碳纖維增強冷彎薄壁方鋼管防屈曲耗能支撐的制作方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種防屈曲耗能支撐，其內(nèi)填納米碳纖維(Carbon nanofibers)混凝土，外包約束為碳纖維增強材料和冷彎薄壁方鋼管的構(gòu)件，屬于結(jié)構(gòu)工程抗震涉及領域。
【背景技術(shù)】
[0002]碳纖維增強復合材料具有高強度、高模量及輕質(zhì)量等諸多優(yōu)點，將其應用在冷彎薄壁方鋼管的防屈曲耗能支撐結(jié)構(gòu)中，以達到增強外包約束鋼管的約束效果，使碳纖維增強鋼管防屈曲耗能支撐的破壞是始于內(nèi)核鋼材的材料破壞，而非外部約束鋼管的破壞，并在加載的過程中能保持完好。采用纖維增強復合材料的約束機制，能使外包冷彎薄壁方鋼管的約束效果在原有的基本上獲得約20%?30%左右的提升；為了進一步鞏固使用碳纖維增強復合材料的增強效果，在外包冷彎薄壁方鋼管的四個角上，再進行兩層碳纖維復合材料的局部增強，以改善始于方鋼管四個角的破壞形態(tài)；在支撐制作處理時，將外包鋼管的四個角改為圓弧形，根據(jù)設計的弧度按照倒角進行處理，轉(zhuǎn)角處的構(gòu)件表面曲率不小于20mm規(guī)定；為保證外包約束鋼管的耐久性，用由環(huán)氧富鋅底漆、環(huán)氧(云鐵)中間漆及聚硅氧烷面漆所構(gòu)成防腐涂層體系進行防腐處理；外包鋼管的內(nèi)填混凝土，采用納米碳纖維混凝土。將納米碳纖維摻入內(nèi)填混凝土中，利用納米碳纖維強度高、抗疲勞、纖維密度低等優(yōu)點，所形成新的復合材料將在很大程度上改善混凝土的力學性能，獲得更好的承載力及減震能力；方鋼管的外包碳纖維復合材料，均采用有機膠粘進行粘接，制作時要分三層完成外部的包裹。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是屈曲約束機構(gòu)的外包鋼管采用冷彎薄壁方鋼管截面，冷彎薄壁方鋼管的四個角設置成圓弧形，以保證外包碳纖維增強布與冷彎薄壁方鋼管之間的緊密貼合。同時，在外包冷彎薄壁方鋼管的表面設置防腐的涂層體系；在冷彎薄壁方鋼管外部用三層碳纖維布增強材料進行二次約束包裹。同時，在冷彎薄壁方鋼管與三層碳纖維布之間，又采用兩層碳纖維布對四個角進行局部上的增強，這種設計形成了雙環(huán)套箍的約束效果；方鋼管內(nèi)填納米碳纖維混凝土，這種改性的混凝土將大大提升整個防屈曲耗能支撐的變形能力，耗能減震的效果佳；外包碳纖維增強布為三層，每一層碳纖維增強材料采用有機膠進行膠粘，通過嚴格的制作工藝保證膠粘的質(zhì)量；防屈曲耗能支撐的連接方式可采用鉸接形式，或固接形式，設置于支撐的兩邊端部，用以實現(xiàn)支撐構(gòu)件與組合框架結(jié)構(gòu)之間的連接。
[0004]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種碳纖維增強冷彎薄壁方鋼管防屈曲耗能支撐，該支撐由約束屈服段、約束非屈服段、屈曲約束機構(gòu)、隔離無粘結(jié)層、無約束非屈服段、三層碳纖維增強布包裹、兩層碳纖維布局部增強組成；該支撐包括外包約束冷彎薄壁方鋼管1、三層碳纖維增強布2、內(nèi)填納米碳纖維混凝土 3、內(nèi)核鋼芯4、加強端板5、圓形連接孔6、加勁板7、鉸接板8、空隙9、隔離無粘結(jié)層10、兩層碳纖維增強布11、角鋼12、防腐涂層體系13 ;具體而言，外包約束冷彎薄壁方鋼管I的截面為方形圓角結(jié)構(gòu)；三層碳纖維增強布2包裹在外包約束冷彎薄壁方鋼管I的外面，在外包約束冷彎薄壁方鋼管I與三層碳纖維增強布2之間的四個角處用兩層碳纖維增強布11進行局部加強；外包約束冷彎薄壁方鋼管I的中間設有內(nèi)核鋼芯4，外包約束冷彎薄壁方鋼管I與內(nèi)核鋼芯4之間填充有內(nèi)填納米碳纖維混凝土 3 ;外包約束冷彎薄壁方鋼管I的兩端面分別設有兩加強端板5 ;鉸接板8設置在沿外包約束冷彎薄壁方鋼管I的兩端面垂直方向上，且與加強端板5相垂直；加勁板7上下連接加強端板5與鉸接板8 ;所述鉸接板8上設有圓形連接孔6 ;所述內(nèi)核鋼芯4與內(nèi)填納米碳纖維混凝土 3的接觸處設有隔離無粘結(jié)層10。
