專利名稱：建筑結(jié)構(gòu)用泡沫金屬填充鋼管結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋼管結(jié)構(gòu)，特別是一種建筑結(jié)構(gòu)用泡沫金屬填充鋼管結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
鋼管是許多鋼結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件，如屋蓋結(jié)構(gòu)、塔架結(jié)構(gòu)、高層建筑中的支撐等，特別是在航天地面發(fā)射結(jié)構(gòu)、海洋鉆井平臺(tái)等特種結(jié)構(gòu)中，都以鋼管結(jié)構(gòu)作為主要承力結(jié)構(gòu)。鋼管構(gòu)件屬于閉口截面，與其它開(kāi)口截面相比，具有抗壓和抗扭承載力高，兩個(gè)方向的抗彎承載力相等的優(yōu)點(diǎn)，若采用直接焊接管節(jié)點(diǎn)，還具有外形輕巧美觀、節(jié)點(diǎn)形式簡(jiǎn)單、節(jié)約鋼材、可形成封閉空間節(jié)約防腐涂料的優(yōu)點(diǎn)，因此這些采用鋼管構(gòu)件的結(jié)構(gòu)都獲得了較快的發(fā)展和應(yīng)用。
然而，目前廣泛采用的鋼管結(jié)構(gòu)也存在著一些不足。第一，鋼管屬于圓柱殼結(jié)構(gòu)，根據(jù)彈性理論，在均勻軸向壓力作用下，無(wú)缺陷的圓柱殼具有很高的彈性屈曲臨界應(yīng)力σ＝1.21Et/d，然而承受均勻壓力圓柱殼的失穩(wěn)是一種不穩(wěn)定的分叉失穩(wěn)，對(duì)缺陷特別敏感，管壁缺陷會(huì)對(duì)臨界應(yīng)力有顯著的不利影響，同時(shí)考慮到鋼管局部屈曲常發(fā)生在彈塑性狀態(tài)，因此《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)規(guī)定為保證鋼管不發(fā)生局部屈曲，鋼管外徑與壁厚之比d/t不應(yīng)超過(guò)100(235/fy)。此時(shí)鋼管臨界應(yīng)力的理論值將高于鋼材的屈服點(diǎn)8.8倍，高于鋼管整體失穩(wěn)時(shí)應(yīng)力的倍數(shù)將更多。因此若能采取措施降低鋼管對(duì)缺陷的敏感性，提高鋼管的局部穩(wěn)定性，則可把鋼管構(gòu)件的管壁做得更薄，使得截面更加開(kāi)展，從而進(jìn)一步節(jié)省鋼材，減輕結(jié)構(gòu)自重。第二，從動(dòng)力學(xué)角度，鋼管結(jié)構(gòu)的阻尼較低，不能有效地對(duì)振動(dòng)能量進(jìn)行消耗，而抗震結(jié)構(gòu)和航天地面發(fā)射結(jié)構(gòu)等受動(dòng)荷載作用的結(jié)構(gòu)要求應(yīng)具有較高的阻尼水平。為了提高阻尼水平，達(dá)到抗震和對(duì)振動(dòng)進(jìn)行抑制的目的，傳統(tǒng)的方法是采取附加措施提高結(jié)構(gòu)的整體阻尼，例如安裝阻尼器和隔振器等，這不僅給結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工都帶來(lái)了一定的困難，而且因?yàn)樽枘崞骱透粽衿鞯冉Y(jié)構(gòu)多采用橡膠類材料，材料的老化和性能易受環(huán)境影響等問(wèn)題嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)的使用壽命和可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題克服目前鋼管結(jié)構(gòu)的上述缺點(diǎn)，提供一種建筑結(jié)構(gòu)用泡沫金屬填充鋼管結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以大大提高鋼管的阻尼和能量吸收能力，提高構(gòu)件的穩(wěn)定承載力，節(jié)省鋼材和減輕結(jié)構(gòu)自重。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案建筑結(jié)構(gòu)用泡沫金屬填充鋼管結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)在于在鋼管內(nèi)全部或部分或鋼管-填充金屬材料-鋼管的三明治式填充泡沫金屬材料，填充泡沫金屬材料可以通過(guò)在鋼管中直接澆注或其它工藝實(shí)現(xiàn)。鋼管可以采用圓形截面或方形截面，泡沫金屬可采用泡沫鋁、泡沫鋼、泡沫鐵、泡沫銅、泡沫鎳等。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于在鋼管中填充泡沫金屬材料后，一方面可增加構(gòu)件的整體剛度，提高構(gòu)件的穩(wěn)定承載力，從而減小桿件截面尺寸；另一方面，由于填充材料對(duì)管壁的支撐作用，可改善受均勻壓力圓柱殼對(duì)缺陷特別敏感的情況，從而可把管壁做得更薄，節(jié)省鋼材和減輕結(jié)構(gòu)自重。更重要的是，在鋼管中填充泡沫金屬材料后可以大大增加結(jié)構(gòu)的阻尼(根據(jù)實(shí)驗(yàn)，可以提高結(jié)構(gòu)阻尼5倍以上)和能量吸收能力。當(dāng)填充的泡沫金屬隨同外壁結(jié)構(gòu)一起振動(dòng)時(shí)，可消耗振動(dòng)能量，從而提高結(jié)構(gòu)的阻尼。