一种泡沫铝填充双钢管复合构件.pdf

本发明公开了一种泡沫铝填充双钢管复合构件，该构件为柱状结构，由外层至内层依次为外钢管(1)、泡沫铝(2)、内钢管(3)；所述外钢管(1)与内钢管(3)之间由泡沫铝(2)填充，内层钢管中心无填充。所述外钢管(1)的管壁厚度不小于内钢管(3)的管壁厚度。所述泡沫铝(2)为开孔或闭孔结构，其中可以充填高性能黏弹性材料。所述内外钢管为泡沫铝提供四周约束，提高泡沫铝的强度，而泡沫铝的加入则弥补了钢管构件阻尼低、吸能性能差的缺陷。所述外钢管和内钢管主要承担轴向作用力，填充其中的泡沫铝主要用于地震作用及强风强振动时吸收能量保护结构。本发明适用于高烈度区建筑与结构和高性能结构以及超高层建筑(如千米级建筑)。

1.  一种泡沫铝填充双钢管复合构件，其特征在于该构件为柱状结构，由外层至内层依次为外钢管（1）、泡沫铝（2）、内钢管（3）；所述外钢管（1）与内钢管（3）之间由泡沫铝（2）填充，内层钢管中心无填充。

2.  根据权利要求1所述泡沫铝填充双钢管复合构件，其特征在于：所述外钢管（1）的管壁厚度不小于内钢管（3）的管壁厚度。

3.  根据权利要求1所述泡沫铝填充双钢管复合构件，其特征在于：所述泡沫铝（2）为开孔或闭孔结构，其中可以充填高性能黏弹性材料。

一种泡沫铝填充双钢管复合构件
技术领域
本发明属于土木工程领域，具体涉及一种泡沫铝填充双钢管复合构件。
背景技术
泡沫铝是近年发展起来的一种新型功能材料，具有轻质、高比刚度、宏观多孔、组 织不均匀、压缩应力-应变曲线包含一个很长的平稳段等特点，材料本身的多孔效应使 得泡沫铝具有比其基体材料高得多的阻尼性能。随着相关研究的深入，泡沫铝逐渐被视 为一种在减振方面具有重要应用潜力的以高能量吸收为特征的轻质高阻尼材料。
另一方面，钢管结构由于其卓越的性能得到工程界的青睐，但是在多年的研究与生 产应用中所体现出来的低阻尼、易屈曲与吸能性能差等缺陷也引起了对于提高其综合性 能的广泛思考。现在普遍认可的一种方式就是在钢管内填充混凝土来改善钢管结构的性 能。虽然这一做法对于抑制钢管屈曲与发挥两种材料强度优势等方面有着显著的优势， 但是由于混凝土是脆性材料，在地震来临时整个构件仅有钢管屈服耗能，因此钢管混凝 土在吸能减振方面仍具有较大的提升空间。另外，混凝土的比重大导致了构件整体比重 也很大，限制了钢管混凝土构件的应用范围。
综合考虑以上各种因素，开发一种结合泡沫铝与钢管优势的泡沫铝填充双钢管复合 构件具有理论与现实意义。
发明内容
技术问题：针对钢管结构低阻尼、易屈曲与吸能性能差的缺陷与现有钢管混凝土减 振性能有待提高的问题，本发明提供了一种通过填充泡沫铝提高钢管耗能减振性能的泡 沫铝填充双钢管复合构件，该构件与现有的构件相比具有较大的比刚度和较好的耗能减 振性能。
技术方案：本发明的泡沫铝填充双钢管复合构件为柱状结构，由外层至内层依次为 外钢管、泡沫铝、内钢管；所述外钢管与内钢管之间由泡沫铝填充，内层钢管中心无填 充。
所述外钢管的管壁厚度不小于内钢管的管壁厚度。
所述泡沫铝为开孔或闭孔结构，其中可以充填高性能黏弹性材料。
