CN1008461B - 钢管混凝土柱子及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种钢管混凝土柱子，包括一根具有内壁面的钢管，一个位于该钢管内的混凝土芯体，一层置于钢管内壁面和混凝土芯体之间的隔离层以将混凝土芯体同钢管内壁面隔开，不使钢管同混凝土芯体粘结起来，当钢管内壁面上具有该隔离层之后，将混凝土灌注入钢管内以成混凝土芯体。

Description

本发明涉及一种可用作建筑物构架的柱子或基桩的钢管混凝土柱子及其制造方法。

迄今，这一类在钢管内灌注混凝土的柱子的制造方法是：先竖立一根兼作框架的钢管，然后在其内灌注混凝土使形成一个混凝土芯体。因为钢管及芯体是粘结在一起的，当向这种钢管混凝土柱子施加轴向压力时，柱子呈现出一个整体构件的特性。当施加的轴向压力超过某一规定的数值时，钢管及混凝土芯体将产生过量的应变，使得钢管的局部产生皱折，或者在弥泽斯（Mieses）屈服条件下产生塑性变形。这样，钢管对混凝土芯体就不再具有足 够的箍紧力，在随后的受力过程中，即使施加的荷载比规定的要小得多，混凝土芯体的应力-应变曲线也会降低。由于这个原因，不能期望钢管对混凝土芯体的横向限制能有效地提高混凝土芯体的耐压强度。为使钢管混凝土柱子具有足够的强度，其断面尺寸必须选用得较大。

基于上述情况，本发明的目的是提供一种钢管混凝土柱子及其相应的制造方法，以有效地提高混凝土芯体的耐压强度，使得在采用这种钢管混凝土柱子时其断面尺寸可以比现有技术的钢管混凝土柱子大幅度地减小。

为达到上述的以及其他的目标，本发明的一个方面致力于发展一种钢管混凝土柱子，它包括一根具有内壁面的钢管、一个位于钢管中的混凝土芯体、以及置于钢管内壁面及混凝土芯体之间的隔离层，后者将混凝土芯体和钢管内壁面保持隔开的状态而不是粘结在一起。

本发明的另一方面是提出一种制造钢管混凝土柱子的方法：先准备好一根钢管，然后在钢管内壁面上敷施一种隔离层以使钢管的内壁面不致与混凝土芯体粘结在一起，然后将混凝土浇注入敷有隔离层的钢管内，并在钢管内形成一个混凝土芯体，而钢管和混凝土芯体并不粘结起来。

附图中：

图1是根据本发明制成的钢管混凝土柱子的轴向纵剖面的一部分;

图2是图1中Ⅱ-Ⅱ方向的视图;

图3是本发明另一实施方案的正视图;部分示出其剖面;

图4是图3中Ⅳ-Ⅳ方向的视图;

图5是图3的钢管混凝土柱子的一种改进型的正视图，部分示出其剖面;

图6是图5中Ⅵ-Ⅵ方向的视图;

图7是图3的钢管混凝土柱子的另一种改进型;

图8是图7中Ⅷ-Ⅷ方向的视图;

图9是图3的钢管混凝土柱子的一种改进型的局部视图;

图10是图3的钢管混凝土柱子的又一种改进型的正视图，部分示出其剖面;

图11是图10中Ⅺ-Ⅺ方向的视图;

图12是一根开有长孔的管子的透视图;

图13是图3的钢管混凝土柱子的一种改进型方案所用的钢管的分解图;

图14到图17示出了用图13的钢管构成建筑物框架的程序;

图18是根据本发明制成的一根钢管混凝土柱子的载荷-应变曲线;

图19是根据现有技术制成的一根钢管混凝土柱子的载荷-应变曲线;

图20是根据本发明制成的一根试样的简图;

图21所示为图20中试样的力矩滞后回线。

附图中所示的同一代号在全部图中代表的都是同一部件，已说明过的部件在随后的文字中就不再重复。图1和图2中代号30是一根根据本发明制成的不会粘结的钢管混凝土柱子，在本实施方案中使用的隔离涂料是沥青，它附着于钢管32的内壁面以形成隔离层34，然后灌入混凝土以形成芯体36。用于常规钢管混凝土柱子或用于带套混凝土柱子的钢管也可用作本发明所用的钢管32。隔离层34用于使钢管32同混凝土芯体36分开，从而使混凝土芯体36不与钢管32粘结。本发明中使用的隔离材料，除沥青外，也可使用油脂、石蜡、合成树脂等的涂层以及纸和类似的材料。隔离层34的厚度要能提供混凝土芯体36粘滞滑动的条件。使用沥青时隔离层34的厚度约为20～100微米。按照本发明，使用的混凝土可以是普通混凝土、轻型混凝土、纤维质混凝土等。钢管混凝土柱子30的一端有一段不灌混凝土的圆柱形空间38。该空间是为了柱子30在与另一根钢管32连接时灌浆之用。

