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1、10申请公布号CN102877596A43申请公布日20130116CN102877596ACN102877596A21申请号201210394840122申请日20121017E04C3/3420060171申请人太原理工大学地址030024山西省太原市迎泽大街79号72发明人王蕊崔娟玲李飞徐培红郭昭胜74专利代理机构太原科卫专利事务所普通合伙14100代理人朱源54发明名称钢管混凝土组合抗撞柱及其制备方法57摘要本发明涉及组合抗撞柱及其制造技术，具体为一种钢管混凝土组合抗撞柱及其制备方法，解决了现有的组合防撞柱（钢管混凝土柱）在突然遭遇侧向冲击时，容易发生脆性破坏的问题。一种钢管混凝土组合。
2、抗撞柱，包括钢管，所述钢管内填满混凝土，柱体的截面含钢率为0070178；长细比为1020；钢材屈服强度FY为200MPA500MPA；混凝土柱体抗压强度FCU为30MPA120MPA；轴压比N20，所述O是柱体的NM相关曲线上平衡点A的纵坐标。本发明设计合理，钢管混凝土柱的各种参数达到了优化配比，对钢管混凝土柱本身的抗冲击性能有了充分的研究和对抗撞性有了准确的预估，有效提高了结构柱的抗撞性能。51INTCL权利要求书1页说明书8页附图6页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书8页附图6页1/1页21一种钢管混凝土组合抗撞柱，包括钢管（1），所述钢管（1）内填满混。
3、凝土（2），其特征在于柱体的截面含钢率为0070178；长细比为1020；钢材屈服强度FY为200MPA500MPA；混凝土柱体抗压强度FCU为30MPA120MPA；轴压比N20，所述O是柱体的NM相关曲线上平衡点A的纵坐标。2根据权利要求1所述的钢管混凝土组合抗撞柱，其特征在于所述混凝土（2）采用如下重量份数配比的配方水1501863；粉煤灰16021701；水泥350454；沙子800838；石子820888；减水剂192249；碳纤维3251050。3根据权利要求2所述的钢管混凝土组合抗撞柱，其特征在于所述混凝土（2）为自密实混凝土。4根据权利要求1或2或3所述的钢管混凝土组合抗撞柱，。
4、其特征在于还包括抗撞网（3），所述抗撞网（3）包括由金属丝编织成的网片（4），所述网片（4）折成圆柱状后形成抗撞网（3），所述抗撞网（3）置于钢管（1）内、且其轴线与钢管（1）的轴线重合。5根据权利要求4所述的钢管混凝土组合抗撞柱，其特征在于所述网片（4）由直径为08MM的低碳钢丝、不锈钢丝或铝合金丝编织而成，网片（4）内网孔的规格是33MM的正方形。6根据权利要求4所述的钢管混凝土组合抗撞柱，其特征在于所述抗撞网（3）距离钢管（1）内壁的最短距离大于或者等于混凝土（2）内粗骨料粒径的2倍。7根据权利要求5所述的钢管混凝土组合抗撞柱，其特征在于所述抗撞网（3）距离钢管（1）内壁的最短距离大于或。
5、者等于混凝土（2）内粗骨料粒径的2倍。8根据权利要求6所述的钢管混凝土组合抗撞柱，其特征在于所述钢管（1）的截面为圆形或者多边形。9一种钢管混凝土组合抗撞柱的制备方法，其特征在于包括如下步骤A、将钢管（1）竖直放置于平面上；B、按照权利要求2所述的混凝土（2）的配方配置好混凝土（2）后将其从钢管（1）的上端灌入钢管（1），直至混凝土（2）灌满钢管（1）。10根据权利要求9所述的钢管混凝土组合抗撞柱的制备方法，其特征在于在步骤A中，在距离所述钢管（1）的底端50MM的环形截面处均布开有四个直径为10MM的圆孔；将抗撞网（3）置于所述钢管（1）内，抗撞网（3）与钢管（1）的轴线重合，且抗撞网（3）。
