CN220377651U - 一种钢骨加劲钢管混凝土柱 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢骨加劲钢管混凝土柱包括钢管和位于钢管内的环状钢骨加劲件；环状钢骨加劲件包括中间连接件、多个环状钢片以及和钢管同轴的多个整体环向板，中间连接件和环状钢片均沿钢管的轴向方向布置，中间连接件连接在多个整体环向板的内圈，多个环状钢片均布连接在整体环向板的外圈；环状钢片和钢管之间通过钢筋桁架连接；钢管及环状钢骨加劲件内均填充有混凝土。本发明可提高了钢管混凝土柱的轴压承载力和延性；钢管与环状钢骨加劲件通过钢筋桁架可进行有效连接，增加整体性能，协同受力。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土柱技术领域，具体涉及一种钢骨加劲钢管混凝土柱。
背景技术
钢管混凝土柱是在钢管中浇筑混凝土而形成的一种组合构件，较单一的钢管及混凝土材料而言，钢管混凝土柱具有承载力高、塑性和韧性好、施工方便、经济效果好等优点。但与此同时，钢管混凝土柱也面临一些问题，如当荷载较大时，过厚的钢管则存在层状撕裂、加工困难等问题；管径较大时，管内混凝土将会收缩徐变导致钢管与混凝土脱开，影响钢管和混凝土的共同受力。
近年来，随着输电线路设计条件不断提高，不少跨越塔的全高在300m以上，跨越档距在2000m以上，对跨越塔主材的力学性能要求较高。内配钢骨(加劲件)-钢管混凝土柱作为一种高强、高性能组合构件开始运用于跨越塔主材中，内配钢骨-钢管混凝土柱即在上述钢管混凝土柱的基础上在核心混凝土中内配钢骨，钢骨一方面可提高钢管混凝土柱的承载力、刚度和延性，同时内部混凝土的约束作用也可防止钢骨局部发生屈曲。目前，内配钢骨形式种类繁多，常见的有内配钢筋、内配钢管(多重)、内配角钢、内配工字型钢及内配交叉工字型钢(十字钢骨)等。
由于内配钢骨形式的不同，不同钢骨-钢管混凝柱其施工难度和力学性能各有差异，如内配钢筋时，则往往不能较大程度地提高钢管混凝土柱的轴压承载力和刚度；内配钢管时，则往往不便于定位安装，施工困难，同时内外混凝土不贯通易造成整体受力不连续等缺陷。
因此，针对现有内配钢骨形式存在的不足，为能较大程度地提高钢管混凝土柱的承载力、刚度和延性，协同钢管、混凝土及内配钢骨共同受力，同时便于内配钢骨的定位、安装和施工，本发明提出了一种双重约束环状钢骨加劲钢管混凝土柱、制备方法及其轴压承载力计算方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钢骨加劲钢管混凝土柱，以解决现有技术中混凝土柱承载力、延性差以及及装配不便的问题。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
本发明公开了一种钢骨加劲钢管混凝土柱，包括：钢管和位于所述钢管内的环状钢骨加劲件；
所述环状钢骨加劲件包括中间连接件、多个环状钢片以及和所述钢管同轴的多个整体环向板，所述中间连接件和环状钢片均沿所述钢管的轴向方向布置，所述中间连接件连接在多个所述整体环向板的内圈，多个所述环状钢片均布连接在所述整体环向板的外圈；
所述环状钢片和所述钢管之间通过钢筋桁架连接；
所述钢管及环状钢骨加劲件内均填充有混凝土。
进一步地，所述环状钢片的外周连接有连接板，所述钢管的内圈连接有和所述连接板相对应的加劲肋，所述钢筋桁架连接在所述连接板和加劲肋之间。
进一步地，所述钢筋桁架包括多根钢筋，所述钢筋交叉倾斜设置在所述连接板和加劲肋之间；所述钢筋倾角为30-60°。
进一步地，所述整体环向板沿管高等间距间断布置于中间连接件外侧。
进一步地，所述整体环向板沿管高间断布置于中间连接件外侧，且在所述中间连接件中间部处设置的整体环向板的密度低于在所述中间连接件两端部处设置的整体环向板的密度。
进一步地，所述环状钢片和所述整体环向板之间通过螺栓连接。
