本發(fā)明屬于建筑結構構件領域，尤其涉及一種帶夾層的鋼管約束的圓鋼管混凝土構件及其加工方法。

背景技術：

鋼管混凝土指在鋼管中填充混凝土而形成的組合構件。鋼管混凝土構件在受力過程中，鋼管對混凝土的約束作用使混凝土處于三向受壓的應力狀態(tài)，從而使鋼管中核心混凝土的強度得以提高，延性得到顯著改善；同時，核心混凝土的存在可避免或延緩鋼管發(fā)生局部屈曲，從而保證其材料性能得到充分發(fā)揮。與鋼筋混凝土結構相比，在鋼管混凝土施工過程中，鋼管可以作為澆筑其核心混凝土的模板，可節(jié)省模板費用，加快施工進度；與鋼結構相比，核心混凝土的存在使構件的耐火性能更好，節(jié)約防火涂料，降低工程造價。將鋼管與混凝土組合為鋼管混凝土，通過鋼管與核心混凝土的相互作用，不僅可以彌補兩種材料各自的缺點，而且能充分發(fā)揮二者的優(yōu)點，使鋼管混凝土結構具有一系列優(yōu)越的力學性能。近年來，鋼管混凝土結構因其優(yōu)越的力學性能受到工程界的青睞，在高層建筑和大跨度橋梁中得到了越來越廣泛的應用。

但鋼管混凝土結構在實際工程中應用中也存在著不足之處，具體包括：

（1）鋼管混凝土柱在軸向荷載作用下，鋼管與核心混凝土同時承擔縱向荷載，因此鋼管對核心混凝土的約束效果未能得到充分發(fā)揮，特別是對于鋼管高強混凝土柱，鋼管對核心混凝土的約束效果不顯著，核心高強混凝土在受力過程中易產(chǎn)生剪切壓潰破壞；

（2）鋼管混凝土構件在軸向荷載作用下，鋼管一般處于縱向受壓橫向受拉的應力狀態(tài)，這使鋼管的縱向屈服強度低于鋼管單向受拉屈服強度；隨著變形的增加，鋼管對核心混凝土的橫向約束作用逐漸增強，特別是當鋼管屈服后，鋼管的縱向應力隨其橫向應力的增加而逐漸降低，即鋼管對構件縱向承載力的貢獻也隨之減弱；

（3）鋼管混凝土構件在遭遇相當于本地區(qū)抗震設防烈度的設防地震影響時，構件可能發(fā)生損壞，其鋼管可能達到屈服或產(chǎn)生屈曲，構件需進行修復加固才可繼續(xù)使用；

（4）鋼管混凝土構件在軸向荷載作用下，在加載初期，鋼管與核心混凝土均處于彈性階段，由于鋼管的泊松比大于核心混凝土，鋼管的橫向變形比核心混凝土的橫向變形大，這導致鋼管與核心混凝土之間產(chǎn)生脫開現(xiàn)象，特別對于薄壁鋼管高強混凝土構件，高強核心混凝土在加載初期橫向變形小，薄壁鋼管與核心混凝土脫開現(xiàn)象更為顯著；此外，實際工程中由于核心混凝土的澆筑、養(yǎng)護方式不當或核心混凝土產(chǎn)生收縮、徐變和溫度變形可導致鋼管與核心混凝土之間產(chǎn)生脫空現(xiàn)象，以上現(xiàn)象均可影響鋼管與核心混凝土的相互作用，使鋼管在加載初期可產(chǎn)生較大初應力，從而影響構件的力學性能；

（5）實際鋼管混凝土構件中，鋼管因其耐腐蝕性能差需定期進行嚴格的防腐處理，否則容易發(fā)生銹蝕，影響構件的耐久性和力學性能，限制了此類構件在某些特殊環(huán)境中的使用，例如超大跨徑鋼管混凝土拱橋因外層鋼管的耐腐性差導致其在沿海地區(qū)的發(fā)展與應用受到限制；

（6）鋼管混凝土構件的鋼管處于最外層，且鋼管需承擔縱向荷載，在火災作用下，鋼管的強度和彈性模量急劇減小，從而降低鋼管混凝土構件的承載力，因此實際工程中，為提高鋼管混凝土構件的耐火性能，仍需在鋼管外表面噴涂防火保護層，從而增加工程造價。