[0005]所述加強端板5與外包約束冷彎薄壁方鋼管I內(nèi)的內(nèi)核鋼芯4之間的鋼筋銜接處留有空隙9，且端部銜接鋼筋與內(nèi)核鋼芯4垂直。
[0006]外包約束冷彎薄壁方鋼管I的外表面的四個角上設有兩層纖維增強布11 ;同時外包約束冷彎薄壁方鋼管I與三層碳纖維增強布2之間設有約束鋼管表面防腐涂層體系13 ;在外包三層碳纖維增強布2的四個角處，采用角鋼12進行局部增強。
[0007]所述約束屈服段由內(nèi)核芯材4構(gòu)成，內(nèi)核芯材4采用屈服強度值穩(wěn)定的鋼材，其截面形狀為一字形或十字形或I字形或箱形或槽形等，內(nèi)核鋼芯4的工作段長度由外包冷彎薄壁約束方鋼管I確定，其厚度根據(jù)實際情況進行選取。
[0008]約束非屈服段在內(nèi)填納米碳纖維混凝土 3與加強端板5之間設置足夠的預留空間，其值大小取外包方鋼管長度的1%?3%。
[0009]屈曲約束機構(gòu)由外包約束冷彎薄壁方鋼管I和內(nèi)填納米碳纖維混凝土 3組成。
[0010]在外包約束冷彎薄壁方鋼管I的表面設置約束鋼管表面防腐涂層體系13，約束鋼管表面防腐涂層體系13由80 μ m環(huán)氧富鋅底漆加上100 μ m環(huán)氧(云鐵)中間漆，再加上80 μ m聚娃氧燒面漆所構(gòu)成。
[0011]隔離無粘結(jié)層10為鈣基潤滑脂和聚乙烯薄膜材料涂層。
[0012]無約束非屈服段由加強端板5和鉸接板8 (或采用固接連接方式)構(gòu)成，其穿出外包約束冷彎薄壁方鋼管I和內(nèi)填納米碳纖維混凝土 3，實現(xiàn)了與外部框架結(jié)構(gòu)的端部連接。
[0013]在鉸接板8上開圓形的連接孔6以便與框架連接。外包約束冷彎薄壁方鋼管I外部采用三層碳纖維增強布2進行包裹，并用有機膠進行膠粘；在外包約束冷彎薄壁方鋼管I與三層碳纖維增強布2之間的四個角處，用兩層碳纖維增強布11進行角端的局部增強；完成好三層碳纖維增強布2的整體包裹之后，采用角鋼12對四個角再次進行局部上的增強。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果。
[0015]對防屈曲耗能支撐的外包約束機制進行改進，提升了冷彎薄壁方鋼管的約束剛度，采用多重約束機制進行約束上的增強；內(nèi)填混凝土采用納米碳纖維混凝土，與普通混凝土的防屈曲耗能支撐比較，碳纖維增強冷彎薄壁方鋼管防屈曲耗能支撐呈現(xiàn)出更優(yōu)越的力學性能；外包冷彎薄壁方鋼管的四個角設置了相應的弧度(弧度按照倒角進行處理，轉(zhuǎn)角處構(gòu)件的表面曲率不小于20mm)。外包冷彎薄壁方鋼管的四個角處，采用兩層碳纖維增強布進行進一步的增強。在約束方鋼管的表面，需進行由環(huán)氧富鋅底漆、環(huán)氧(云鐵)中間漆及聚硅氧烷面漆所構(gòu)成的防腐處理，以提升防屈曲耗能支撐的耐久性。通過這些制作措施，有效防止防屈曲耗能支撐可能發(fā)生的局部失穩(wěn)及高階屈曲。
[0016]碳纖維增強冷彎薄壁方鋼管防屈曲耗能支撐，巧妙利用碳纖維增強材料高強度、高模量及輕質(zhì)量等優(yōu)良特質(zhì)，使整個防屈曲耗能支撐滯洄耗能的能力更加穩(wěn)定、更加強大，顯著提升了整個構(gòu)件在動荷載下的抗屈曲能力；內(nèi)填混凝土采用納米碳纖維混凝土材料，這種將一定摻量、一定長度的納米碳纖維加入混凝土的復合材料，具有多功能的特征，力學性能優(yōu)越；外包約束冷彎薄壁方鋼管的四個角設計為圓弧形，這樣便于碳纖維增強材料的包裹與粘膠，并在鋼管表面用環(huán)氧富鋅底漆、環(huán)氧(云鐵)中間漆及聚硅氧烷面漆進行防腐的處理；外包約束冷彎薄壁方鋼管與外包三層碳纖維之間的四個角處，用兩層碳纖維增強材料進行局部上的增強，使整個防屈曲耗能支撐的約束效果更好；用有機膠進行鋼管與碳纖維增強材料之間的膠結(jié)，保證了足夠的粘結(jié)力，使鋼管與碳纖維增強材料共同工作的效果更佳；完成三層碳纖維增強布的整體包裹之后，在四個角處再次采用角鋼進行局部上的增強。
【附圖說明】
[0017]圖1為碳纖維增強冷彎薄壁方鋼管防屈曲耗能支撐俯視圖。
[0018]圖2為碳纖維增強冷彎薄壁方鋼管防屈曲耗能支