CN204386027U - 耗能加劲钢高分子夹层管 - Google Patents

Abstract

一种耗能加劲钢高分子夹层管，包括金属外管、金属内管、n块加劲板、盖板和芯材，n为整数且大于等于3，金属外管同心设置于金属内管内，加劲板的底部与金属内管的外壁连接，加劲板的顶部与金属外管的内壁连接，从横截面上看，n块加劲板等圆弧间隔地设置于金属内管与金属外管之间的圆环上，金属内管和金属外管的一端安装盖板，金属内管、金属外管、n块加劲板以及盖板之间形成一个一端开口一端封闭的开口腔体，开口腔体内填充芯材，芯材采用微珠-聚氨酯复合材料。以及一种耗能加劲钢高分子夹层管的制作工艺。本实用新型结构延性较高、具有良好的抗疲劳性能、抗冲击性能、稳定性、耐久性、承载力。

Description

耗能加劲钢高分子夹层管

技术领域

本实用新型属于土木工程领域，涉及一种夹层钢管。应用于建筑工程、桥梁工程以及海洋工程领域中。

背景技术

目前，在土木工程的大跨度、超限、空间结构和海洋平台中，都是由钢管或钢-混凝土复合管为基本单元构件组成的。钢管构件容易发生整体稳定破坏，一旦钢管构件发生破坏，会导致整个结构失效，从而影响结构的稳定性和安全性，为了预防上述情况的出现，传统的做法是加大钢管厚度来提高节点的稳定承载能力，该方法存在以下几种缺陷：1、钢管构件承载能力的提高使结构的刚度增大，且结构的延性降低；2、厚壁钢管焊接的连接方式，带来残余应力的影响，而且随着钢管厚度或强度的加大，残余应力峰值将增大，疲劳强度也会显著下降；3、经济性能较差。常用的做法是在钢管中填充混凝土或砂浆等灌浆料，充分利用了两种在工作过程中的相互作用来提高构件的刚度、极限承载力、稳定性能以及疲劳性能。然而，合成混凝土的原料均为不可再生的资源，严重违背了我国可持续性发展战略；钢-混凝土复合材料的结构自重大，钢材与混凝土之间的剥离强度低，钢与混凝土之间的相互约束作用有限，核心混凝土弹性模量和抗拉强度较钢材低，变形能力小，容易发生破坏，不能有效分散荷载作用，动力性能差，易出现耐久性问题，维修和构件置换工作烦琐且困难等；钢-混凝土复合材料构件的稳定性能比钢构件要提高不少，但是钢-混凝土复合材料构件在复杂荷载环境作用下，仍容易出现侧向弯曲失稳，且其耗能性能较差。

发明内容

为了克服已有钢-混凝土复合材料构件的结构延性较低、抗疲劳性能较差、抗冲击性能较差、稳定性较差、耐久性较差、承载力较弱的不足,本实用新型提供了一种结构延性较高、具有良好的抗疲劳性能、抗冲击性能、稳定性、耐久性、承载力的耗能加劲钢高分子夹层管。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种耗能加劲钢高分子夹层管，包括金属外管、金属内管、n块加劲板、盖板和芯材，n为整数且大于等于3，所述金属外管同心设置于所述金属内管内，所述加劲板的底部与所述金属内管的外壁连接，所述加劲板的顶部与所述金属外管的内壁连接，从横截面上看，所述n块加劲板等圆弧间隔地设置于所述金属内管与所述金属外管之间的圆环上，所述金属内管和金属外管的一端安装所述盖板，所述金属内管、金属外管、n块加劲板以及盖板之间形成一个一端开口一端封闭的开口腔体，所述开口腔体内填充所述芯材，所述芯材采用微珠-聚氨酯复合材料。

