专利名称：一种钢管泡沫混凝土组合立柱及其施工方法钢管泡沫混凝土组合立柱是指在钢管中填充泡沫混凝土，并在钢管外壁设置混凝土保护层的复合立柱。钢管混凝土柱在20世纪60年代中期开始引入中国，在不到50多年的时间里钢管混凝土技术不论是从理论还是技术都有了迅速的发展，现存工业、民用建筑中使用的钢管混凝土支柱大多为简单地在钢管内浇注普通水泥混凝土制作而成。早期钢管混凝土柱通过钢管对混凝土的横向约束作用大大的弥补了混凝土高脆性的特点；同时钢管内填充的混凝土限制了钢管产生变形。由于其综合性能远远强于单纯的钢筋混凝土柱，所以得到了大量的使用。随着建筑向高层化、复杂化方向发展，传统钢管混凝土柱的一些不足之处逐渐表现出来。首先，钢管混凝土柱的强度和刚度大大增加，但其抗震能力没有得到很好的改善，在地震力的反复作用下钢管内的混凝土易发生脆性破坏，造成立柱承载力降低。其次，单纯的钢管混凝土柱在没有对钢管进行保护的情况下，钢管暴露在空气中容易被腐蚀，同时在高温情况下钢管也会发生变形，这些危害都会影响混凝土柱的受力。中国专利申请200710011988.1提出了一种纤维增强塑料-钢管-混凝土柱，由钢管、圆纤维增强塑料管和灌入的混凝土组成，其结构特点是钢管由钢板焊接成，圆纤维增强塑料管在混凝土柱的中心，然后在两管之间填充混凝土，圆纤维增强塑料管内可根据需求选择是否填充混凝土。这样使混凝土柱有高承载力、大刚度、塑性、韧性好的优点。中国专利申请201010152109.9提出了 一种钢管混凝土组合结构，包括钢管和钢管内外设置的自密实混凝土，使自密实混凝土与钢管固结硬化成整体。这样组合结构不仅能够具有传统钢管混凝土结构的优点，还能利于钢管的抗火和耐腐蚀性能。中国专利申请201010042608.2提出了一种内填海砂混凝土的空心钢管混凝土柱及其制作方法，包括钢管基体、基体外浇注的河砂混凝土保护层、内壁浇注的河砂混凝土保护层及空心区域浇注的未脱盐海砂混凝土。这样可以是空心钢管柱直径中利用海砂，不需进行脱盐处理，施工方便，解决了沿海地区砂石资源匮乏的问题。中国专利申请201110386130.X提出了一种空洞式钢管混凝土墩柱，由钢管、内包混凝土和外包混凝土层组成，其特点是将钢管设置开孔，使内包混凝土和外包混凝土层连接成整体，可以有效的防治外包层混凝土脱落，同时又有效的解决了钢管的防腐和内部脱空问题。中国专利申请201110331668.0提出了一种用于煤矿支护用泡沫混凝土罐形墩柱及制备方法，包括薄壁钢管和填充在薄壁钢管内的EPS轻质高强混凝土，该墩柱轻质高强、易于搬运、抗变形能力强。由上可知，目前对钢管混凝土立柱的研究主要是针对在工程中的某些需求做出的单一解决。而生产实际中水泥混凝土柱设计直径基本不变，没有考虑柱体结构随高度增加所受压力逐渐减小，尤其对那些高达百米的结构尤为显著；此外，尽管钢管混凝土柱的抗震性能比通常钢筋混凝土柱有很大提高，但沿柱体高度方向结构刚度不变，不利于结构抗震性能的充分发挥。
