專利名稱：一種鋼管泡沫混凝土組合立柱及其施工方法
技術領域：
本發明涉及一種鋼管泡沫混凝土組合立柱及其施工方法，可用于建筑工程的技術領域。
背景技術：
鋼管泡沫混凝土組合立柱是指在鋼管中填充泡沫混凝土，并在鋼管外壁設置混凝土保護層的復合立柱。鋼管混凝土柱在20世紀60年代中期開始引入中國，在不到50多年的時間里鋼管混凝土技術不論是從理論還是技術都有了迅速的發展，現存工業、民用建筑中使用的鋼管混凝土支柱大多為簡單地在鋼管內澆注普通水泥混凝土制作而成。早期鋼管混凝土柱通過鋼管對混凝土的橫向約束作用大大的彌補了混凝土高脆性的特點；同時鋼管內填充的混凝土限制了鋼管產生變形。由于其綜合性能遠遠強于單純的鋼筋混凝土柱，所以得到了大量的使用。隨著建筑向高層化、復雜化方向發展，傳統鋼管混凝土柱的一些不足之處逐漸表現出來。首先，鋼管混凝土柱的強度和剛度大大增加，但其抗震能力沒有得到很好的改善，在地震力的反復作用下鋼管內的混凝土易發生脆性破壞，造成立柱承載力降低。其次，單純的鋼管混凝土柱在沒有對鋼管進行保護的情況下，鋼管暴露在空氣中容易被腐蝕，同時在高溫情況下鋼管也會發生變形，這些危害都會影響混凝土柱的受力。中國專利申請200710011988.1提出了一種纖維增強塑料-鋼管-混凝土柱，由鋼管、圓纖維增強塑料管和灌入的混凝土組成，其結構特點是鋼管由鋼板焊接成，圓纖維增強塑料管在混凝土柱的中心，然后在兩管之間填充混凝土，圓纖維增強塑料管內可根據需求選擇是否填充混凝土。這樣使混凝土柱有高承載力、大剛度、塑性、韌性好的優點。中國專利申請201010152109.9提出了 一種鋼管混凝土組合結構，包括鋼管和鋼管內外設置的自密實混凝土，使自密實混凝土與鋼管固結硬化成整體。這樣組合結構不僅能夠具有傳統鋼管混凝土結構的優點，還能利于鋼管的抗火和耐腐蝕性能。中國專利申請201010042608.2提出了一種內填海砂混凝土的空心鋼管混凝土柱及其制作方法，包括鋼管基體、基體外澆注的河砂混凝土保護層、內壁澆注的河砂混凝土保護層及空心區域澆注的未脫鹽海砂混凝土。這樣可以是空心鋼管柱直徑中利用海砂，不需進行脫鹽處理，施工方便，解決了沿海地區砂石資源匱乏的問題。中國專利申請201110386130.X提出了一種空洞式鋼管混凝土墩柱，由鋼管、內包混凝土和外包混凝土層組成，其特點是將鋼管設置開孔，使內包混凝土和外包混凝土層連接成整體，可以有效的防治外包層混凝土脫落，同時又有效的解決了鋼管的防腐和內部脫空問題。中國專利申請201110331668.0提出了一種用于煤礦支護用泡沫混凝土罐形墩柱及制備方法，包括薄壁鋼管和填充在薄壁鋼管內的EPS輕質高強混凝土，該墩柱輕質高強、易于搬運、抗變形能力強。由上可知，目前對鋼管混凝土立柱的研究主要是針對在工程中的某些需求做出的單一解決。而生產實際中水泥混凝土柱設計直徑基本不變，沒有考慮柱體結構隨高度增加所受壓力逐漸減小，尤其對那些高達百米的結構尤為顯著；此外，盡管鋼管混凝土柱的抗震性能比通常鋼筋混凝土柱有很大提高，但沿柱體高度方向結構剛度不變，不利于結構抗震性能的充分發揮。
發明內容