钢管混凝土柱子30的钢管32和混凝土芯体36保持着不粘结的状态，因此它们可以相对地作轴向移动，即当混凝土芯体36有轴向应变量时，钢管32并不因此而受到压缩。相反，由于钢管32在横向紧紧箍住了混凝土芯体36，它承受的是环向张力。因此柱子30以抗压强度较高的混凝土芯体36来承担轴向荷载，而以抗拉强度较高的钢管32来承受环向张力，从而使柱子30在充分发挥其部件各自特点的条件下产生一种协调配合的效果。柱子30可以保证具有比常规的、部件之间粘结的钢管混凝土柱子高得多的强度，从而使柱子30在要求的强度下可以大大减少它的断面积。

图3和图4是图1和图2中所示的钢管混凝土 柱子的一个改进型品种。在此方案中钢管42由一对管段46和46组成，它们在一端同心地对焊起来，每一管段46在其端部沿圆周有七排交错布置的、穿透管壁的长孔48。在开孔区段44内的垂直线上排列的长孔48（例如图3中VL线上的长孔48）的宽度总和，最好接近于由于该建筑物的倾复力矩引起的钢管46的最大轴向应变量。穿透管壁的长孔48可以是矩形的、椭圆形的、或类似的形状。开孔区段44的垂直长度大体上等于柱子40的直径。钢管42的一端与一根较短的连接管段50同心地焊接起来。连接管段50有一个焊于其内壁上用以传递载荷的组件52。载荷传递组件52包括一块连接板54以及另外两块与之垂直相焊的连接板56及58。形成如图4中所示的十字形的组件。载荷传递组件52有一块圆盘形的承力盘60焊于其下边，并与连接管段50同心。此外，连接管段50的内壁也涂有隔离层34并灌满混凝土。另外一根柱子与连接管段50的上端同心地焊接。连接管段50的外壁与四根H型横梁连接件62、64、66和68的一端相焊，这四根横梁连接件都处于同一水平面上并互成直角。横梁连接件62、64、66和68的辐板70的一端通过连接管段50的管壁与载荷传递组件52的对应的连接板54、56和58的外端相连结。每根横梁连接件62、64、66和68的另一端各与一根横梁（图中未示出）焊接。

应用了这样的结构以后，与连接件62和64相连接的横梁所产生的剪切力通过横梁连接件和连接管段50的管壁传递到与之对应的载荷传递组件52上的连接板54，而与横梁连接件66和68连接的横梁所产生的剪切力则通过横梁连接件和连接管段50的管壁传递到与之对应的载荷传递组件52上的连接板58和56。然后该剪切力作为轴向力被承力板60传递给混凝土芯体36。这样，钢管42与混凝土芯体36相比，受到从横梁传来的轴向力是相当小的。由于管子内壁面有隔离层34，钢管42和连接管段50可以与混凝土芯体36有相对轴向位移。因而当混凝土芯体受轴向力被压缩时，钢管42的轴向应变量要比按现有技术制造的、与混凝土芯体粘结在一起的钢管的轴向应变量为小。此外，钢管42受到的轴向压力使得开孔区段44内的长孔48沿轴向变形，使钢管42的轴向长度缩短，从而分散了钢管42和连接管段50内的轴向应力。鉴于弥泽斯（Mieses）屈服条件的作用，钢管42以及连接管段50受到混凝土芯体横向应变量的作用而需承受由此产生的周向应力的强度增加了，从而加强了钢管42对混凝土芯体36的箍紧力。柱子40的抗压强度比之前一个实施方案的柱子30的抗压强度更高。

载荷传递组件52也可用于第一实施方案的钢管32。开长孔的区段44也可由一个穿透管壁的周向环形缝隙来代替，用以吸收钢管42的轴向应变量。亦即是，在两根对接的管段46和46的端部之间不加焊接而留一个环形的间隙。或者也可以在钢管42的全周长度上开一根或几根环形沟槽以代替长孔48。