进一步地，所述环状钢片数量为3-6片，所述环状钢片的圆心角在30-60°之间。
进一步地，所述中间连接件包括十字交叉连接的蜂窝板，所述蜂窝板上设有开孔，所述开孔的形状为六角形、圆形或长圆形。
根据上述技术方案，本申请的有益效果为：
本申请通过外包钢管及内配环状钢骨加劲件对核心混凝土的双重约束作用，较大程度地提高混凝土的强度和峰值应变，从而提高混凝土柱的轴压承载力和延性，满足结构对竖向承重构件高强、高性能的应用需求；
本申请对环状钢骨加劲件的具体结构限定，中间连接件连接在多个整体环向板的内圈，多个环状钢片均布连接在所述整体环向板的外圈，环状钢骨加劲形式对混凝土的侧向约束较均匀，不易形成具有较大差异的强弱约束区，提升幅度均匀；
通过钢筋桁架连接钢管和环状钢骨加劲件，保证两者可进行有效连接，增加整体性能，协同受力；通过装配的环状钢骨加劲件，并通过钢筋桁架连接钢管和环状钢骨加劲件，装配及施工简单方便。
附图说明
图1是钢骨加劲钢管混凝土柱三维模型图；
图2是钢骨加劲钢管混凝土柱内部构造三维模型图；
图3是蜂窝板三维模型图；
图4是整体环向板和环状钢片三维模型图；
图5是钢筋桁架三维模型图；
图6是钢骨加劲钢管混凝土柱截面图；
图7是用于加工蜂窝板的钢板示意图。
其中：1、钢管；2、混凝土；3、加劲肋；4、钢筋桁架；5、连接板；6、环状钢片；7、整体环向板；8、中间连接件。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
本发明的目的是解决现有技术中钢管混凝土柱轴压承载力小、延性差、刚度低、施工麻烦等问题，减少混凝土收缩，为能较大程度地提高钢管混凝土柱的承载力、刚度和延性，协同钢管、混凝土及内配钢骨共同受力，同时便于内配钢骨的定位、安装和施工。
一种钢骨加劲钢管混凝土柱，包括钢管1和位于钢管1内的环状钢骨加劲件；环状钢骨加劲件包括中间连接件8、多个环状钢片6以及和钢管1同轴的多个整体环向板7，中间连接件8和环状钢片6均沿钢管1的轴向方向布置，中间连接件8连接在多个整体环向板7的内圈，多个环状钢片6均布连接在整体环向板7的外圈；环状钢片6和钢管1之间通过钢筋桁架4连接；钢管1及环状钢骨加劲件内均填充有混凝土。
本申请通过外包钢管及内配环状钢骨加劲件对核心混凝土的双重约束作用，较大程度地提高混凝土的强度和峰值应变，从而提高混凝土柱的轴压承载力和延性，满足结构对竖向承重构件高强、高性能的应用需求。
本申请对环状钢骨加劲件的具体结构限定，中间连接件连接在多个整体环向板的内圈，多个环状钢片均布连接在所述整体环向板的外圈，环状钢骨加劲形式对混凝土的侧向约束较均匀，不易形成具有较大差异的强弱约束区，提升幅度均匀。
通过钢筋桁架连接钢管和环状钢骨加劲件，保证两者可进行有效连接，增加整体性能，协同受力；通过装配的环状钢骨加劲件，并通过钢筋桁架连接钢管和环状钢骨加劲件，装配及施工简单方便。
下面结合附图1至附图6对本申请进行具体说明。
本申请公开的双重约束环状钢骨加劲钢管混凝土柱，包括钢管1、混凝土2、加劲肋3、钢筋桁架4、连接板5、环状钢片6、整体环向板7及中间连接件8。钢管1内壁布设有若干沿柱高通长布置的加劲肋3，加劲肋3沿钢管1内壁均匀等角度布置，数量宜控制在4根、8根、12根，加劲肋3与钢管1内壁进行固接，可增大钢管1侧向刚度，防止钢管1过早发生屈曲。
中间连接件8、整体环向板7及环状钢片6固接形成内部环状钢骨加劲件，内部环状钢骨加劲件呈整体圆形的构造形式，可对内部核心混凝土形成明显的双重约束效应，较大幅度提高组合柱的刚度、承载力及延性。
中间连接件8包括两块蜂窝板81，相互交叉垂直布置于钢管中心，蜂窝板81开孔形状宜为六角孔型、圆形及长圆形，蜂窝板81在节省材料的同时亦可根据承载力大小调节开孔尺寸，并对内部钢骨加劲件起到约束和支撑固定作用，防止其发生较大的变形，充分发挥材料强度。