本發明的目的在于提供一種鋼管泡沫混凝土組合立柱，本構件針對傳統鋼管混凝土柱的缺陷，在受力性能方面有較好的承載能力，較高的抗震和抗變形能力，同時通過鋼管外壁的保護層有效解決了鋼管腐蝕和高溫變形的問題。另外，本發明還提供了一種鋼管泡沫混凝土組合立柱的施工方法。根據本發明的鋼管泡沫混凝土組合立柱，包括立柱本體，立柱本體包含鋼管、澆筑在鋼管內的泡沫混凝土、布置在鋼管外壁上的鋼筋網以及外包混凝土層，鋼管之間通過法蘭盤和法蘭承口連接，法蘭盤和法蘭承口之間放有墊片。另外，根據需要，立柱本體可以為等截面或變截面的。本發明中的泡沫混凝土可以是粉煤灰泡沫混凝土，其組成包括:泡沫劑、水泥、粉煤灰、石灰、石膏、以及復合外加劑，其中粉煤灰和水泥的質量比為2.2-2.7，復合外加劑由C-3減水劑和膨脹劑組成。優選的配合比為粉煤灰56% 60%、石灰12% 15%、石膏3% 5%、硅酸鹽水泥22% 25 %、復合外加劑2 0Z0 3 %、液狀泡沫劑1.2mL/kg、水料比0.41，復合外加劑中C-3減水劑和膨脹劑的質量比為1:1。本發明中的泡沫混凝土還可以是陶粒泡沫混凝土，其組成包括:泡沫劑、水泥、陶粒、粉煤灰、硅灰、石膏以及復合外加劑，其中陶粒和水泥的質量比為1.1-1.4，復合外加劑由C-3減水劑和膨脹劑組成。優選的配合比為水泥28% 32%、陶粒35% 40%、粉煤灰10% 12%、硅灰10% 15%、石膏3% 5%、復合外加劑2% 3%、液狀泡沫劑0.15%,水料比0.21，復合外加劑中C-3減水劑和膨脹劑的質量比為1:1。優選地，陶粒為1.5 4mm級的粘土陶粒或者600級 900級的低密度頁巖陶粒。另一方面，根據本發明的建造鋼管泡沫混凝土組合立柱的施工方法，包括以下步驟:(I)預制鋼管:鋼管采用螺旋焊鋼管或滾床卷制的直縫管，將鋼筋網綁扎或焊接在鋼管的外壁上；(2)對接鋼管:將法蘭承口焊接或拼接到鋼管一端的管口處，將法蘭盤套入或拼接到鋼管的另一端，并將管口向外彎卷，然后在相鄰鋼管的法蘭盤和法蘭承口中間放置墊片并通過連接螺栓完成對接；(3)澆筑泡沫混凝土:將對接好的鋼管架立到位，然后向鋼管內澆筑泡沫混凝土，澆筑時采用高位拋落無振搗法或泵送頂升法從管口澆筑；(4)澆筑外包混凝土:將外包混凝土澆注于鋼管外壁的鋼筋網上；其中的泡沫混凝土可以是粉煤灰泡沫混凝土，配合比為粉煤灰56% 60%、石灰12% 15%、石膏3% 5%、硅酸鹽水泥22% 25%、復合外加劑20Z0 3%、液狀泡沫劑1.2mL/kg、水料比0.41，或者泡沫混凝土可以是陶粒泡沫混凝土，配合比為水泥28% 32%、陶粒35% 40%、粉煤灰10% 12%、硅灰10% 15%、石膏3% 5%、復合外加劑2% 3%、液狀泡沫劑0.15%、水料比0.21，上述復合外加劑由質量比為1:1的C-3減水劑和膨脹劑組成；其中泡沫混凝土的制備步驟為:先將干集料攪拌2分鐘，再將水和復合外加劑加入干拌好的材料中攪拌3 5分鐘，最后將稀釋好的泡沫劑加入到漿體中攪拌3 5分鐘，測試流動度后進行澆筑。本發明具有以下優點:本發明所提出的鋼管泡沫混凝土組合立柱，保留了傳統管混凝土支柱整體承重能力強的優點，為了彌補傳統鋼管混凝土立柱脆性大、抗震性能不足的缺點，將鋼管內的普通混凝土替換為泡沫混凝土，大大提高了結構的延性和抗震能力；本發明在鋼管內填充的泡沫混凝土可以減小鋼管內部混凝土的收縮變形，有效減少鋼管內出現的收縮脫空現象。