图3和图4中的实施方案的一种改进型式示于图5和图6，在该修改方案中有四个承力圆盘72焊于载荷传递组件52的连接板54、56和58的下部，这四个承力圆盘位于一水平面上并以90°的角间隔分布，如图6中所示。图中还示有围绕着管子中心线按一定的角间隔轴向布置的钢筋74。这些钢筋放置在钢管42和连接管段50内以后，将混凝土按常规的方式灌注到连接管段50和钢管42的内部。从横梁连接件62、64、66和68传来的剪切力的大部分通过四个承力盘72传递给混凝土芯体36。由于管内有钢筋74，柱子80比柱子40有更高的承载能力。这种加强用的钢筋也可布置在图1到图4所示的柱子内。

另外还可将图3和图4中的柱子40作些改进，如图7和图8所示。改进方案中柱子90有一个预施应力的混凝土芯体92。一定数目的套管94（在本方案中共12根）围线着钢管的中心线以相等的角间隔轴向地布置在钢管42之内，如图7和图8所示。每根套管94中间套有一根供施加预应力的钢杆96。混凝土硬化以后，对每根预应力杆96施加拉力。套管94和预应力杆96也可用于图5和图6中的柱子80以代替钢筋74。

开有长孔的钢管42的另外一种改进方案示于图9。该方案中开有四排穿透管壁的长槽形孔102的管段100同心地插焊在对接的一对管段46之间。

图10和图11是图3和图4中钢管混凝土柱子的另一改进方案。改进的特点是连接管段50与横梁的连接结构。连接管段50的周围焊有一个横 梁连接组件110。该横梁连接组件110包括一对平行的法兰112和114套置在连接管段50的外面并与之焊接。法兰112和114之间焊有肋板116～130。这些肋板与连接管段50之间形成了四个互不相通的空间。肋板118、120、126和128的内端通过连接管段50的管壁同载荷传递组件52的连接板54、56和58的外端相连接。连接组件110的每一个角都与两根互相垂直的H型刚梁132和140、134和144、136和142以及138和146连接。更具体地说，对于横梁132，它的顶板152的一端同上法兰112的一个角210的一条边相焊，辐板172的一端同肋板124的一端相焊，其底板192同210角的另一条边相焊。另一方面，横梁140的顶板160的一端同210角的另一条边相焊，其辐板180的一端同肋板116的一端相焊，其底板220的一端则同连接组件110的下法兰114的同一角的一条边相焊。其他几根横梁134～142和146也以同样方式与连接组件110的其他几个角的上法兰112和下法兰114相连接。

采用了这样的结构以后，作用于横梁132和134上的剪切力（主要作用于辐板172和174），可以通过肋板124传递给连接板118，再由其通过连接管段50及连接板58传递到承力盘60，后者转动将此载荷以轴向力的形式传递给混凝土芯体36。横梁136和138将其承受的剪切力通过肋板130和120，连接管段50及连接板56传递给承力盘60。横梁142和140将其承受的剪切力通过肋板116和128、连接管段50及连接板54传递给承力盘60。最后，横梁144和146承受的剪切力则通过肋板122和126、连接管段50和连接板54传递给承力盘60。

在此改进方案中，横梁132～146通过连接组件110同柱子40相连接，其连接板较前面几个实施方案为长。这样，横梁132～146可以有较大的挠度，从而使这一改进型的结构比之前面提到的几个方案具有一种柔性更好的将横梁和柱子相连接的结构。这种连接结构也可用于图3至图8中的各个实施方案。

图12至图17示出了制造图3和图4中的改进型柱子40的步骤。首先制作一个图5和图6中所示的连接组件230。该组件中的连接管段50的两端各焊到管段232上。另外制作一根在整个圆周面上带有多个穿透长孔242的钢管240。这根带孔的钢管240可以用离心铸造法制造，或在常规的钢管上用高压水射流、高速切割刀具、气焊切割器打孔。制成的带孔管子240可以分割成长度为L的多根短管段244。一段短管244同心地焊接在比244长的管段232的一端，232的另一端同连接管段50相焊。这样就形成如图14所示的一根带有连接组件230的钢管件42。可以将几根这样的管件串连着焊接起来。在本实施方案中用两根钢管件串接起来形成组合的管件单元250，如图14所示。然后在该组合管件单元250的内壁面涂上隔离层，使连成这一组合管件单元的各管段232、50和244不致与灌注进去的混凝土粘结在一起。隔离层是由涂抹上去的隔离材料形成的，例如油脂、石蜡、沥青或其他类似的物料，或者在组合好的管子内壁敷一层塑料薄膜。隔离层也可以在几根钢管焊成组合件之前就涂敷好。