进一步，所述加劲板上沿着轴向等间隔分布耗能孔洞。

所述耗能孔洞为关于双形心轴对称的规则形状，形心长轴与加劲板正视面面内纵向对称轴平行，形心短轴与加劲板正视面面内纵向对称轴垂直。

所述耗能孔洞的中心应设置在加劲板长度方向的面对称轴上。

所述耗能孔洞最大宽度取值范围为加劲板宽度的1/3～2/3；所述耗能孔洞最大长度设置在耗能孔洞最大宽度1～2倍；所述耗能孔洞的边缘棱角处平滑过渡；相邻耗能孔洞边缘之间的最小距离不小于耗能孔洞最大长度的1/2；加劲板两端的耗能孔洞边缘和加劲板两端边缘的最小距离不应小于耗能孔洞最大长度的1/2。

所述金属外管厚度为2mm～30mm，所述金属内管厚度为2mm～16mm，且金属内管的厚度小于等于金属外管的厚度；金属内管外径大于等于金属外管内径的2/5，金属内管外径小于等于金属外管内径的4/5。

所述金属外管和金属内管截面为圆形、方形、椭圆形或多边形。也可以是其他形状。

本实用新型的技术构思是：一种耗能加劲钢高分子夹层管，“耗能加劲”在于在金属内管四周等角度间隔焊制n块纵向加劲肋，在这些加劲肋上均开有若干耗能孔洞；“夹层”在金属外管、金属内管和n块加劲板之间形成的空腔中灌注微珠-聚氨酯材料。在钢管中灌注微珠-聚氨酯，微珠-聚氨酯与钢的剥离强度较高，微珠-聚氨酯在径向、环向和长度方向均对钢管有约束作用，钢管对微珠-聚氨酯也有反约束作用，使聚氨酯处于三向受压状态，这样可以大大提高耗能加劲钢高分子夹层管的延性、稳定性能、承载能力和耗能能力等，延缓并减少金属外管和金属内管局部屈曲的出现，提高材料的利用率；焊制n块纵向加劲肋可以配合微珠-聚氨酯材料一同增加金属外管和金属内管在外荷载作用下的整体性，提高了耗能加劲钢高分子夹层管的抗弯、抗剪、抗拉、抗压承载力和稳定性；n块纵向加劲肋上开有若干的耗能孔洞，当耗能加劲钢高分子夹层管在受到除均匀轴心面荷载的往复作用或者地震等动力荷载，内力传至耗能孔洞截面时，由于突然出现截面削弱的情况，应力较非削弱截面要大很多，耗能孔洞边缘金属材料出现面内弹塑性变形并反复挤压微珠-聚氨酯夹层，此时，耗能孔洞边缘金属和遭受到挤压的微珠-聚氨酯材料共同参与耗能，进一步提高了耗能加劲钢高分子夹层管耗能性能。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型中的芯材采用具有高强度的微珠-聚氨酯材料，该材料具有相近的抗压和抗拉承载能力、良好的延性率和抗腐蚀能力，并且其与钢材具有很好的粘结性能，可以和钢材一起进行有机工作，能有效耗散外界传递到结构内部的能量，具备良好的材料稳定性，在海洋、工业等复杂环境下具有很好的耐久性。

2、本实用新型管采用加劲夹层结构，由于开有耗能孔洞的加劲板和芯材的存在，可以更加有效地防止管发生屈曲破坏，有效地提高结构的抗压、抗弯、抗剪承载力，抗疲劳性能，耗能性能，稳定性，安全性和耐久性能。

3、本实用新型中的材料密度低，在相同极限承载力情况下，较纯钢结构和钢-混凝土组合结构的重量轻，减少建造时所需的材料用量，本实用新型为耗能加劲钢高分子夹层管，内管可以方便各类设备与线路的布置。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为图2在A-A截面图；