本發明用到的泡沫混凝土屬于無機材料，不可燃，所以具有良好的耐火性，使用在建筑物中可大大提高其防火性能；泡沫混凝土密度小、質量輕、彈性模量低，在地震荷載作用下所承受的地震力較小，震動波的傳遞速度較慢，且結構的自震周期長，對沖擊能量的吸收快，因而具有良好的減震效果。本發明的泡沫混凝土澆筑在鋼管中可以很好地避免與空氣的直接接觸，防止其因表面粗糙、多孔導致的吸水破壞，增強立柱的耐久性；泡沫混凝土在施工過程中可泵性好，這使其適用于大體積現場填充澆筑工程；本發明的泡沫混凝土可以大量利用工業廢渣，價格低廉，有很高的經濟效益。本發明根據不同高度柱體設計承載力的不同，可以對不同高度混凝土設置不同的起泡度，滿足設計需要同時大大降低成本，提高經濟效益。本發明沿鋼管管徑的縱向可以進行漸變，這樣可以根據設計需要，在不同的部位選擇不同的柱徑，以便提高某部分或整體的承載力，同時又可以減小承載力需求低的部位的材料，達到經濟、省時的目的。本發明在于通過改變鋼管的形狀可以改變立柱本體的形狀，這樣既可以滿足設計的需要，也可以兼顧造型的美觀；通過連接法蘭完成立柱各段間的連接，鋼管對接簡單、快速，避免在鋼管間進行焊接，更好的提高立柱的安全性；在鋼管外澆筑混凝土保護層，防止鋼管發生生銹腐蝕和高溫變形；鋼管外的鋼筋網增加鋼管外表面與混凝土的黏著性，使混凝土保護層不易脫落；本發明的鋼管泡沫混凝土組合立柱還避免了復雜的配筋過程，使施工過程更加快捷。
圖1是圓形鋼管泡沫混凝土組合立柱的橫截面示意圖。圖2是方形鋼管泡沫混凝土組合立柱的橫截面示意圖。圖3是多邊形鋼管泡沫混凝土組合立柱的橫截面示意圖。圖4是本發明所用立格式鋼筋網結構示意圖。圖5是本發明所用平格式鋼筋網結構示意圖。圖6是圖1的縱向等截面結構示意圖。圖7是圖1的縱向變截面結構示意圖。
圖8是法蘭盤的平面示意圖。圖9是法蘭承口的平面示意圖。圖10是圖9中A-A線的剖面圖。圖11是法蘭連接處B的布置示意圖。附圖標記:2-鋼管；3_泡沫混凝土 ；4_鋼筋網；5_外包混凝土層；6_法蘭盤；7_法蘭承口 ；8-墊片；9_連接螺栓；10_螺母。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下文中將結合附圖對本發明的實施例進行詳細說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互任意組合。附圖有選擇性的展示了本發明所涉及到的優選實施的結構示意圖，下面將結合附圖詳細的說明本發明的技術方案。另外，除非另有說明外，本發明中各組分的比例均為質量比。如圖1至圖7所示，本發明所描述的鋼管泡沫混凝土組合立柱，包括立柱本體，本體包含鋼管2、澆筑在鋼管2內的泡沫混凝土 3、布置在鋼管外壁上的鋼筋網4以及外包混凝土層5。其中，圖1-3中分別顯示了圓形截面、方形截面和多邊形截面的鋼管泡沫混凝土組合立柱。如圖4-5中所示，布置在鋼管外壁上的鋼筋網4可以是立格式和平格式的布置方式。由于鋼管泡沫混凝土組合立柱從上到下承受的載荷越來越大，所以根據其承載的大小，鋼管泡沫混凝土組合立柱的截面大小可以從上到下逐漸增加，這樣不僅節約了材料，而且還能充分發揮結構的承載能力。如圖6和7中所示，其中分別顯示了等截面和變截面的鋼管泡沫混凝土組合立柱。