一种基于SMA的防屈曲钢管混凝土柱及其施工方法

技术领域

本发明涉及工程结构技术领域，尤其是涉及一种基于SMA的防屈曲钢管混凝土柱及其施工方法。

背景技术

钢管混凝土柱是一种应用广泛的组合结构构件，相较传统钢筋混凝土柱，组合后的钢管混凝土柱承载力高、施工简单同时还具有良好的滞回和耗能性能。钢管混凝土柱的基本原理是，依靠内填混凝土的支撑作用，减弱钢管向内屈曲的可能性，增强柱身钢管的稳定性。同时核心混凝土受到钢管的“约束”作用，使核心混凝土处于三向受压状态，延缓混凝土内部纵向裂缝产生和发展的时间，令核心混凝土具有更强的抗压强度和抵抗变形能力。

圆形截面钢管混凝土柱相比方形或矩形钢管混凝土柱，圆形的钢管对核心区的混凝土的约束力为均匀的向心力，钢管在核心区混凝土向外挤压的作用下，只有环向拉力而不产生弯曲变形，因此约束效果最佳。

国内外试验研究发现，现有的钢管混凝土柱为了降低柱身自重与厚度，外层钢板多采用薄壁钢管，薄壁钢管容易发生局部失稳破坏，导致钢管无法对核心混凝土起到应有的约束作用而存在承载力下降过快的问题。

如图5所示，当在轴向压力或往复荷载作用下，钢管混凝土柱底部易发生局部屈曲，柱身钢管出现鼓曲现象。这会导致钢管无法对核心混凝土起到应有的约束作用而存在承载力下降过快的问题。

为了解决薄壁钢管局部屈曲问题，目前多通过在钢管混凝土外设置外加钢筋混凝土套、外加钢构套、外加钢板、FRP(纤维增强复合材料)包裹加固等方法解决。传统的扩大截面加固方法如外加钢筋混凝土套需要支模拆模，绑扎钢筋，施工步骤繁琐，而外加钢构套、外加钢板需要进行后期维护且对结构自重提升较大。FRP包裹加固施工更为便捷，但当FRP约束太大时，FRP容易受到钢管屈曲的影响而提前破坏，FRP的材料性能不能得到有效利用，且延性性能较差。

而形状记忆合金(SMA)具有形状记忆效应及超弹性效应，近年来被广泛应用于航空海天、医学及土木工程等领域，在大变形循环中具有良好的抗疲劳性及耗能能力。形状记忆效应为，某些具有热弹性马氏体相变的合金在马氏体状态下有一定限度的变形或变形诱发马氏体后，当加热温度超过马氏体相消失的温度时，材料能完全恢复变形前的形状和体积。超弹性效应为，在一定的应变范围内卸载，则形状记忆合金在不需要加热的情况下就可以回到原来的母相状态，应变会完全消失，但其应变量远超通常意义上的弹性变形，显示为超弹性。该两种特性对结构构件起到施加预应力、降低残余变形、提高耗能能力等作用。

形状记忆合金具有良好的受力性能。受到SMA直径、镍的含量、环境温度、加载频率、应变幅值、材料强度等因素的影响，镍钛记忆合金的抗拉强度约为450～850MPa，屈服强度约为195～690MPa，逆向变的恢复应力最大可达到400Mpa，最大可恢复应变可达到8％。以1mmNi49.8Ti50.2SMA为例，其屈服强度约为300Mpa，在应变为6％时抗拉强度约为500Mpa，在应变为8％时抗拉强度约为700Mpa。相比于传统的钢材，形状记忆合金在相同的材料强度下具有更优良的延性、耗能能力以及抵抗变形的能力。在实际工程中，可以依据实际情况选择不同强度、不同直径的SMA丝以起到不同的约束效果。

如2022-08-16公开的中国专利CN114908991A，提出了一种圆形混凝土柱横向预应力加固构造及加固方法，通过将形状记忆合金板弯曲、包裹在圆形混凝土柱的外侧，实现对混凝土柱的加固作用。但是这类现有技术没有采用钢管对混凝土柱进行约束，而是直接使用形状记忆合金板弯曲包裹混凝土柱的开裂部位，所以形状记忆合金板实际上只起到与钢管相同的作用，即对混凝土柱的开裂进行约束和加固，并无法解决钢管混凝土柱局部屈曲的问题；且这类现有技术也没有针对钢管混凝土柱的易屈曲位置进行特别加固。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于SMA的防屈曲钢管混凝土柱及其施工方法，能够解决钢管混凝土柱局部屈曲问题。