整体环向板7沿柱高等间距间断布置于中间连接件8外侧，整体环向板7在柱两端可进行加密布置并在相应位置开设螺栓孔，通过调节整体环向板7间距可提高组合柱承载力及延性。
环状钢片6以圆弧板形式沿柱高通长均匀布置于柱子内，环状钢片6数量宜为4片，圆心角宜控制在30-60°之间。环状钢片6对应整体环向板7开孔位置开设螺栓孔并进行螺栓连接，通过调节环状钢片6的厚度及圆心角角度可满足不同承载力的需求。
环状钢片6外壁布设有连接板5；钢筋桁架4一端与加劲肋3连接，一端与连接板5进行连接，钢筋桁架4连接方式采用交叉连接，可承受不同方向受力，钢筋桁架4可使外钢管1与环状钢骨加劲件有效连接，增加整体性能，进行协同受力。
混凝土2宜为强度等级不低于C30的自密实微膨胀混凝土；加劲肋、环状钢片、整体环向板、蜂窝板宜采用Q235钢材、Q355钢材、Q390钢材或Q420钢材；连接板宜采用Q235；钢筋桁架宜选用HPB300等级，其直径可选用
实施例2
本实施例提供了一种双重约束环状钢骨加劲钢管混凝土柱的制造方法，该方法可制造出实施例1的钢管混凝土柱，该方法包括如下步骤：在钢管1内壁均匀等角度焊接布置多根加劲肋3；在普通钢板上打孔以形成蜂窝板81，将蜂窝板81十字交叉设置并焊接成整体以形成中间连接件8；将预制的整体环向板7间断焊接在中间连接件8的外周；将环状钢片6均布连接在整体环向板7的外周；将多根钢筋的一端和环状钢片6外周的连接板5进行焊接，另一端和钢管1内圈的加劲肋3进行焊接，且钢筋的布置方式为交叉倾斜布置，其中，钢筋的倾角为30-60°；将混凝土浇筑入钢管1及环状钢骨加劲件内部，养护预设时间后，获得钢骨加劲钢管混凝土柱。
该方法的具体步骤如下：
步骤1、工厂预制完成钢管1，并在钢管内壁均匀等角度焊接布置4-12根加劲肋3。
步骤2、按要求选取钢板，并按照如图7所示进行打孔切割，开孔形状宜为六角孔型、圆形及长圆形，并继续沿图中虚线进行切割形成上下两块异型板件。
步骤3、将上述预制好的4块异型板件两两垂直交叉进行焊接固定，形成十字交叉型的中间连接件8。
步骤4、工厂制作完成整体环向板7、环状钢片6及连接板5，环状钢片6数量宜为4片，圆心角宜控制在30-60°之间。
步骤5、环状钢片6按照要求开设有第一定位孔，整体环向板7对应于环状钢片6开孔位置开设第二定位孔，整体环向板7与环状钢片6通过螺栓进行连接，亦可通过焊接连接。
步骤6、将预制好的连接板5与环状钢片6进行焊接。
步骤7、将预制好的钢筋4一端与加劲肋3进行焊接，另一端与连接板5进行焊接，钢筋布置方式为交叉斜交布置，其倾角宜为30-60度。
步骤8、将混凝土2浇筑入钢管1及内部环状钢骨加劲件内部，按要求养护28天，当混凝土2达到强度后，即可获得双重约束环状钢骨加劲钢管混凝土柱。
步骤9、混凝土2宜为强度等级不低于C30的自密实微膨胀混凝土；所述加劲肋3、环状钢片6、整体环向板7、蜂窝板8宜采用Q235钢材、Q355钢材、Q390钢材或Q420钢材；所述连接板5宜采用Q235；所述钢筋桁架4宜选用HPB300等级，其直径可选用
实施例3
本实施例还提供了一种轴压计算方法，该方法用于计算实施例提供的双重约束环状钢骨加劲钢管混凝土柱的轴压承载力，计算步骤具体如下：
1、如图1-6所示，通过物理测量可以得到几何尺寸钢管内径dc，钢管厚度t，整体环向板内径d、厚度t2、宽度b、间距s，环状钢片角度α、厚度t1；蜂窝板最小截面宽度w，蜂窝板厚度t3。
通过混凝土及钢材材料试验或材料说明书等可得到外钢管屈服强度fys、整体环向板的屈服强度fyv、环状钢片屈服强度fsa1、蜂窝板屈服强度fsa2、混凝土的轴心抗压强度fc。
2、计算夹层混凝土轴压承载力Nu1。
(1)计算钢管包围的总截面面积Ac表达式及整体环向板包围的混凝土截面面积Acc2。
(2)计算钢管套箍指标ξ；
其中，As为钢管面积，fys为外钢管屈服强度，fc为非约束混凝土的轴心抗压强度。