在建造建筑物的构架时，要准备多根上述的组合管件250。可用一台起重机将第一层使用的组合管件250吊上基础252，将焊有开孔段244的那一头放在基础252上。两根横梁254及254将两根立起来的、相邻的组合管件连接起来，梁的两端同组合管件250上连接组件230的相应的接头62和64用焊接的方式或螺栓相固定，如图16所示。如需加装钢筋，可在此时按图5和图6的方式装入管内。然后将混凝土灌注入组合管件250并进行养护。灌注时应在每根组合管件250的上部留下一小段空间，见图1中的38，以供与随后接装的组合管件连接之用。接着就可将第二层和第三层用的组合管件250焊上去，带孔管段244应该同已经安装好的相应的组合管件250的上端相焊，如图17所示。重复上述程序，就可建成一座两层楼以上的建筑物的框架260，如图中所示。

在上述建造工序中，使用的每根组合管件250由两根带连接组件230的钢管42组成，但也可用只有一根或两根以上钢管42组成者。在将横梁焊到组合管件250上以前，也可以有两根以上组合管件先行串连焊接起来。

虽然在前述实施方案中钢管42只有局部是带长孔的，但长孔也可分布在整根管子的全部周面上，如图12那样。在装配前，钢管42可以沿轴向先拉伸一下以增加其长度。如此处理后在混凝土 芯体受压缩时，组合管件250的轴向应变量将会小些。在对钢管42进行拉伸前，可以先在管上开好周向的切口，这样当进行轴向拉伸时，切口将会变形成为较宽的缝隙242。

实例1

准备了一段外径为114毫米的钢管，其壁厚为6.0毫米，长340毫米。钢管的杨氏模量Es为2.1×10⁶公斤/厘米²，屈服点为2900公斤/厘米²。将沥青喷涂在其内壁面形成100微米厚的涂层。按表1的成份配制的混凝土灌注入并充满上述有涂层的钢管以形成一段试验柱。表1中的数字为每种组分在每立方米的混凝土中所占的公斤数。用上述混凝土准备的一块直径为100毫米、高200毫米的试块，其柱体强度为602公斤/厘米²，相当于美国水泥学会（ACI）规定的强度值，其杨氏模量为3.74×10⁵公斤/厘米²。上述试验柱是在养护凝固了四个星斯后，然后再测定它的轴向载荷-应变特征。试验时将试验柱立着支承于水压试验机中，然后仅在混凝土芯体上部端面用油压千斤顶施加轴向静载荷。试验结果示于图18，图中钢管的轴向应变量∑_Z和环向应变量∑_θ用实线表示，混凝土芯体的轴向应变量δ则用点划线表示。可以看出：最大轴向荷载达到了168公吨，混凝土芯体的屈服强度为2056公斤/厘米²

对比试验1

用例1中同样成分的混凝土灌注入另一段尺寸和材质与例1中所用者相同的钢管中，对这个试样进行了同样的试验，所不同的是轴向静荷载是施加在试验柱子上端整个面上的。试验结果示于图19。可以看出：最大轴向载荷为132公吨，混凝土芯体的屈服强度为1616公斤/厘米²，相当于实例1中混凝土柱的屈服强度的78.6%。

＊1∶5～15毫米粒度的河床砂质砾石

＊2∶10～20毫米粒度的河床砂

实例2

用一根总长2800毫米的钢管，其中间有一段是开长孔的，其两端各以图9所示的方式同心地焊上两根钢管。如图实例1，这根带有开孔段的钢管内壁面涂一层100微米厚的沥青。开孔段钢管及其两端的钢管尺寸列于表2。钢管的杨氏模量Es为2.1×10⁶公斤/厘米²，其屈服点为3100公斤/厘米²。管子的开孔部分共有九排用高速切削法开的长孔，每排有四个孔，以₂＝15°的角间隔均匀分布。每孔在垂直方向的宽度为3毫米，其弦长的对角为₁＝75°。相邻两排孔的中心距D₁为10毫米，最外一排孔的中线与带孔管段边缘之间的距离为20毫米。用表1中所列配方配制的混凝土将该内涂沥青的钢管从底部一直灌满到顶部以构成一根试验柱子。用同一配方配制的混凝土制成直径为100毫米、高度为200毫米的试块具有的柱体强度为420公斤/厘米²，其杨氏模量为2.94×10⁵公斤/厘米²。试验柱子养护凝固了四个星期，然后将该钢管混凝土柱子水平放置，两端在相对方向加以固定，在其一端施加恒定的102公吨的轴向力，保持其另一端静止不动。在这样的条件下，在距管子两端各1/4长度处（钢管总长为2L）从相对方向施加垂直的静荷载P，见图20。测得的力矩滞后回线示于图21。图20中的R角为钢管中线与水平面之间形成的角度，单位为弧度，弯曲力矩为pL/4。