本发明的目的在于提供一种钢管泡沫混凝土组合立柱，本构件针对传统钢管混凝土柱的缺陷，在受力性能方面有较好的承载能力，较高的抗震和抗变形能力，同时通过钢管外壁的保护层有效解决了钢管腐蚀和高温变形的问题。另外，本发明还提供了一种钢管泡沫混凝土组合立柱的施工方法。根据本发明的钢管泡沫混凝土组合立柱，包括立柱本体，立柱本体包含钢管、浇筑在钢管内的泡沫混凝土、布置在钢管外壁上的钢筋网以及外包混凝土层，钢管之间通过法兰盘和法兰承口连接，法兰盘和法兰承口之间放有垫片。另外，根据需要，立柱本体可以为等截面或变截面的。本发明中的泡沫混凝土可以是粉煤灰泡沫混凝土，其组成包括:泡沫剂、水泥、粉煤灰、石灰、石膏、以及复合外加剂，其中粉煤灰和水泥的质量比为2.2-2.7，复合外加剂由C-3减水剂和膨胀剂组成。优选的配合比为粉煤灰56% 60%、石灰12% 15%、石膏3% 5%、硅酸盐水泥22% 25 %、复合外加剂2 0Z0 3 %、液状泡沫剂1.2mL/kg、水料比0.41，复合外加剂中C-3减水剂和膨胀剂的质量比为1:1。本发明中的泡沫混凝土还可以是陶粒泡沫混凝土，其组成包括:泡沫剂、水泥、陶粒、粉煤灰、硅灰、石膏以及复合外加剂，其中陶粒和水泥的质量比为1.1-1.4，复合外加剂由C-3减水剂和膨胀剂组成。优选的配合比为水泥28% 32%、陶粒35% 40%、粉煤灰10% 12%、硅灰10% 15%、石膏3% 5%、复合外加剂2% 3%、液状泡沫剂0.15%,水料比0.21，复合外加剂中C-3减水剂和膨胀剂的质量比为1:1。优选地，陶粒为1.5 4mm级的粘土陶粒或者600级 900级的低密度页岩陶粒。另一方面，根据本发明的建造钢管泡沫混凝土组合立柱的施工方法，包括以下步骤:(I)预制钢管:钢管采用螺旋焊钢管或滚床卷制的直缝管，将钢筋网绑扎或焊接在钢管的外壁上；(2)对接钢管:将法兰承口焊接或拼接到钢管一端的管口处，将法兰盘套入或拼接到钢管的另一端，并将管口向外弯卷，然后在相邻钢管的法兰盘和法兰承口中间放置垫片并通过连接螺栓完成对接；(3)浇筑泡沫混凝土:将对接好的钢管架立到位，然后向钢管内浇筑泡沫混凝土，浇筑时采用高位抛落无振捣法或泵送顶升法从管口浇筑；(4)浇筑外包混凝土:将外包混凝土浇注于钢管外壁的钢筋网上；其中的泡沫混凝土可以是粉煤灰泡沫混凝土，配合比为粉煤灰56% 60%、石灰12% 15%、石膏3% 5%、硅酸盐水泥22% 25%、复合外加剂20Z0 3%、液状泡沫剂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，配合比为水泥28% 32%、陶粒35% 40%、粉煤灰10% 12%、硅灰10% 15%、石膏3% 5%、复合外加剂2% 3%、液状泡沫剂0.15%、水料比0.21，上述复合外加剂由质量比为1:1的C-3减水剂和膨胀剂组成；其中泡沫混凝土的制备步骤为:先将干集料搅拌2分钟，再将水和复合外加剂加入干拌好的材料中搅拌3 5分钟，最后将稀释好的泡沫剂加入到浆体中搅拌3 5分钟，测试流动度后进行浇筑。本发明具有以下优点:本发明所提出的钢管泡沫混凝土组合立柱，保留了传统管混凝土支柱整体承重能力强的优点，为了弥补传统钢管混凝土立柱脆性大、抗震性能不足的缺点，将钢管内的普通混凝土替换为泡沫混凝土，大大提高了结构的延性和抗震能力；本发明在钢管内填充的泡沫混凝土可以减小钢管内部混凝土的收缩变形，有效减少钢管内出现的收缩脱空现象。