足。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明实施例要解决的技术问题是提供一种轻质可装配式多功能梁及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
一种轻质可装配式多功能梁，包括外钢管、内钢管、夹层混凝土，
所述内钢管穿设于所述外钢管内部并朝梁的受拉侧偏心放置，
所述外钢管与所述内钢管之间形成中空夹层，
所述夹层混凝土为向所述中空夹层内浇筑并振捣密实的再生陶瓷混凝土。
作为本发明进一步的改进方案：所述再生陶瓷混凝土为高流动性混凝土。
作为本发明进一步的改进方案：所述外钢管截面为矩形，矩形截面的高宽比介于2-3之间。
作为本发明进一步的改进方案：所述外钢管钢材的牌号不低于Q235。
作为本发明再进一步的改进方案：所述内钢管截面为矩形，该矩形截面的的高宽比介于2～3之间。
作为本发明再进一步的改进方案：所述内钢管钢材的牌号不低于Q235。
作为本发明再进一步的改进方案：所述夹层混凝土中所用的粗骨料粒径为5-20mm。
作为本发明再进一步的改进方案：所述梁与钢柱连接方式采用焊接或螺栓连接或插筋连接或套筒连接。
一种轻质可装配式多功能梁的制备方法，包括如下步骤：
1)选取一种满足规范要求的颗粒级配，颗粒粒径的选取在4.75-20mm范围内；
2)设计一种再生陶瓷混凝土配合比，配置一种部分取代的再生陶瓷混凝土，原料包括：天然砂、水泥、陶瓷颗粒、碎石和减水剂，其中用陶瓷颗粒取代碎石，设计强度为C40，其原料质量配合比为水泥：水：陶瓷颗粒：砂＝357：171：1093：728；其中减水剂占胶凝材料的0.3％；
3)将混凝土配合比用水分为两部分，其中一部分为自由水，这部分水是直接和水泥发生反应，并可以提高混凝土的流动性；另一部分为附加水，这一部分水是由陶瓷颗粒吸收，对混凝土流动性没有提高，因此首先要需对陶瓷颗粒进行吸水饱和；
其中自由水与水泥的比值为自由水灰比，通过进行陶瓷的吸水率试验，发现陶瓷颗粒在10min时已吸水饱和；
4)进行混凝土抗压强度试验，取3个标准立方体试件的抗压强度平均值，作为最终的抗压强度；
5)混凝土强度满足其设计强度后，在将再生陶瓷混凝土注入已经设计好的内外钢管夹层内，待混凝土自然养护28d之后，再将其与钢柱通过焊接或者螺栓连接在一起。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明将内钢管朝受拉侧偏心放置，可以充分利用钢材的受拉特性，并减少混凝土的截面面积，有效的减轻了构件的自重；将截面设置为中空，可以减小构件的截面抵抗矩系数，增大构件的强度；其中采用废弃陶瓷颗粒制作的再生陶瓷混凝土，由于陶瓷自身的特性，拥有较高的抗压强度和耐久性，这不仅解决废弃陶瓷随意堆积问题，还可以缓解砂石大量开采，带来的一系列环境问题。
本发明将再生陶瓷混凝土灌入钢管中，使混凝土处于三向受压状态，可以极大增强再生陶瓷混凝土的强度，并利用钢管的被动约束作用，改善再生陶瓷混凝土自身力学性能上的不足。而再生陶瓷混凝土密度低于普通混凝土，因此采用废弃陶瓷制作的混凝土自重较轻，安装较为简易，其次可以防止受地震影响时，由于自重大导致惯性较大，使得构件更容易破坏。
本发明夹层混凝土采用高流动性的混凝土，由于钢管属于高细结构，所以混凝土振捣较为困难，费时费力，而高流动性混凝土可以克服这一缺点，使构件更为安全，可靠。
附图说明
图1为本发明钢管混凝土梁横截面示意图；
图2为本发明内钢管与外钢管放置示意图；
图3为本发明空钢管横截面示意图；
图4为本发明H型钢横截面示意图；
图5为本发明试件加载方式示意图；
图6为本发明采用有限元软件计算的不同截面形式下构件的M-um曲线及钢管混凝土各部件的M-um曲线；
图7(a)为本发明再生陶瓷混凝土的SEM图一；
图7(b)为本发明再生陶瓷混凝土的SEM图二；
图8为本发明采用有限元软件计算的不同偏心率下的M-um曲线。
图中：1-外钢管、2-内钢管、3-夹层混凝土、4-中性轴、5-外钢管形心、6-内钢管形心、7-内钢管偏心距。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本申请的技术方案作进一步详细地说明。
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
请参阅图1和图2，本实施例提供了一种轻质可装配式多功能梁，包括外钢管1、内钢管2、夹层混凝土3，所述内钢管2穿设于所述外钢管1内部并朝梁的受拉侧偏心放置，所述外钢管1与所述内钢管2之间形成中空夹层，所述夹层混凝土3为向所述中空夹层内浇筑并振捣密实的再生陶瓷混凝土，其中所述再生陶瓷混凝土为高流动性混凝土。
先将外钢管1和内钢管2按图1所示固定好，再将夹层混凝土33注入内外钢管夹层中，并振捣密实，待混凝土自然养护28天后，最后再将梁通过焊接或者螺栓连接与钢柱连接在一起.
