鋼管混凝土柱子及其制造方法

專利名稱:鋼管混凝土柱子及其制造方法
本發明涉及一種可用作建筑物構架的柱子或基樁的鋼管混凝土柱子及其制造方法。
迄今，這一類在鋼管內灌注混凝土的柱子的制造方法是先豎立一根兼作框架的鋼管，然后在其內灌注混凝土使形成一個混凝土芯體。因為鋼管及芯體是粘結在一起的，當向這種鋼管混凝土柱子施加軸向壓力時，柱子呈現出一個整體構件的特性。當施加的軸向壓力超過某一規定的數值時，鋼管及混凝土芯體將產生過量的應變，使得鋼管的局部產生皺折，或者在彌澤斯(Mieses)屈服條件下產生塑性變形。這樣，鋼管對混凝土芯體就不再具有足夠的箍緊力，在隨后的受力過程中，即使施加的荷載比規定的要小得多，混凝土芯體的應力-應變曲線也會降低。由于這個原因，不能期望鋼管對混凝土芯體的橫向限制能有效地提高混凝土芯體的耐壓強度。為使鋼管混凝土柱子具有足夠的強度，其斷面尺寸必須選用得較大。
基于上述情況，本發明的目的是提供一種鋼管混凝土柱子及其相應的制造方法，以有效地提高混凝土芯體的耐壓強度，使得在采用這種鋼管混凝土柱子時其斷面尺寸可以比現有技術的鋼管混凝土柱子大幅度地減小。
為達到上述的以及其他的目標，本發明的一個方面致力于發展一種鋼管混凝土柱子，它包括一根具有內壁面的鋼管、一個位于鋼管中的混凝土芯體、以及置于鋼管內壁面及混凝土芯體之間的隔離層，后者將混凝土芯體和鋼管內壁面保持隔開的狀態而不是粘結在一起。
本發明的另一方面是提出一種制造鋼管混凝土柱子的方法先準備好一根鋼管，然后在鋼管內壁面上敷施一種隔離層以使鋼管的內壁面不致與混凝土芯體粘結在一起，然后將混凝土澆注入敷有隔離層的鋼管內，并在鋼管內形成一個混凝土芯體，而鋼管和混凝土芯體并不粘結起來。
附圖中圖1是根據本發明制成的鋼管混凝土柱子的軸向縱剖面的一部分;
圖2是圖1中Ⅱ-Ⅱ方向的視圖;
圖3是本發明另一實施方案的正視圖;部分示出其剖面;
圖4是圖3中Ⅳ-Ⅳ方向的視圖;
圖5是圖3的鋼管混凝土柱子的一種改進型的正視圖，部分示出其剖面;
圖6是圖5中Ⅵ-Ⅵ方向的視圖;
圖7是圖3的鋼管混凝土柱子的另一種改進型;
圖8是圖7中Ⅷ-Ⅷ方向的視圖;
圖9是圖3的鋼管混凝土柱子的一種改進型的局剖視圖;
圖10是圖3的鋼管混凝土柱子的又一種改進型的正視圖，部分示出其剖面;
圖11是圖10中Ⅺ-Ⅺ方向的視圖;
圖12是一根開有長孔的管子的透視圖;
圖13是圖3的鋼管混凝土柱子的一種改進型方案所用的鋼管的分解圖;
圖14到圖17示出了用圖13的鋼管構成建筑物框架的程序;
圖18是根據本發明制成的一根鋼管混凝土柱子的載荷-應變曲線;
圖19是根據現有技術制成的一根鋼管混凝土柱子的載荷-應變曲線;
圖20是根據權利本發明制成的一根試樣的簡圖;
圖21所示為圖20中試樣的力矩滯后回線。
附圖中所示的同一代號在全部圖中代表的都是同一部件，已說明過的部件在隨后的文字中就不再重復。圖1和圖2中代號30是一根據本發明制成的不會粘結的鋼管混凝土柱子，在本實施方案中使用的隔離涂料是瀝青，它附著于鋼管32的內壁面以形成隔離層34，然后灌入混凝土以形成芯體36。用于常規鋼管混凝土柱子或用于帶套混凝土柱子的鋼管也可用作本發明所用的鋼管32。隔離層34用于使鋼管32同混凝土芯體36分開，從而使混凝土芯體36不與鋼管32粘結。本發明中使用的隔離材料，除瀝青外，也可使用油脂、石蠟、合成樹脂等的涂層以及紙和類似的材料。隔離層34的厚度要能提供混凝土芯體36粘滯滑動的條件。使用瀝青時隔離層34的厚度約為20～100微米。按照本發明，使用的混凝土可以是普通混凝土、輕型混凝土、纖維質混凝土等。鋼管混凝土柱子30的一端有一段不灌混凝土的圓柱形空間38。該空間是為了柱子30在與另一根鋼管32連接時灌漿之用。