本发明用到的泡沫混凝土属于无机材料，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、质量轻、弹性模量低，在地震荷载作用下所承受的地震力较小，震动波的传递速度较慢，且结构的自震周期长，对冲击能量的吸收快，因而具有良好的减震效果。本发明的泡沫混凝土浇筑在钢管中可以很好地避免与空气的直接接触，防止其因表面粗糙、多孔导致的吸水破坏，增强立柱的耐久性；泡沫混凝土在施工过程中可泵性好，这使其适用于大体积现场填充浇筑工程；本发明的泡沫混凝土可以大量利用工业废渣，价格低廉，有很高的经济效益。本发明根据不同高度柱体设计承载力的不同，可以对不同高度混凝土设置不同的起泡度，满足设计需要同时大大降低成本，提高经济效益。本发明沿钢管管径的纵向可以进行渐变，这样可以根据设计需要，在不同的部位选择不同的柱径，以便提高某部分或整体的承载力，同时又可以减小承载力需求低的部位的材料，达到经济、省时的目的。本发明在于通过改变钢管的形状可以改变立柱本体的形状，这样既可以满足设计的需要，也可以兼顾造型的美观；通过连接法兰完成立柱各段间的连接，钢管对接简单、快速，避免在钢管间进行焊接，更好的提高立柱的安全性；在钢管外浇筑混凝土保护层，防止钢管发生生锈腐蚀和高温变形；钢管外的钢筋网增加钢管外表面与混凝土的黏着性，使混凝土保护层不易脱落；本发明的钢管泡沫混凝土组合立柱还避免了复杂的配筋过程，使施工过程更加快捷。图1是圆形钢管泡沫混凝土组合立柱的横截面示意图。图2是方形钢管泡沫混凝土组合立柱的横截面示意图。图3是多边形钢管泡沫混凝土组合立柱的横截面示意图。图4是本发明所用立格式钢筋网结构示意图。图5是本发明所用平格式钢筋网结构示意图。图6是图1的纵向等截面结构示意图。图7是图1的纵向变截面结构示意图。图8是法兰盘的平面示意图。图9是法兰承口的平面示意图。图10是图9中A-A线的剖面图。图11是法兰连接处B的布置示意图。附图标记:2-钢管；3_泡沫混凝土 ；4_钢筋网；5_外包混凝土层；6_法兰盘；7_法兰承口 ；8-垫片；9_连接螺栓；10_螺母。
1.2mL/kg、水料比 0.41。本发明所述的泡沫混凝土还可以是陶粒泡沫混凝土，其组成包括:泡沫剂、水泥、陶粒、粉煤灰、硅灰、石膏以及复合外加剂，粉煤灰和硅灰主要用于生成胶凝材料，陶粒属于主要集料。经过长时间的不断试验，发现当陶粒和水泥的质量比在1.1-1.4时，钢管泡沫混凝土组合立柱具有最优的抗压强度和抗弯刚度。各材料优选的质量配合比为:水泥28% 32%、陶粒35% 40%、粉煤灰10% 12%、硅灰10% 15%、石膏3% 5%、复合外加齐[J 2 % 3 %、液状泡沫剂0.15%、水料比0.21。本发明所述的陶粒泡沫混凝土中的陶粒可以选用粘土陶粒和/或页岩陶粒，其中掺入粘土陶粒的泡沫混凝土流动性强于掺入页岩陶粒的泡沫混凝土，但粘土陶粒泡沫混凝土抗压强度要低于页岩陶粒泡沫混凝土。粘土陶粒优选1.5 4mm级的小粒径陶粒,页岩陶粒优选600级 900级低密度陶粒。上述本发明所用的泡沫混凝土复合外加剂由C-3减水剂和膨胀剂组成，按质量比I: I进行混合。本发明中的钢管要满足以下要求:若选用圆形钢管其外径不宜小于100mm，其钢管壁厚不宜小于5mm，同时其宽厚比宜取90 120之间，这样才能保证管内混凝土的浇灌质量和钢管的焊接质量。