一種木包鋼?鋼木組合柱的制作方法

本發明屬于木組合技術領域，尤其涉及一種木包鋼-鋼木組合柱。

背景技術：

鋼木組合結構”——對于鋼木組合結構的定義有兩種，準確的是一種叫鋼木混合結構，這種結構是指傳統木結構與現代鋼結構相結合，建筑的承重梁、柱采用鋼結構，外圍的維護以及附屬構件采用木結構，這種結構形式從本質上講沒有能夠在同一構件中實現鋼、木的協同工作。另一種定義是指結構體系的承重部分比如梁、柱等等都是采用鋼材和木材共同組成并協同工作的結構體系。按照組成構件的方式又可分為：一體式——木與鋼合為一體組成結構的基本構件；分離式——木與鋼相分離分別組成結構的基本構件(鋼木桁架)兩種。2008年5.12汶川大地震之后，國家重新修訂了《建筑抗震設計規范》對結構體系、建筑構件、建筑材料的抗震性能提出了更高的要求。綠色、環保、節能、良好的抗震性能是現代建筑結構體系的發展方向。從保護天然資源和全球環境的角度出發，推進對木材資源的有效利用，并實現在結構和消防領域的高性能應用，符合國家可持續發展建筑的發展理念。研發高性能基于木材的復合構件這一領域，如用鋼或纖維加固的木梁，木材和鋼筋混凝土組成的地板系統，木梁包裹鋼筋混凝土或鋼筋的結構系統等都已取得一定進展，但是對于木材與鋼材組成的一體化構件研究還很少。

綜上所述，現有技術中，抗震建筑材料中缺少木材與鋼材組成的一體化構件，而且現有的抗震建筑材料防火性能差，穩定性弱、不耐高溫、耐腐蝕性差。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種木包鋼-鋼木組合柱，旨在解決目前抗震建筑材料中缺少木材與鋼材組成的一體化構件，而且現有的抗震建筑材料防火性能差，穩定性弱、不耐高溫、耐腐蝕性差的問題。

本發明是這樣實現的，一種木包鋼-鋼木組合柱，所述木包鋼-鋼木組合柱包括方鋼管；所述方鋼管外部包覆有上木板和下木板；所述上木板和下木板通過扣件連接或通過粘合劑粘貼連接；所述方鋼管表面鍍有Ni－P二元合金層或Ni－W－P三元合金層或Ni－Mo－P三元合金層；按質量百分比Ni－P二元合金層或Ni－W－P三元合金層或Ni－Mo－P三元合金層的各元素含量分別為：Ni5.13％－P0.015％、Ni 5.13％－W 9.32％－P0.018％、Ni5.13％－Mo4％－P0.02％；所述Ni－P二元合金層或Ni－W－P三元合金層或Ni－Mo－P三元合金層的厚度為0.05mm～0.1mm。

所述上木板或下木板上連接有木板凸起塊；所述木板凸起塊兩側分別通過螺絲釘固定有膠合板；木板凸起塊兩側的膠合板通過螺栓與外部預埋件連接；所述螺栓貫穿兩膠合板和預埋件。

進一步，所述木板的長和寬為200mm×200mm或300mm×200mm或300mm×300mm。

進一步，所述方鋼管的厚和邊長為5mm×65mm或6mm×100mm或7mm×100mm或8mm×65mm。

進一步，所述方鋼管或為100×65×5的矩形鋼，或為100×65×6的矩形鋼，或為100×65×8的矩形鋼。

進一步，所述粘合劑為間苯二酚。

進一步，Ni－P二元合金層或Ni－W－P三元合金層或Ni－Mo－P三元合金層的鍍層方法包括：

活化方鋼管120～150秒，清水沖洗，然后去離子水或蒸餾水清洗；

在100μA～800μA電流作用下電鍍誘發60～90秒；

化學鍍膜：將誘發后方鋼管置于真空磁控濺射設備內，控制濺射室內真空度為10^-4量級時，向濺射室充保護氣體，調節流量計至保護氣體的流量顯示為15sccm～20sccm；當磁控濺射設備的真空度為1Pa～10Pa時，打開直流濺射總電源使Ni－P二元合金層或Ni－W－P三元合金層或Ni－Mo－P三元合金層逐漸起輝，起輝后調節閘板閥使抽氣的氣路口變小，抽氣變慢，使磁控濺射設備的真空度為0.85Pa～8Pa,控制功率為50W～100W進行濺射，濺射時間為2S～10S；

將得到的鍍有Ni－P二元合金層或Ni－W－P三元合金層或Ni－Mo－P三元合金層的方鋼管在真空度為0.05Torr～2Torr的條件下進行加熱，以8℃/min～15℃/min的速率加熱鍍有合金層的方鋼管，然后升溫至300℃～900℃并在此溫度下保持60min～100min，即獲得退火后的鍍有Ni－P二元合金層或Ni－W－P三元合金層或Ni－Mo－P三元合金層的方鋼管；備用；