如圖8-10中所示，其中分別顯示了上下連接的鋼管的法蘭盤6和法蘭承口 7。參見圖11，其中顯示了法蘭連接處B的布置示意圖。上部鋼管的法蘭承口 7和下部鋼管的法蘭盤6之間放有墊片8，并通過連接螺栓9和螺母10連接。下部鋼管的上端設有擴徑口，用于容納上部鋼管的下端。本發明所述的泡沫混凝土可以是粉煤灰泡沫混凝土，其組成包括:泡沫劑、水泥、粉煤灰、石灰、石膏、以及復合外加劑。泡沫劑的發泡倍數不低于20，起泡一小時后泡沫的沉陷距離小于10mm，沁水量小于80ml，保持泡沫穩定。水泥可采用防止產生沉降、泌水以及提高混凝土早期強度的高標號早強硅酸鹽、硫鋁酸鹽或鐵鋁酸鹽水泥。粉煤灰具有集料和生成膠凝材料的雙重作用。石灰應米用生石灰。石骨起激發劑作用，其CaSO4質量含量不應小于65%，能增加泡沫混凝土的早期強度。外加劑應具有提高早期強度、減水和減少收縮作用。經過長時間的不斷試驗，發現當粉煤灰和水泥的質量比在2.2-2.7時，鋼管泡沫混凝土組合立柱具有最優的抗壓強度和抗彎剛度。優選的配合比為:粉煤灰56% 60%、石灰12% 15%、石膏3% 5%、硅酸鹽水泥22% 25%、復合外加劑20Z0 3%、液狀泡沫劑
1.2mL/kg、水料比 0.41。本發明所述的泡沫混凝土還可以是陶粒泡沫混凝土，其組成包括:泡沫劑、水泥、陶粒、粉煤灰、硅灰、石膏以及復合外加劑，粉煤灰和硅灰主要用于生成膠凝材料，陶粒屬于主要集料。經過長時間的不斷試驗，發現當陶粒和水泥的質量比在1.1-1.4時，鋼管泡沫混凝土組合立柱具有最優的抗壓強度和抗彎剛度。各材料優選的質量配合比為:水泥28% 32%、陶粒35% 40%、粉煤灰10% 12%、硅灰10% 15%、石膏3% 5%、復合外加齊[J 2 % 3 %、液狀泡沫劑0.15%、水料比0.21。本發明所述的陶粒泡沫混凝土中的陶粒可以選用粘土陶粒和/或頁巖陶粒，其中摻入粘土陶粒的泡沫混凝土流動性強于摻入頁巖陶粒的泡沫混凝土，但粘土陶粒泡沫混凝土抗壓強度要低于頁巖陶粒泡沫混凝土。粘土陶粒優選1.5 4mm級的小粒徑陶粒,頁巖陶粒優選600級 900級低密度陶粒。上述本發明所用的泡沫混凝土復合外加劑由C-3減水劑和膨脹劑組成，按質量比I: I進行混合。本發明中的鋼管要滿足以下要求:若選用圓形鋼管其外徑不宜小于100mm，其鋼管壁厚不宜小于5mm，同時其寬厚比宜取90 120之間，這樣才能保證管內混凝土的澆灌質量和鋼管的焊接質量。若選用矩形鋼管其外徑不宜小于100mm，其鋼管壁厚不宜小于5mm，截面的高寬比不宜大于2 ;同時當鋼管的直徑大于800mm時，最好在鋼管內壁焊接栓釘或縱向加勁肋，以增加管壁與泡沫混凝土的粘結，防止因管徑過大造成泡沫混凝土產生較大收縮，并可以有效防止鋼管壁的屈曲。本發明所述的鋼管泡沫混凝土立柱其截面的套箍系數不宜小于0.5，以防止立柱出現脆性破壞。本發明所述的管內泡沫混凝土的澆筑可以采用立式手工澆搗法、高位拋落無振搗法和泵送頂升法等；泡沫混凝土的配比除滿足力學性能指標外，尚應根據不同的澆筑法選擇合理的混凝土坍落度。對于立式高位拋落無振搗法和泵送頂升法，粗骨料粒徑可采用5 30mm,水灰比不大于0.45,坍落度不小于150mm ;對于手工燒搗法,粗骨料粒徑可采用10 40mm,水灰比不大于0.42,對落度不小于20 40mm。