6、距离钢管（1）内壁的最短距离大于或者等于混凝土（2）内粗骨料粒径的2倍；在步骤B中，将配置好后的混凝土（2）从钢管（1）的上端灌入钢管（1），当钢管（1）下端的圆孔内有混凝土（2）流出后，继续灌注混凝土（2）直至灌满钢管（1）。权利要求书CN102877596A1/8页3钢管混凝土组合抗撞柱及其制备方法技术领域0001本发明涉及组合抗撞柱及其制造技术，具体为一种钢管混凝土组合抗撞柱及其制备方法。背景技术0002建筑物在其服役期间，很有可能会遭遇侧向撞击，尤其是随着城市化进程的加快，私家车数量不断增加，一些地下车库的结构柱以及路边建筑的底层柱会突然遭遇到冲击和碰撞荷载的侵袭，为了保证建筑物的安全。
7、性，需要采取一些必要的防撞措施，以达到建筑物安全性功能要求。目前，为了提高建筑物中底层结构柱耐撞性的措施主要有两种途径1、在结构柱外部附加防撞措施，比如在要保护的结构柱外侧设置防撞警示标志或防撞防护栏等；2、提高结构柱本身的抗撞能力。实际上，结构柱在遭遇碰撞等冲击荷载时，既使有防撞装置，也不可避免会承受冲击荷载，所以一旦冲击荷载大于结构柱的抗冲击能力时，结构柱就会突然破坏（脆性破坏），严重时可能会引起建筑物的连续倒塌，这在结构设计上是绝对不允许出现的。另外，虽然钢管混凝土结构柱已经运用到建筑物中，但是已有的技术主要集中于在结构柱外侧如何设置防撞装置和如何提高防撞装置的有效性上，由于在设计阶段，。
8、缺乏对钢管混凝土柱本身抗冲击性能的研究和抗撞性的预估，导致钢管混凝土柱在实际应用中，突然遭受侧向冲击时会出现脆性破坏，进而导致严重的后果。0003然而，结构柱在遭遇侧向冲击荷载时，其力学性能有别于承受常规静态荷载或地震荷载，所以在设计钢管混凝土抗撞柱时，其截面含钢率等多种参数以及混凝土的配方比都是技术关键。0004因此，有必要发明一种性能优越的钢管混凝土组合抗撞柱。发明内容0005本发明为了解决现有的组合抗撞柱（即钢管混凝土柱）在突然遭遇侧向冲击时，容易发生脆性破坏的问题，提供了一种性能优越的钢管混凝土组合抗撞柱。0006本发明是采用如下技术方案实现的0007一种钢管混凝土组合抗撞柱，包括钢管。
9、，所述钢管内填满混凝土，柱体的截面含钢率为0070178；长细比为1020；钢材屈服强度FY为200MPA500MPA；混凝土柱体抗压强度FCU为30MPA120MPA；轴压比N20，所述O是柱体的NM相关曲线上平衡点A的纵坐标。0008截面含钢率AS/AC（AS为钢管截面面积，AC为混凝土截面面积）。研究结果表明，当钢管混凝土的约束效应系数FY/FCU1时，钢管混凝土柱在侧向冲击荷载作用下的破坏表现为脆性破坏模式，这种模式的破坏在结构的设计中是不允许的，所以，在抗撞柱的设计中限定钢管混凝土的约束项系数须大于1，由此得出截面含钢率006，但是，经过研究表明，为了更好地防止钢管混凝土柱发生脆性破。
10、坏，柱体的截面含钢率更加优选地选择为007；另一方面，如果截面含钢率较大时，不能充分体现出钢管混凝土柱在经说明书CN102877596A2/8页4济上的优势，所以截面含钢率02，但是经过研究表明，柱体的截面含钢率优选地选择为0178。具体实验数据如表1所示0009表1试件编号和试验结果0010说明书CN102877596A3/8页500110012上表中，实验数据证实当截面含钢率为0060时，钢管混凝土抗撞柱确实发生了脆性破坏，试验数据与理论计算相吻合，进一步表明截面含钢率为0060是钢管混凝土柱在发生脆性破坏和韧性破坏之间的临界点。0013如图5、6、7所示，分别表示出三组实验中，冲击高度分。
