本发明属于建筑结构技术领域，具体涉及一种部分填充超高韧性水泥基复合材料的薄壁钢组合柱。
背景技术：
目前，建筑工程中广泛应用钢与混凝土组合柱，这种组合柱承载力高、抗火性能好。但是混凝土材料抗拉强度低、易开裂，延性差，与钢柱变形能力不匹配，影响组合柱的力学性能。且对于组合柱，型钢完全填充于混凝土中，造成组合柱自重大、节点复杂及施工周期长。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种部分填充超高韧性水泥基复合材料的薄壁钢组合柱，截面形式灵活、自重轻、不易开裂、延性及受力性能好。
本发明采用以下技术方案：
一种部分填充超高韧性水泥基复合材料的薄壁钢组合柱，包括薄壁翼缘板，两个薄壁翼缘板平行设置，中间通过薄壁腹板连接构成h型结构，两个薄壁翼缘板的外边缘通过系杆连接，薄壁腹板与薄壁翼缘板之间填充超高韧性水泥基复合材料，超高韧性水泥基复合材料能够被薄壁翼缘板与薄壁腹板包裹形成柱状结构。
具体的，系杆垂直于两个薄壁翼缘板，并平行于薄壁腹板设置。
具体的，系杆包括多个，等间距间隔设置在两个薄壁翼缘板之间。
进一步的，系杆距薄壁翼缘板的外边缘处留有厚度为30～50mm的保护层。
具体的，超高韧性水泥基复合材料包括水泥、粉煤灰、石英砂、减水剂、水和聚乙烯醇纤维，水泥：粉煤灰：石英砂：水：减水剂＝1：1.5：1.62：0.9：0.025，聚乙烯醇纤维的体积比为1.5％～2％。
进一步的，室温条件下，将水泥、粉煤灰、细沙混合搅拌1～2min；加入聚乙烯醇纤维继续搅拌3～5min至拌合物无聚乙烯醇纤维结团现象；最后将减水剂掺入水中搅匀，加入拌合物中搅拌3～5min，制成超高韧性水泥基复合材料。
具体的，薄壁翼缘板和中部的薄壁腹板以角焊缝焊接方式连接。
进一步的，薄壁钢组合柱的截面形状为方形或矩形。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种部分填充超高韧性水泥基复合材料的薄壁钢组合柱，薄壁翼缘与薄壁腹板间填充超高韧性水泥基复合材料，填充该材料时时能够免去薄壁翼缘与薄壁腹板处的模板，节省模板；整体构造简洁，薄壁翼缘板外露，方便节点连接，制作便捷，缩短施工周期。
进一步的，由任意截面尺寸的薄壁翼缘与薄壁腹板焊接而成，组合柱截面可根据工程情况进行组合，截面形式灵活。
进一步的，系杆距薄壁翼缘板的外边缘处留有30～50mm保护层可以防止系杆受到锈蚀而发生失效。
进一步的，超高韧性水泥基复合材料在轴向受压、拉伸荷载作用下表现出良好的变形能力与抗裂性能，超高韧性水泥基复合材料与薄壁钢柱之间具有良好的协同变形能力，能够为薄壁钢柱提供有效支撑，提高薄壁钢柱的整体稳定性；
进一步的，焊接在薄壁翼缘板间的系杆可以提高薄壁翼缘板的局部屈曲能力，同时系杆与薄壁翼缘板与薄壁腹板对超高韧性水泥基复合材料提供约束作用，使材料性能得到充分发挥。
进一步的，柱截面形状设置成方形或矩形，可便于柱与梁的连接，施工方便。
综上所述，本发明可克服现有型钢混凝土柱自重过大、节点构造复杂、施工过程繁琐、需要大量建造模板的缺点，造价、含钢率、截面灵活性、抗裂性能、变形能力优于现有的部分填充混凝土组合柱。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的截面示意图；
图2为本发明的三维示意图；
图3为本发明的浇筑面示意图。
其中：1.薄壁翼缘板；2.薄壁腹板；3.系杆；4.超高韧性水泥基复合材料。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”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，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，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。
超高韧性水泥基复合材料，其基于微观力学原理对水泥基复合材料中的纤维、基体以及二者的界面进行改善，通过加入高性能聚乙烯醇纤维，极大的改善了传统混凝土材料的拉伸延性与脆断性能，具有变形能力高、抗裂性能及延性好的特点；且超高韧性水泥基复合材料与薄壁钢柱之间具有良好的协同变形能力。
请参阅图1和图2，本发明一种部分填充超高韧性水泥基复合材料的薄壁钢组合柱，包括薄壁翼缘板1、薄壁腹板2、系杆3和超高韧性水泥基复合材料4。
两个薄壁翼缘板1平行设置，中间通过薄壁腹板2连接构成h型结构，两个薄壁翼缘板1之间通过系杆3连接，在薄壁翼缘板1和薄壁腹板2焊接形成h型后，超高韧性水泥基复合材料4分别填充在两端薄壁翼缘板1和中间薄壁腹板2形成的空白区域内，共计两部分，由于存在薄壁腹板2，超高韧性水泥基复合材料4不能完全填充，称为部分填充，超高韧性水泥基复合材料被薄壁翼缘板1与薄壁腹板2三面包裹形成柱状结构。
薄壁翼缘板1和薄壁腹板2为同种材料的热轧薄壁钢板。
钢组合柱两端的薄壁翼缘板1和中部的薄壁腹板2以角焊缝焊接方式连接。