本發明的泡沫混凝土在制備時先按配比選取材料，將配好的水泥、集料等進行干拌2分鐘；再將水和由減水劑、膨脹劑組成的復合外加劑加入干拌好的材料中進行攪拌3 5分鐘；最后將稀釋好的泡沫劑加入到漿體中攪拌3 5分鐘，測試流動度后進行澆筑。本發明的外包混凝土可以是素混凝土，也可以根據支柱所處環境的不同，對保護層要求的不同選擇纖維混凝土，包括:鋼纖維混凝土、玻璃纖維混凝土以及合成纖維混凝土。本發明的鋼管泡沫混凝土在分段澆筑時采用連接法蘭完成各段間的連接，法蘭連接使用方便，強度高，能夠承受較大的壓力，同時密封性好。在實施過程中，首先進行鋼管制作，優先選用螺旋焊鋼管，也可采用滾床卷制的直縫管。然后如圖4、5所示將鋼筋網綁扎在鋼管上，在鋼管壁較厚的情況下也可以焊接在鋼
管外壁。鋼管間的連接通過法蘭連接完成。首先，將法蘭承口焊接或拼接到鋼管一端的管口處，將法蘭盤套入或拼接鋼管另一端，并將管口向外彎卷；然后在法蘭盤和法蘭承口中間放置墊片通過連接螺栓完成對接，當選用拼接法蘭時法蘭的拼接處通過螺栓緊固。連接法蘭可以選擇圖8、9所示的形式，也可以結合需求選擇其他形式。將對接好的鋼管架立到位，然后向鋼管內澆筑泡沫混凝土，澆筑時可以選擇從管口澆筑，如高位拋落無振搗法和泵送頂升法，管口澆筑一般適用于泡沫混凝土的起泡程度不變的情況；也可以選擇在鋼管不同高度處打孔澆筑，如立式手工澆搗法，打孔澆筑一般是在對柱體自重要求較高的情況下，根據設計需求不改變柱體承載力，在不同的高度段使用不同起泡程度的泡沫混凝土，這樣可以在不影響承載力的情況下減輕本體自重。外包混凝土如圖1所示澆注于鋼管外圍的鋼筋網上，厚度應該介于3 8cm之間，這樣既可以起到對鋼管的保護作用，又不會降低整體的韌性和延性。雖然本發明所揭露的實施方式如上，但所述的內容只是為了便于理解本發明而采用的實施方式，并非用以限定本發明。任何本發明所屬技術領域內的技術人員，在不脫離本發明所揭露的精神和范圍的前提下，可以在實施的形式上及細節上作任何的修改與變化，但本發明的專利保護范圍，仍須以所附的權利要求書所界定的范圍為準。
權利要求
1.一種鋼管泡沫混凝土組合立柱，包括立柱本體，所述立柱本體包含鋼管(2)、澆筑在鋼管(2)內的泡沫混凝土(3)、布置在鋼管外壁上的鋼筋網(4)以及外包混凝土層(5)，其特征在于，所述鋼管之間通過法蘭盤(6)和法蘭承口(7)連接，所述法蘭盤(6)和所述法蘭承口 (7)之間放有墊片(8)。
2.根據權利要求1所述的鋼管泡沫混凝土組合立柱，其特征在于，所述泡沫混凝土(3)是粉煤灰泡沫混凝土，其組成包括:泡沫劑、水泥、粉煤灰、石灰、石膏、以及復合外加劑，其中粉煤灰和水泥的質量比為2.2-2.7，所述復合外加劑由C-3減水劑和膨脹劑組成。
3.根據權利要求2所述的鋼管泡沫混凝土組合立柱，其特征在于，所述粉煤灰泡沫混凝土的配合比為粉煤灰56% 60%、石灰12% 15%、石膏3% 5%、硅酸鹽水泥22% 25%、復合外加劑2% 3%、液狀泡沫劑1.2mL/kg、水料比0.41，所述復合外加劑中C-3減水劑和膨脹劑的質量比為1:1。