在轴向压力作用下，由于泡沫铝的弹性模量较小，压力主要由内外钢管承受，此时 虽然泡沫铝的受力性能相对于未受四周约束的情况有所提高，但是与钢材相比差距仍较 大，因而这里泡沫铝的主要作用是给构件中的外钢管提供侧向支持力改善屈曲性能，同 时分担一小部分的压力。轴向受压时钢管承担主要压力，考虑到薄壁钢管受压易屈曲的 特性要求内外钢管具有一定的厚度，而且由于外钢管承受的弯矩更大，要求其厚度在原 有的基础上应该进一步增大。在地震作用等振动作用下，多孔的泡沫铝发生变形消耗了 大量的地震能量，同时钢材屈服也能消耗一部分能量，减振性能得到很大的提高。这两 者中以前者消耗的能量为主。
有益效果：
1.本发明提供了一种构造简单的泡沫铝填充双钢管复合构件，内外层钢管为泡沫铝 提供四周约束，泡沫铝为内外钢管提供侧向支撑，充分利用了三种材料的特性，在原基 础上极大地提高了钢管混凝土耗能减振性能。
2.本发明构件的内外钢管构件作为轴向受压时的主要承载部分，弥补了泡沫铝弹性 模量小易变形的不足。
3.本发明使用泡沫铝材料极大地减轻了结构的质量，提高了整体的比刚度。
因为本构件轻质、大比刚度与优良的耗能减振性能，其适用于高烈度区建筑与结构 和高性能结构以及超高层建筑(如千米级建筑)。
附图说明
图1为本发明泡沫铝填充双钢管复合构件的示意图；
图2为本发明泡沫铝填充双钢管复合构件的截面示意图。
图中：外钢管1、泡沫铝2、内钢管3。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
本发明泡沫铝填充双钢管复合构件自外至内依次为外钢管1、泡沫铝2和内钢管3， 构件的截面形式可以是圆形等封闭形状，下面以圆形截面、填充不添加高性能黏弹性材 料的泡沫铝的构件为例说明。
如图2所示，所述泡沫铝填充双钢管复合构件由内外双钢管构成，内外钢管之间填 充有泡沫铝材料，外钢管承受更大的弯矩，这就要求外钢管的厚度较大，在提高自身稳 定性的同时也为泡沫铝提供侧压力。
在轴向压力作用下，所述泡沫铝填充双钢管复合构件的内外钢管对填充其中的泡沫 铝提供四周约束，使泡沫铝处于多向受压状态，提高了泡沫铝的强度；另一方面，泡沫 铝给两侧的受压钢管提供了侧向支撑，同时保证空心的内外钢管具有相当的厚度，这样 就避免任何一根钢管出现屈曲失稳的情况，也满足了常规情况下抵抗风振等外界环境变 化的刚度要求。在遇到地震等强振动作用时，泡沫铝卓越的变形性能可以消耗大量能量， 相对于单纯依靠钢材屈服耗能减振而言，效果提升明显。
比重方面，将相同外径的钢管混凝土和本发明作对比。取外径均为1500mm、壁厚 15mm的钢管混凝土和本发明构件，其中钢管采用Q235钢，混凝土采用C30。取本发 明构件内钢管直径为1000mm，壁厚15mm，钢管比重取7.8，混凝土比重取2.5，泡沫 铝比重取0.25。计算两者的比重，前者的比重约为2.71，后者比重仅为0.643，两者相 差四倍多，可见本发明在减轻构件比重方面比现有钢管混凝土构件有了很大改进。
性价比方面，所述泡沫铝填充双钢管复合构件采用在两层钢管之间填充泡沫铝同时 设置内钢管中心为空心的方式，通过增加外钢管的壁厚来保证其在较大弯矩作用下的承 载力和稳定性，极大地节约了泡沫铝的用量，经济可靠。
本构件具体的截面形状、内外钢管强度、直径及厚度可以根据实际工程需求选取； 填充泡沫铝的孔隙率、开闭孔情况、是否填充高性能黏弹性材料以及填充的高性能黏弹 性材料的种类根据实际耗能减振需求按已有实验研究数据选取。