鋼管混凝土柱子30的鋼管32和混凝土芯體36保持著不粘結的狀態，因此它們可以相對地作軸向移動，即當混凝土芯體36有軸向應變量時，鋼管32并不因此而受到壓縮。相反，由于鋼管32在橫向緊緊箍住了混凝土芯體36，它承受的是環向張力。因此柱子30以抗壓強度較高的混凝土芯體36來承擔軸向荷載，而以抗拉強度較高的鋼管32來承受環向張力，從而使柱子30在充分發揮其部件各自特點的條件下產生一種協調配合的效果。柱子30可以保證具有比常規的、部件之間粘結的鋼管混凝土柱子高得多的強度，從而使柱子30在要求的強度下可以大大減少它的斷面積。
圖3和圖4是圖1和圖2中所示的鋼管混凝土柱子的一個改進型品種。在此方案中鋼管42由一對管段46和46組成，它們在一端同心地對焊起來，每一管段46在其端部沿圓周有七排交錯布置的、穿透管壁的長孔48。在開孔區段44內的垂直線上排列的長孔48(例如圖3中VL線上的長孔48)的寬度總和，最好接近于由于該建筑物的傾復力矩引起的鋼管46的最大軸向應變量。穿透管壁的長孔48可以是矩形的、橢圓形的、或類似的形狀。開孔區段44的垂直長度大體上等于柱子40的直徑。鋼管42的一端與一根較短的連接管段50同心地焊接起來。連接管段50有一個焊于其內壁上用以傳遞載荷的組件52。載荷傳遞組件52包括一塊連接板54以及另外兩塊與之垂直相焊的連接板56及58，形成如圖4中所示的十字形的組件。載荷傳遞組件52有一塊圓盤形的承力盤60焊于其下邊，并與連接管段50同心。此外，連接管段50的內壁也涂有隔離層34并灌滿混凝土。另外一根柱子與連接管件50的上端同心地焊接。連接管段50的外壁與四根H型橫梁連接件62、64、66和68的一端相焊，這四根橫梁連接件都處于同一水平面上并互成直角。橫梁連接件62、64、66和68的輻板70的一端通過連接管段50的管壁與載荷傳遞組件52的對應的連接板54、56和58的外端相連結。每根橫梁連接件62、64、66和68的另一端各與一根橫梁(圖中未示出)焊接。
應用了這樣的結構以后，與連接件62和64相連接的橫梁所產生的剪切力通過橫梁連接件和連接管段50的管壁傳遞到與之對應的載荷傳遞組件52上的連接板54，而與橫梁連接件66和68連接的橫梁所產生的剪切力則通過橫梁連接件和連接管段50的管壁傳遞到與之對應的載荷傳遞組件52上的連接板58和56。然后該剪切力作為軸向力被承力板60傳遞給混凝土芯體36。這樣，鋼管42與混凝土芯體36相比，受到從橫梁傳來的軸向力是相當小的。由于管子內壁面有隔離層34，鋼管42和連接管段50可以與混凝土芯體36有相對軸向位移。因而當混凝土芯體受軸向力被壓縮時，鋼管42的軸向應變量要比按現有技術制造的、與混凝土芯體粘結在一起的鋼管的軸向應變量為小。此外，鋼管42受到的軸向壓力使得開孔區段44內的長孔48沿軸向變形，使鋼管42的軸向長度縮短，從而分散了鋼管42和連接管段50內的軸向應力。鑒于彌澤斯(Mieses)屈服條件的作用，鋼管42以及連接管段50受到混凝土芯體橫向應變量的作用而需承受由此產生的周向應力的強度增加了，從而加強了鋼管42對混凝土芯體36的箍緊力。柱子40的抗壓強度比之前一個實施方案的柱子30的抗壓強度更高。