表1 单位：公斤/米³

实例1对比试验    实例2

水    145    180

水泥    580    423

沙    670    668

石子 893^＊11034^＊2

下陷度（厘米）    20.0    16

表2    单位：毫米

开孔管段    钢管段

外径    216    216

长度    120    1340

厚度    12    8.2

Claims (12)

1、一种钢管混凝土柱子，包括一根具有内壁表面的钢管，一个位于该钢管内部的混凝土芯体，一种置于钢管内壁面和混凝土芯体之间使两者隔开而不能粘结在一起的隔离层；

本发明的特征是，

该钢管的某些管段上开有几排相等间距布置在圆周上的水平方向的长孔，各相邻排的孔相互交叉布置；

该钢管还装有一个带连接横梁的连接装置，该连接装置包括一根具有内壁表面的连接管段，以及连接于该连接管段内表面的载荷传递装置，以将作用于连接管段上的载荷传递给混凝土芯体。

2、根据权利要求1中所述的钢管混凝土柱子，其特征是，该柱子在承受过高的轴向载荷时，在其钢管发生局部皱折之前，所述的带有成排长孔的管段将会产生塑性变形，这种变形是由于长孔在垂直方向的宽度减小而造成的。

3、根据权利要求2中所述的钢管混凝土柱子，其特征是，在带长孔的管段中轴向排列的长孔，其轴向宽度的总和大约等于由于使用此种柱子的建筑物施加于其上的倾复力矩所引起所述钢管的最大轴向应变量。

4、根据权利要求2中所述的钢管混凝土柱子，其特征是，该柱子所用的钢管包括一个开有长孔的带孔管段，和分别与所述带孔管段的两端同心地焊接的一对钢管。

5、根据权利要求1中所述的钢管混凝土柱子，其特征是，所述的载荷传递装置是一个由一对相互交叉，并平行于连接管段轴线的连接板构成的十字形连接板组件，各块连接板的端部与连接管段的内壁连接。

6、根据权利要求5中所述的钢管混凝土柱子，其特征是，所述的载荷传递装置还有一个支承装置，它与所述的连接板组件连接以支承连接板组件，并将轴向载荷从连接板组件传递给混凝土芯体。

7、根据权利要求6中所述的钢管混凝土柱子，其特征是，所述的支承装置包括至少一块连接于所述连接板组件的承力板，该承力板位于与连接管段轴线相垂直的平面内。

8、根据权利要求7中所述的钢管混凝土柱子，其特征是，所述的支承装置有一块连接于所述连接板组件的两条对边中一条上的圆形承力盘，并与连接管段同心。

9、根据权利要求7中所述的钢管混凝土柱子，其特征是，所述的支承装置包括四块承力板，它们对称布置于连接管段的轴线。

10、一种制造钢管混凝土柱子的方法，其特征是所用的钢管的准备工作包括下列步骤：

（1）在钢管壁上沿周向开几排穿透的长孔以吸收当钢管承受轴向载荷时产生的轴向应变量，以及

（2）同心地将一根连接管段同该钢管连接起来，连接管段是供与横梁构件连接之用;以及

（3）在所述的连接管段上装一个载荷传递组件，以供在横梁构件同连接管段连接起来以后将所述的横梁构件上的载荷通过连接管段传递到混凝土芯体上。

11、根据权利要求10中所述的方法，其特征是，在所述的灌注混凝土的步骤之前，还有下列步骤：

（4）将所述的涂有隔离层的钢管立装起来;以及

（5）将所述的横梁构件同所述的连接管段连接起来。

12、根据权利要求11中所述的方法，其特征是，它还包括下述步骤（6）将另外一根钢管同内壁涂好所述的隔离层的钢管同心地连接起来，并重复上述诸步骤以建成一个建筑物的框架。

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