11、别为080M、100M和120M时的冲击力时程曲线，可以看到随着冲击高度的增加，冲击力的峰值增大，加载的时间增长。0014如图5所示，给出了DBF组试件（截面含钢率为0060）在不同下落高度落锤冲击的冲击力时程曲线，可以看到冲击力时程曲线未出现冲击力的平台阶段（短暂维持53KN）。在实测中，试件（钢管混凝土抗撞柱）的跨中挠度到达3270MM时，试件就发生了跨中开裂的现象，所以对于钢管壁厚较薄的钢管混凝土抗撞柱来说，其侧向冲击破坏无韧性破坏特性，呈现脆性破坏。而且，DBF组试件在无轴向压力作用下受不同下落高度落锤冲击后的残余变形模式中，可以看到随着落锤冲击高度的增加，其跨中挠度不断增加，当冲击高。
12、度为1M时，试件跨中钢管底部首次出现了开裂，其裂缝长度为1760MM，开裂最宽处的宽度为148MM，在其冲击力时程曲线中可以看到卸载阶段曲线变化较缓；当冲击高度继续增加时，试件跨中钢管的开裂程度加大，冲击高度为12M时，裂缝长205MM，宽330MM；冲击高度为15M时，裂缝长198MM，宽346MM。说明，此时的钢管混凝土结构柱不具备很好的抵抗侧向冲击的韧性，发生了脆性破坏。0015如图6所示，给出了DZF组试件（截面含钢率为0135）在不同下落高度落锤冲击的冲击力时程曲线，可以看到冲击力时程曲线明显划分成三个阶段冲击力迅速加载阶段落锤刚接触的瞬间，试件的冲击力迅速达到峰值，然后迅速衰减；冲。
13、击力平台阶段在试件经历了初期的振荡之后，冲击力稳定在一定值（基本维持在100KN左右），且这个阶段持续的时间较长，冲击力能量主要耗散在这个阶段；冲击力卸载阶段冲击力在经过一个稳定的时期后，迅速衰减，直至冲击力减小到零。而且，DZF组试件在无轴向压力作用下经不同下落高度落锤冲击后的残余变形模式中，可以看到随着落锤冲击高度的增加，其跨中挠度不断增加，当冲击高度为70M时，试件跨中钢管底部首次出现了开裂。说明，此时的钢管混凝土结构柱具备很好的抵抗侧向冲击的韧性。0016如图7所示，给出了DHF组（截面含钢率为0178）中典型的冲击力时程曲线，说明书CN102877596A4/8页6可以看到其冲击力的。
14、时程曲线同样经历了冲击力峰值、平台值和卸载三个阶段。冲击力的平台值基本维持在120KN左右，其平台值比DBF组的53KN和DZF组的100KN都大，冲击力的持续时间随着冲击高度的增加而不断增加的。而且，DZF组试件在无轴向压力作用时经不同下落高度落锤冲击后的残余变形模式中，可以看到随着落锤冲击高度的增加，试件跨中挠度增大，但在本次试验中由于试验条件的限制未观察到试件跨中钢管底部的开裂。说明，此时的钢管混凝土结构柱具备了相当好的抵抗侧向冲击的韧性。0017由表1和图5、6、7综合分析可知，含钢率为0070178时，钢管混凝土组合抗撞柱表现出优越的抵抗侧向冲击能力和很好的韧性，满足实际要求。001。
15、8图4是钢管混凝土柱的NM相关曲线，即表示弯矩和轴力关系曲线，其中，横坐标为截面弯矩值与截面极限弯矩值的比值，纵坐标为截面承受轴向力值与截面极限轴力值的比值（即轴压比）。对于钢管混凝土组合抗撞柱而言，其弯矩和轴力关系曲线（NM相关曲线）上存在一个平衡点A。如令A点的横、纵坐标分别为0和O，则存在如下关系0019；00200021其中FY/FCU1，AS/AC（AS为钢管截面面积，AC为混凝土截面面积）。0022长细比是指杆件的计算长度与杆件截面的回转半径之比。研究结果表明，当钢管混凝土组合抗撞柱的长细比大于20时，在其NM的相关曲线上不具有拐点A，轴向力的存在对其抗侧向撞击性能有不利影响。但是。