本发明提供一种基于SMA的防屈曲钢管混凝土柱，包括钢管，所述钢管内填装混凝土形成钢管混凝土柱，所述钢管混凝土柱的下部易屈曲范围外侧包裹有SMA丝网环。

进一步地，所述SMA丝网环包裹在所述钢管混凝土柱的下部1/3范围。

进一步地，所述SMA丝网环由SMA丝编织成SMA丝网后，连接为环状结构形成。

进一步地，所述SMA丝网为三向网格结构，其上有大小均匀的网孔，网孔形状为等边三角形。

进一步地，所述SMA丝选用奥氏体相变结束温度Af远低于室温的形状记忆合金材料。

进一步地，所述SMA丝选用NiTi合金，NiTi合金中Ni含量为49.8％。

进一步地，所述SMA丝网环总处于受拉状态，所述钢管混凝土柱始终处于受压状态。

本发明还提供一种基于SMA的防屈曲钢管混凝土柱的施工方法，包括如下步骤：S1，在工厂预制柱身钢管；S2，预制SMA丝；S3，将SMA丝编织成SMA丝网，再将SMA丝网制成环状结构形式，即制成SMA丝网环；S4，对SMA丝网环进行形状记忆处理：在常温状态下，将SMA丝网环加工成小于钢管混凝土柱横截面周长尺寸的奥氏体相；在低温状态下，将SMA丝网环加工为大于钢管混凝土柱横截面周长尺寸的马氏体相；S5，在低温环境中，将大于钢管混凝土柱横截面周长尺寸的马氏体相SMA丝网环，套至钢管下部易屈曲范围外侧；S6，将套装SMA丝网环后的柱身钢管在常温下运输至施工现场；S7，在施工现场直接以柱身钢管作为混凝土浇筑模板，填装混凝土形成混凝土柱。

进一步地，步骤S2中，对SMA丝进行多次加卸载循环。

进一步地，步骤S4中，在常温状态下，将SMA丝网环加工成小于钢管混凝土柱横截面周长尺寸5％-8％的奥氏体相；在低温状态下，将SMA丝网环加工为大于钢管混凝土柱横截面周长尺寸5％-8％的马氏体相。

本发明的技术方案通过SMA丝网环的超弹性，使SMA丝充分发挥其自复位效果，能够防止柱身底部的钢管过早出现屈曲，控制柱身钢管鼓曲的程度。在小中震时，SMA丝网环约束底部钢管不发生屈曲，解决钢管底部易发生局部屈曲的问题。在大、超大震作用时，即使钢管出现平面外屈曲，不仅可以利用SMA的超弹性把钢管压缩复位、降低残余变形，还可以利用形状记忆合金的高阻尼特性，耗散地震能量，真正实现防屈曲钢管混凝土柱。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的俯视示意图；

图2为本发明的正视及侧视示意图；

图3为本发明的内部构造图；

图4为本发明的SMA丝网编织示意图；

图5为背景技术中钢管混凝土柱底部局部屈曲示意图；

附图标记说明：

1-钢管；2-钢管内填混凝土；3-SMA丝网环；4-SMA丝网；401-钎焊连接；

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

本发明提供一种基于SMA的防屈曲钢管混凝土柱，包括钢管1，钢管1内填装混凝土2形成钢管混凝土柱，钢管混凝土柱的下部易屈曲范围外侧包裹有SMA丝网环3。

具体的，柱身钢管1通过在工厂焊接形成，钢管1形式可选用但不局限于圆形钢管1、方形钢管1等形状规则的钢管1，且应在SMA丝网环3包裹范围内保持钢管1截面形状不变，不存在钢管1体积缩进的情况，保证钢管混凝土柱的柱身钢管1得到SMA丝网环3的有效包裹。

柱身圆形钢管1材料宜采用Q355、Q390、Q420和Q460钢。钢管混凝土柱的高度和直径、钢管1的材料强度、混凝土2的强度不是固定的，可以根据工程实际需要的受力大小进行调整，实现不同的承载力与延性耗能能力，便于工程人员根据实际结构的设计需求，实现结构的不同性能水准要求。

相应的，SMA丝网环3形式可以选择圆形网环或方形网环等形式，网环形式应与柱身钢管1形式相同。起到延缓钢管混凝土柱局部屈曲的出现，降低钢管1屈曲程度的作用。本实施例1中，柱身钢管1选择圆形钢管1，SMA丝网环3选择圆形网环形式，圆形截面钢管混凝土柱相比方形或矩形钢管混凝土柱，圆形的钢管1对核心区的混凝土2的约束力为均匀的向心力，钢管1在核心区混凝土2向外挤压的作用下，只有环向拉力而不产生弯曲变形，约束效果最佳。