載荷傳遞組件52也可用于第一實施方案的鋼管32。開長孔的區段44也可由一個穿透管壁的周向環形縫隙來代替，用以吸收鋼管42的軸向應變量。亦即是，在兩根對接的管段46和46的端部之間不加焊接而留一個環形的間隙。或者也可以在鋼管42的全周長度上開一根或幾根環形溝槽以代替長孔48。
圖3和圖4中的實施方案的一種改進型式示于圖5和圖6，在該修改方案中有四個承力圓盤72焊于載荷傳遞組件52的連接板54、56和58的下部，這四個承力圓盤位于一水平面上并以90°的角間隔分布，如圖6中所示。圖中還示有圍繞著管子中心線按一定的角間隔軸向布置的鋼筋74。這些鋼筋放置在鋼管42和連接管段50內以后，將混凝土按常規的方式灌注到連接管段50和鋼管42的內部。從橫梁連接件62、64、66和68傳來的剪切力的大部分通過四個承力盤72傳遞給混凝土芯體36。由于管內有鋼筋74，柱子80比柱子40有更高的承載能力。這種加強用的鋼筋也可布置在圖1到圖4所示的柱子內。
另外還可將圖3和圖4中的柱子40作些改進，如圖7和圖8所示。改進方案中柱子90有一個預施應力的混凝土芯體92。一定數目的套管94(在本方案中共12根)圍繞著鋼管的中心線以相等的角間隔軸向地布置在鋼管42之內，如圖7和圖8所示。每根套管94中間套有一根供施加預應力的鋼桿96。混凝土硬化以后，對每根預應力桿96施加拉力。套管94和預應力桿96也可用于圖5和圖6中的柱子80以代替鋼筋74。
開有長孔的鋼管42的另外一種改進方案示于圖9。該方案中開有四排穿透管壁的長槽形孔102的管段100同心地插焊在對接的一對管段46之間。
圖10和圖11是圖3和圖4中鋼管混凝土柱子的另一改進方案。改進的特點是連接管段50與橫梁的連接結構。連接管段50的周圍焊有一個橫梁連接組件110。該橫梁連接組件110包括一對平行的法蘭112和114套置在連接管段50的外面并與之焊接。法蘭112和114之間焊有肋板116～130。這些肋板與連接管段50之間形成了四個互不相通的空間。肋板118、120、126和128的內端通過連接管段50的管壁同載荷傳遞組件52的連接板54、56和58的外端相連接。連接組件110的每一個角都與兩根互相垂直的H型綱梁132和140、134和144、136和142以及138和146連接。更具體地說，對于橫梁132，它的頂板152的一端同上法蘭112的一個角210的一條邊相焊，輻板172的一端同肋板124的一端相焊，其底板192同210角的另一條邊相焊。另一方面，橫梁140的頂板160的一端同210角的另一條邊相焊，其輻板180的一端同肋板116的一端相焊，其底板220的一端則同連接組件110的下法蘭114的同一角的一條邊相焊。其他幾根橫梁134～142和146也以同樣方式與連接組件110的其他幾個角的上法蘭112和下法蘭114相連接。
采用了這樣的結構以后，作用于橫梁132和134上的剪切力(主要作用于輻板172和174)，可以通過肋板124傳遞給連接板118，再由其通過連接管段50及連接板58傳遞到承力盤60，后者轉動將此載荷以軸向力的形式傳遞給混凝土芯體36。橫梁136和138將其承受的剪切力通過肋板130和120，連接管段50及連接板56傳遞給承力盤60。橫梁142和140將其承受的剪切力通過肋板116和128、連接管段50及連接板54傳遞給承力盤60。最后，橫梁144和146承受的剪切力則通過肋板122和126、連接管段50和連接板54傳遞給承力盤60。