為此，有必要設計一種新型的鋼管混凝土結構構件，能夠增強構件鋼管對核心混凝土的約束作用，提高構件的承載力和延性，改善構件的破壞模式，增強構件的抗震、耐腐蝕和耐火性能。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種帶夾層的鋼管約束的圓鋼管混凝土構件，旨在解決現(xiàn)有鋼管混凝土構件技術的不足，用以增強核心構件鋼管與核心混凝土之間的共同工作性能，提高構件的承載力和延性，改善構件的破壞模式，增強構件的抗震、耐腐蝕和耐火性能。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種帶夾層的鋼管約束的圓鋼管混凝土構件，由空心柱體結構的核心組件和空心柱體結構的外層組件嵌套組成，所述外層組件與所述核心組件之間填充有夾層材料；所述核心組件內(nèi)部填充有內(nèi)層材料，所述核心組件和所述外層組件的橫截面圖形均為中心對稱圖形；所述核心組件和所述外層組件的橫截面的對稱中心重合；所述外層組件的內(nèi)壁寬度大于所述核心組件的外壁寬度且兩者不相互接觸；所述外層組件的長度小于所述核心組件；所述夾層材料長度與所述外層組件相同；所述內(nèi)層材料長度與所述核心組件相同；所述核心組件為空心圓柱體結構。由于核心組件的長度要長于所述外層組件和夾層材料，且實際工程中外層組件和夾層材料不與核心組件的梁柱節(jié)點連接，所以本方案中外層組件和夾層材料實質(zhì)上是不受力的，只是對核心組件與混凝土提供橫向約束的作用。

這與現(xiàn)有技術中普通的雙層嵌套鋼管具有很大的不同，現(xiàn)有技術中的雙層鋼管雖然從構件中部的橫截面結構上來說與本方案是一樣的，但是由于其外層結構的長度于內(nèi)層結構相同，所以受力時兩者是同時承受縱向力作用；使外層結構鋼管對內(nèi)層結構的約束作用不能充分發(fā)揮。

本發(fā)明的進一步技術方案是：所述外層組件為空心圓柱體結構?？招膱A柱結構能夠在各個方向上提供相同的橫向約束作用，從而增強核心組件對內(nèi)層材料的約束作用。

本發(fā)明的進一步技術方案是：所述核心組件和所述外層組件的制造材料為碳素鋼、不銹鋼和高強鋼中的一種。這些材料容易獲得，成本低廉。

本發(fā)明的進一步技術方案是：所述內(nèi)層材料的制備材料為高性能混凝土、高強混凝土、普通混凝土和再生混凝土中的一種或多種；所述夾層材料的制備材料為水泥基灌漿材料、纖維增強灌漿材料、結構膠、高性能混凝土、高強混凝土、普通混凝土或再生混凝土中的一種或多種。這些材料容易獲得，成本低廉。

下面介紹本方案的帶夾層的鋼管約束的圓鋼管混凝土構件的安裝方法，該方法包括以下步驟：

步驟A：定位步驟，所述定位步驟系按設計將核心組件和外層組件進行定位，所述核心組件系圓柱體結構；

步驟B：澆筑步驟，所述澆筑步驟系將內(nèi)層材料灌注進入所述核心組件、將夾層材料灌注進入所述外層組件和核心組件之間；

步驟C：養(yǎng)護步驟，所述養(yǎng)護步驟系對步驟B獲得的產(chǎn)品進行養(yǎng)護。

本發(fā)明的進一步技術方案是，所述步驟A包括以下分步驟：

步驟A1：制作組件步驟，所述制作組件步驟系按設計長度截取矩形核心組件和外層組件，或按設計要求選取板材卷曲焊接形成圓形外層組件和核心組件；

步驟A2：組件固定步驟，在所述核心組件和所述外層組件的端部插入固定件，所述固定件系圓環(huán)形鋼板，所述固定件中間設有圓的鏤空，所述鏤空形狀與所述核心組件的外表面相同，所述固定件的外徑與所述外層組件的外徑相同，所述固定件與所述外層組件點焊相連。通過固定件保證核心組件和外層組件之間的位置，確保兩者能夠同心。

本發(fā)明的進一步技術方案是：所述步驟B包括以下分步驟：

步驟B1：內(nèi)層材料澆筑步驟，所述內(nèi)層材料澆筑步驟系將混凝土按照設計配比制備內(nèi)層材料，對與夾層材料4接觸的固定件5的表面鋪設聚乙烯薄膜并涂抹機油；然后將所述內(nèi)層材料灌注至所述核心組件內(nèi)部，并充分振搗至所述內(nèi)層材料達到密實；