在保持钢材用量相同，截面高度和宽度相同的情况下，对比H型钢梁、空钢管与轻质可装配式多功能梁之间极限抗弯承载力的差异，通过改变偏心率，研究不同偏心率对轻质可装配式多功能梁抗弯承载力和延性的影响，并找到一种最佳的偏心率，如图3-6所示，图3为空钢管，图4为H型钢，采用图5所示为试件的加载方式示意图，其中在距离左端盖板100mm处，限制其x，y方向的位移；在距右端盖板100mm处，限制z方向的位移，在长度方向的1/4处采用位移加载方式，加载路径为Y轴负方向的线加载。图6为不同截面形式下构件的M-um曲线及钢管混凝土各部件的M-um曲线，对比H型钢、空钢管与轻质可装配式多功能梁的承载力。下表1和2为试件的主要参数。
表1H型钢具体参数
注释：h代表H型钢整体高度，b代表翼缘宽度。t1代表腹板厚度；t2翼缘厚度；r代表翼缘与腹板交界处的圆弧半径；m代表H型钢的质量，fy为H型钢的屈服强度，Mu为有限元计算的H型钢的极限抗弯承载力。
表2钢管混凝土构件具体参数
注释：ES代表空钢管，B代表纯弯，R代表矩形。hi与hO为内外钢管高度；m为钢材质量；bi与bO为内外钢管宽度；ti与tO为内外钢管厚度。χ构件的空心率，为截面中空部分面积与混凝土面积加空心面积之比；fyi为内钢管屈服强度；fcu为混凝土强度；e为偏心距，偏心率为2e/ho；Mu为有限元计算的极限抗弯承载力。
由上表1-2以及图6可知，在截面尺寸及钢材用量基本一致时，轻质可装配式多功能梁的承载力是H型钢的1.6-2.1倍，是空钢管的2.4～2.6倍，因此，轻质可装配式多功能梁的承载力要远高于H型钢和空钢管。H型钢和空钢管在达到极限承载力后，曲线出现急剧下降，而轻质可装配式多功能梁在达到极限承载力时，曲线较为平缓，说明在承载后期，轻质可装配式多功能梁的延性要远远优于其他两种构件。随着截面高度的增加，内外钢管共同承担的弯矩占对应整体构件所承受弯矩的比例也随之增加，这是因为截面高度增加，使得偏心距e增大，下部受拉区钢材截面面积增大，因此，对于此类构件，可以增大截面高度来充分利用钢材的受拉特性。
如图7(a)所示，为再生陶瓷混凝土的SEM图一，从图7(a)可知，再生陶瓷混凝土的空心度较为明显，从微观的角度，说明了再生陶瓷混凝土的密度较小，再生陶瓷混凝土是一种轻质的混凝土。如图7(b)所示，为再生陶瓷混凝土的SEM图二，由图7(b)可知，再生陶瓷混凝土界面嵌合良好，说明骨料与水泥的粘结性比较好，从微观的角度解释了再生陶瓷混凝土的抗压强度较高。
图8示出了不同偏心率下轻质可装配式多功能梁的弯矩-跨中挠度曲线图。从图中可知，偏心率越大的试件，其抗压强度越高，且在承载后期，偏心率越小的构件，其抗弯承载力下降越快。说明偏心率越大，其后期承载能力越高和延性越好，在偏心率达到0.45时，构件达到最大抗弯承载力，说明此种轻质可装配式多功能梁相比于普通内钢管同心放置的中空夹层钢管混凝土梁，不管在自重方面、节能减排方面、力学性能方面都体现了它的优异性。
请参阅图1和图2，在一个实施例中，所述外钢管1截面为矩形，截面尺寸主要按照工程中梁的受力状态来设计，其高宽比按照规范要求，一般设置在2-3之间，由于梁主要承受弯矩和剪力，为了充分利用材料，将强轴设置在受荷的一侧，其中选用钢材的牌号不得低于Q235。
请参阅图1和图2，在一个实施例中，所述内钢管2截面为矩形，截面尺寸同外钢管1，由于钢材受拉能力较好，混凝土受拉能力较弱，为了充分利用材料的受力特性，将内钢管2朝构件受拉侧偏心放置，这样既可以有效减少混凝土的面积，又可以使钢材受拉特性得以充分发挥，强轴设置在受荷侧，其中选用钢材的牌号不得低于Q235。