在此改進方案中，橫梁132～146通過連接組件110同柱子40相連接，其連接板較前面幾個實施方案為長。這樣，橫梁132～146可以有較大的撓度，從而使這一改進型的結構比之前面提到的幾個方案具有一種柔性更好的將橫梁和柱子相連接的結構。這種連接結構也可用于圖3至圖8中的各個實施方案。
圖12至圖17示出了制造圖3和圖4中的改進型柱子40的步驟。首先制作一個圖5和圖6中所示的連接組件230。該組件中的連接管段50的兩端各焊到管段232上。另外制作一根在整個圓周面上帶有多個穿透長孔242的鋼管240。這根帶孔的鋼管240可以用離心鑄造法制造，或在常規的鋼管上用高壓水射流、高速切割刀具、氣焊切割器打孔。制成的帶孔管子240可以分割成長度為L的多根短管段244。一段短管244同心地焊接在比244長的管段232的一端，232的另一端同連接管段50相焊。這樣就形成如圖14所示的一根帶有連接組件230的鋼管件42。可以將幾根這樣的管件串連著焊接起來。在本實施方案中用兩根鋼管件串接起來形成組合的管件單元250，如圖14所示。然后在該組合管件單元250的內壁面涂上隔離層，使連成這一組合管件單元的各管段232、50和244不致與灌注進去的混凝土粘結在一起。隔離層是由涂抹上去的隔離材料形成的，例如油脂、石蠟、瀝青或其他類似的物料，或者在組合好的管子內壁敷一層塑料薄膜。隔離層也可以在幾根鋼管焊成組合件之前就涂敷好。
在建造建筑物的構架時，要準備多根上述的組合管件250。可用一臺起重機將第一層使用的組合管件250吊上基礎252，將焊有開孔段244的那一頭放在基礎252上。兩根橫梁254及254將兩根立起來的、相鄰的組合管件連接起來，梁的兩端同組合管件250上連接組件230的相應的接頭62和64用焊接的方式或螺栓相固定，如圖16所示。如需加裝鋼筋，可在此時按圖5和圖6的方式裝入管內。然后將混凝土灌注入組合管件250并進行養護。灌注時應在每根組合管件250的上部留下一小段空間，見圖1中的38，以供與隨后接裝在組合管件連接之用。接著就可將第二層和第三層用的組合管件250焊上去，帶孔管段244應該同已經安裝好的相應的組合管件250的上端相焊，如圖17所示。重復上述程序，就可建成一座兩層樓以上的建筑物的框架260，如圖中所示。
在上述建造工序中，使用的每根組合管件250由兩根帶連接組件230的鋼管42組成，但也可用只有一根或兩根以上鋼管42組成者。在將橫梁焊到組合管件250上以前，也可以有兩根以上組合管件先行串連焊接起來。
雖然在前述實施方案中鋼管42只有局部是帶長孔的，但長孔也可分布在整根管子的全部周面上，如圖12那樣。在裝配前，鋼管42可以沿軸向先拉伸一下以增加其長度。如此處理后在混凝土芯體受壓縮時，組合管件250的軸向應變量將會小些。在對鋼管42進行拉伸前，可以先在管上開好周向的切口，這樣當進行軸向拉伸時，切口將會變形成為較寬的縫隙242。
