CN209323348U - 中空夹层多腔钢管混凝土构件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种中空夹层多腔钢管混凝土构件，包括同心布置的内钢管和外钢管，在该内、外钢管之间填充有混凝土，在所述内钢管外壁上绕其轴心均布有若干横隔板，各横隔板沿内钢管轴向通长布置，各横隔板的外端部与设置在外钢管内壁的凹槽卡接相连，在外钢管内壁及内钢管外壁上均设有凸齿，在横隔板侧面沿轴向均布有若干剪力槽，在外钢管外沿其环向粘贴有若干由碳纤维复合材料制成的外筒，该外筒不与外钢管端部连接。本实用新型耐腐蚀性强，钢管壁和混凝土之间脱开现象少，钢管不易发生局部屈曲，混凝土三向受压状态均匀。

Description

中空夹层多腔钢管混凝土构件

技术领域

本实用新型涉及建筑结构构件技术领域，尤其涉及一种中空夹层多腔钢管混凝土构件。

背景技术

钢管混凝土结构是在钢管中填充混凝土而形成的构件，其充分利用钢管和混凝土在受力过程中的相互作用：一方面钢管对核心混凝土具有约束作用，使混凝土处于三向受压状态，从而有效提高混凝土的强度；另一方面混凝土的存在可有效减缓和避免钢管这种薄壁材料过早地发生局部屈曲。此外钢管还可以用作浇注混凝土时的模板。近年来，钢管混凝土结构因其优越的力学性能受到工程界的青睐，在高层建筑和大跨度桥梁中得到了越来越广泛的应用。

但钢管混凝土结构在实际工程中也存在着不足之处，具体包括：

(1)结构耐久性差。

当钢管混凝土结构应用于桥梁、水工结构、海洋和近海等结构以及其它具有侵蚀性或暴露性的环境时，钢管会发生锈蚀从而可能导致结构破坏。由钢管腐蚀造成结构物的破坏和后续的维修费用，远远超出人们的想象。美国国家研究委员会的公路战略研究项目(SHRP)对美国由于桥梁破坏造成的损失进行了估算，损失金额超过200亿美元/年，并且以每年5亿美元的速度递增。

(2)钢管壁和混凝土之间脱开现象明显。

钢管混凝土构件在轴向荷载作用下，在加载初期，钢管与核心混凝土均处于弹性阶段。由于钢管的泊松比大于核心混凝土，钢管的横向变形比核心混凝土的横向变形大，这导致钢管与核心混凝土之间产生脱开现象。特别对于薄壁钢管高强混凝土构件，高强核心混凝土在加载初期横向变形小，薄壁钢管与核心混凝土脱开现象更为显著。以上现象均将影响钢管与核心混凝土的相互作用，导致钢管容易发生局部屈曲，核心混凝土无法到达三向受压状态，钢管混凝土结构的承载力下降等问题。

(3)多腔钢管混凝土的焊缝质量不易满足。

多腔钢管混凝土最外层钢管与内隔板之间的连接常常采用焊接的方式，将分片的钢管依次焊接在相邻两块内隔板上，最后形成整体。但由于钢管较长，且需要沿轴向连续施焊，容易导致板面焊点较多、焊缝较长、以及焊接残余应力复杂等问题，焊缝质量不易满足。而且这种沿全长施焊的方式会耗费大量的人力，钢管的整体工作性能也会受大极大影响。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种耐腐蚀性强，钢管壁和混凝土之间脱开现象少，钢管不易发生局部屈曲，混凝土三向受压状态均匀，施工质量可控性好的中空夹层多腔钢管混凝土构件。

本实用新型提供的这种中空夹层多腔钢管混凝土构件，包括同心布置的内钢管和外钢管，在该内、外钢管之间填充有混凝土，在所述内钢管外壁上绕其轴心均布有若干横隔板，各横隔板沿内钢管轴向通长布置，各横隔板的外端部与设置在外钢管内壁的凹槽卡接相连，在外钢管内壁及内钢管外壁上均设有凸齿，在横隔板侧面沿轴向均布有若干剪力槽，在外钢管外沿其环向粘贴有若干由碳纤维复合材料制成的外筒，该外筒不与外钢管端部连接。