熱水、冷水先后清洗，干燥；在500℃溫度下保溫90分鐘～100分鐘對鍍膜進行時效處理；然后得到時效處理后的鍍有Ni－P二元合金層或Ni－W－P三元合金層或Ni－Mo－P三元合金層的方鋼管。

進一步，活化方鋼管120～150秒前需進行：

對待鍍層的方鋼管進行化學除油9分鐘～12分鐘，然后超聲波清洗3分鐘～6分鐘，然后清水沖洗；再化學除銹60秒～90秒，清水沖洗。

進一步，所述保護氣體為氬氣。

本發明的另一目的在于提供一種利用上述的木包鋼-鋼木組合柱修復古建筑的建筑構件。

本發明提供的木包鋼-鋼木組合柱，木材具有輕質高強、節能環保、可再生和重復使用的優點，但有各向異性、構件傳遞拉力需借助其他材料、防火性能差的缺點量；而鋼材具有輕質高強、施工方便、各向同性、材質均勻、具有良好的耗能性能以及可以實現建筑工業化等優點，而穩定性弱、不耐高溫、耐腐蝕性差是它的缺點；本發明可以充分利用以上兩種材料的優點、取長補短，既具節能環保性，又具有良好抗震性能的綠色建筑。

本發明采用標準磁控濺射方法在方鋼管襯底上濺射合金層，相比傳統的鍍層方法，本發明具有較高的比表面積，能夠進行批量化并應用到實際的生產生活中起到安全防護的作用。

本發明在現有普通碳鋼方鋼管上鍍上一層Ni-P(或Ni-W-P、Ni-Mo-P等)化學鍍層，使的耐磨性能有了顯著的提高，并增強了方鋼管的耐蝕性，極大地延長了方鋼管的使用壽命，從而顯著降低方鋼管的使用成本。如在方鋼管上鍍覆0.05mm厚的Ni-P鍍膜并經時效處理后，相同條件下方鋼管的使用壽命將延長20～25倍；如鍍覆0.07mm厚的Ni-P鍍膜并經時效處理后，相同條件下使用壽命將延長28～45倍。如果鍍覆上相同厚度的Ni-W-P鍍膜或Ni-Mo-P鍍膜，方鋼管的使用壽命還將在Ni-P鍍膜基礎上大幅度提高。如果鍍覆有0.1mm厚的Ni-P鍍膜并經時效處理后，其壽命與鍍覆前將延長50～60倍。而且耐火性也大幅度提高。

附圖說明

圖1是本發明實施例提供的木包鋼-鋼木組合柱在使用扣件中的結構示意圖；

圖2是本發明實施例提供的木包鋼-鋼木組合柱在使用粘合劑中的結構示意圖；

圖3是本發明實施例提供的木板凸起塊連接示意圖。

圖中：1、方鋼管；2、上木板；3、下木板；4、扣件；5、木板凸起塊；6、膠合板；7、螺絲釘；8、螺栓；9、預埋件。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

下面結合附圖對本發明的應用原理作詳細的描述。

如圖1至圖3所示，本發明實施例提供的木包鋼-鋼木組合柱包括方鋼管；所述方鋼管外部包覆有上木板和下木板；所述上木板和下木板通過扣件連接或通過粘合劑粘貼連接。所述方鋼管表面鍍有Ni－P二元合金層或Ni－W－P三元合金層或Ni－Mo－P三元合金層；按質量百分比Ni－P二元合金層或Ni－W－P三元合金層或Ni－Mo－P三元合金層的各元素含量分別為：Ni5.13％－P0.015％、Ni 5.13％－W 9.32％－P0.018％、Ni5.13％－Mo4％－P0.02％；所述Ni－P二元合金層或Ni－W－P三元合金層或Ni－Mo－P三元合金層的厚度為0.05mm～0.1mm。

所述上木板或下木板上連接有木板凸起塊5；所述木板凸起塊兩側分別通過螺絲釘7固定有膠合板6；木板凸起塊兩側的膠合板通過螺栓8與外部預埋件9連接；所述螺栓貫穿兩膠合板和預埋件。

所述木板的長和寬為200mm×200mm或300mm×200mm或300mm×300mm。

所述方鋼管的厚和邊長為5mm×65mm或6mm×100mm或7mm×100mm或8mm×65mm。

所述方鋼管或為100×65×5的矩形鋼，或為100×65×6的矩形鋼，或為100×65×8的矩形鋼。

所述粘合劑為間苯二酚。

Ni－P二元合金層或Ni－W－P三元合金層或Ni－Mo－P三元合金層的鍍層方法包括：

活化方鋼管120～150秒，清水沖洗，然后去離子水或蒸餾水清洗；

在100μA～800μA電流作用下電鍍誘發60～90秒；

化學鍍膜：將誘發后方鋼管置于真空磁控濺射設備內，控制濺射室內真空度為10^-4量級時，向濺射室充保護氣體，調節流量計至保護氣體的流量顯示為15sccm～20sccm；當磁控濺射設備的真空度為1Pa～10Pa時，打開直流濺射總電源使Ni－P二元合金層或Ni－W－P三元合金層或Ni－Mo－P三元合金層逐漸起輝，起輝后調節閘板閥使抽氣的氣路口變小，抽氣變慢，使磁控濺射設備的真空度為0.85Pa～8Pa,控制功率為50W～100W進行濺射，濺射時間為2S～10S；