16、在实际中，一方面钢管混凝土柱在服役期间必然需要承担由楼板以及自身产生的恒荷载和活荷载所偶合引起的轴向力，为避免轴向力对钢管混凝土柱的影响，所以选定抗撞柱的长细比需小于20；另一方面，如图8所示，是钢管混凝土柱的抗压性能与长细比的关系曲线，其中，横坐标是长细比，纵坐标是抗压性能。由图8可知，对于长细比小于10的钢管混凝土柱，在截面几何尺寸和选用材料一定的情况下，抗压能力不随结构柱长细比的变化而变化，结构柱类型属于短柱，其在侧向力作用下的变形呈现出剪切变形的特点，所以，当钢管混凝土柱突然遭遇侧向冲击荷载时，会产生对边界的严重破坏，而且其破坏形式不具有压弯破坏的特点，不符合结构柱的设计要求；当长细比。
17、大于10后，结构柱的轴向承载能力随构件长细比的增加而不断减小，这种结构柱在侧向力作用下的变形为弯剪型和弯曲型，为了充分发挥材料的抗弯性能，所以钢管混凝土柱在设计时，其长细比需大于10，但长细比也不能太大，主要有以下两个原因1、长细比太大，结构柱截面的抗弯能力将变很小，并且结构柱可能出现性能不稳定问题，对结构柱的抗撞性能不利；2、当钢管混凝土柱的长细比大于20时，其NM的相关曲线不具有拐点A，轴向力的存在对其抗侧向撞击性能有不利影响。所以，钢管混凝土组合抗撞柱的长细比在1020之间为宜。0023钢材屈服强度FY为200MPA500MPA，满足结构设计基本强度。0024混凝土柱体抗压强度FCU为3。
18、0MPA120MPA，满足结构设计基本强度。0025轴压比是柱体截面承受轴向力值与截面极限轴力值的比值，研究表明轴压比N20，所述O是柱体的NM相关曲线上平衡点A的纵坐标。由图4可知，当轴压比N20时，截面弯矩值与截面极限弯矩值的比值（横坐标）大于1，表明在此工况下，截面可说明书CN102877596A5/8页7承受的弯矩值大于截面极限弯矩值，说明此时轴向力的存在可提高柱体截面的抗弯性能，即轴压力对截面抗弯性能是有利的；当轴压比N20时，随着轴压的增加，截面可承受弯矩值与截面极限弯矩值的比值不断减小，说明在此工况下，轴向力会降低截面的抗弯能力。试验研究结果也表明，当钢管混凝土组合抗撞柱的轴压比。
19、N20，在遭遇侧向撞击荷载时，会迅速丧失抗撞承载能力，所以，钢管混凝土的组合抗撞柱的轴压比N20。0026另外，钢管内混凝土的密实度将直接影响钢管混凝土柱的承载能力，所以为了保证其管内混凝土的密实度，抗撞柱中的混凝土易采用自密实混凝土，已有的研究结果表明，钢管混凝土柱在侧向撞击荷载作用下的最终破坏主要表现为管内混凝土开裂，截面内力充分不会造成外钢管的开裂，所以在抗撞柱设计中为了有效避免管内混凝土的开裂是解决问题的关键，当钢管内灌注如下配方的混凝土时，其抗撞击能力比灌注普通自密实混凝土时的承载能力可提高25。0027所述混凝土采用如下重量份数配比的配方水1501863；粉煤灰16021701；水。
20、泥350454；沙子800838；石子820888；减水剂192249；碳纤维3251050。0028混凝土材料的弹性变形能力和开裂荷载随混凝土强度的增加而减小；而纤维材料的弹性和韧性都很好。所以在混凝土中添加纤维材料可以改善高强度混凝土的韧性和抗裂能力。具体试验中，对不同强度的混凝土材料配以不同含量的纤维材料，然后进行混凝土的抗裂试验，即将加有碳纤维的混凝土与制备同强度的常规自密实混凝土浇筑的钢管混凝土构件（选用114MMX35MM空钢管）相比，将两个对比构件进行侧向冲击试验。试验结果表明，钢管内灌注本发明配方的混凝土时，其抗撞击能力比灌注普通自密实混凝土时的承载能力可提高25，如表3所示0。