在相邻横隔板的内端沿轴向均布有若干弧形内拉杆，在相邻横隔板的外端沿轴向均布有若干弧形外拉杆，弧形内拉杆和弧形外拉杆均与内钢管同心布置。

所述弧形内拉杆和弧形外拉杆的两端分别固定在横隔板上的剪力槽的内外两侧的。

为方便实现钢管混凝土柱中的预应力技术，为钢管和纤维筒预加环向拉应力，更大程度的减少结构变形量及混凝土开裂，在所述弧形内拉杆和弧形外拉杆之间均布有若干预应力杆，预应力杆沿轴向布置，各预应力杆通过相应的定位钢筋与弧形内拉杆和弧形外拉杆相连，定位钢筋沿轴向均匀布置。

在所述凹槽和横隔板外端部之间的空隙、内钢管和外钢管之间的空隙内填充有环氧树脂水泥浆。

为防止内钢管发生局部失稳现象，在所述内钢管内侧顶部及底部均焊接有撑铁。

所述外筒由若干树脂基体层、纤维增强层和石英砂填料层交替缠绕粘结而成。

所述纤维增强层的缠绕方向与外筒的轴线呈为0°～90°的夹角。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1、在外钢管外粘贴由碳纤维复合材料制成的外筒，利用碳纤维复合材料优良的耐腐蚀性、耐久性，抵抗不同环境下的腐蚀，防止外筒内部的钢管被腐蚀，可解决传统钢管混凝土结构的锈蚀问题，减少结构的维护费用，提高结构的耐久性，促进其在海洋环境、近海环境及其他具有侵蚀性或暴露性环境中的应用，其优越性是传统工程材料难以比拟的。

2、由于碳纤维复合材料的抗拉强度高，能够对钢管混凝土构件的钢管产生明显的约束作用，可有效防止内、外钢管产生局部屈曲以及核心混凝土发生剪切破坏，使核心混凝土与内、外钢管的性能得到更有效的发挥，承载力明显提高。

3、外筒能够为加载初期的外钢管提供环向约束，有效减少加载初期钢管和夹层混凝土之间产生的脱开现象，从而提高钢管混凝土的工作性能。

4、碳纤维复合材料与外钢管的协同作用可改善复合材料筒塑性不足的问题，同时碳纤维复合材料的存在可使结构用钢量减小，减轻构件自重；由于核心混凝土轴心受压后会产生横向膨胀，从而引起外钢管壁环向受拉的预应力，使得碳纤维复合材料与外钢管对核心混凝土施加预压力；与外侧碳纤维复合材料外筒协同工作，能使核心混凝土更好地保持三向受压应力状态，提高构件的承载力。

5、以外钢管作为碳纤维复合材料外筒的内芯模，大大简化施工工序。

6、在外钢管内壁上设置轴向布置的凹槽，通过凹槽将外钢管和横隔板拼装在一起，施工简单直接，节省了人力，避免了由于焊缝品质差而引起的外钢管质量问题，使得外钢管具有更好的整体工作性能。

7、通过内、外钢管上的凸齿及横隔板上的剪力槽，能够有效地增大钢管壁及横隔板与混凝土的接触面积，并能有效地减少混凝土和钢管、横隔板之间产生的界面滑移，能够有效地保证混凝土与钢管、横隔板能够共同工作，确保混凝土的三向受压状态以及防止钢材出现局部屈曲，能够有效防止钢管混凝土构件在偏心荷载、扭矩作用下发生扭转现象；带剪力槽的横隔板可提高受压区核心混凝土核心约束效应，提高核心混凝土抗压强度。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为图1中A-A处剖视放大结构示意图。

图3为图1中B-B处剖视放大结构示意图。

图4为图1俯视图的放大结构示意图。

图5为本实用新型中横隔板的轴侧结构示意图。

图中示出的标记及所对应的构件名称为：

1、内钢管；2、混凝土；3、外钢管；4、横隔板；5、外筒；6、弧形内拉杆；7、弧形外拉杆；8、预应力杆；9、定位钢筋；10、环氧树脂水泥浆；11、撑铁；31、凸齿；32、凹槽；41、剪力槽；42、通孔。

具体实施方式

从图1至图5可以看出，本实用新型这种中空夹层多腔钢管混凝土构件，包括圆形的内钢管1、混凝土2、圆形的外钢管3、横隔板4、外筒5、弧形内拉杆6、弧形外拉杆7、预应力杆8、定位钢筋9、环氧树脂水泥浆10和撑铁11，