由于泡沫金屬材料填充鋼管結(jié)構(gòu)是采用增加構(gòu)件自身阻尼的方法來(lái)增加結(jié)構(gòu)阻尼，因而是一種比較理想的增加結(jié)構(gòu)阻尼的方法，它不但便于設(shè)計(jì)和施工，而且還可改善結(jié)構(gòu)外觀。而金屬材料在抗老化和抗環(huán)境影響方面的優(yōu)勢(shì)也是該種方法優(yōu)于傳統(tǒng)阻尼器法的重要方面。因此，這種結(jié)構(gòu)將在地震區(qū)的工業(yè)與民用建筑中(如大跨屋蓋結(jié)構(gòu)、塔架結(jié)構(gòu)、高層建筑中的支撐)以及受沖擊荷載的結(jié)構(gòu)中(如航天地面發(fā)射塔架等一些特殊結(jié)構(gòu))有很好的應(yīng)用前景。


圖1a為本發(fā)明的圓鋼管全部填充結(jié)構(gòu)示意圖；圖1b為本發(fā)明的圓鋼管部分填充結(jié)構(gòu)示意圖；圖1c為本發(fā)明的圓鋼管三明治填充結(jié)構(gòu)示意圖；圖1d為本發(fā)明的方鋼管全部填充結(jié)構(gòu)示意圖；圖1e為本發(fā)明的方鋼管部分填充結(jié)構(gòu)示意圖；圖1f為本發(fā)明的方鋼管三明治填充結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1a的側(cè)視圖；圖3a為圖1a的剖視圖；圖3b為圖1b的剖視圖；圖3c為圖1c的剖視圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施的大跨結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施的塔架結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1、2、3所示，本發(fā)明由外層的鋼管1和內(nèi)部填充的泡沫金屬材料2組成，填充方法可采用溶體發(fā)泡法，即將發(fā)泡劑加入金屬液中，灌入鋼管1內(nèi)，發(fā)泡劑受熱分解，在金屬中形成氣泡，冷卻后即可獲得泡沫金屬填充鋼管構(gòu)件。為使氣泡分布均勻，可采取以下措施①進(jìn)行高速攪拌，使發(fā)泡劑迅速地均布于金屬液中；②增大金屬液的粘度，可阻止氣泡逸出。也可采用粉體發(fā)泡法，即首先混合一定比例的金屬粉末和發(fā)泡劑粉末，壓實(shí)得到密實(shí)的預(yù)制品，將其放入鋼管內(nèi)，然后在基體金屬的熔點(diǎn)附近進(jìn)行熱處理，使發(fā)泡劑分解，釋放出的氣體迫使壓實(shí)的預(yù)制品膨脹為泡沫金屬，即可獲得泡沫金屬填充鋼管構(gòu)件。鋼管的直徑和厚度可根據(jù)桿件的受力和長(zhǎng)度確定，計(jì)算方法類似于鋼管結(jié)構(gòu)。
如圖1、2、3所示，本發(fā)明的鋼管1可以采用圓形截面或方形截面。泡沫金屬可全部填充或部分填充或鋼管-填充泡沫金屬材料-鋼管的三明治式填充方式，泡沫金屬材料2可采用泡沫鋁、泡沫鋼、泡沫鐵、泡沫銅、泡沫鎳等。部分填充時(shí)，泡沫金屬的厚度可取鋼管厚度的2～5倍。
圖4和圖5分別將泡沫金屬填充鋼管構(gòu)件用于大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和高聳塔架結(jié)構(gòu)，與原鋼管結(jié)構(gòu)相比可提高結(jié)構(gòu)阻尼5～8倍，提高承載力20～30％，減輕結(jié)構(gòu)重量10％～15％。
權(quán)利要求
1.建筑結(jié)構(gòu)用泡沫金屬填充鋼管結(jié)構(gòu)，其特征在于在鋼管內(nèi)全部或部分或鋼管-填充金屬材料-鋼管的三明治式填充泡沫金屬材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的建筑結(jié)構(gòu)用泡沫金屬填充鋼管結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的鋼管為圓形截面或方形截面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的建筑結(jié)構(gòu)用泡沫金屬填充鋼管結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的泡沫金屬材料為泡沫鋁、或泡沫鋼、或泡沫鐵、或泡沫銅、或泡沫鎳。
全文摘要
建筑結(jié)構(gòu)用泡沫金屬填充鋼管結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)在于在鋼管內(nèi)全部或部分或三明治式填充泡沫金屬材料，填充泡沫金屬材料可以通過(guò)在鋼管中直接澆注或其它工藝實(shí)現(xiàn)。鋼管可以采用圓形截面或方形截面，泡沫金屬可采用泡沫鋁、泡沫鋼、泡沫鐵、泡沫銅、泡沫鎳等。本發(fā)明可以大大提高鋼管的阻尼和能量吸收能力，提高構(gòu)件的穩(wěn)定承載力，節(jié)省鋼材和減輕結(jié)構(gòu)自重。
文檔編號(hào)E04C3/32GK1769618SQ200510086698
公開(kāi)日2006年5月10日 申請(qǐng)日期2005年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月24日
發(fā)明者屠永清 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)