图3为图2在B-B截面图；

图4为图2在C-C截面图；

图5为本实用新型的结构爆炸图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

参照图1～图5，一种耗能加劲钢高分子夹层管，包括金属外管1、金属内管2、n块加劲板、盖板6和芯材3，n为整数且大于等于3，所述金属外管1同心设置于所述金属内管2内，所述加劲板的底部与所述金属内管2的外壁连接，所述加劲板的顶部与所述金属外管1的内壁连接，从横截面上看，所述n块加劲板等圆弧间隔地设置于所述金属内管与所述金属外管之间的圆环上，所述金属内管2和金属外管1的一端安装所述盖板6，所述金属内管2、金属外管1、n块加劲板以及盖板6之间形成一个一端开口一端封闭的开口腔体，所述开口腔体内填充所述芯材3，所述芯材3采用微珠-聚氨酯复合材料。

进一步，所述加劲板上沿着轴向等间隔分布耗能孔洞。

所述耗能孔洞为关于双形心轴对称的规则形状，形心长轴与加劲板正视面面内纵向对称轴平行，形心短轴与加劲板正视面面内纵向对称轴垂直。

所述耗能孔洞的中心应设置在加劲板长度方向的面对称轴上。

所述耗能孔洞最大宽度取值范围为加劲板宽度的1/3～2/3；所述耗能孔洞最大长度设置在耗能孔洞最大宽度1～2倍；所述耗能孔洞的边缘棱角处平滑过渡；相邻耗能孔洞边缘之间的最小距离不小于耗能孔洞最大长度的1/2；加劲板两端的耗能孔洞边缘和加劲板两端边缘的最小距离不应小于耗能孔洞最大长度的1/2。

所述金属外管1厚度为2mm～30mm，所述金属内管3厚度为2mm～16mm，且金属内管的厚度小于等于金属外管的厚度；金属内管外径大于等于金属外管内径的2/5，金属内管外径小于等于金属外管内径的4/5。

所述金属外管1和金属内管3截面为圆形、方形、椭圆形或多边形。也可以是其他形状。

微珠-聚氨酯复合材料包括液态多元醇、异氰酸酯与直径为10-180μm的玻璃微珠或者陶瓷微珠，所述液态多元醇、异氰酸酯之间的体积比为：1：(0.5～1.5)，所述玻璃微珠或者陶瓷微珠、液态多元醇和异氰酸酯之间较大体积者之间的体积比为：1：(1～2.5)。

例如所述液态多元醇、异氰酸酯之间的体积比为：1：0.5，所述玻璃微珠或者陶瓷微珠、液态多元醇之间的体积比为：1：1；所述液态多元醇、异氰酸酯之间的体积比为：1：0.8，所述玻璃微珠或者陶瓷微珠、液态多元醇之间的体积比为：1：2；所述液态多元醇、异氰酸酯之间的体积比为：1：1.5，所述玻璃微珠或者陶瓷微珠、异氰酸酯之间的体积比为：1：2.5；也可以为范围之内的其他配比方案。

本实施例以n＝4为例进行说明，的盖板6可防止浇注时未固化的芯材3溢出金属外管1外，并能够保证金属外管1和金属内管同端的截面在一个平面上。设置上耗能孔洞(具体为图1-图5中的上耗能孔洞51、下耗能孔洞52、左耗能孔洞53、右耗能孔洞54)有利于芯材3的灌注固化步骤。金属内管2也可以采用同种芯材材料管代替，则无需对其管壁进行表面处理。对组成芯材3的多元醇和异氰酸酯应进行检验，达到性能要求后，将多元醇、异氰酸酯、微珠材料分别放入不同的容器中进行抽真空处理，以吸出其中的空气，同时将温度保持在20度。液态多元醇、异氰酸酯、直径为10～180um的陶瓷微珠或玻璃微珠按照需求混合调配成微珠-聚氨酯材料(固化后形成芯材3，多元醇、异氰酸酯的体积比优先选用1：1，微珠的体积一般选用多元醇和异氰酸酯之间较大体积的1～2.5倍)，由于加入的微珠直径微小，不会影响芯材3和金属之间的粘结力，但能有效降低芯材3的密度，使芯材3的密度为0.45～0.65kg/cm3，减小夹层管的重量并有效降低造价。