横隔板4有四块，各横隔板4沿内钢管1的轴线垂直焊接在内钢管1的外壁上，四块横隔板4绕内钢管1的轴心均布布置，每块横隔板4的长度均与内钢管1的长度相同，每块横隔板4均沿内钢管1通长布置，横隔板4外端部的横截面呈T型，在横隔板4的正侧面及背侧面沿轴向均布有若干剪力槽41，在剪力槽41内侧及外侧开有两竖排等径的通孔42，

在弧形内拉杆6的端部设有可贯穿通孔42的螺纹段，弧形内拉杆6通过螺母紧固在相邻横隔板4内端的通孔42之间，弧形内拉杆6沿轴向均匀布置，弧形内拉杆6与内钢管1同心布置，

在弧形外拉杆7的端部设有可贯穿通孔42的螺纹段，弧形外拉杆7通过螺母紧固在相邻横隔板4外端的通孔42之间，弧形外拉杆7沿轴向均匀布置，弧形外拉杆7与内钢管1同心布置，

定位钢筋9沿内钢管1径向焊接在弧形内拉杆6和弧形外拉杆7上，定位钢筋9沿轴向均匀布置，

预应力杆8沿内钢管1轴向固定在弧形内拉杆6和弧形外拉杆7之间的定位钢筋9上，预应力杆8沿轴向均匀布置，

撑铁11焊接在内钢管1内侧顶部及底部，

在外钢管3的内壁上及内钢管1的外壁上均设有凸齿31，在外钢管3的内壁上设有四个轴向布置的凹槽32，各凹槽32与相应横隔板4T型的外端部一对一布置，外钢管3套装在内钢管1外并与内钢管1同心布置，凹槽32与横隔板4T型的外端部卡接相连，

外筒5粘贴在外钢管3外并由碳纤维复合材料制成，外筒5不与外钢管3端部连接，

混凝土2浇筑在内钢管1与外钢管3之间并与横隔板4、弧形内拉杆6、弧形外拉杆7、预应力杆8和定位钢筋9无缝连接成钢筋混凝土，

环氧树脂水泥浆10填充在内钢管1与外钢管3、凹槽32与横隔板4T型外端部的空隙之间。

在本实用新型中，弧形内拉杆6和弧形外拉杆7的设置一方面可以加强相邻两块横隔板4彼此之间的稳定性，减少横隔板4率先产生失稳的几率；另一方面，弧形内拉杆6和弧形外拉杆7的设置，相当于在核心混凝土中增添了内外两层约束，增强了对于混凝土2的套箍作用，提高了核心混凝土的承载力，同时可以提高横隔板和混凝土间的抗滑移能力。

在本实用新型中，根据组成原料，外筒5可以分为单一纤维筒、混杂纤维筒以及纤维夹砂筒；根据纤维种类，外筒5可以分为碳纤维外筒、玻璃纤维外筒、玄武岩纤维外筒、芳纶纤维外筒中和组合纤维外筒。

从图1可以看出，外筒5由若干树脂基体层、纤维增强层和石英砂填料层交替缠绕粘结而成，外筒5沿外钢管3轴向间隔设置，纤维增强层的缠绕方向与外筒的轴线呈为0°～90°的夹角。

在本实用新型中，外筒5还可沿外钢管3外壁轴向连续布置。

如图1至图5所示，制备本实用新型这种中空夹层多腔钢管混凝土构件的方法包括如下步骤：

a、预制外、内钢管

预制外壁带有凸齿31的内钢管1和内壁带有凸齿31的外钢管3，在外钢管3内壁上还均匀预制有四个沿轴向布置的凹槽32，内钢管1和外钢管3均为薄壁钢管或厚壁钢管；

b、在外钢管上形成外筒

以粘贴由碳纤维复合材料制成的外筒5，外筒5不与外钢管3端部连接；碳纤维复合材料可沿外钢管3外壁连续布置或间隔布置，形成碳纤维复合材料外筒的工艺可以为手糊工艺或纤维缠绕工艺或纤维夹砂工艺；

c、预制横隔板

预制四个横截面呈T型的横隔板4，横隔板T型端的尺寸比凹槽32的尺寸略小，在每个横隔板4的正面及背面沿其轴向均匀且连续地布置剪力槽41和通孔42；

d、在内钢管上焊接横隔板，预制并安装弧形内拉杆和弧形外拉杆

在内钢管1的外壁上对横隔板4的焊接位置进行放样和标记，将横隔板4均匀焊接在内钢管1的外壁上，各横隔板4沿内钢管1轴向通长布置，横隔板4的T型端指向内钢管1外侧，焊接时可以采用焊条手工电弧焊或埋弧自动焊或二氧化碳气体保护焊；