將得到的鍍有Ni－P二元合金層或Ni－W－P三元合金層或Ni－Mo－P三元合金層的方鋼管在真空度為0.05Torr～2Torr的條件下進行加熱，以8℃/min～15℃/min的速率加熱鍍有合金層的方鋼管，然后升溫至300℃～900℃并在此溫度下保持60min～100min，即獲得退火后的鍍有Ni－P二元合金層或Ni－W－P三元合金層或Ni－Mo－P三元合金層的方鋼管；備用；

熱水、冷水先后清洗，干燥；在500℃溫度下保溫90分鐘～100分鐘對鍍膜進行時效處理；然后得到時效處理后的鍍有Ni－P二元合金層或Ni－W－P三元合金層或Ni－Mo－P三元合金層的方鋼管。

活化方鋼管120～150秒前需進行：

對待鍍層的方鋼管進行化學除油9分鐘～12分鐘，然后超聲波清洗3分鐘～6分鐘，然后清水沖洗；再化學除銹60秒～90秒，清水沖洗。

所述保護氣體為氬氣。

下面結合試驗對本發明的應用效果作進一步的說明。

對鋼木組合結構構件性能進行分析，主要是通過大型計算軟件以及試件實驗的方式對這種新型結構體系構件的受力、變形性能進行分析，探討合理的截面組成形式，不同材料之間如何有效保證協同工作，并能符合建筑構件防火要求。

(1)兩種不同材料組成的柱構件截面形式試驗(外圍木尺寸與內部鋼尺寸變化對試件性能的影響。

a、豎向加載

豎向荷載傳遞到一體化鋼木組合柱中，觀察受力過程，柱中木材的作用就像內部鋼材的一個屈曲約束，并且，柱中的鋼材在獨自承受大概50％的屈曲應力時會彎曲。可是，組合構件在該軸向壓力并沒有屈曲，因為木材作為一個屈曲約束，有效提高了構件的承載能力。通過多次試驗，尋找合適的材質比例，既滿足經濟要求，也滿足承載要求。

b、水平加載

作為建筑結構各個方向受力是不同的。在側向震動過程中，鋼材部分受力沒有發生屈曲。因此，在模擬地震過程中，組合構件中的木材功能也可類似一個屈曲約束，有效提高構件的承載。

(2)通過荷載測試對構件不同材料之間的連接處粘合劑耐久性的評價方法。

進行了一系列關于粘合劑耐久性實驗，分析了對于構件中不同材料，以及不同位置處連接處粘合劑耐久性的評價方法。

(3)構件的防火試驗

根據當前建筑構件防火標準，進行了構件的防火性能構件測試。按照標準測試方法確認構件與可燃材料1小時防火性能，在火中暴露小于3小時并測試構件在之后的負載，這意味著，構件能在測試期間承受荷載，并沒有在重新點火、進一步燒焦或增加燒焦溫度的測試之后失去了性能。

測試結果顯示，插入鋼材的鋼木組合構件，進行構件規范化施工后，具有耐燃性的屬性。當暴露在火中時會燃燒，但撲滅后，燒焦程度不再惡化。火災試驗后，構件可以承載并且使用的應力不超過屈曲極限。

本發明采用標準磁控濺射方法在方鋼管襯底上濺射合金層，相比傳統的鍍層方法，本發明具有較高的比表面積，能夠進行批量化并應用到實際的生產生活中起到安全防護的作用。

本發明在現有普通碳鋼方鋼管上鍍上一層Ni-P(或Ni-W-P、Ni-Mo-P等)化學鍍層，使的耐磨性能有了顯著的提高，并增強了方鋼管的耐蝕性，極大地延長了方鋼管的使用壽命，從而顯著降低方鋼管的使用成本。如在方鋼管上鍍覆0.05mm厚的Ni-P鍍膜并經時效處理后，相同條件下方鋼管的使用壽命將延長20～25倍；如鍍覆0.07mm厚的Ni-P鍍膜并經時效處理后，相同條件下使用壽命將延長28～45倍。如果鍍覆上相同厚度的Ni-W-P鍍膜或Ni-Mo-P鍍膜，方鋼管的使用壽命還將在Ni-P鍍膜基礎上大幅度提高。如果鍍覆有0.1mm厚的Ni-P鍍膜并經時效處理后，其壽命與鍍覆前將延長50～60倍。

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