组合结构、双态稳压装置和制作方法

技术领域

本发明涉及桥梁、建筑领域，具体涉及组合结构及其制作方法。

背景技术

钢管混凝土组合结构中的混凝土会收缩，这会使得混凝土与钢管内壁之间出现分离，影响二者之间的协同工作，进而影响组合结构的力学性能。

在现有文献中，解决这个问题有两大类方法，第一类是改变混凝土材料的收缩特性，尽可能降低收缩量，或者让材料膨胀。这类方法不适于高强或超高强混凝土。这条这种类方法与本发明无关，不做赘述。

第二类方法是在混凝土充填到钢管内之后，对之施加压力。施加压力的方法有以下三种。

第一种加压方法是，在组合结构的钢管端部附近安装一个细管子，此管子与钢管混凝土的钢管之外的加压装置相连，加压装置对细管子内部的混凝土施加压力，当混凝土有足够的强度之后锯掉含有混凝土的细管子。

在混凝土处在流动状态时，如果钢管内部混凝土发生收缩，加压装置会把细管子中的混凝土挤入钢管内部，填补混凝土收缩掉的体积。但是，当混凝土发生凝固之后，钢管内的混凝土还会收缩，由于混凝土几乎不再能流动，细管子中的混凝土无法进入钢管内部去填补混凝土的收缩体积；这将造成钢管作用到混凝土侧面上的压力降低，甚至还会造成混凝土与钢管内表面分离。

第二种加压方法是在钢管混凝土两端对其中的混凝土施加压力。大体上有甲乙两种。

方法甲

组合结构的钢管有两节，一节粗一节细，粗的套在细的外面。当钢管内充填完混凝土之后，把两节钢管套在一起，用压力机沿着轴向它们施加压力，两节管子沿着轴向发生相对滑动，进而对钢管内的混凝土也施加了压力。当压力达到要求之后，把两节钢管联接在一起，它们不能发生相对移动。这种方法也存在不足之处。混凝土在凝固之前和凝固之后都发生体积收缩。当两节钢管固定在一起之后，混凝土还一直在收缩，混凝土收缩时钢管的切向拉应变随之减小，钢管施加到混凝土侧面的压力也会随之减小，甚至混凝土会与钢管内表面分离。

方法乙

在钢管的两端都设置“活塞”，“活塞”可以在钢管内部沿着轴向移动。当对钢管内部的混凝土进行挤压时，用加载装置挤压两个“活塞”，“活塞”相向移动挤压钢管中的混凝土。维持施加到活塞上的压力，直到混凝土达到一定强度。这种方法存在的问题是，如果钢管的长径比(长度与直径之比)较大，其技术效果不太好。例如，取长径比为7(实际工程中多数情况下比这个数值要大)，当混凝土充填到钢管中之后，就对两端“活塞”施加一个恒力，直到混凝土达到足够的强度。由于混凝土在凝固之后，甚至在具有一定的强度之后，还会发生收缩，而这时由于混凝土具有的强度，以及它与钢管内壁之间的粘结力和摩擦力都可以抵消或削减活塞的压力，使得钢管长度方向中部的混凝土的轴向压应力要小于两端的轴向压应力，长径比越大，钢管中部混凝土的轴向压应力越小。长度方向中部的混凝土的径向压应力也会随着混凝土的收缩而减小，如果钢管直径较大，甚至还会出现混凝土与钢管的脱离。

此外，方法乙在施工中需要大型设备，占用场地面积也多，这是它另外的缺点。

第三种加压方法是在密封钢管混凝土内部放置压力维持装置，例如放置橡胶棒、气囊等，并对混凝土施加预压力。这种装置的优点是，当混凝土处在可流动状态时，如果发生收缩，压力维持装置能够发生膨胀，填补钢管空腔中因收缩多出来的空间，从而够保持混凝土压应力的降低幅度处在要求的范围内。当混凝土凝固之后，在压力维持装置的外表面与混凝土之间仍然可以选择有压应力存在。但是，这种结构的缺点是，橡胶棒、气囊等会成为混凝土中的薄弱环节，可能影响钢管混凝土柱子的整体承载能力。例如，假设压力维持装置是圆柱形气囊，其轴线平行于柱子的轴线。当对钢管混凝土柱子施加不断增长的轴向压力时，钢管内部的混凝土在远离压力维持装置的区域，混凝土的最大正应力方向与柱子的轴向方向平行，最小主应力与中间主应力相等，都垂直于柱子轴线。而与压力维持装置表面接触的混凝土，最大主应力方向仍然是柱子轴线方向，最小主应力方向是压力维持装置表面的法线方向，中间主应力方向是切线方向。根据强度准则，最小主应力变小会降低材料破坏对应的最大主应力。由于气囊提供的接触压力低于钢管内壁对混凝土的压应力，气囊附近的混凝土能够耐受的平行于柱子轴线方向的压应力低于其他区域的。

发明内容

(一)要解决的技术问题

水泥在凝结硬化的过程中，会发生化学收缩，即，水化后的绝对体积小于水化前的水和其它参与水化的各种成分的体积之和。在钢管混凝土组合结构中，钢管内部的混凝土的体积收缩，经常会导致混凝土与钢管内壁不能充分接触，甚至造成分离，这使得钢管和混凝土不能很好地协同工作。高强混凝土、超高强混凝土以及活性粉末混凝土，由于其中的水泥和活性掺料较多，硬化过程中体积收缩量更大，钢管与之不能协同工作表现的更为严重。

水泥石的强度与水泥石中的空隙有关，空隙越少强度越高。在水泥凝结硬化过程中，让水泥充分收缩或被压缩有助于降低水泥石中的空隙，提高水泥石的强度。水泥砂浆、混凝土的强度都与其中的水泥石的强度有关，水泥石的强度越高，相应材料的强度也越高。