如图3所示，根据相邻横隔板4上对应通孔42的位置，预制若干与内钢管1同轴的弧形内拉杆6和弧形外拉杆7，弧形内拉杆6和弧形外拉杆7的首尾端均设计为直螺纹段，每段螺纹杆上各配有两组六角螺母，将弧形内拉杆6和弧形外拉杆7依次穿过相邻横隔板4上对应的通孔42，拧紧螺纹段伸出部分的六角螺母，将弧形内拉杆6和弧形外拉杆7进行固定，横隔板4与六角螺母之间设置有垫圈；

e、组件的定位安装、封闭凹槽、焊接撑铁

将焊接了横隔板4、固定了弧形内拉杆6和弧形外拉杆7的内钢管1竖向设置在工作平面上；利用定位钢筋8，将预应力杆9竖直地固定在弧形内拉杆6和弧形外拉杆7之间；再将形成了碳纤维复合材料外筒5的外钢管3吊装，过程中需要不断调整凹槽32的位置，待凹槽32与横隔板4T型外端部的位置对应好后，放下外钢管3，完成拼装；

为了消除凹槽32与横隔板4T型外端部之间的缝隙，用强度为C35的环氧树脂水泥浆10对上述缝隙进行封闭；

在内钢管1内壁的顶部和底部进行焊接位置的放样、画线，将撑铁11焊接在内钢管1的内壁上；

f、混凝土浇筑

按照设计配比制备混凝土2，将混凝土2灌注至外钢管3和内钢管1的夹层之间，灌注之前在外钢管3和内钢管1之间底部先放入有一定高度的由棉花、报纸制成的填充物，灌注时混凝土2的高度低于外钢管3和内钢管1，灌注后保证在钢管轴心方向上混凝土2与钢管的两端保持一定距离，充分振捣至混凝土2达到均匀密实，混凝土2与横隔板4、弧形内拉杆6、弧形外拉杆7、预应力杆8和定位钢筋9无缝连接成钢筋混凝土；

g、混凝土养护

在混凝土2浇筑后的12h～18h后开始养护，养护时间要持续21d～28d，直至混凝土2的强度达到设计值要求后，拆除底部的填充物。

在上述制备方法中，待混凝土强度达到设计值要求之后，可在步骤g后进行预应力杆9的张拉，其过程如下：张拉时，将试件放平，在两端通过特制的千斤顶拉动预应力杆9移动，待张拉至控制应力之后，拧紧螺帽，锚固住预应力杆9，从而建立预加拉力；为减小张拉过程中引起的应力损失，预应力杆9张拉的过程应该分为两阶段进行：第一阶段将预应力杆9张拉至2/3的预加内力，第二阶段将预应力杆9张拉至预加内力，接着拧紧预应力杆螺母，完成张拉；完成预应力张拉之后，两侧钢管之间尚未填充的区域，使用强度为C35的环氧树脂水泥浆10进行封闭，至封闭混凝土强度达到设计值要求。

在上述步骤b中，利用碳纤维复合材料制作外筒的手糊工艺包括如下步骤：

1、对外钢管3打磨除锈，将污物清除，用吹风机将灰尘吹净，最后用丙酮或者乙酸乙脂将外钢管3擦拭干净；

2、根据所需尺寸裁剪FRP纤维布，并将树脂均匀涂抹于外钢管3外壁；

3、将FRP布按照所需铺层包裹外钢管3，并用刮板或者滚筒反复碾压以释放空气并使树脂充分浸湿FRP布，待FRP布指触干燥后进行下一层的黏贴；

4、重复上步过程，直至满足设计要求的厚度，固化成型后即为复合材料外筒。

本工艺采用的纤维可以为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维中的一种或几种，采用的纤维布可以是不同的纤维方向。对于手糊工艺，成型尺寸不受产品尺寸和形状限制，易于满足设计要求，但是产品质量不易控制，生产效率较低。