若选用矩形钢管其外径不宜小于100mm，其钢管壁厚不宜小于5mm，截面的高宽比不宜大于2 ;同时当钢管的直径大于800mm时，最好在钢管内壁焊接栓钉或纵向加劲肋，以增加管壁与泡沫混凝土的粘结，防止因管径过大造成泡沫混凝土产生较大收缩，并可以有效防止钢管壁的屈曲。本发明所述的钢管泡沫混凝土立柱其截面的套箍系数不宜小于0.5，以防止立柱出现脆性破坏。本发明所述的管内泡沫混凝土的浇筑可以采用立式手工浇捣法、高位抛落无振捣法和泵送顶升法等；泡沫混凝土的配比除满足力学性能指标外，尚应根据不同的浇筑法选择合理的混凝土坍落度。对于立式高位抛落无振捣法和泵送顶升法，粗骨料粒径可采用5 30mm,水灰比不大于0.45,坍落度不小于150mm ;对于手工烧捣法,粗骨料粒径可采用10 40mm,水灰比不大于0.42,對落度不小于20 40mm。本发明的泡沫混凝土在制备时先按配比选取材料，将配好的水泥、集料等进行干拌2分钟；再将水和由减水剂、膨胀剂组成的复合外加剂加入干拌好的材料中进行搅拌3 5分钟；最后将稀释好的泡沫剂加入到浆体中搅拌3 5分钟，测试流动度后进行浇筑。本发明的外包混凝土可以是素混凝土，也可以根据支柱所处环境的不同，对保护层要求的不同选择纤维混凝土，包括:钢纤维混凝土、玻璃纤维混凝土以及合成纤维混凝土。本发明的钢管泡沫混凝土在分段浇筑时采用连接法兰完成各段间的连接，法兰连接使用方便，强度高，能够承受较大的压力，同时密封性好。在实施过程中，首先进行钢管制作，优先选用螺旋焊钢管，也可采用滚床卷制的直缝管。然后如图4、5所示将钢筋网绑扎在钢管上，在钢管壁较厚的情况下也可以焊接在钢
管外壁。钢管间的连接通过法兰连接完成。首先，将法兰承口焊接或拼接到钢管一端的管口处，将法兰盘套入或拼接钢管另一端，并将管口向外弯卷；然后在法兰盘和法兰承口中间放置垫片通过连接螺栓完成对接，当选用拼接法兰时法兰的拼接处通过螺栓紧固。连接法兰可以选择图8、9所示的形式，也可以结合需求选择其他形式。将对接好的钢管架立到位，然后向钢管内浇筑泡沫混凝土，浇筑时可以选择从管口浇筑，如高位抛落无振捣法和泵送顶升法，管口浇筑一般适用于泡沫混凝土的起泡程度不变的情况；也可以选择在钢管不同高度处打孔浇筑，如立式手工浇捣法，打孔浇筑一般是在对柱体自重要求较高的情况下，根据设计需求不改变柱体承载力，在不同的高度段使用不同起泡程度的泡沫混凝土，这样可以在不影响承载力的情况下减轻本体自重。外包混凝土如图1所示浇注于钢管外围的钢筋网上，厚度应该介于3 8cm之间，这样既可以起到对钢管的保护作用，又不会降低整体的韧性和延性。虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。


本发明涉及一种钢管泡沫混凝土组合立柱及其施工方法，包括立柱本体，立柱本体包含钢管(2)、浇筑在钢管(2)内的泡沫混凝土(3)、布置在钢管外壁上的钢筋网(4)以及外包混凝土层(5)，钢管之间通过法兰盘(6)和法兰承口(7)连接，法兰盘(6)和法兰承口(7)之间放有垫片(8)。本发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。根据本发明的钢管泡沫混凝土组合立柱，其结构简单、易于施工、抗震能力强、承载力高、经济性能好，适合用于房屋、工业建筑、文体建筑等结构的主要支柱和支撑部件。