實例1準備了一段外徑為114毫米的鋼管，其壁厚為6.0毫米，長340毫米。鋼管的楊氏模量Es為2.1×106公斤/厘米2，屈服點為2900公斤/厘米2。將瀝青噴涂在其內壁面形成100微米厚的涂層。按表1的成份配制的混凝土灌注入并充滿上述有涂層的鋼管以形成一段試驗柱。表1中的數字為每種組分在每立方米的混凝土中所占的公斤數。用上述混凝土準備的一塊直徑為100毫米、高200毫米的試塊，其柱體強度為602公斤/厘米2，相當于美國水泥學會(ACI)規定的強度值，其楊氏模量為3.74×105公斤/厘米2。上述試驗柱是在養護凝固了四個星期后，然后再測定它的軸向載荷-應變特征。試驗時將試驗柱立著支承于水壓試驗機中，然后僅在混凝土芯體上部端面用油壓千斤頂施加軸向靜載荷。試驗結果示于圖18，圖中鋼管的軸向應變量∑Z和環向應變量∑θ用實線表示，混凝土芯體的軸向應變量δ則用點劃線表示。可以看出最大軸向荷載達到了168公噸，混凝土芯體的屈服強度為2056公斤/厘米2。
對比試驗1用例1中同樣成份的混凝土灌注入另一段尺寸和材質與例1中所用者相同的鋼管中。對這個試樣進行了同樣的試驗，所不同的是軸向靜荷載是施加在試驗柱子上端整個面上的。試驗結果示于圖19。可以看出最大軸向載荷為132公噸，混凝土芯體的屈服強度為1616公斤/厘米2，相當于實例1中混凝土柱的屈服強度的78.6%。
＊15～15毫米粒度的河床砂質礫石＊210～20毫米粒度的河床砂實例2用一根總長2800毫米的鋼管，其中間有一段是開長孔的，其兩端各以圖9所示的方式同心地焊上兩根鋼管。如圖實例1，這根帶有開孔段的鋼管內壁面涂一層100微米厚的瀝青。開孔段鋼管及其兩端的鋼管尺寸列于表2。鋼管的楊氏模量Es為2.1×106公斤/厘米2，其屈服點為3100公斤/厘米2。管子的開孔部分共有九排用高速切削法開的長孔，每排有四個孔，以θ2＝15°的角間隔均勻分布。每孔在垂直方向的寬度為3毫米，其弦長的對角為θ1＝75°。相鄰兩排孔的中心距D1為10毫米，最外一排孔的中線與帶孔管段邊緣之間的距離為20毫米。用表1中所列配方配制的混凝土將該內涂瀝青的鋼管從底部一直灌滿到頂部以構成一根試驗柱子。用同一配方配制的混凝土制成直徑為100毫米、高度為200毫米的試塊具有的柱體強度為420公斤/厘米2，其楊氏模量為2.94×105公斤/厘米2。試驗柱子養護凝固了四個星期，然后將該鋼管混凝土柱子水平放置，兩端在相對方向加以固定，在其一端施加恒定的102公噸的軸向力，保持其另一端靜止不動。在這樣的條件下，在距管子兩端各1/4長度處(鋼管總長為2L)從相對方向施加垂直的靜荷載P，見圖20。測得的力矩滯后回線示于圖21。圖20中的R角為鋼管中線與水平面之間形成的角度，單位為弧度，彎曲力矩為pL/4。
權利要求
1.一種鋼管混凝土柱子，其特征包括一根具有內壁表面的鋼管；一個位于該鋼管內部的混凝土芯體；一種隔離層，它被置于鋼管的內壁面和混凝土芯體之間，以將混凝土芯體與鋼管內壁面隔開，從而使鋼管同混凝土芯體不能粘結在一起。
2.根據權利要求
1中所述的鋼管混凝土柱子，其特征是，該鋼管具有吸收其在承受軸向載荷時所產生的軸向應變的能力。
3.根據權利要求
2中所述的鋼管混凝土柱子，其特征是，所述的隔離層是從一組物料，包括瀝青、油脂、油類、石蠟、紙及塑料中選用的一種物料形成的。
4.根據權利要求
3中所述的鋼管混凝土柱子，其特征是，所述的吸收軸向應變量的手段包括一個開有長孔的管段，它有幾排相等間隔布置在圓周上的長孔，位于相鄰兩排的相鄰的孔是叉開布置的。
5.根據權利要求
4中所述的鋼管混凝土柱子，其特征是，該柱子在承受過高的軸向載荷時，在其鋼管發生局部皺折之前，所述的帶有成排長孔的管段將會產生塑性變形，這種變形是由于長孔在垂直方向的寬度減小而造成的。
6.根據權利要求