缠绕工艺可以分为干法缠绕、湿法缠绕、半干法缠绕，实际应用时，湿法缠绕最为普遍。在上述步骤b中，利用碳纤维复合材料制作外筒的湿法缠绕工艺包括如下步骤：

1、安装芯模即外钢管3到缠绕机上，在缠绕前首先要清除金属芯模表面的油污，用丙酮或乙酸乙脂清洗干净；如果有铁锈，先用砂纸打光芯模表面，而后再清洗干净；

2、通过缠绕机的数控系统进行参数设定及纤维张力调节，纤维的缠绕角可以为0°～90°；

3、然后将胶液倒入胶槽中，使纤维经过浸胶槽和挤胶辊，通过分纱装置后集束，引入绕丝嘴，按设计要求进行设定线型的缠绕，并随时调节浸胶装置控制纤维带胶量，当缠绕即将结束时，测其厚度，达到设计要求时即可停机；

4、待固化完毕后，即可在外钢管3外壁形成复合材料外筒。

缠绕工艺的原材料主要是纤维增强材料、树脂和填料，纤维增强材料可以主要是各种纤维纱、布及毡，树脂基体主要为环氧树脂、不饱和聚酷树脂、乙烯基树脂等，填料则根据使用要求进行添加。缠绕工艺机械化和自动化程度高，产品质量稳定，但对仪器设备及人员素质要求高。

在上述步骤b中，利用碳纤维复合材料制作外筒的纤维夹砂工艺包括如下步骤：

1、当外钢管3加工好后，在外钢管3的指定部位缠绕第一层树脂基纤维增强层，在纤维层上铺设树脂基石英砂夹砂层。

2、继续在夹砂层上缠绕纤维增强层，在纤维增强层上铺设夹砂层，如此交替缠绕纤维层和铺设夹砂层，直到最外层纤维增强层缠绕完后壁厚满足设计要求为止。

本实用新型可用于新建结构中，并可采用机械化连续缠绕工艺或者纤维夹砂工艺，现场规模化生产，施工速度快，易于控制质量。

Claims (8)

1.一种中空夹层多腔钢管混凝土构件，包括同心布置的内钢管(1)和外钢管(3)，在该内、外钢管之间填充有混凝土(2)，其特征在于：在所述内钢管外壁上绕其轴心均布有若干横隔板(4)，各横隔板沿内钢管轴向通长布置，各横隔板的外端部与设置在外钢管内壁的凹槽(32)卡接相连，在外钢管内壁及内钢管外壁上均设有凸齿(31)，在横隔板侧面沿轴向均布有若干剪力槽(41)，在外钢管外沿其环向粘贴有若干由碳纤维复合材料制成的外筒(5)，该外筒不与外钢管端部连接。

2.根据权利要求1所述的中空夹层多腔钢管混凝土构件，其特征在于：在相邻横隔板内端之间沿内钢管轴向均布有若干弧形内拉杆(6)，在相邻横隔板外端之间沿内钢管轴向均布有若干弧形外拉杆(7)，弧形内拉杆和弧形外拉杆均与内钢管同心布置。

3.根据权利要求2所述的中空夹层多腔钢管混凝土构件，其特征在于：所述弧形内拉杆和弧形外拉杆的两端分别固定在相邻横隔板的剪力槽的内外两侧。

4.根据权利要求2所述的中空夹层多腔钢管混凝土构件，其特征在于：在所述弧形内拉杆和弧形外拉杆之间均布有若干预应力杆(8)，预应力杆沿轴向布置，各预应力杆通过相应的定位钢筋(9)与弧形内拉杆和弧形外拉杆相连，定位钢筋沿轴向均匀布置。

5.根据权利要求4所述的中空夹层多腔钢管混凝土构件，其特征在于：在所述凹槽和横隔板外端部之间的空隙、内钢管和外钢管之间的空隙内填充有环氧树脂水泥浆(10)。

6.根据权利要求1所述的中空夹层多腔钢管混凝土构件，其特征在于：在所述内钢管内侧顶部及底部均焊接有撑铁(11)。

7.根据权利要求1所述的中空夹层多腔钢管混凝土构件，其特征在于：所述外筒由若干树脂基体层、纤维增强层和石英砂填料层交替缠绕粘结而成。

8.根据权利要求7所述的中空夹层多腔钢管混凝土构件，其特征在于：所述纤维增强层的缠绕方向与外筒的轴线呈为0°～90°的夹角。