(3)计算核心混凝土面积率ρk；
(4)计算夹层混凝土轴压承载力Nu1；
其中，k为外层混凝土侧向压力系数，可取4。
3、计算整体环向板约束混凝土承载力Nu2。
(1)计算整体环向板混凝土有效约束系数ke；
其中：d'为有效约束面积的直径，d'＝d-2t2-(s-b)/2，γe为新型组合柱截面影响系数，取0.9。
(2)计算整体环向板体积配筋率ρv；
其中，Ass0为整体环向板的纵向断面面积，Ass0＝b·t2。
(3)计算整体环向板套箍系数λs；
(4)计算混凝土平均约束应力p2；
(5)计算整体环向板约束混凝土承载力Nu2；
4、计算环状钢片及蜂窝板承载力Nu3；
5、计算双重约束环状钢骨加劲钢管混凝土柱轴压极限承载力Nu为：
本申请设计的钢骨加劲钢管混凝土柱、其制造方法及轴压计算方法具有如下优点：(1)通过外包钢管及内配环状钢骨对核心混凝土的双重约束作用，来较大程度地提高混凝土的强度和峰值应变，从而提高混凝土柱的轴压承载力和延性，满足结构对竖向承重构件高强、高性能的应用需求；(2)环状钢骨加劲形式对混凝土的侧向约束较均匀，不易形成具有较大差异的强弱约束区，提升幅度均匀；(3)外钢管与环状钢骨加劲件可进行有效连接，增加整体性能，协同受力；(4)蜂窝板的设置一方面可根据承载力大小调节开孔尺寸，另一方面又可在节约材料的同时可对环状钢骨加劲件起到约束和支撑固定作用，防止其发生较大的变形，充分发挥材料强度；(5)钢骨加劲件及钢筋桁架可作为施工脚手架，方便工作人员作业；(6)提出了适用于本发明的组合短柱轴压承载力计算公式，该公式物理意义清晰和明确，可兼顾不同构造参数对其轴压承载力的影响。
Claims (8)
1.一种钢骨加劲钢管混凝土柱，其特征在于，包括：钢管（1）和位于所述钢管（1）内的环状钢骨加劲件；
所述环状钢骨加劲件包括中间连接件（8）、多个环状钢片（6）以及和所述钢管（1）同轴的多个整体环向板（7），所述中间连接件（8）和环状钢片（6）均沿所述钢管（1）的轴向方向布置，所述中间连接件（8）连接在多个所述整体环向板（7）的内圈，多个所述环状钢片（6）均布连接在所述整体环向板（7）的外圈；
所述环状钢片（6）和所述钢管（1）之间通过钢筋桁架（4）连接；
所述钢管（1）及环状钢骨加劲件内均填充有混凝土。
2.根据权利要求1所述的钢骨加劲钢管混凝土柱，其特征在于，所述环状钢片（6）的外周连接有连接板（5），所述钢管（1）的内圈连接有和所述连接板（5）相对应的加劲肋（3），所述钢筋桁架（4）连接在所述连接板（5）和加劲肋（3）之间。
3.根据权利要求2所述的钢骨加劲钢管混凝土柱，其特征在于，所述钢筋桁架（4）包括多根钢筋，所述钢筋交叉倾斜设置在所述连接板（5）和加劲肋（3）之间；所述钢筋倾角为30-60°。
4.根据权利要求1所述的钢骨加劲钢管混凝土柱，其特征在于，所述整体环向板（7）沿管高等间距间断布置于中间连接件（8）外侧。
5.根据权利要求1所述的钢骨加劲钢管混凝土柱，其特征在于，所述整体环向板（7）沿管高间断布置于中间连接件（8）外侧，且在所述中间连接件（8）中间部处设置的整体环向板（7）的密度低于在所述中间连接件（8）两端部处设置的整体环向板（7）的密度。
6.根据权利要求1所述的钢骨加劲钢管混凝土柱，其特征在于，所述环状钢片（6）和所述整体环向板（7）之间通过螺栓连接。
7.根据权利要求1所述的钢骨加劲钢管混凝土柱，其特征在于，所述环状钢片（6）数量为3-6片，所述环状钢片（6）的圆心角在30-60°之间。
8.根据权利要求1-7任一项所述的钢骨加劲钢管混凝土柱，其特征在于，所述中间连接件（8）包括十字交叉连接的蜂窝板（81），所述蜂窝板（81）上设有开孔，所述开孔的形状为六角形、圆形或长圆形。
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