在一个实施例中，按照规范要求设计混凝土配合比，所述夹层混凝土3中所用的粗骨料粒径为5～20mm，对于16mm以上的粗骨料用碎石代替，可以避免由于陶瓷骨料粒径过大，而导致陶瓷骨料形状呈棱角状和针片状，并且可以减小釉面的表面积，增大陶瓷骨料与水泥之间的粘结，通过不断的进行适配，得到其减水剂的含量为胶凝材料的0.3％时为最优，最后将混凝土注满中空夹层并振捣密实。
在一个实施例中，所述梁与钢柱连接方式一般采用焊接、螺栓连接、插筋连接和套筒连接，对于普通的预制混凝土构件，本发明采用先灌浆后拼装的顺序，防止由于混凝土振捣不密实而带来的安全隐患。
本发明研究了再生陶瓷粗骨料不同取代率下，探究标准立方体混凝土试块密度的变化，如下表3所示。
表3不同再生陶瓷取代率下标准立方体混凝土的物理参数
注：其中r为再生陶瓷取代率，m为选取的3个标准立方体混凝土试件的平均质量，ρ为标准立方体混凝土的密度。
由表3可知，再生陶瓷混凝土的密度随取代率的增大而降低，说明选用再生陶瓷作为粗骨料制作再生陶瓷混凝土，可以有效减少构件的自重。
本发明的一种轻质可装配式多功能梁的制备方法，包括以下几个步骤：
1)选取一种满足规范要求的颗粒级配，颗粒粒径的选取在4.75-20mm范围内，由于16mm以上会导致废弃陶瓷颗粒呈针片状和棱角状，而4.75-9mm之间的陶瓷颗粒破碎之后较少，因此对粗骨料采取中间粒径(9.5-16mm)取代，这样可以避免由于陶瓷自身缺陷而带来强度问题；
2)设计一种再生陶瓷混凝土配合比，配置一种部分取代的再生陶瓷混凝土，原料主要包括：天然砂、水泥、陶瓷颗粒(9.5-16mm)、碎石和减水剂，其中用陶瓷颗粒去取代碎石，设计强度为C40，其原料质量配合比为水泥：水：陶瓷颗粒：砂＝357：171：1093：728；其中减水剂占胶凝材料的0.3％；
3)由于废弃陶瓷的高吸水性，若采用常规的混凝土配合比方法，其流动性远远不满足要求，因此，本技术方案引入一种基于自由水灰比的混凝土配合比方法，即将混凝土配合比用水分为两部分，其中一部分为自由水，这部分水是直接和水泥发生反应，并可以提高混凝土的流动性；另一部分为附加水，这一部分水是由陶瓷颗粒吸收，对混凝土流动性没有提高，因此首先要需对陶瓷颗粒进行吸水饱和。其中自由水与水泥的比值为自由水灰比，通过进行陶瓷的吸水率试验，发现陶瓷颗粒在10min时已吸水饱和；
4)进行混凝土抗压强度试验，按规范要求取3个标准立方体试件的抗压强度平均值，作为最终的抗压强度；
5)混凝土强度满足其设计强度后，在将再生陶瓷混凝土注入已经设计好的内外钢管夹层内，待混凝土自然养护28d之后，再将其与钢柱通过焊接或者螺栓连接在一起。
上述步骤1)中，废弃陶瓷主要来源于江西省高安市某个瓷砖处理场，其中大部分为废弃瓷砖，破碎后针片状和棱柱状较多。
本发明中的中空夹层钢管混凝土是在两根同形心钢管夹层中浇筑混凝土制成的构件，相较传统钢管混凝土构件，具有截面开展、抗弯刚度大、抗震性能好等优点，且耐火性能优异，具有广阔的市场前景和应用空间。
本发明使用的材料为再生陶瓷混凝土，有研究表明，陶瓷颗粒的组成成分主要为SiO2、CaO和Al2O3，并通过试验证明其具有火山灰活性；同时具有良好的耐久性，证明了陶瓷作为骨料的可行性，将废弃陶瓷作为粗骨料制作成再生陶瓷混凝土，不仅可以防止由于废弃陶瓷随意堆积而带来的环境污染，也可以防止砂石大量开采而带来的环境枯竭；且空心度较大，密度低，使得再生陶瓷混凝土自重轻，给施工带来便利。
本发明充分利用材料的受力特性，将内钢管2朝受拉区放置，可以有效减少受拉区混凝土截面面积，充分发挥了钢材受拉，混凝土受压的特性，且夹层混凝土3使用的粗骨料为废弃陶瓷，混凝土采用高流动性混凝土，不仅可以解决资源与环境协调发展问题，也可以有效缩短施工工期，减少由于振捣带来的时间问题，而该梁可作为一种装配式的预制构件广泛应用于装配式建筑中，如组合框架结构、大跨度重载梁及铁路桥梁系统等。