步驟B2：夾層材料澆筑步驟，所述夾層材料澆筑步驟系按照設計配比制備夾層材料，將所述內(nèi)層材料灌注至所述核心組件和所述外層組件之間，并充分振搗至所述內(nèi)層材料達到密實。

所述步驟C包括以下分步驟：

步驟C1：對澆筑完成的試件進行養(yǎng)護；

步驟C2：取下步驟A2中用到的固定件。

本發(fā)明的有益效果是：與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

（1）外層圓鋼套管不承擔縱向荷載，對核心圓形鋼管混凝土構件的鋼管及核心混凝土起約束作用，與傳統(tǒng)鋼管混凝土構件相比，核心混凝土受到的約束效果更強，其延性可得到進一步改善，減弱了核心混凝土產(chǎn)生剪切破壞的現(xiàn)象，同時外層圓鋼套管對核心圓形鋼管混凝土構件的鋼管（內(nèi)層圓形鋼管）產(chǎn)生約束作用可有效防止或延緩內(nèi)層鋼管產(chǎn)生局部屈曲，而外層圓鋼套管不承擔縱向荷載，同樣避免了鋼管的屈曲問題，因此本發(fā)明構件將有效改善傳統(tǒng)鋼管混凝土構件的破壞模式；

（2）外層圓鋼套管對核心圓形鋼管混凝土柱的鋼管及核心混凝土起約束作用，核心混凝土受到的約束效果增強，其承載力可得到進一步提高；內(nèi)層鋼管的橫向受拉作用將得到減弱，其縱向應力則相應提高，對構件承載力的貢獻更大，與傳統(tǒng)鋼管混凝土構件相比，本發(fā)明核心混凝土與鋼管的力學性能得到更有效的發(fā)揮，受力明確合理，承載力可得到顯著提高；

（3）外層圓鋼套管不承擔縱向荷載，避免鋼管的屈曲問題，同時可更有效的約束核心混凝土，減輕了核心混凝土破壞的現(xiàn)象；當構件遭受相當于本地區(qū)抗震設防烈度的設防地震影響時，可能發(fā)生損壞，采用本發(fā)明方式對構件進行局部修復加固，可使構件繼續(xù)使用，因此本發(fā)明在提高傳統(tǒng)鋼管混凝土構件抗震能力的同時也為構件的震后修復加固提供了途徑；

（4）外層圓鋼套管不承擔縱向荷載，可減弱加載初期內(nèi)層鋼管與核心混凝土之間的脫開現(xiàn)象，使內(nèi)層鋼管對核心混凝土在加載初期即產(chǎn)生約束作用，增強構件的力學性能；本發(fā)明還可有效克服核心混凝土澆筑、養(yǎng)護方式不當或核心混凝土產(chǎn)生收縮、徐變、溫度變形引起的內(nèi)層鋼管與核心混凝土粘結強度不足的問題，從而提高內(nèi)層鋼管和混凝土二者之間的工作性能；

（5）當構件的外層圓鋼套管采用不銹鋼管時，外層不銹鋼管將大幅度改善構件的耐腐蝕性能，減少防腐處理工序，可將傳統(tǒng)鋼管混凝土構件擴展至潮濕、腐蝕性介質(zhì)強等特殊環(huán)境中使用；

（6）本發(fā)明在原有核心圓形鋼管混凝土構件的外側外包了一層夾層材料，夾層材料的比熱容比內(nèi)層鋼管的比熱容大，能有效延緩火災的熱量傳遞，同時外層圓鋼套管在火災作用下不承擔縱向荷載，以上均可提高核心圓形鋼管混凝土構件的耐火極限。

附圖說明

為了更清楚地說明本申請實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請中記載的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明實施例提供的帶夾層的鋼管約束的圓鋼管混凝土構件的結構示意圖。

圖2是本發(fā)明實施例提供的帶夾層的鋼管約束的圓鋼管混凝土構件的橫截面示意圖。

圖3是本發(fā)明實施例提供的帶夾層的鋼管約束的圓鋼管混凝土構件制備過程中的示意圖。

圖4是本發(fā)明實施例提供的帶夾層的鋼管約束的圓鋼管混凝土構件加工方法中固定件的示意圖。

附圖標記：1-內(nèi)層材料；2-核心組件；3-外層組件；4-夾層材料；5-固定件。

具體實施方式

以下各實施例的說明是參考附加的圖式，用以例示本發(fā)明可用以實施的特定實施例。本發(fā)明所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「內(nèi)」、「外」、「側面」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發(fā)明，而非用以限制本發(fā)明。