活性粉末混凝土中基体材料是水泥、硅灰、石英粉等与水的混合物，其水化后的产物虽然与传统的水泥石的成分不同，但其强度同样与其中的空隙含量相关，空隙越低，强度越高。

水泥石、水泥砂浆、混凝土、活性粉末混凝土的轴向强度都与其侧向压应力有关，侧向压应力越大，强度越高。

以钢管混凝土为例说明要解决的问题。设钢管混凝土中的钢管是封闭的，在其空腔中充填有混凝土，放置有压力维持装置，混凝土中有人为施加的压应力。

(一)本发明要解决的第一组技术问题是：

(1)工况I，

当钢管空腔中的混凝土处在可流动状态时，解决混凝土因收缩而引起压应力大幅度降低。

目标是用压力维持装置把因体积收缩引起的压应力降低的幅度控制在要求的范围内。

(2)工况II，

当混凝土达到设计强度之后，解决压力维持装置不能向与其接触的混凝土提供足够的法向压力。

当钢管混凝土受到轴向压力作用使压力维持装置周围的混凝土向压力维持装置占据的区域内鼓胀时，现有的压力维持装置不能够提供足够的压应力，不能够阻止鼓胀发生。

目标是，压力维持装置的表面能够给与之接触的混凝土提供足够大的法向压应力，进而提高这部分混凝土的轴向抗压强度。

(二)本发明要解决的第二组技术问题是：提高钢管混凝土中的混凝土的单轴强度和三轴强度，进而提高钢管混凝土柱子的整体承载能力。

(三)本发明要解决的第三组技术问题是，找到一种简便的方法来维持钢管中的处在可流动状态的混凝土的压应力基本稳定，或者在要求的范围内变化。

(二)发明内容

双态稳压装置

一种双态稳压装置，包括储能装置、双态材料和外壳；

所述外壳包围有空腔，存在有孔洞；所述孔洞联通所述空腔与外壳外部周围空间区域；

所述双态材料能够从可流动状态进入到凝固后状态；

所述储能装置具有如下特性，当周围压力升高时，其表观体积减小；当周围压力降低时，其表观体积增加；

所述储能装置全部处在外壳包围的空腔之内；或者，所述储能装置只有一部分处在外壳包围的空腔之内，并且所述储能装置这部分的表观体积能够随着周围压力的变化而发生膨胀和收缩；

大部分或全部所述双态材料处在外壳包围的空腔之内或/和处在外壳外部周围空间区域中，不排除有一部分双态材料处在所述外壳的孔洞中。

进一步地，所述双态稳压装置的其特征是，

当双态材料凝固之后，至少在外壳外部周围某一空间区域中存在有双态材料。

进一步地，所述双态稳压装置的其特征是：

如果满足以下三个限制条件，a.双态材料处在可流动状态，b.外壳包围的空腔中和外壳外部周围空间区域中都存在有双态材料，c.并且双态材料受到压应力作用；

则所述双态稳压装置至少具有以下两个特性之一，

(1)当所述外壳周围空间区域中的双态材料受到的压力增加时，所述外壳周围空间区域中的双态材料能够通过外壳的孔洞流入外壳包围的空腔中，挤压储能装置，使储能装置的表观体积变小；

(2)当所述外壳周围空间区域中的双态材料受到的压力减小时，所述空腔中储能装置的表观体积增大，储能装置推动双态材料从外壳的孔洞流出，进入到外壳之外的空间区域中。

进一步地，所述双态稳压装置的其特征是：当双态材料处在凝固后状态并且强度达到设计值之后，双态稳压装置能够耐受的外部周围介质的压力都远高于空腔中的储能装置表面受到的压力。

进一步地，所述双态稳压装置的其特征是：当双态材料处在凝固后状态并且强度达到设计值之后，双态稳压装置的表观体积弹性模量和表观体积变形模量都远高于空腔中的储能装置的表观体积弹性模量。

进一步地，所述双态稳压装置的其特征是，所述外壳是管子，并且至少具有以下特征之一：

a.所述管子的管壁上设置有孔洞，管子的两端进行封堵；处在可流动状态的所述双态材料能够从管壁上的孔洞流过，但不能从管子两端进出；

b.所述管子的管壁上设置有孔洞，管子的两端中至少有一端不进行封堵；处在可流动状态的所述双态材料能够从管壁上的孔洞流过，或/和，能够从管子的没封堵端流进流出；

c.所述管子的管壁上没有孔洞，管子的两端中至少有一端不进行封堵；处在可流动状态的所述双态材料能够从管子的没封堵端流进流出。

进一步地，所述双态稳压装置的其特征是，所述管子的横截面形状是外凸的；

优选地，所述横截面是圆形，或椭圆形。

进一步地，所述双态稳压装置的其特征是：所述外壳是带有孔洞的壳体，处在可流动状态的双态材料能够从所述壳体的孔洞中流过；

优选地，所述壳体是球形壳体或椭球形壳体；

优选地，所述壳体是由两个球形或椭球型壳体与管子组合而成，球形壳体处在管子的两端。

进一步地，所述双态稳压装置的其特征是：所述储能装置的表观体积割线弹性模量和表观体积切线弹性模量都分别远低于以下任何一种材料的割线体积弹性模量和切线体积弹性模量，

处在可流动状态的水泥净浆、处在可流动状态的水泥砂浆、处在可流动状态的混凝土、处在可流动状态的活性粉末混凝土，

处在可流动状态的高分子材料；

处在可流动状态的双态材料，

固体金属材料；

要求在上述材料中不包含或几乎不含气泡。

进一步地，所述双态稳压装置的其特征是，所述储能装置的选择范围包括实心弹性体储能装置、弹性外壳储能装置和囊类储能装置；

优选地，所述囊类储能装置包括气囊、气液囊、液囊；

所述气囊包括普通气囊、上限气囊、下限气囊和双限气囊；所述气液囊包括普通气液囊、上限气液囊、下限气液囊和双限气液囊；所述液囊包括普通液囊、上限液囊、下限液囊和双限液囊。