21、029表300300031本发明还提供了上述钢管混凝土组合抗撞柱的制备方法，包括如下步骤0032A、将钢管竖直放置于平面上；0033B、按照上述所述的混凝土的配方配置好混凝土后将其从钢管的上端灌入钢管，直至混凝土灌满钢管。0034基于上述过程，在建筑物设计阶段，钢管混凝土柱的各种参数达到了优化配比，对钢管混凝土柱本身的抗冲击性能有了充分的研究和对抗撞性有了准确的预估，有效提高了结构柱的抗撞性能，使的结构柱在突然受到侧向冲击时，能够最大限度地发生韧性破坏，而不发生脆性破坏。由于钢管混凝土柱在发生韧性破坏后还具有较强的支撑能力，避免建筑说明书CN102877596A6/8页8物发生连续性倒塌，给人。
22、员提供了极其宝贵的逃生时间，极大地维护了生命财产安全。0035本发明设计合理，有效解决了现有的钢管混凝土柱在突然遭遇侧向冲击时，容易发生脆性破坏的问题。附图说明0036图1是本发明一实施例的结构示意图。0037图2是本发明另一实施例的结构示意图。0038图3是网片的结构示意图。0039图4是钢管混凝土柱的NM相关曲线。0040图5是DBF组的冲击力时程曲线。0041图6是DZF组的冲击力时程曲线。0042图7是DHF组的冲击力时程曲线。0043图8是钢管混凝土柱的抗压性能与长细比的关系曲线。0044图中1钢管，2混凝土，3抗撞网，4网片。具体实施方式0045下面结合附图对本发明的具体实施例进行。
23、详细说明。0046一种钢管混凝土组合抗撞柱，包括钢管1，所述钢管1内填满混凝土2，柱体的截面含钢率为0070178；长细比为1020；钢材屈服强度FY为200MPA500MPA；混凝土柱体抗压强度FCU为30MPA120MPA；轴压比N20，所述O是柱体的NM相关曲线上平衡点A的纵坐标。0047所述混凝土2采用如下重量份数配比的配方水1501863；粉煤灰16021701；水泥350454；沙子800838；石子820888；减水剂192249；碳纤维3251050。0048截面含钢率AS/AC（AS为钢管截面面积，AC为混凝土截面面积）。研究结果表明，当钢管混凝土的约束效应系数FY/FCU1。
24、时，钢管混凝土柱在侧向冲击荷载作用下的破坏表现为脆性破坏模式，这种模式的破坏在结构设计中是严禁禁止的，所以，钢管混凝土的约束项系数须大于1，由此得出截面含钢率006。另一方面，如果截面含钢率较大时，不能充分体现钢管混凝土经济上的优势，所以截面含钢率02。但是，经过了对不同含钢率的钢管混凝土进行了侧向冲击的试验研究后，研究结果表明，含钢率低于007的钢管混凝土柱在遭遇到侧向冲击作用下，冲击力没有明显的平台式，并且当侧向位移较小时钢管就会出现开裂的现象，总体表现为脆性破坏的形态，这种破坏形态在结构中是极其危险的；而当含钢率为0135和0178的两组构件，其底部钢管开裂前，构件的侧向位移较大，且冲击。
25、力经历了较为明显的平台值阶段，表现出明显的韧性破坏状态。0049实施时，含钢率可以选择007、008、009、010、0135、0150、0173、0178。0050长细比可以选择10、12、15、17、20。0051钢材屈服强度FY可以选择200MPA、300MPA、400MPA、500MPA，均满足结构设计基本强度。0052混凝土柱体抗压强度FCU可以选择30MPA、40MPA、50MPA、60MPA、70MPA、80说明书CN102877596A7/8页9MPA、90MPA、100MPA、110MPA、120MPA，均满足结构设计基本强度。0053轴压比N20，研究结果表明，当钢管混凝土。