SMA(shape memory alloys)，即形状记忆合金，具有超弹性和形状记忆特性。本实施例1中，利用SMA丝网环3的形状记忆特性，为柱身钢管1提供预压应力，增强新型钢管混凝土柱的抗屈曲能力。SMA丝网环3由马氏体逆向变产生的恢复力能给钢管混凝土柱底部的管壁施加预压应力，增强对钢管1的约束作用，延缓钢管1局部屈曲的出现。利用SMA丝网环3的超弹性，外包SMA丝网环3总处于受拉状态，可使SMA丝环充分发挥其自复位及耗能效果，有效消耗地震能量，降低残余变形。在小、中震作用下防止钢管混凝土柱的底部钢管1过早地屈曲，解决钢管1底部易发生局部屈曲的问题。在大震或者超大震作用下自复位底部钢管1，真正实现防屈曲钢管混凝土柱。

实施例2

SMA丝网环3包裹在钢管混凝土柱的下部1/3范围。

具体的，如图5所示，当在轴向压力或往复荷载作用下，钢管混凝土柱底部易发生局部屈曲，柱身钢管1出现鼓曲现象。这会导致钢管1无法对核心混凝土2起到应有的约束作用而存在承载力下降过快的问题。故本实施例2将SMA丝网环3包裹在钢管混凝土柱的下部1/3范围，在此范围内钢管混凝土柱易发生局部屈曲。利用SMA丝网环3的形状记忆特性，由马氏体逆向变产生的恢复力能给钢管混凝土柱的柱身钢管1施加预压应力，对柱身钢管1起到环向约束作用，其示意图如图1所示。SMA丝网环3可以增强对钢管1的约束作用，延缓钢管1下部屈曲的出现，使核心区混凝土2处于三向受压的状态，有效提高混凝土2的强度。

实施例3

SMA丝网环3由SMA丝编织成SMA丝网4后，连接为环状结构形成。

具体的，SMA丝网环3的形状与柱身钢管1形式相同，可以选择圆形网环或方形网环等形式。连接方式可选用但不局限于机械连接、焊接、绑扎连接等具有相同良好连接效果的方式，例如SMA丝网4通过钎焊连接401的方式成一个圆形网环，钎焊连接401是目前最为普遍的SMA连接方式之一。

编制SMA丝网4所采用SMA丝直径可选用但不局限于0.3mm、0.5mm、1mm等直径较细的SMA丝材，宜选用1mm，针对SMA的性能，直径越粗，残余变形越大，耗能能力越差，故选用SMA丝编制SMA丝网4既能发挥形状记忆合金的自复位及耗能特性，又能有效节约SMA合金用量，降低造价。

实施例4

SMA丝网4为三向网格结构，其上有大小均匀的网孔，网孔形状为等边三角形，受力均匀。

具体的，SMA丝网4可选用但不局限于三向网、勾花网、平纹编织网、斜纹编织网、荷兰编织网、多重编织网等具有相同良好受拉性能的网状结构。网格大小网格大小宜为2.5～5cm，更具体的网格大小选取4cm×4cm×4cm，内部各节点均采用钎焊连接401固定。

编制的SMA丝网4宜密不宜疏，若过密的SMA丝网4将导致造价较高，过疏的SMA丝网4将降低对钢管混凝土柱的约束作用。

实施例5

SMA丝选用奥氏体相变结束温度Af远低于室温的形状记忆合金材料，使SMA丝线在常温稳定于奥氏体状态中。SMA丝选用NiTi合金，NiTi合金中Ni含量为49.8％。

具体的，SMA丝材料可选用但不局限于Ni-Ti合金、Ni-Al合金、Cu-Al-Ni等具有相同功能的材料。在目前已实用化的形状记忆合金NiTi合金和铜系合金中，优选NiTi合金。NiTi合金相较铜系合金恢复应变能力更强，产生的恢复应力更大，循环寿命更长，耐腐蚀性更优，形状记忆处理更易。由于NiTi系形状记忆合金最大可恢复弹性应变约为8％，若超出8％可能产生无法恢复的残余变形，降低SMA丝网环3对钢管混凝土柱的约束作用。NiTi合金宜选用Ni含量为49.8％左右的材料Ni

实施例6

SMA丝网环3总处于受拉状态，钢管混凝土柱始终处于受压状态。

具体的，应在SMA丝网环3包裹范围内保持钢管1截面形状不变，不存在钢管1体积缩进的情况，保证钢管混凝土柱的柱身钢管1得到SMA丝网环3的有效包裹。SMA丝网4总处于受拉状态，钢管混凝土柱始终处于受压状态，避免发生局部屈曲。