圖1是本發(fā)明實施例提供的帶夾層的鋼管約束的圓鋼管混凝土構件的結構示意圖。從圖1中可以看出本方案提供的帶夾層的鋼管約束的圓鋼管混凝土構件的外觀。一種帶夾層的鋼管約束的圓鋼管混凝土構件，由空心柱體結構的核心組件2和空心柱體結構的外層組件3嵌套組成，所述外層組件與所述核心組件之間填充有夾層材料4；所述核心組件內(nèi)部填充有內(nèi)層材料1，所述核心組件和所述外層組件的橫截面圖形均為中心對稱圖形；所述核心組件和所述外層組件的橫截面的對稱中心重合；所述外層組件的內(nèi)壁寬度大于所述核心組件的外壁寬度且兩者不相互接觸；所述外層組件的長度小于所述核心組件；所述夾層材料長度與所述外層組件相同；所述內(nèi)層材料長度與所述核心組件相同。

圖2是本發(fā)明實施例提供的帶夾層的鋼管約束的圓鋼管混凝土構件的橫截面示意圖。從圖2可以看出，具體到本實施例中，核心組件采用圓形結構，而外層組件也采用圓形結構。

由于核心組件的長度要長于所述外層組件，所以本方案中外層組件實質(zhì)上是不受力的，只是對核心組件與混凝土提供橫向約束的作用。相比于傳統(tǒng)的鋼管混凝土構件，本發(fā)明可增強鋼管與核心混凝土之間的共同工作性能，提高構件的承載力和延性，改善構件的破壞模式，增強構件的抗震、耐腐蝕和耐火性能。

這與現(xiàn)有技術中普通的雙層嵌套鋼管具有很大的不同，現(xiàn)有技術中的雙層鋼管雖然從構件中部的橫截面結構上來說與本方案是一樣的，但是由于其外層結構的長度于內(nèi)層結構相同，所以受力時兩者是同時承受縱向力作用，使外層結構鋼管對內(nèi)層結構的約束作用不能充分發(fā)揮。

本方案中，當核心組件的兩端比外層鋼管和夾層材料兩端各長一些時即可實現(xiàn)外層組件完全不受到縱向荷載，實際工程中，所述外層組件沿所述核心組件通長布置，但不以任何形式與所述核心組件的端部及節(jié)點相連接。

進一步的，所述核心組件和所述外層組件的制造材料為碳素鋼、不銹鋼和高強鋼中的一種，以適應不同的工程需要，特別是當外層組件采用不銹鋼管時，可提高整體構件的耐腐蝕性能和美觀效果。

進一步的，所述內(nèi)層材料的制備材料為高性能混凝土、高強混凝土、普通混凝土和再生混凝土中的一種或多種，以適應不同工程的需要，當構件用于高層、超高層建筑或大跨度拱橋結構中，高性能混凝土和高強混凝土可發(fā)揮更大的優(yōu)勢和效益，而當核心混凝土采用再生混凝土時，可解決天然骨料資源緊缺問題，保護骨料產(chǎn)地的生態(tài)環(huán)境，又能解決城市廢棄物的堆放、占地和環(huán)境污染等問題，具有顯著的社會、經(jīng)濟和環(huán)保效益。

所述夾層材料的制備材料為水泥基灌漿材料、纖維增強灌漿材料、結構膠、高性能混凝土、高強混凝土、普通混凝土或再生混凝土中的一種或多種。這些材料容易獲得，成本低廉。

本方案的另一目的在于提供一種帶夾層的鋼管約束的圓鋼管混凝土構件的制備方法，該方法包括以下步驟：

步驟A：定位步驟，所述定位步驟系按設計將核心組件和外層組件進行定位；所述核心組件系圓柱體結構。

其中，所述步驟A包括以下分步驟：

步驟A1：制作組件步驟，所述制作組件步驟系按設計長度截取矩形核心組件和外層組件，或按設計要求選取板材卷曲焊接形成圓形外層組件和核心組件；

步驟A2：組件固定步驟，在所述核心組件和所述外層組件的端部插入固定件5，圖3是本發(fā)明實施例提供的帶夾層的鋼管約束的圓鋼管混凝土構件制備過程中的示意圖。從圖3中可以看出所述固定件的安裝位置。所述固定件系圓環(huán)形鋼板，圖4是本發(fā)明實施例提供的帶夾層的鋼管約束的圓鋼管混凝土構件加工方法中固定件的示意圖。從圖4中可以看出所述固定件中間設有圓形的鏤空，所述鏤空形狀與所述核心組件的外表面相同，所述固定件的外徑與所述外層組件的外徑相同，所述固定件與所述外層組件點焊相連。通過固定件保證核心組件和外層組件之間的位置，確保兩者能夠同心。