进一步地，所述双态稳压装置的其特征是：

在所述管子空腔中，存在有一个或多个长条形气囊或/和长条形气液囊，所述长条形气囊或/和气液囊的合计长度略小于管子的长度；或者，

在所述管子空腔中，存在有一个或多个球形气囊，或/和，存在有一个或多个球形气液囊，所述气囊或 /和气液囊用作储能装置。

进一步地，所述双态稳压装置的其特征是，所述双态材料包括：

(1)细粒水泥基材料，

优选地，所述细粒水泥基材料包括水泥净浆、水泥砂浆、活性粉末混凝土、水泥与各种细颗粒的混合物；在水泥基材料中水泥发生水化；

所述细粒颗粒的粒径范围介于0.1～0.25mm，或0.25～0.45mm，或0.45～0.63mm。

(2)水泥基材料与高分子材料的混合物，水泥参与水化；

优选地，所述高分子材料是高分子乳液；

优选地，所述高分子材料是自身能够固化的高分子材料，包括环氧树脂；

(3)自身能够固化的高分子材料；

优选地，所述自身能够固化的高分子材料包括环氧树脂；

(4)高分子材料与固体颗粒的混合物；

优选地，所述固体颗粒为金属粉末或/和颗粒；

优选地，固体颗粒是无机非金属材料粉末或/和颗粒；

优选地，固体颗粒是水泥、粉煤灰、高炉矿渣，这些颗粒不发生水化；

优选地，固体颗粒是有机材料的料粉末或/和颗粒；

进一步地，所述双态稳压装置的其特征是，在所述双态稳压装置的外面加装有一个或多个柔性包裹层，

所述柔性包裹层把处在外壳之外的一部分、多部分或全部双态材料包裹在其内部。

组合结构

一种组合结构，包括A部分、B部分和C部分；其中，所述A部分包围有空腔，所述B部分和所述 C部分都处在所述空腔中，所述C部分是一个或多个如上述之一所述的双态稳压装置。

进一步地，所述双态稳压装置的其特征是：所述B部分材料是曾经处在可流动状态的已经凝固的可凝固材料，所述双态稳压装置的双态材料处在凝固后状态。

进一步地，所述双态稳压装置的其特征是，所述组合结构至少具有以下特征之一：

(1)所述已经凝固的B部分材料内部存在压应力；

(2)所述双态稳压装置的外壳外表面与同其接触的已经凝固的介质之间存在有压应力，所述已经凝固的介质是已经凝固的B部分材料或/和已经凝固的双态稳压装置的双态材料；

(3)所述A部分内壁与同其接触的介质之间存在有压应力。

进一步地，所述双态稳压装置的其特征是：所述双态稳压装置的外表面中至少有一部分边界与B部分材料之间还存在有隔离装置；所述双态稳压装置的外表面至少包括其周围的双态材料的外边界。

组合结构制作方法

一种组合结构的制作方法，包括制作A部分，把一个或多个双态稳压装置放入所述A部分包围的空腔中，向所述空腔中充填B部分材料，对空腔中的B部分材料或/和双态稳压装置施加压力。

进一步地，所述组合结构的制作方法的特征是，存在有一段时间范围，在该时间范围内所述组合结构具有以下特征，

(1)所述B部分材料处在可流动状态，材料内部存在压应力；

(2)所述双态稳压装置的双态材料处在可流动状态，材料内部存在压应力；

(3)所述双态稳压装置的外壳外表面与同其接触的介质之间存在有压应力，所述接触的介质是B部分材料或/和双态稳压装置的双态材料；

(4)所述A部分内壁与同其接触的介质之间存在有压应力。

进一步地，所述组合结构的制作方法的特征是，当双态材料处在可流动状态时，如果所述B部分材料发生体积收缩，则双态稳压装置中的储能装置发生膨胀，推动所述外壳中的双态材料经过所述孔洞流出，填补A部分包围空腔中的因B部分材料收缩产生的体积变化。

进一步地，所述组合结构的制作方法的特征是，存在有一个时刻，在该时刻之后所述组合结构具有以下特征，

(1)所述B部分材料处已经凝固，强度达到或超过预设值，材料内部存在压应力；

(2)所述双态稳压装置的双态材料进入凝固后状态，强度达到或超过预设值，材料内部存在压应力；

(3)双态稳压装置的支撑圈抗压能力远高于储能装置外表面上的压应力；

(4)双态稳压装置支撑圈的表观体积弹性模量或表观体积变形模量远高于储能装置的表观体积变形模量。

进一步地，所述组合结构的制作方法的特征是：

所述双态稳压装置的双态材料失去流动性的时刻至少晚于B部分材料失去流动性的时刻；或者，

所述双态稳压装置的双态材料失去流动性的时刻晚于B部分材料的体积收缩转折点出现的时刻。

进一步地，所述组合结构的制作方法的特征是：

在所述B部分材料与所述双态稳压装置之间存在隔离装置，所述隔离装置用来防止处在可流动状态的B部分材料与处在可流动状态的所述双态材料发生混合，预防混合带来负面影响；

所述隔离装置具有如下特性，当受到很小的外力作用时，无论形状是否变化，所述隔离装置外表面包围的体积或者某一横截面外轮廓线包围的面积都能够发生变化。

进一步地，所述组合结构的制作方法的特征是，所述B部分材料包括以下四大类：

(1)水泥基材料，优选地，所述水泥基材料包括水泥砂浆、活性粉末混凝土、普通强度混凝土、高强混凝土、超高强混凝土；

(2)水泥基材料与高分子材料的混合物，水泥参与水化；

优选地，所述高分子材料是高分子乳液；

优选地，所述高分子材料是自身能够固化的高分子材料，包括环氧树脂；

(3)自身能够固化的高分子材料，优选地，所述自身能够固化的高分子材料包括环氧树脂；

(4)高分子材料与固体粉末或/和固体颗粒的混合物；

优选地，所述B部分材料是高分子材料与固体粉末的混合物；优选地，所述B部分材料是高分子材料与固体颗粒的混合物；优选地，所述B部分材料是高分子材料、固体粉末和固体颗粒的混合物；

优选地，所述固体粉末是金属粉末或无机非金属材料材料粉末；所述固体颗粒是金属颗粒或无机非金属材料颗粒；优选地，所述无机非金属材料粉末和颗粒分别是石粉和石子。

附图说明

图1一种双态维压装置外壳横截面图

图2一种双态维压装置外壳正视图

图3一种双态维压装置横截面图

图4一种双态维压装置纵剖面图

图5一种双态维压装置纵剖面图

图6支持物的形状

图7三叶形支撑物放入到囊内部的示意图，囊壁贴紧支撑物

图8三叶形支撑物放入到囊内部的示意图，囊壁充分展开

图9一种钢管混凝土柱子纵剖面图

图10一种钢管混凝土柱子横截面图

图11一种双态稳压装置横截面

图12一种钢管混凝土柱子纵剖面图

图13一种钢管混凝土柱子横截面图

具体实施方式

双态稳压装置

双态稳压装置

一种双态稳压装置，包括外壳、储能装置和双态材料。

外壳上带有孔洞，所述孔洞联通外壳包围的空腔和外壳外部周围空间区域。

储能装置具有如下特性：如果将其放置在液体当中，当周围流体中的压力升高时，所述储能装置的表观体积发生收缩；当周围流体压力降低时，所述储能装置的表观体积发生膨胀。(这是描述储能装置特性的方法，但不代表储能装置是严格在液体中使用。)

