一种内部具有负泊松比约束效应的方钢管混凝土柱的制作方法

本实用新型涉及一种钢与混凝土组合结构，尤其涉及一种内部具有负泊松比约束效应的方钢管混凝土柱。

背景技术：

钢管混凝土柱在受到轴向压力时，由于混凝土泊松比小于钢材泊松比，所以在开始受压时钢管径向膨胀变形大于混凝土径向膨胀变形，此时钢管对混凝土并没有起到约束作用。随着轴向压力增大，混凝土泊松比将增大，当其径向膨胀变形大于钢管径向变形时，则会受到外部钢管的被动约束效用。

为了改善混凝土受到的约束效用和其力学性能，有必要研究一种具有主动约束效用的钢管混凝土柱，通过改善内部混凝土力学性能，进一步提高钢管混凝土柱的承载能力与延性性能。本实用新型通过在内部钢管壁上交错开孔，以使其在轴向压力作用下发生径向收缩变形，从而对其内部的混凝土产生主动约束作用。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了改善现有钢-混凝土组合结构中约束混凝土技术上的不足，提供一种内部具有负泊松比约束效应的方钢管混凝土柱，将钢管对内部混凝土的被动约束转变为主动约束，以此提高钢管混凝土柱的承载能力和延性性能。

本实用新型采用的技术方案为：一种内部具有负泊松比约束效应的方钢管混凝土柱，包括外部方钢管、内部开孔方钢管、拉筋和混凝土；

所述外部方钢管与内部开孔方钢管之间设有拉筋，拉筋将钢筋两端以90°弯起，弯钩分别焊接在外部方钢管与内部开孔方钢管的壁上，使内部和外部方钢管协同工作；

所述内部开孔方钢管的表面开设有具有负泊松比效应的交错型长方形孔洞，并将孔洞周边打磨光滑，使其受压时减小孔周围的应力集中，在受压时发生收缩变形对内部混凝土产生具有负泊松比效应的主动约束作用；

所述方钢管混凝土柱内部浇筑有混凝土；

所述外部方钢管、内部开孔方钢管均选择无缝方钢管，内部开孔方钢管的壁厚小于8mm。

作为优选，所述交错型长方形孔洞的倾角α可以分别选择30°，45°，60°。

作为优选，以四个交错型长方形孔洞为一个单元，交错型长方形孔洞分为垂直和倾斜两种，交错型长方形孔洞长度为l，宽度为c,其中l：c＝20：1，d为外部方钢管边长，d为内部开孔方钢管边长，d＝0.45～0.6d，t1为外部方钢管壁厚，t2为内部开孔方钢管壁厚；s1为两根拉筋间的距离，s1＝0.375d；s2为纵向内部开孔方钢管间的距离，s2＝0.25d；s3为相邻两单元中心间的距离，s3＝1.2l；b1为内部开孔方钢管外壁到外部方钢管外壁间的距离，b1+d/2＝d/2；b2为拉筋到外部方钢管外壁间的距离，b2+s1＝d/2；a1为斜孔到竖向轴线的距离，a1＝0.5s2，即a1＝0.125d；a2为纵向孔洞到其所在单元中心轴线的垂直距离a2＝0.1l；a3为斜孔到其所在单元中心轴线的垂直距离，a3＝0.4l。

作为优选，在交错开孔完成后，所述交错型长方形孔洞处填充上hy-t119水钻胶水，防止在浇筑混凝土时开孔被堵住，同时不影响孔的变形。

本实用新型取得的有益效果是：本实用新型与普通的钢管混凝土柱相比，对柱内混凝土具有明显的负泊松比约束效应，将混凝土受到的被动约束转变为主动约束，提高内部混凝土受到的约束作用以进一步改善混凝土力学性能。

附图说明

图1是本实用新型一种内部具有负泊松比约束效应的方钢管混凝土柱横向截面示意图；

图2是本实用新型一种内部具有负泊松比约束效应的方钢管混凝土柱竖向截面示意图；

图3是本实用新型一种内部具有负泊松比约束效应的方钢管混凝土柱的内部钢管平面展开图。

图4是本实用新型一种内部具有负泊松比约束效应的方钢管混凝土柱立体示意图。

图中：1-外部方钢管2-内部开孔方钢管3-拉筋4-交错型长方形孔洞5-混凝土。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步的详细说明：

如图1-4所示，一种内部具有负泊松比约束效应的方钢管混凝土柱，包括外部方钢管1、内部开孔方钢管2、拉筋3和混凝土5；

所述外部方钢管1与内部开孔方钢管2之间设有拉筋3，拉筋3将钢筋两端以90°弯起，弯钩分别焊接在外部方钢管1与内部开孔方钢管2的壁上，使内部和外部方钢管协同工作；

所述内部开孔方钢管2的表面开设有具有负泊松比效应的交错型长方形孔洞4，并将孔洞周边打磨光滑，使其受压时减小孔周围的应力集中，在受压时发生收缩变形对内部混凝土产生具有负泊松比效应的主动约束作用；

所述方钢管混凝土柱内部浇筑有混凝土5；

所述外部方钢管1、内部开孔方钢管2均选择无缝方钢管，内部开孔方钢管2的壁厚小于8mm。

所述交错型长方形孔洞4的倾角α可以分别选择30°，45°，60°。

以四个交错型长方形孔洞4为一个单元，交错型长方形孔洞4分为垂直和倾斜两种，交错型长方形孔洞4长度为l，宽度为c，其中l：c＝20：1，d为外部方钢管1边长，d为内部开孔方钢管2边长，d＝0.45～0.6d，t1为外部方钢管1壁厚，t2为内部开孔方钢管2壁厚；s1为两根拉筋3间的距离，s1＝0.375d；s2为纵向内部开孔方钢管2间的距离，s2＝0.25d；s3为相邻两单元中心间的距离，s3＝1.2l；b1为内部开孔方钢管2外壁到外部方钢管1外壁间的距离，b1+d/2＝d/2；b2为拉筋3到外部方钢管1外壁间的距离，b2+s1＝d/2；a1为斜孔到竖向轴线的距离，a1＝0.5s2，即a1＝0.125d；a2为纵向孔洞到其所在单元中心轴线的垂直距离a2＝0.1l；a3为斜孔到其所在单元中心轴线的垂直距离，a3＝0.4l。

在交错开孔完成后，所述交错型长方形孔洞4处填充上hy-t119水钻胶水，防止在浇筑混凝土时开孔被堵住，同时不影响孔的变形。hy-t119水钻胶胶体透明无色且富有弹性，能防止在浇筑混凝土时孔洞被堵住而丧失负泊松比效应。

在上述方案中，负泊松比效应是指材料在纵向受拉伸时，弹性范围内横向发生膨胀；而纵向受压缩时，材料的横向反而会发生收缩。该钢管混凝土柱通过在内部钢管上交错开孔使其具有负泊松比约束效应。其在纵向受压时，内部钢管上的交错孔洞发生形变，由于负泊松比效应的存在，横向则会收缩，从而对核心混凝土起到约束作用。

在上述方案中，采用无缝钢管与圆钢等实心钢材相比，在抗弯抗扭强度相同时，重量较轻，经济性好，并且可以提高材料利用率，简化制造工序。外部方钢管厚度t1按承载力计算确定，内部方钢管厚度可取t2，一般来说t1＞t2，且2mm≤t2≤8mm。

在上述方案中，在内部钢管轴向受压而横向收缩时，由于拉筋的存在，同时也会对外部钢管起到反作用力，用以抵消部分外部钢管受压向外膨胀的作用力。

以上结合附图对本实用新型的实施方式做出详细说明，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本实用新型的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本实用新型的保护范围内。

技术特征：

1.一种内部具有负泊松比约束效应的方钢管混凝土柱，其特征在于：包括外部方钢管、内部开孔方钢管、拉筋和混凝土；

所述外部方钢管与内部开孔方钢管之间设有拉筋，拉筋将钢筋两端以90°弯起，弯钩分别焊接在外部方钢管与内部开孔方钢管的壁上；

所述内部开孔方钢管的表面开设有具有负泊松比效应的交错型长方形孔洞，并将孔洞周边打磨光滑；

所述方钢管混凝土柱内部浇筑有混凝土；

所述外部方钢管、内部开孔方钢管均选择无缝方钢管，内部开孔方钢管的壁厚小于8mm。

2.根据权利要求1所述的一种内部具有负泊松比约束效应的方钢管混凝土柱，其特征在于：所述交错型长方形孔洞的倾角α分别选择30°，45°，60°。

3.根据权利要求1所述的一种内部具有负泊松比约束效应的方钢管混凝土柱，其特征在于：以四个交错型长方形孔洞为一个单元，交错型长方形孔洞分为垂直和倾斜两种，交错型长方形孔洞长度为l，宽度为c，其中l∶c＝20∶1，d为外部方钢管边长，d为内部开孔方钢管边长，d＝0.45～0.6d，t1为外部方钢管壁厚，t2为内部开孔方钢管壁厚；s1为两根拉筋间的距离，s1＝0.375d；s2为纵向内部开孔方钢管间的距离，s2＝0.25d；s3为相邻两单元中心间的距离，s3＝1.2l；b1为内部开孔方钢管外壁到外部方钢管外壁间的距离，b1+d/2＝d/2；b2为拉筋到外部方钢管外壁间的距离，b2+s1＝d/2；a1为斜孔到竖向轴线的距离，a1＝0.5s2，即a1＝0.125d；a2为纵向孔洞到其所在单元中心轴线的垂直距离a2＝0.1l；a3为斜孔到其所在单元中心轴线的垂直距离，a3＝0.4l。

4.根据权利要求1所述的一种内部具有负泊松比约束效应的方钢管混凝土柱，其特征在于：所述交错型长方形孔洞处填充上hy-t119水钻胶水。

技术总结
本实用新型公开了一种内部具有负泊松比约束效应的方钢管混凝土柱，包括外部方钢管、内部开孔方钢管、拉筋以及混凝土。所述外部方钢管与内部开孔方钢管之间设有拉筋，拉筋将钢筋两端以90°弯起，弯钩分别焊接在外部方钢管与内部开孔方钢管的壁上；所述内部开孔方钢管的表面开设有具有负泊松比效应的交错型长方形孔洞，并将孔洞周边打磨光滑；所述方钢管混凝土柱内部浇筑有混凝土。本实用新型负泊松比约束效应通过在内部方钢管上交错开孔来实现。在柱子受压时，内部方钢管收缩，对核心混凝土起到主动约束作用。本实用新型改善了柱内混凝土的力学性能，提高了方钢管混凝土柱的轴压承载力与延性性能。

技术研发人员：岳健广;宋昱玮
受保护的技术使用者：南京工业大学
技术研发日：2019.07.04
技术公布日：2020.05.08