实例：金属外管1和金属内管2均采用Q345钢，金属外管外径为300mm，壁厚5mm，长度为2000mm；金属内管2外径采用150mm，壁厚3mm，长度2000mm。芯材3的厚度为145mm，芯材3采用多元醇、异氰酸酯和陶瓷微珠按照1∶1∶1比例均匀化合而成，陶瓷微珠粒径为20um。上加劲板41、下加劲板42、左加劲板43、右加劲板44的宽度均为144mm，长度为2000mm，采用Q345钢。上耗能孔洞51、下耗能孔洞52、左耗能孔洞53、右耗能孔洞54采用长方形形式，每个耗能孔洞的长度为100mm，宽度为50mm；相邻耗能孔洞之间的距离为70mm，上加劲板41、下加劲板42、左加劲板43、右加劲板44两端最边缘的耗能孔洞距离上加劲板41、下加劲板42、左加劲板43、右加劲板44两端边缘均为65mm。盖板6采用Q345钢，厚度12mm，直径为400mm。

将金属外管1和设置有分别具有上耗能孔洞51、下耗能孔洞52、左耗能孔洞53、右耗能孔洞54的上加劲板41、下加劲板42、左加劲板43、右加劲板44的金属内管2需要与芯材3相接处的表面进行处理(采用喷砂处理)，以保证粘结要求。将金属外管1和金属内管2同心放置，并在金属外管1和金属内管2的同端和盖板6进行有效连接。再将未固化的合成芯材3的材料通过金属外管1和金属外管3以及盖板4所构成的一端开口的腔体中。最后，待芯材3固化后，切除盖板6，并打磨耗能加劲钢高分子夹层管两端截面，即可移动。

Claims (7)

1.一种耗能加劲钢高分子夹层管，其特征在于：包括金属外管、金属内管、n块加劲板、盖板和芯材，n为整数且大于等于3，所述金属外管同心设置于所述金属内管内，所述加劲板的底部与所述金属内管的外壁连接，所述加劲板的顶部与所述金属外管的内壁连接，从横截面上看，所述n块加劲板等圆弧间隔地设置于所述金属内管与所述金属外管之间的圆环上，所述金属内管和金属外管的一端安装所述盖板，所述金属内管、金属外管、n块加劲板以及盖板之间形成一个一端开口一端封闭的开口腔体，所述开口腔体内填充所述芯材，所述芯材采用微珠-聚氨酯复合材料。

2.如权利要求1所述的耗能加劲钢高分子夹层管，其特征在于：所述加劲板上沿着轴向等间隔分布耗能孔洞。

3.如权利要求2所述的耗能加劲钢高分子夹层管，其特征在于：所述耗能孔洞为关于双形心轴对称的规则形状，形心长轴与加劲板正视面面内纵向对称轴平行，形心短轴与加劲板正视面面内纵向对称轴垂直。

4.如权利要求2或3所述的耗能加劲钢高分子夹层管，其特征在于：所述耗能孔洞的中心应设置在加劲板长度方向的面对称轴上。

5.如权利要求2或3所述的耗能加劲钢高分子夹层管，其特征在于：所述耗能孔洞最大宽度取值范围为加劲板宽度的1/3～2/3；所述耗能孔洞最大长度设置在耗能孔洞最大宽度1～2倍；所述耗能孔洞的边缘棱角处平滑过渡；相邻耗能孔洞边缘之间的最小距离不小于耗能孔洞最大长度的1/2；加劲板两端的耗能孔洞边缘和加劲板两端边缘的最小距离不应小于耗能孔洞最大长度的1/2。

6.如权利要求1或2所述的耗能加劲钢高分子夹层管，其特征在于：所述金属外管厚度为2mm～30mm，所述金属内管厚度为2mm～16mm，且金属内管的厚度小于等于金属外管的厚度；金属内管外径大于等于金属外管内径的2/5，金属内管外径小于等于金属外管内径的4/5。

7.如权利要求1或2所述的耗能加劲钢高分子夹层管，其特征在于：所述金属外管和金属内管截面为圆形、方形、椭圆形或多边形。