双态材料是能够从可流动状态进入到凝固后状态的材料；当材料处在凝固后状态时，指材料具有单轴抗压强度或/和抗剪强度。

所述储能装置处在所述外壳包围的空腔之内，或者至少有一部分储能装置处在所述空腔之内；

全部或大部分所述双态材料处在外壳包围的空腔之内或/和处在外壳外部的周围空间中，不排除有一部分双态材料处在所述外壳的孔洞中。

借助图1、图2和图3进行说明。这些图只用于说明，并不构成对发明内容的限制。在图1～图3 中，双态稳压装置3包括外壳32、储能装置31和双态材料。在图1、图2中外壳32上带有孔洞321。在图3中，在外壳32的空腔中存在有储能装置31和双态材料331，在外壳32的孔洞321中存在有双态材料332，在外壳外部周围空间区域内存在有双态材料333。所述双态材料331、332和333是同一种材料，所述双态材料不要求必须环绕外壳的全部外表面，可以只与一部分外表面接触。

外壳

外壳的优选形式包括管子、外凸壳体。

管子

所述外壳是管子，所述管子的管壁上无孔洞，所述管子的至少有一端是没有封堵的；所述处在可流动状态的双态材料能够从没有封堵端通过；

所述外壳是管子，所述管子的管壁上有孔洞，所述管子的至两端都被封堵；所述处在可流动状态的双态材料不能不能从封堵处进出，但能够从管壁上的孔洞通过；

所述外壳是管子，所述管子的管壁上有孔洞，所述管子的至两端都没有被封堵；所述处在可流动状态的双态材料能够从没封堵端进出，也能够从管壁上的孔洞通过。

优选地，所述管子的横截面的外轮廓线是外凸的，适合承受周围的均匀的法向压力。优选地，所述管子的横截面外轮廓线是圆形或椭圆形。

外凸壳体

所述外凸壳体是球形壳体或椭球型壳体，所述壳体带有孔洞，所述孔洞适合处在可流动状态的双态材料从中通过。

外壳材料

所述管子和外凸壳体的制作材料是金属、复合材料、高分子材料。

优选地，所述管子、所述外凸壳体、所述螺旋体的制作材料是结构钢。

储能装置

储能装置的种类包括囊类储能装置、实心弹性体储能装置和弹性外壳储能装置。

囊类储能装置

所述储能装置包括气囊、气液囊、液囊。所述气囊中充填的都是压缩气体。所述气液囊内部充填的是液体和该液体气化变成的气体。所述液囊内部充填的全部是液体，液体通过管路与外部液压源连接。

实心弹性体储能装置

所述储能装置是实心弹性体，所述弹性体的材料是橡胶、聚氨酯的等弹性变形量很高的材料。

弹性外壳储能装置

弹性外壳储能装置的特征是，用弹性材料制作外壳，外壳包围封闭空腔；当受到周围液体压力作用时，外壳中至少有一部分区域发生弯曲变形。这种外壳主要靠弯曲变形来储存能量。

双态材料

双态材料是能够从可流动状态进入到凝固后状态的材料。所述凝固后状态含义是：如果材料处在凝固后状态，则材料具有单轴抗压强度或抗剪强度。

细粒水泥基材料

优选地，所述双态材料是细粒水泥基材料。所述水泥基材料是含有水泥并且水泥发生水化的材料，包括水泥净浆、水泥砂浆、活性粉末混凝土、水泥与各种固体细颗粒的混合物；在水泥基材料中水泥发生水化。

这些材料与水混合之后在初始阶段处在可流动状态，随着水化的进行，材料开始凝固，进入到凝固后状态。所述凝固后状态包括材料在凝固之后的强度逐渐增加过程中的状态和达到最终强度的状态。

细粒水泥基材料与高分子材料的混合物

优选地，所述双态材料是细粒水泥基材料与高分子材料的混合物，材料中的水泥参与水化。

优选地，所述高分子材料是高分子乳液；优选地，所述高分子材料是自身能够固化的高分子材料，包括环氧树脂。

自身能够固化的高分子材料

优选地，所述双态材料是自身能够固化的高分子材料。优选地，所述固化的高分子材料包括环氧树脂。

高分子材料与固体颗粒的混合物

优选地，所述双态材料是自身能够固化的高分子材料与固体颗粒或粉末的混合物。

双态稳压装置的优选方案

优选囊类储能装置

所述囊类储能装置包括，普通囊、上限囊、下限囊和双限囊。

所述普通囊包括普通气囊、普通气液囊、普通液囊，所述上限囊包括上限气囊、上限气液囊、上限液囊，所述下限囊包括下限气囊、下限气液囊、下限液囊，所述双限囊包括双限气囊、双限气液囊、双限液囊。

普通囊

所述普通囊能够通过发生形状改变或/和尺改变来实现表观体积变化。优选地，所述普通囊的囊壁都是用容易够发生弯曲变形和容易发生拉伸变形的材料制成；优选地，所述普通囊的囊壁材料是橡胶。

所述普通气囊、普通气液囊、和普通液囊的囊壁都是用容易够发生弯曲变形和容易发生拉伸变形的材料制成；优选地，所述普通气囊、普通气液囊、和普通液囊的囊壁材料是橡胶。

储能装置是普通气囊或普通气液囊

当储能装置是普通气囊或普通气液囊时，优选方案是，只在普通气囊或普通气液囊处在外壳的空腔中的条件下，才给气囊或气液囊充气到设计的压力值。当气压达到设计值时，气囊或气液囊的外壁与所述外壳的内壁紧密接触并存在有接触压应力，气囊或气液囊中的气压几乎等于气囊或气液囊外表面与外壳内表面之间的正应力。优选地，在外壳的孔洞处放置遮挡物，预防囊壁被挤入孔洞中。优选地，所述遮挡物是片状物品；优选地，遮挡物是塑料片。