4.根據權利要求1所述的鋼管泡沫混凝土組合立柱，其特征在于，所述泡沫混凝土(3)是陶粒泡沫混凝土,其組成包括:泡沫劑、水泥、陶粒、粉煤灰、娃灰、石膏以及復合外加劑，其中陶粒和水泥的質量比為1.1-1.4，所述復合外加劑由C-3減水劑和膨脹劑組成。
5.根據權利要求4所述的鋼管泡沫混凝土組合立柱，其特征在于，所述陶粒泡沫混凝土的配合比為水泥28% 32%、陶粒35% 40%、粉煤灰10% 12%、硅灰10% 15%、石膏3% 5%、復合外加劑20Z0 3%、液狀泡沫劑0.15%、水料比0.21，所述復合外加劑中C-3減水劑和膨脹劑的質量比為1:1。
6.根據權利要求1所述的鋼管泡沫混凝土組合立柱，其特征在于，所述立柱本體為等截面或變截面的。
7.根據權利要求5所述的鋼管泡沫混凝土組合立柱，其特征在于，所述陶粒為1.5 4mm級的粘土陶粒或者600級 900級的低密度頁巖陶粒。
8.一種建造鋼管泡沫混凝土組合立柱的施工方法，包括以下步驟: (1)預制鋼管:所述鋼管采用螺旋焊鋼管或滾床卷制的直縫管，將鋼筋網綁扎或焊接在鋼管的外壁上； (2)對接鋼管:將法蘭承口焊接或拼接到鋼管一端的管口處，將法蘭盤套入或拼接到鋼管的另一端，并將管口向外彎卷，然后在相鄰鋼管的法蘭盤和法蘭承口中間放置墊片并通過連接螺栓完成對接； (3)澆筑泡沫混凝土:將對接好的鋼管架立到位，然后向鋼管內澆筑泡沫混凝土，澆筑時采用高位拋落無振搗法或泵送頂升法從管口澆筑； (4)澆筑外包混凝土:將外包混凝土澆注于鋼管外壁的鋼筋網上； 其特征在于，所述泡沫混凝土是粉煤灰泡沫混凝土，配合比為粉煤灰56% 60%、石灰12% 15%、石膏3% 5%、硅酸鹽水泥22% 25%、復合外加劑20Z0 3%、液狀泡沫劑1.2mL/kg、水料比0.41，或者 所述泡沫混凝土是陶粒泡沫混凝土，配合比為水泥28 % 32 %、陶粒35 % 40 %、粉煤灰10% 12%、硅灰10% 15%、石膏3% 5%、復合外加劑2% 3%、液狀泡沫劑·0.15%、水料比 0.21 ， 所述粉煤灰泡沫混凝土和所述陶粒泡沫混凝土中的所述復合外加劑由質量比為1:1的C-3減水劑和膨脹劑組成；其中所述泡沫混凝土的制備步驟為: 先將干集料攪拌2分鐘，再將水和復合外加劑加入干拌好的材料中攪拌3 5分鐘，最后將稀釋好的泡 沫劑加入到漿體中攪拌3 5分鐘，測試流動度后進行澆筑。
全文摘要
本發明涉及一種鋼管泡沫混凝土組合立柱及其施工方法，包括立柱本體，立柱本體包含鋼管(2)、澆筑在鋼管(2)內的泡沫混凝土(3)、布置在鋼管外壁上的鋼筋網(4)以及外包混凝土層(5)，鋼管之間通過法蘭盤(6)和法蘭承口(7)連接，法蘭盤(6)和法蘭承口(7)之間放有墊片(8)。本發明中的泡沫混凝土可以采用粉煤灰泡沫混凝土或陶粒泡沫混凝土。根據本發明的鋼管泡沫混凝土組合立柱，其結構簡單、易于施工、抗震能力強、承載力高、經濟性能好，適合用于房屋、工業建筑、文體建筑等結構的主要支柱和支撐部件。
文檔編號E04C3/34GK103088964SQ201310047960
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月24日 優先權日2013年1月24日
發明者董滿生, 申飛, 任一博, 儲誠富, 逄煥平, 侯超群 申請人:合肥工業大學