26、柱的轴压比N20时，在遭遇侧向撞击荷载时，将迅速丧失抗撞承载能力，所以在钢管混凝土抗撞柱设计时，其轴压比N20。所述O的计算过程如下如图4所示，是钢管混凝土柱的NM相关曲线，即表示弯矩和轴力关系曲线，其中，横坐标为截面弯矩值与截面极限弯矩值的比值，纵坐标为截面承受轴向力值与截面极限轴力值的比值（即轴压比）。对于钢管混凝土组合抗撞柱而言，其弯矩和轴力关系曲线（NM相关曲线）上存在一个平衡点A。如令A点的横、纵坐标分别为0和O，则存在如下关系0054；00550056其中FY/FCU1，AS/AC（AS为钢管截面面积，AC为混凝土截面面积）。0057钢管内混凝土的密实度将直接影响钢管混凝土柱的承载。
27、能力，所以为了保证其管内混凝土的密实度，抗撞柱中的混凝土易采用自密实混凝土，已有的研究结果表明，钢管混凝土柱在侧向撞击荷载作用下的最终破坏主要表现为管内混凝土开裂，截面内力充分不会造成外钢管的开裂，所以在抗撞柱设计中为了有效避免管内混凝土的开裂是解决问题的关键，当管内灌注如下表2配方的混凝土时，其抗撞击能力比灌注普通自密实混凝土时的承载能力可提高25。表2配方如下单位是KG/M30058表200590060具体实施时，所述钢管1的截面为圆形或者多边形。钢管混凝土柱内还包括抗撞网3，所述抗撞网3包括由金属丝编织成的网片4，所述网片4折成圆柱状后形成抗撞网3，说明书CN102877596A8/8页。
28、10所述抗撞网3置于钢管1内，所述抗撞网3的轴线与钢管1的轴线重合。所述网片4采用延性好的直径为08MM的低碳钢丝、不锈钢丝或铝合金丝编织而成，网片4内网孔的规格是33MM的正方形。所述抗撞网3距离钢管1内壁的最短距离大于或者等于混凝土2内粗骨料粒径的2倍，目的是使混凝土均匀灌注在抗撞网3和钢管1的内壁之间，避免发生混凝土中的粗骨料卡在抗撞网3和钢管1的内壁之间，影响混凝土2在钢管1内的密实度。研究表明，当在钢管混凝土柱中加入防撞网时，钢管混凝土柱的抗撞承载能力比不加防撞网的钢管混凝土柱的抗撞承载力高815。0061上述钢管混凝土组合抗撞柱的制备方法，包括如下步骤0062A、将钢管1竖直放置，。
29、在距离钢管1的底端50MM的环形截面处均布开有四个直径为10MM的圆孔；将抗撞网3置于所述钢管1内，抗撞网3与钢管1的轴线重合，且抗撞网3距离钢管1内壁的最短距离大于或者等于混凝土2内粗骨料粒径的2倍；0063B、按照相应的混凝土配方（如表2所示）配置好混凝土2后将其从钢管1的上端灌入钢管1，当钢管1下端的圆孔内有混凝土2流出后，继续灌注混凝土2直至灌满钢管1。0064在所述钢管1的下端开有圆孔的目的是通过观察圆孔内是否有混凝土流出来判断在钢管内灌注混凝土时，混凝土是否到达了钢管的底部。如果混凝土灌注在钢管内达到一定高度（即具有一定压力）时，圆孔内有混凝土流出，则表明混凝土灌注到了钢管的底部，。
30、混凝土在钢管内没有空隙，是密实的。0065注在混凝土配方中，粗骨料是石子，细骨料是沙子。0066按上述步骤制造的钢管混凝土组合抗撞柱，钢管混凝土柱的各种参数达到了优化配比，提高了钢管混凝土柱本身的抗冲击性能，在加入了抗撞网后又进一步强化了柱体本身的抗冲击性能。同时，对柱体的抗撞性有了准确的预估，在突然遭遇侧向冲击时，能够最大限度地发生韧性破坏，而不发生脆性破坏。说明书CN102877596A101/6页11图1说明书附图CN102877596A112/6页12图2说明书附图CN102877596A123/6页13图3图4说明书附图CN102877596A134/6页14图5说明书附图CN102877596A145/6页15图6说明书附图CN102877596A156/6页16图7图8说明书附图CN102877596A16。