实施例7

本发明还提供一种基于SMA的防屈曲钢管混凝土柱的施工方法，包括如下步骤：

S1，在工厂预制柱身钢管1；柱身钢管1厚度及高度视实际需求而定。若钢管1制成圆形截面，钢管1外径不应小于200mm，壁厚不应小于4mm，外径与壁厚之比、截面含钢率、约束效应系数应满足《钢管1混凝土2混合结构技术标准》的相关要求。若钢管1外径大于或等于2000mm时，宜采取减小钢管1内混凝土2收缩的构造措施，如设置栓钉、加劲肋等。

S2，预制SMA丝；SMA丝选用合适直径的奥氏体相变结束温度Af远低于室温的形状记忆合金材料。为确保SMA丝有较好的超弹性性能，对其进行10次左右的加卸载循环，即机械锻炼。SMA丝可以依据实际使用需求，选择不同强度、不同直径的SMA丝线，以达到不同的约束效果。

S3，将SMA丝编织成SMA丝网4，再将SMA丝网4制成环状结构形式，即制成SMA丝网环3；预制SMA丝网4，选取合适的网目大小，将SMA丝编织成三向网格结构，该三向网格内部均为等边三角形，可以保证网格受力均匀。SMA丝网4高宜取柱身1/3的高度。将编织好的SMA丝网4选取合适的连接方式制成环状结构形式，即制成SMA丝网环3。环状结构形式可以选择圆形环状、方形环状形式等，环状结构形式应与柱身钢管1形式相同。SMA丝网环3可以根据具体需求，改变网格疏密、网型、网高等等，适用范围广，不影响钢管混凝土柱的正常施工及使用。

S4，在形状记忆合金专业加工工厂对SMA丝网环3进行形状记忆处理：在常温状态下，将SMA丝网环3加工成小于钢管混凝土柱横截面周长尺寸5％-8％的奥氏体相；在低温状态下，将SMA丝网环3加工为大于钢管混凝土柱横截面周长尺寸5％-8％的马氏体相；

S5，在工厂的低温环境中，将大于钢管混凝土柱横截面周长尺寸5％-8％的马氏体相SMA丝网环3套至钢管1下部1/3高度的易屈曲范围外侧；随后，SMA丝网环3升至室温，当SMA丝网环3温度提升至室温时，SMA丝网环3恢复至小于钢管混凝土柱尺寸的奥氏体相，裹紧于钢管混凝土柱底部，为柱身钢管1提供预压应力，即在无需加热与外力的情况下，就能对柱身钢管1施加预压应力。

S6，在工厂套装SMA丝网环3后，将套装SMA丝网环3后的柱身钢管1(未浇灌混凝土2)在常温下运输至施工现场；同时采购合适强度的柱身内填混凝土2运输至施工现场。

S7，在施工现场直接以柱身钢管1作为混凝土2浇筑模板，完成钢管1内填混凝土2的浇筑及振捣，并进行混凝土2的养护。

本发明的工作原理：

柱身圆形钢管1约束在钢管1内填混凝土2外侧，使核心区混凝土2处于三向受压状态，有效增强混凝土2的强度。SMA丝网环3包裹于钢管混凝土柱底部1/3的高度范围，为柱身圆形钢管1底部的管壁提供预压应力。当钢管1发生屈曲时，SMA丝网环3总处于受拉状态。在小震、中震作用下，防止底部钢管1过早屈曲，在大、超大震作用时，即使钢管1出现平面外屈曲，不仅可以利用SMA的超弹性可以把钢管1压缩复位、降低残余变形，还可以利用SMA的高阻尼特性，耗散地震能量。

故本发明利用SMA丝网环3的形状记忆特性，由马氏体逆向变产生的恢复力能给钢管混凝土柱的柱身钢管1施加预压应力，对柱身钢管1起到环向约束作用。SMA丝网4可以增强对钢管1的约束作用，延缓本发明钢管1局部屈曲的出现，使核心区混凝土2处于三向受压的状态，有效提高混凝土2的强度。利用SMA丝网环3的超弹性，外包SMA丝网环3总处于受拉状态，可使SMA丝充分发挥其自复位效果。在小中震时，SMA丝网环3约束底部钢管1不发生屈曲，解决钢管1底部易发生局部屈曲的问题。在大、超大震作用时，即使钢管1出现平面外屈曲，不仅可以利用SMA的超弹性把钢管1压缩复位、降低残余变形，还可以利用形状记忆合金的高阻尼特性，耗散地震能量，真正实现防屈曲钢管混凝土柱。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。