上限囊

所述上限囊具有如下特性，在囊壁内外表面都只与流体接触的条件下，当压差大于某一临界值时，上限囊的表观体积和外部形状相对稳定，不再随着压差的增加而明显变化。所述压差是囊内流体压力与囊外流体压力的差值。

优选地，所述上限囊是通过改变形状来改变体积；优选地，所述囊壁材料是能够发生弯曲，但拉伸变形很小的材料；优选地，所述囊壁材料的制作方法是在高强纤维织物上涂抹橡胶等不透气的材料。

优选地，所述上限囊是在普通囊的外面包裹一个约束套，约束套由高强纤维编制而成，当普通囊膨胀到与约束套紧密接触时，约束套会限制囊壁的膨胀。如果再增加内部流体压力，将出现囊壁和约束套共同抵抗囊内流体的压力情况，囊的膨胀量会受到限制。

优选地，当所述上限囊是上限气囊或上限气液囊，当它们到达体积上限时，其形状和尺寸使之适合被放入到外壳的空腔中。

优选地，在所述外壳的空腔中放置有一个气压到达要求的上限气囊或上限气液囊；

优选地，在所述外壳的空腔中放置有多个气压达到要求的上限气囊或上限气液囊；

优选地，所述外壳是圆形截面管子，在管子内部放置一个圆管形上限气囊或上限气液囊作为储能装置，参见图4。在图4中，所述外壳是两端封堵的管子32，管壁32上加工有圆孔321，所述上限气囊31或上限气液囊31的长度低于外壳32，气囊31或气液囊31达到上限体积时，其横截面外径略小于管子32的内径。

优选地，在管子内部放置多个圆管形上限气囊或上限气液囊，气囊或气液囊的合计长度小于外壳。

优选地，所述外壳是直径较大的管子，在所述管子内部放置多个球形上限气囊或球形上限气液囊，见图5。在图5中，外壳是两端没有封堵的管子32，管壁32上加工有圆孔321，管子内部放置有多种直径的球形气囊或/和球形气液囊31。

优选地，当达到体积上限时，所述球形上限气囊或上限气液囊的直径略小于外壳的内径；优选地，当达到体积上限时，所述球形上限气囊或上限气液囊的直径与管子内径之比介于0.5～07，或介于0.7～0.95。

优选地，所述外壳是球形壳体或椭球型壳体，在所壳体的空腔中放置有一个或多个球形上限气囊或上限气液囊。

下限囊

下限囊具有以下特性：当内外压差为负值时，囊的形状或/和表观体积是设计要求的形状和体积。所述内外压差是囊内流体压力与囊外流体压力的差值。

优选地，在下限囊内部放入某种形状的支撑物，支持物的形状决定了囊壁在外部高压力作用下的最终形状。优选地，所述支撑物的形状的包括，三叶型、四叶型、哑铃形、圆形等，见图6。优选地，所述支撑物用三叶型、四叶型、哑铃形、圆形钢管制作，钢管壁上分布有总多的小孔，气体能够从小孔通过；优选地，小孔直径介于0.1-1mm。当囊壁被压得与钢管外表面接触时，气囊中的气体，或气液囊中的气体和液体被挤入到钢管内部。钢管两端设置有封堵装置，表面光滑，预防刺破囊壁。

优选地，所述下限囊的囊壁材料的切向伸长量很小，内部放置有哑铃形、三叶形、四叶形的支撑物(见图6)，囊的截面周长要略大于或等于支撑物截面的周长。这时，所述下限囊实际上是双限囊。

优选地，所述囊壁材料的切向伸长能力很大(如橡胶)，支撑物除了可选用哑铃形、三叶形、四叶形(图6)的之外，还可以选用圆形、三角形、正方形等形状。

图7和图8为三叶形支撑物放入到囊内部的示意图。这时周围囊壁外表面上的静压力把囊壁312压得贴紧支撑物311表面，壁囊312的形状与支撑物311相同(图7)；当囊内流体压力大于周围的静压力时，下限囊膨胀；当囊壁充分展开后，截面将近似为圆形，见图8。

双限气囊

双限气囊同时具有上限气囊和下限气囊的特性，即具有以下两个特性：

(1)在囊壁内外表面都只与流体接触的条件下，当压差大于某一临界值时，上限囊的表观体积和外部形状相对稳定，不再随着压差的增加而明显变化。所述压差是囊内流体压力与囊外流体压力的差值；

(2)当压差为负值时，气囊的形状或/和表观体积是设计要求的形状和体积。

储能装置是液囊

储能装置是液囊，用管路把液囊与外部压力源连接起来；当需要施加压力时，压力源向液囊中注入液体，增加液体压力，并保持压力在要求的范围内。施加压力的时间根据需要而定。

优选地，所述液囊是普通液囊；优选地，所述普通液囊的囊壁材料是橡胶，囊壁可以伸长数倍。

优选地，所述储能装置是下限液囊。所述下限液囊具有如下特征，在液囊内部放置有支持物，当周围流体挤压囊壁时，囊壁接触到支持物之后就不再收缩。支持物的作用是，防止囊壁出现褶皱或出现褶皱后继续受压，在褶皱处受压容易使囊壁破坏；另外，也放置内部被挤压到一起之后，外部液压源难以把流体入住囊中。

优选地，所述储能装置是上限液囊；优选地，所述储能装置是双限液囊。

组合结构

组合结构

本发明的组合结构包括，A部分、B部分和C部分；其中，所述A部分包围有空腔，所述B部分和所述C部分都处在所述空腔中，所述C部分是一个或多个双态稳压装置。

A部分

优选地，所述A部分是两端封堵的管子；

优选地，所述A部分是管子，其两端曾经封堵过，但已经拆除了封堵装置。

优选地，所述管子横截面的外轮廓线是圆形、圆角多边形、多边形；

优选地，所述管子的外形是柱形体、台形体、阶梯轴形体；优选地，所述A部分外形是圆柱形、圆台形或阶梯轴型。

优选地，所述管子的轴线是直线；优选地，所述管子的轴线是切线。

优选地，所述A部分的材料是钢材，优选地；所述A部分的材料是纤维复合材料；优选地，所述A 部分材料是高分子材料。

B部分

所述B部分材料是曾经处在可流动状态的已经凝固的可凝固材料。

优选地，所述B部分是水泥基材料，包括水泥砂浆、普通强度混凝土、高强混凝土、超高强混凝土、活性粉末混凝土；

优选地，所述B部分材料是已经凝固的高分子材料，或高分子材料与固体粉末的混合物，或高分子材料与固体颗粒的混合物，或高分子材料与固体粉末以及固体颗粒的混合物。优选地，所述高分子材料是环氧树脂；优选地，所述固体粉末是金属粉末或/和无机非金属材料粉末；优选地，所述无机非金属材料粉末是石粉；优选地，所述固体颗粒是石子或/和金属颗粒。

组合结构和其中的双态稳压装置的两种状态

组合结构的第一种状态

存在有一段时间范围，在该时间范围内所述组合结构具有以下特征，

(5)所述B部分材料处在可流动状态，材料内部存在压应力；

(6)所述双态稳压装置的双态材料处在可流动状态，材料内部存在压应力；

(7)所述双态稳压装置的外壳外表面与同其接触的介质之间存在有压应力，所述接触的介质是B部分材料或/和双态稳压装置的双态材料；

(8)所述A部分内壁与同其接触的介质之间存在有压应力。

当B部分材料发生体积收缩时，双态稳压装置中的储能装置推动双态材料从双态稳压装置的外壳孔洞中流出，填补B部分材料因收缩产生的体积变化。

组合结构的第二种状态

存在有一个时刻，在该时刻之后所述组合结构具有以下特征，

所述B部分材料处已经凝固，强度达到或超过预设值，材料内部存在压应力；

所述双态稳压装置的双态材料进入凝固后状态，强度达到或超过预设值，材料内部存在压应力；

双态稳压装置支撑圈抗压能力远高于储能装置外表面上的压应力；

双态稳压装置支撑圈的表观体积弹性模量或表观体积变形模量远高于储能装置的表观体积变形模量。

双态稳压装置支撑圈

材料所处状态是：a.组合结构中的B部分材料凝固且强度达到或超过设计值，b.双态稳压装置的双态材料进入到凝固后状态，并且强度达到设计值。

支撑圈是在组合结构的A部分包围空腔内部划分出的一个区域，该区域具有以下特征，

(1)该区域内包含有双态稳压装置和其外壳周围的已经凝固的材料；

(2)该区域的边界靠近双态稳压装置的外壳的外表面；

(3)该区域内的所述已凝固材料与双态稳压装置的外壳组成一个承载体系，该体系能够抵抗周围介质施加的压力；

(4)在区域边界处受到压应力作用时，外壳孔洞外侧的双态材料能够把压力扩散到外壳上的无孔表面区域上。

支撑圈的力学特征

支撑圈的表观体积弹性模量和表观体积变形模量都远高于双态稳压装置中的储能装置的表观体积弹性模量。支撑圈的承载能力远高于双态稳压装置的外表面上的压力。

几种支撑圈的几何特征

情况1

条件：a.双态稳压装置的外壳是圆形或椭圆形截面带孔管子，

b.在管子外侧附近区域有双态材料或/和B部分材料；

结论：在管子横截面所在平面上，所述支撑圈的范围具有以下特征，

(1)支撑壳的外轮廓线包围图形与管子外轮廓线包围图形形状相似、几何形心重叠；

(2)支撑圈的边界面与管子外表面之间的最近距离为管壁上孔洞直径的0.5～4倍。

情况2

条件：a.双态稳压装置的外壳是圆形截面的、管壁上无孔的管子，

b.在管子两端没有封堵，两端外侧附近区域只有双态材料或B部分材料；

结论：在管子横截面所在平面上，带壳体积补偿装置的支撑壳外表面包围范围就是支撑圈的范围；

组合结构的制作方法

制作方法

本发明的组合结构的制作方法包括：制作A部分，把一个或多个双态稳压装置放入所述A部分包围的空腔中，向所述空腔中充填B部分材料，对空腔中的B部分材料或/和双态稳压装置施加压力。

制作方法的优选方案1

组合结构中A部分是两端封堵的等截面圆形钢管，B部分是可凝固材料，C部分双态稳压装置，C部分中的双态材料的可流动状态结束时刻晚于B部分材料的强度达到预设值的时刻。

双态稳压装置中的外壳上带有孔洞，储能装置是双限气囊。当气囊达到其最大表观体积时，气囊外表面与外壳的内壁之间没有接触压力。在双态稳压装置的外面包裹一层柔性材料，把双态材料与周围的B部分材料隔离开，以防二者混合后发生预期之外的反应。

准备双态稳压装置的工作包括以下内容。给双态稳压装置中的双限气囊充气，内部气压达到设计值后停止。把双限气囊放入外壳的空腔中。向空腔中的剩余空间充填处在可流动状态的双态材料，并让双态材料通过孔洞流出到外壳的外部。在外壳的外部包裹着柔性材料，当双态材料从孔洞流出之后能够保留在柔性材料包围的范围内。

把双态稳压装置放入A部分包围的空腔中，向空腔中充填B部分材料，向B部分材料施加压力。施加压力的方法之一是，采用加压泵通过管路向空腔中注入B部分材料，当B部分材料的压力达到设计值时关闭管路。施加压力的另一种方法是，用加压活塞挤占空腔中的空间。当空腔中的B部分材料的压力达到设计值时，保持所述活塞停与A部分之间没有相对移动。

在对空腔中的B部分材料加压的过程中，B部分材料挤压所述柔性层和其包裹的双态材料，使双态材料通过孔洞流入到外壳的空腔中，进而挤压双限气囊，气囊体积收缩。当压力达到设计值时，停止向空腔中注入B部分材料或停止推动挤压活塞移动。所述压力设计值的含义是，当压力达到该值时，气囊的表观体积略大于气囊最小表观体积。

优选地，采用一次性加压方法。如果采用加压泵加压，当B部分材料的压力达到设计值之后，永久地关闭阀门，拆除加压泵等外部装置。优选地，如果采用加压活塞加压，当B部分材料的压力达到设计值之后，把加压活塞固定到A部分上，使之不再发生相对移动。这种方案的优点是，加压一次就完成了加压工作。缺点是，当气囊中的气体体积与B部分材料的收缩体积之间的比值较小时，气囊的压力降低幅度较多；为了防止压力低于设计值，需要增加双态稳压装置的数量或气囊体积。

优选地，采用多次加压方法。用加压泵或加压活塞多次加压，多次加压只适用于B部分材料处可流动状态的阶段。B部分材料因体积收缩而造成压力降低，当B部分材料的压应力降低到预设值下限时，用加压泵或加压活塞再次加压；当达到预设值上限时，停止加压。这个过程重复多次。这种方法的好处是压力波动范围较小，缺点是加压过程断断续续，占用时间很长。

优选地，储能装置选为弹性外壳储能装置。加压方法采用一次性加压或多次加压。

制作方法的优选方案2

本方案与制作方法的优选方案1大同小异；与之相比，只是双态稳压装置中的气囊改为气液囊，向气囊中充气改为向气液囊中充填液化气体和液体。由于气液囊中含有液体，当气液囊膨胀时，液体一部分液体变成气体，气液囊内的气压不发生变化。采用一次性加载方法即可，无需多次加压。

制作方法的优选方案3

优选方案3与优选方案1有些类似。

在本方案中，储能装置是普通气囊，气囊自身没有表观体积上限，用外壳来限制气囊的膨胀极限。

(1)双态稳压装置的制作步骤

a.为防止压缩气体把气囊的内壁被挤入到外壳上的孔洞中，在外壳的内部用遮挡装置挡住每个孔洞。优选地，遮挡装置是塑料片，用胶带固定到外壳的内壁上。

b.把气囊放入外壳的空腔中，给气囊充气，当压力达到设计值时结束充气。在充气结束时，气囊与外壳内壁之间的压应力几乎等于囊内气体的压力。

c.把装有气囊的外壳放入隔离装置内部，向隔离装置内部充填处在可流动状态的双态材料。然后封住隔离装置，保证双态材料不能够从隔离装置内部流程。这时双态稳压装置已经完成制作。

(2)组合结构的制作

把隔离装置连同内部的双态稳压装置放入A部分包围的空腔中，向空腔内注入B部分材料，对B部分材料施加压力，当压力高于气囊中的气压时，处在可流动状态的双态材料通过外壳上的孔洞被挤入到外壳的空腔中。进入空腔的双态材料挤压气囊，使之体积收缩。当B部分材料的压力达到预设值之后，停止加压。

与方案1类似，可以采用一次性甲方的方法；也可以采用多次加压的方法，断断续续地多次加压，维持压力在要求的范围。

优选地，所述隔离装置是柔性薄膜。

优选地，所述隔离装置是薄壁管。优选地，所述在横截面上薄壁管的管壁是波纹形的。优选地，薄壁管的两端用柔性薄膜包裹住。优选地，薄壁管的材料是金属、或高分子材料。优选地，高分子材料是PVC。

制作方法的优选方案4

本方案与制作方法的优选方案1类似，有a和b两种细分方案。

方案a是在双态稳压装置中的气囊上加装管路，管路连接到A部分之外的气泵上。当囊内气压降低时，气泵工作，把气压维持在要求的范围内。

方案b是把双态稳压装置中的气囊上换成液囊，在液囊上加装有管路，管路连接到A部分之外的液压源上，液压源包含油泵和蓄能器。当囊内压力降低时，液压源工作，把压力维持在要求的范围内。

实施例

实施例1

组合结构为钢管混凝土柱子，如图9、图10和图11所示。组合结构中的A部分包括上封堵板110、法兰盘111、钢管12和下封堵板13，法兰盘110与钢管12之间以及下封堵板与钢管12之间采用焊接连接。上封堵板110、和兰盘111都设置有多个螺栓孔1101，上封堵板与法兰盘之间采用螺栓连接。上封堵板还设置有施工孔1102和排气孔1103，两个孔都加工有椎管螺纹。在A部分空腔的轴线处放置有一个双态稳压装置3。

双态稳压装置如图11所示，这里的双态稳压装置带有柔性隔离装置34。双态稳压装置的部件包括柔性隔离装置34、带孔钢管32、双限气囊和双态材料331、332、333。双限气囊的囊壁312由橡胶制作，在囊壁外部套着一个约束套313，约束套由芳纶纤维编织而成。当气囊充分膨胀时，约束套被撑成圆柱形，其直径小于带孔钢管32的内径。在气囊312的内部放置有带有圆孔3111的小钢管311，小钢管上的孔径为0.1mm，小钢管两端封堵，端部外表面都处理成光滑表面，以防受到外部压力时囊壁被刺破。小钢管311 内部的气体314的气压与小钢管外的气体315的气压相等。双态材料331、332和333都是环氧树脂与石粉的混合物，其可流动状态结束的时刻晚于B部分材料的体积收缩转折点出现的时刻。双态材料外面包裹着用纤维布制作的柔性隔离装置34。

B部分材料是超高强混凝土，成分包括粗骨料、石英砂、水泥、石英粉、硅灰等，立方体抗压强度不低于140MPa。超高强混凝土在凝固过程中发生体积收缩。

制作钢管混凝土柱子的步骤如下。

(1)制作A部分，

先分别加工上封堵板110、法兰盘111、钢管12和下封堵板13，把法兰盘111、下封堵板13分别焊接到钢管12的上端和下端。

(2)制备双态稳压装置

把气囊放入约束套中，给气囊充气，当压力达到预设值时充气结束。气囊上设置有逆止阀，当结束充气时，逆止阀把充气通道关闭，气体不会溢出。充气时气囊处在体积上限，预设充气结束的气压为 5MPa；当气囊达被压缩到体积下限时，压力介于7.8～8MPa，这时气体全部或绝大部分都处在气囊内部的小钢管的空腔中。

(3)安装双态稳压装置

把约束套313包裹的气囊放入带孔钢管32的空腔中，向空腔的空隙中充填处在可流动状态的双态材料331，让双态材料从孔洞321中流出进入到钢管32的外侧与柔性隔离装置内侧34之间。封装好隔离装置34，双态稳压装置准备结束。把双态稳压装置3放入A部分的空腔中，固定在钢管的轴线位置。

把上封堵板110安装到法兰盘111上，用螺栓连接。

(4)充填B部分材料

把带有外椎管螺纹的施工管与到上封堵板110上的施工孔1102对接，椎管螺纹有密封功能，有压力的液体不能够从中渗出。用泵把超高强混凝土通过施工管把注入到A部分包围的空腔中，注入过程中被挤压的气体从排气口1103排除。在注入的过程中，同时用激振器振动A部分的钢管12，以便让混凝土中的气泡溢出。当住满之后关闭混凝土泵，把排气口用丝堵封住，丝堵也是椎管螺纹。

(5)施加压力

拆下施工管，清除管子中的混凝土，然后把施工管安装到施工孔1103上。向施工管中注入活性粉末混凝土，直到注满为止。，注入时用细管插入到施工管中，活性粉末混凝土通过细管挤入到施工管内。把加压泵与施工管连接，用加压泵对施工管中的活性粉末混凝土施加压力，进而实现对A部分包围空腔中的超高强混凝土施加压力。当压力达到预设值7.8时，维持压力在该值持续一段时间；然后停止加压，关闭施工管上的阀门，拆除混凝土泵。阀门关闭后A部分包围空腔中的混凝土仍然保有压应力。

(6)后处理

当超高强混凝土和活性粉末混凝土的强度都达到或超过30MPa时，拆除施工管。

实施例2

组合结构为钢管混凝土柱子，如图12和图13所示。组合结构的A部分包括上封堵板110、法兰盘 111、钢管12和下封堵板13。法兰盘与钢管以及下封堵板与钢管之间都采用焊接连接。在上封堵板110上设置有施工孔1102和排气孔1103，两种孔都加工有椎管螺纹。

在钢管12的内部空腔中安装有5个双态稳压装置。双态稳压装置的外壳为两端封堵的钢管，管壁上分布有圆孔，圆孔直径为3～5mm。钢管内部空腔中放置有橡胶气囊，在钢管内壁的圆孔处放置有塑料片遮挡住圆孔，塑料片用胶带粘贴到钢管内壁上。储能装置的充气方法如下。在没有充填压缩空气时，把气囊放入钢管空腔中，封堵钢管两端，把气囊的充气管头露在钢管端部的外面。对气囊充填压缩空气，当气压达到10MPa时关闭阀门，结束充气。由于钢管的圆孔处有塑料片遮挡，气囊的囊壁不会挤入孔中。这时气囊的状态有些像液压设备中的蓄能器。

B部分材料是活性粉末混凝土，其中的最大颗粒的粒径为0.63mm；双态材料是缓凝活性粉末混凝土，其最大颗粒的粒径为0.25mm。双态材料的可流动状态结束时刻晚于B部分材料的体积收缩转折点出现的时刻。

组合结构的施工步骤如下。

(1)制作A部分

加工A部分的钢管上封堵板110、法兰盘111、钢管12和下封堵板13，把法兰盘111以及下封堵板焊接到钢管12的两端。

(2)制备双态稳压装置

对已经装入外壳空腔中的气囊加压，当气压达到18MPa时结束。用波纹铁皮制作圆筒，圆筒横截面外边界是波纹形。用薄膜材料包裹住圆筒下端。把装有气囊的带孔外壳装入圆筒中，向圆筒内部区域充填缓凝活性粉末混凝土，让活性粉末混凝土围绕在圆筒的四周和两端。在用薄膜材料封住圆筒上端。双态稳压装置包括外部隔离装置、缓凝活性粉末混凝土、圆筒、气囊等。

(3)把双态稳压装置固定在钢管的空腔中，把活性粉末混凝土充填到钢管空腔中。当充填满之后用丝堵封住排气孔。

(4)用加压泵通过施工管向钢管空腔中的B部分材料施加压力，当压力大于10MPa时，用作双态材料的缓凝活性粉末混凝土被挤入带孔外壳的空腔中；当压力达到18MPa时，维持压力恒定持续20分钟，然后关闭安装在施工管上的阀门，拆除加压泵。

(5)当B部分材料的强度达到60MPa时，拆除掉施工管。

术语

装置的表观体积

某一装置的表观体积是该装置外表面包围的体积。

按照上述定义，储能装置和双态稳压装置都有表观体积，分别称为储能装置的表观体积和双态稳压装置的表观体积。

装置的表观体积弹性模量

设某一装置周围都是静态流体，装置的外表面上作用有流体压力p，当压力p产生增量Δp时，相应地该装置的表观体积产生增量ΔV。

记

如果表观体积的变化是可恢复的，则

按照上述定义，储能装置和双态稳压装置都分别有表观弹性模量，分别称为储能装置的表观体积弹性模量和双态稳压装置的表观体积弹性模量

表观体积变形性模量

表观体积变形模量用下式表示

其中的表观体积V的变化含有不可恢复的部分。

按照上述定义，储能装置和双态稳压装置的表观体积中有不可恢复的部分，则他们都分别有表观弹性模量，分别称为储能装置的表观体积弹性模量和双态稳压装置的表观体积弹性模量。

体积收缩转折点

体积收缩转折点简称收缩转折点。

把新拌水泥基材料放入封闭环境中，让其经历两个阶段：

(1)在第一阶段，材料受到的压力至少在刚开始阶段是变化的，经历的温度变化与否不受限制；

(2)在第二阶段，保持温度和压力不变，记录其体积应变与时间关系曲线。

在第二阶段，如果体积应变与时间关系曲线中存在一个具有以下特征的点，则该点就是收缩转折点。

该点的特征是：在该点处曲线的曲率最大，在该点之后的体积应变速率远低于之前处在第二阶段的平均速率，仅为之前该速率的几十分之一到几分之一，甚至更低。在常用的水灰比或水胶比范围内，收缩转折点出现时，材料已经具有一定的静态抗剪强度。

如果在第二阶段，体积应变与时间关系曲线中没有出现转折点，说明第二阶段的开始时间太晚了，通

过缩短第一阶段的时间长度，可使第二阶段中的曲线出现转折点。如果第二阶段开始时材料还处在可流动状态，则一定能够找到转折点。即使在第二阶段开始的时刻材料具有的一定的静态抗剪强度，如果强度不是足够高，还是能够出现转折点。