上面对本申请的较佳实施方式作了详细说明，但是本申请并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (9)
1.一种轻质可装配式多功能梁，其特征在于，包括外钢管、内钢管、夹层混凝土，
所述内钢管穿设于所述外钢管内部并朝梁的受拉侧偏心放置，
所述外钢管与所述内钢管之间形成中空夹层，
所述夹层混凝土为向所述中空夹层内浇筑并振捣密实的再生陶瓷混凝土。
2.根据权利要求1所述的一种轻质可装配式多功能梁，其特征在于，所述再生陶瓷混凝土为高流动性混凝土。
3.根据权利要求1所述的一种轻质可装配式多功能梁，其特征在于，所述外钢管截面为矩形，矩形截面的高宽比介于2-3之间。
4.根据权利要求3所述的一种轻质可装配式多功能梁，其特征在于，所述外钢管钢材的牌号不低于Q235。
5.根据权利要求1所述的一种轻质可装配式多功能梁，其特征在于，所述内钢管截面为矩形，该矩形截面的的高宽比介于2-3之间。
6.根据权利要求5所述的一种轻质可装配式多功能梁，其特征在于，所述内钢管钢材的牌号不低于Q235。
7.根据权利要求1所述的一种轻质可装配式多功能梁，其特征在于，所述夹层混凝土中所用的粗骨料粒径为5-20mm。
8.根据权利要求1所述的一种轻质可装配式多功能梁，其特征在于，所述梁与钢柱连接方式采用焊接或螺栓连接或插筋连接或套筒连接。
9.一种轻质可装配式多功能梁的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）选取一种满足规范要求的颗粒级配，颗粒粒径的选取在4.75-20mm范围内；
2）设计一种再生陶瓷混凝土配合比，配置一种部分取代的再生陶瓷混凝土，原料包括：天然砂、水泥、陶瓷颗粒、碎石和减水剂，其中用陶瓷颗粒取代碎石，设计强度为C40，其原料质量配合比为水泥：水：陶瓷颗粒：砂=357：171：1093：728；其中减水剂占胶凝材料的0.3%；
3）将混凝土配合比用水分为两部分，其中一部分为自由水，这部分水是直接和水泥发生反应，并可以提高混凝土的流动性；另一部分为附加水，这一部分水是由陶瓷颗粒吸收，对混凝土流动性没有提高，因此首先要需对陶瓷颗粒进行吸水饱和；
其中自由水与水泥的比值为自由水灰比，通过进行陶瓷的吸水率试验，发现陶瓷颗粒在10min时已吸水饱和；
4）进行混凝土抗压强度试验，取3个标准立方体试件的抗压强度平均值，作为最终的抗压强度；
5）混凝土强度满足其设计强度后，在将再生陶瓷混凝土注入已经设计好的内外钢管夹层内，待混凝土自然养护28d之后，再将其与钢柱通过焊接或者螺栓连接在一起。
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| CN202310786957.2A Pending CN116815989A (zh) | 2023-06-29 | 2023-06-29 | 一种轻质可装配式多功能梁及其制备方法 |
Country Status (1)
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| CN (1) | CN116815989A (zh) |
-
2023
- 2023-06-29 CN CN202310786957.2A patent/CN116815989A/zh active Pending
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