5中所述的鋼管混凝土柱子，其特征是，在帶長孔的管段中軸向排列的長孔，其軸向寬度的總和大約等于由于使用此種柱子的建筑物施加于其上的傾復力矩所引起所述鋼管的最大軸向應變量。
7.根據權利要求
5中所述的鋼管混凝土柱子，其特征是，該柱子所用的鋼管包括一個開有長孔的帶孔管段，和分別與所述帶孔管段的兩端同心地焊接的一對鋼管。
8.根據權利要求
1至7中任一權利要求
所述的鋼管混凝土柱子，其特征是，所述及的鋼管還裝有一個帶連接橫梁的連接裝置，該連接裝置包括一根具有內壁表面的連接管段，以及連接于該連接管段內表面的載荷傳遞裝置，以將作用于連接管段上的載荷傳遞給混凝土芯體。
9.根據權利要求
8中所述的鋼管混凝土柱子，其特征是，所述的載荷傳遞裝置是一個由一對相互交叉，并平行于連接管段軸線的連接板構成的十字形連接板組件，各塊連接板的端部與連接管段的內壁連接。
10.根據權利要求
9中所述的鋼管混凝土柱子，其特征是，所述的載荷傳遞裝置還有一個支承裝置，它與所述的連接板組件相連接以支承連接板組件，并將軸向載荷從連接板組件傳遞給混凝土芯體。
11.根據權利要求
10中所述的鋼管混凝土柱子，其特征是，所述的支承裝置包括至少一塊連接于所述連接板組件的承力板，該承力板位于與連接管段軸線相垂直的平面內。
12.根據權利要求
11中所述的鋼管混凝土柱子，其特征是，所述的支承裝置有一塊連接于所述連接板組件的兩條對邊中一條上的，圓形承力盤，并與連接管段同心。
13.根據權利要求
11中所述的鋼管混凝土柱子，其特征是，所述的支承裝置包括四塊承力板，它們對稱布置于連接管段的軸線。
14.根據一種制造按權利要求
1中所述的鋼管混凝土柱子的方法，其特征包括下列步驟(1)準備一根鋼管;(2)在鋼管內壁面敷施一層隔離層以使鋼管的內壁面不致與灌注到鋼管內的混凝土粘結住;然后(3)將混凝土灌注入該內壁面有隔離層的鋼管以形成鋼管內的混凝土芯體，鋼管與混凝土芯體之間可相對滑移。
15.根據權利要求
14中所述的方法，其特征是所用的鋼管的準備工作包括下列步驟(4)在鋼管壁上沿周向開幾排穿透的長孔以吸收當鋼管承受軸向載荷時產生的軸向應變量;以及(5)同心地將一根連接管段同該鋼管連接起來，連接管段是供與橫梁構件連接之用;以及(6)在所述的連接管段上裝一個載荷傳遞組件，以供在橫梁構件同連接管段連接起來以后將所述的橫梁構件上的載荷通過連接管段傳遞到混凝土芯體上。
16.根據權利要求
15中所述的方法，其特征是，在所述的灌注混凝土的步驟之前，還有下列步驟(7)將所述的涂有隔離層的鋼管立裝起來;以及(8)將所述的橫梁構件同所述的連接管段連接起來。
17.根據權利要求
16中所述的方法，其特征是，它還包括下述步驟(9)將另外一根鋼管同內壁涂好所述的隔離層的鋼管同心地連接起來，并重復上述步驟(1)到(9)以建成一個建筑物的框架。
專利摘要
一種鋼管混凝土柱子，包括一根具有內壁面的鋼管，一個位于該鋼管內的混凝土芯體，一層置于鋼管內壁面和混凝土芯體之間的隔離層以將混凝土芯體同鋼管內壁面隔開，不使鋼管同混凝土芯體粘結起來。當鋼管內壁面上具有該隔離層之后，將混凝土灌注入鋼管內以形成混凝土芯體。
文檔編號E04C3/30GK86101986SQ86101986
公開日1986年9月3日 申請日期1986年3月3日
發明者佐藤孝典 申請人:清水建設株式會社導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan