一种不锈钢复合管-混凝土-碳素钢构件的制作方法

本发明属于工程结构技术领域，具体为一种外包不锈钢复合管中空夹层圆钢管混凝土构件。

背景技术：

中空夹层钢管混凝土构件是在实心钢管混凝土柱基础上提出来的一种新型组合构件。该构件由截面形心重合的内层钢管与外包钢管组成，并在钢管夹层填充混凝土使三者共同受力。中空夹层钢管混凝土组合构件既具备普通实心钢管混凝土构件的优良特性，又具有自重轻、抗弯刚度大等优势，因此在土木工程中具有广阔的应用前景。

结构在全寿命周期中所处的外界环境往往是复杂的，不可避免的会受到高温、强腐蚀以及撞击等外界条件作用。考虑到不锈钢是一种力学性能和使用性能都很优越的材料，它具有耐腐蚀、耐高温、塑性和延性好、抗撞击能力强、绿色环保等优点，采用该种材料作为外包钢可以有效降低外界环境对结构构件的不利影响，节省因碳素钢防腐处理所消耗的人力和物力。但相比于碳素钢，不锈钢的成本大约是碳素钢的四倍。若中空夹层钢管混凝土构件的外层钢管单纯采用不锈钢则会显著增加构件制作成本，为了降低构件造价并发挥不锈钢优良的材料特性，可采用外不锈钢-内碳素钢直接成型加工而成的复合管来代替单纯的不锈钢管，因此本专利申请的不锈钢复合管-混凝土-碳素钢构件具有耐腐蚀、耐高温、自重轻、抗撞能力强、成本低、绿色环保等优点。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种新型的外包不锈钢复合管中空夹层钢管混凝土组合构件。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种不锈钢复合管-混凝土-碳素钢构件，包括外包复合管和内部碳素钢管，所述外包复合管和内部碳素钢管之间浇筑自密实混凝土；空心率χ的范围为0.09≤χ≤0.73，其中，do为外包复合管外径，di为内部碳素钢管外径，to为外包复合管的壁厚。

所述外包复合管由内层碳素钢管嵌套于外层不锈钢管内壁构成。

所述外层不锈钢管、内层碳素钢管及内部碳素钢管的端面相平且截面几何中心重合。

使用时，外包复合钢管中的内层碳素钢管外壁直径等于其外围的外层不锈钢管内壁直径，外包复合管由内部碳素钢管和外层不锈钢管直接成型加工而成，该外包不锈钢复合管中空夹层圆钢管混凝土构件的空心率处于某一范围内，空心率不宜超过0.73。外包复合管(内层碳素钢管、外层不锈钢管)和内部碳素钢管均为无缝钢管。

外包不锈钢复合管是由土木工程领域广泛使用的奥氏体304不锈钢和普通碳素钢组合而成，不锈钢与普通碳素钢直接成型加工为复合管(外层不锈钢管-内层碳素钢管)，该复合管具有耐腐蚀、耐高温、成本低(与单纯不锈钢相比)、绿色环保、抗撞性好等优点；内部钢管采用普通碳素钢，内部碳素钢和复合管之间夹层填充混凝土。内外钢管的截面形式均为圆形，端面相平且截面几何中心重合。该类构件既具备普通实心钢管混凝土构件的优良特性，比如承载能力高、塑性和韧性好、施工方便等，又具有中空夹层钢管混凝土构件自重轻、抗弯刚度大和受压稳定性好等特点。

本发明所述的不锈钢复合管-混凝土-碳素钢构件具有如下优点：

1、外包不锈钢复合管中空夹层圆钢管混凝土构件中的外包不锈钢复合管不仅可以承受外部荷载作用，还可以约束内部混凝土并保护碳素钢免受外界环境的侵蚀，复合管的使用极大地减少了单纯使用不锈钢的用量，降低了造价。

2、本发明所生产的构件自重轻、抗弯刚度大、耐腐蚀、成本低、并具备优良的抗撞击性能，总体来看该发明构件性能优越，构造简单，价格低廉可以大范围推广。

基于上述优点，目前中空夹层钢管混凝土构件已被应用于输电塔中，其在高层建筑、海洋平台支架、桥墩等工程结构领域中也具有广阔的应用前景。

附图说明

图1表示不锈钢复合管-混凝土-碳素钢构件横截面示意图。

图2表示不锈钢复合管-混凝土-碳素钢构件的空心率计算示意图。

图3为不同空心率下外包不锈钢中空夹层圆钢管混凝土柱受横向撞击作用的撞击力时程曲线图。

图4为不同空心率下外包不锈钢中空夹层圆钢管混凝土柱受横向撞击作用的撞击力平台值曲线图。

图中：1-(外包复合管中的)外层不锈钢管，2-(外包复合管中的)内层碳素钢管，3-自密实混凝土，4-内部碳素钢管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种性能优越的不锈钢复合管-混凝土-碳素钢构件，图1为外包不锈钢复合管中空夹层圆钢管混凝土构件横截面示意图，包括外包复合管和内部碳素钢管4，外包复合管和内部碳素钢管4之间的夹层中浇筑自密实混凝土3。

而且，外包不锈钢复合管中空夹层圆钢管混凝土构件的空心率应当处于某一范围内，即构件空心率χ的范围为0.09≤χ≤0.73，其中，do为外包复合管外径，di为内部碳素钢管外径，to为外包复合管的壁厚。空心率是此类构件设计的关键因素，空心率小于0.73时既能保证防撞性能又能减轻自重节约材料。

本申请人利用dhr9401落锤式冲击试验机完成了18根外包不锈钢-混凝土-碳素钢中空夹层钢管混凝土组合柱低速撞击试验，试验试件详细参数见表1。通过正交试验结果分析发现空心率对试件的耐撞性影响最显著。为合理建议空心率范围，在试验研究基础上进一步采用有限元软件abaqus对空心率的影响进行系统参数分析。首先基于试验结果验证了有限元建模的正确性，然后分析了空心率对外包不锈钢-混凝土-碳素钢中空夹层钢管混凝土构件抗撞击性能的影响。有限元参数分析中设计了10种不同空心率，空心率变化范围为0～0.9，所有构件除了空心率之外其他参数都相同。以撞击力时程曲线或撞击力平台值(撞击力曲线平台段的平均值)对构件的抗撞击性能进行判定，撞击力平台值越大表明构件的抗撞击性能越好。

表1试验试件详细参数

图3选取了4种空心率下外包不锈钢中空夹层圆钢管混凝土柱遭受横向撞击作用下的撞击力时程曲线图，发现当空心率超过0.73时，撞击力峰值大幅降低，撞击力持时显著增加，撞击力平台值明显下降，说明构件的抗撞击性能显著降低；当空心率未超过0.73时，构件的撞击力平台值和撞击力持时都很接近，说明构件的抗撞击性能比较稳定。通过撞击力时程曲线得出，为了保证构件既能防撞又能减轻自重，建议构件的空心率不宜超过0.73。

图4为不同空心率下外包不锈钢中空夹层圆钢管混凝土柱受横向撞击作用的撞击力平台值曲线图，撞击力平台值也可以作为一个衡量构件耐撞性能的指标。由图可见当空心率在0.09～0.73之间时，构件的撞击力平台值波动较小；空心率在0.45～0.55之间时，构件的撞击力平台值达到峰值；当空心率大于0.73之后，构件的撞击力平台值显著下降。以上表明当构件的空心率在0.45～0.55之间时，构件的抗撞击性能最优，当构件的空心率超过0.73时，构件的抗撞击性能显著降低。

综上，根据撞击力时程曲线和撞击力平台值判断标准对试件进行耐撞性设计时，试件的合理空心率范围应该控制在0.09～0.73之间，试件空心率的最优范围为0.45～0.55。

具体实施时，外包复合管由内层碳素钢管2嵌套于外层不锈钢管1内壁构成，即外层不锈钢管1的内壁直径等于内层碳素钢管2的外壁直径；外层复合钢管由内层碳素钢管2和外层不锈钢管1直接成型加工而成。

外层不锈钢管1、内层碳素钢钢2及内部碳素钢管4的端面相平(长度相同)且截面圆形几何中心重合。

内部碳素钢管4的壁厚ti小于外包复合管的壁厚to(0<ti/to<1，优选ti/to＝0.5)。

外层不锈钢管1的壁厚to1小于内层碳素钢管2的壁厚to2(0<to1/to2≤0.5，优选to1/to2＝0.3)。

外层不锈钢管1、内层碳素钢钢2及内部碳素钢管4均选择无缝钢管。

外层不锈钢管1采用奥氏体304不锈钢。

外包不锈钢中空夹层圆钢管混凝土构件不仅具有普通实心钢管混凝土构件的优点，还具有自重轻、耐腐蚀、抗氧化、抗撞击等优势，但外层钢管单纯使用不锈钢使得制作成本偏高。构件中外包复合管采用奥氏体304不锈钢管和普通碳素钢管，降低了不锈钢的用量且能够发挥不锈钢的优良特性，奥氏体304不锈钢管材在建筑结构上比较适用，内层碳素钢管采用普通碳素钢管；外包复合管和内部碳素钢管之间夹层浇筑自密实混凝土。考虑到构件空心率对其抗撞击性能的影响，本发明建议构件空心率不宜超过0.7，在保证试件耐撞性能的同时可以降低结构自重，节约材料。

采用不锈钢复合管作为外包钢管的中空夹层钢管混凝土构件不仅具有优良的耐腐蚀性、耐高温性、防撞性能，而且具有抗弯刚度大、自重轻、成本低、绿色环保的优点，因而可以用于一些高耸建筑、腐蚀性比较强的地区或者是容易受到撞击的建筑当中，如输电塔、海洋平台支架柱、桥墩、防撞护栏等。

虽然以上描述了本发明的具体实施方案，本领域的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用变形、修饰、等同替换或等效替换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。