步驟B：澆筑步驟，所述澆筑步驟系將內(nèi)層材料灌注進入所述核心組件、將夾層材料灌注進入所述外層組件和核心組件之間；

所述步驟B包括以下分步驟：

步驟B1：內(nèi)層材料澆筑步驟，所述內(nèi)層材料澆筑步驟系將混凝土按照設計配比制備內(nèi)層材料，對與夾層材料4接觸的固定件5的表面鋪設聚乙烯薄膜并涂抹機油；然后將所述內(nèi)層材料灌注至所述核心組件內(nèi)部，并充分振搗至所述內(nèi)層材料達到密實；

步驟B2：夾層材料澆筑步驟，所述夾層材料澆筑步驟系按照設計配比制備夾層材料，將所述內(nèi)層材料灌注至所述核心組件和所述外層組件之間，并充分振搗至所述內(nèi)層材料達到密實。

步驟C：養(yǎng)護步驟，所述養(yǎng)護步驟系對步驟B獲得的產(chǎn)品進行養(yǎng)護。

具體的，所述步驟C包括以下分步驟：

步驟C1：對澆筑完成的試件進行養(yǎng)護；

步驟C2：取下步驟A2中用到的固定件。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

（1）外層圓鋼套管不承擔縱向荷載，對核心圓形鋼管混凝土構件的鋼管及核心混凝土起約束作用，與傳統(tǒng)鋼管混凝土構件相比，核心混凝土受到的約束效果更強，其延性可得到進一步改善，減弱了核心混凝土產(chǎn)生剪切破壞的現(xiàn)象，同時外層圓鋼套管對核心圓形鋼管混凝土構件的鋼管（內(nèi)層圓形鋼管）產(chǎn)生約束作用可有效防止或延緩內(nèi)層鋼管產(chǎn)生局部屈曲，而外層圓鋼套管不承擔縱向荷載，同樣避免了鋼管的屈曲問題，因此本發(fā)明構件將有效改善傳統(tǒng)鋼管混凝土構件的破壞模式；

（2）外層圓鋼套管對核心圓形鋼管混凝土柱的鋼管及核心混凝土起約束作用，核心混凝土受到的約束效果增強，其承載力可得到進一步提高；內(nèi)層鋼管的橫向受拉作用將得到減弱，其縱向應力則相應提高，對構件承載力的貢獻更大，與傳統(tǒng)鋼管混凝土構件相比，本發(fā)明核心混凝土與鋼管的力學性能得到更有效的發(fā)揮，受力明確合理，承載力可得到顯著提高；

（3）外層圓鋼套管不承擔縱向荷載，避免鋼管的屈曲問題，同時可更有效的約束核心混凝土，減輕了核心混凝土破壞的現(xiàn)象；當構件遭受相當于本地區(qū)抗震設防烈度的設防地震影響時，可能發(fā)生損壞，采用本發(fā)明方式對構件進行局部修復加固，可使構件繼續(xù)使用，因此本發(fā)明在提高傳統(tǒng)鋼管混凝土構件抗震能力的同時也為構件的震后修復加固提供了途徑；

（4）外層圓鋼套管不承擔縱向荷載，可減弱加載初期內(nèi)層鋼管與核心混凝土之間的脫開現(xiàn)象，使內(nèi)層鋼管對核心混凝土在加載初期即產(chǎn)生約束作用，增強構件的力學性能；本發(fā)明還可有效克服核心混凝土澆筑、養(yǎng)護方式不當或核心混凝土產(chǎn)生收縮、徐變、溫度變形引起的內(nèi)層鋼管與核心混凝土粘結強度不足的問題，從而提高內(nèi)層鋼管和混凝土二者之間的工作性能；

（5）當構件的外層圓鋼套管采用不銹鋼管時，外層不銹鋼管將大幅度改善構件的耐腐蝕性能，減少防腐處理工序，可將傳統(tǒng)鋼管混凝土構件擴展至潮濕、腐蝕性介質(zhì)強等特殊環(huán)境中使用；

（6）本發(fā)明在原有核心圓形鋼管混凝土構件的外側外包了一層夾層材料，夾層材料的比熱容比內(nèi)層鋼管的比熱容大，能有效延緩火災的熱量傳遞，同時外層圓鋼套管在火災作用下不承擔縱向荷載，以上均可提高核心圓形鋼管混凝土構件的耐火極限。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。