系杆3间隔设置在两个薄壁翼缘板1之间，布置方式为垂直于薄壁翼缘板1且平行于薄壁腹板2。
薄壁钢组合柱的截面形状为方形或矩形。
超高韧性水泥基复合材料4包括水泥、粉煤灰、石英砂、萘系高效减水剂、水及聚乙烯醇纤维，按质量百分比计，水泥：粉煤灰：石英砂：水：减水剂＝1：1.5：1.62：0.9：0.025，聚乙烯醇纤维的体积比为1.5％～2％。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
实施例
请参阅图3，本发明一种部分填充超高韧性水泥基复合材料的薄壁钢组合柱，薄壁钢组合柱为边长450mm的方形柱，柱高为3.0m；系杆3为直径14mm的钢棒，并以450mm的间距进行布置；薄壁翼缘板1和薄壁腹板2均为6mm厚的q345级钢，将薄壁翼缘板1和薄壁腹板2焊接成h形，在薄壁翼缘板1和薄壁腹板2之间填充超高韧性水泥基复合材料4。
具体施工过程如下：
s1、将薄壁翼缘板1与薄壁腹板2采用焊条电弧焊以角焊缝焊接组成h形薄壁钢柱；
s2、以固定间距在薄壁翼缘板1内侧布置系杆3，采用的方法为先在薄壁翼缘板1上定位、穿孔，然后再将系杆3插入翼缘定位孔中，最后以焊条电弧焊的方式进行双面点焊；
s3、系杆3距薄壁翼缘板1外边缘的位置留有30～50mm的保护层厚度；
s4、浇筑超高韧性水泥基复合材料4，填充薄壁翼缘板1与薄壁腹板2之间的空间，自然养护完成后将组合柱两端机械刨平即得所述部分填充超高韧性水泥基复合材料的薄壁钢组合柱。
超高韧性水泥基复合材料制作时采用立式强制搅拌机，其搅拌顺序为：首先称量好水泥、粉煤灰、细沙，减水剂和水；将称量好的水泥、粉煤灰、细沙混合搅拌1～2分钟；人工加入聚乙烯醇纤维搅拌3～5分钟，直至拌合物无聚乙烯醇纤维结团现象；最后将减水剂掺入水中搅匀，加入拌合物中搅拌3～5分钟，制作过程即宣告完成。
超高韧性水泥基材料的受拉、压力性能试验及其结果如下：
(1)制备70.7mm×70.7mm×210mm棱柱体试块进行轴心受压试验，试验结果表明：试块的抗压强度平均值为74.0mpa。由于聚乙烯醇纤维存在，试块受压变形能力增强，极限压应变达到0.01，而普通混凝土试块极限压应变仅为0.003～0.004。由超高韧性水泥基材料制备的试块在加载全过程均能保持良好的完整性，未出现类似普通混凝土的脆性破坏特征，具有较好的受压韧性。
(2)制备330mm×60mm×13mm的狗骨式试块进行轴心受拉试验，试验过程中试块出现多重细密裂纹，裂缝宽度为0.05～0.1mm,受拉强度为4.5mpa，极限拉应变为2.0％～2.5％，表现出优异的受拉韧性。相比较，普通混凝土的极限拉应变极小，可不予考虑，超高韧性水泥基材料受拉破坏特称明显与普通混凝土不同。
超高韧性水泥基复合材料基于微观力学原理对水泥基复合材料中的纤维、基体以及二者的界面进行改善，破坏时表现为多缝开裂，不会出现普通混凝土的剥落现象，具有良好的受压、受拉韧性。
超高韧性水泥基复合材料基于微观力学原理对水泥基复合材料中的纤维、基体以及二者的界面进行改善，破坏时表现为多缝开裂，不会出现传统混凝土的剥落现象，具有良好的受压、受拉韧性。
超高韧性水泥基复合材料变形能力好，与薄壁钢柱之间具有良好的协同变形能力，将该材料填充在薄壁翼缘板与薄壁腹板之间，可以提高薄壁钢柱的整体稳定性。同时通过填充超高韧性水泥基复合材料能够减少薄壁钢板裸露面积，可有效降低薄壁钢板的被腐蚀速率，增加组合柱的使用期限，提高组合柱的耐火性能。
在施工方面，减少了浇筑时需要的施工模板，施工方便，具有较好的社会效益和经济效益，本发明可用于抗震设防区低层、多层建筑的钢结构柱。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
1.一种部分填充超高韧性水泥基复合材料的薄壁钢组合柱，其特征在于，包括薄壁翼缘板(1)，两个薄壁翼缘板(1)平行设置，中间通过薄壁腹板(2)连接构成h型结构，两个薄壁翼缘板(1)的外边缘通过系杆(3)连接，薄壁腹板(2)与薄壁翼缘板(1)之间填充超高韧性水泥基复合材料(4)，超高韧性水泥基复合材料能够被薄壁翼缘板(1)与薄壁腹板(2)包裹形成柱状结构。
2.根据权利要求1所述的部分填充超高韧性水泥基复合材料的薄壁钢组合柱，其特征在于，系杆(3)垂直于两个薄壁翼缘板(1)，并平行于薄壁腹板(2)设置。
3.根据权利要求1所述的部分填充超高韧性水泥基复合材料的薄壁钢组合柱，其特征在于，系杆(3)包括多个，等间距间隔设置在两个薄壁翼缘板(1)之间。
4.根据权利要求3所述的部分填充超高韧性水泥基复合材料的薄壁钢组合柱，其特征在于，系杆(3)距薄壁翼缘板(1)的外边缘处留有厚度为30～50mm的保护层。
5.根据权利要求1所述的部分填充超高韧性水泥基复合材料的薄壁钢组合柱，其特征在于，超高韧性水泥基复合材料(4)包括水泥、粉煤灰、石英砂、减水剂、水和聚乙烯醇纤维，水泥：粉煤灰：石英砂：水：减水剂＝1：1.5：1.62：0.9：0.025，聚乙烯醇纤维的体积比为1.5％～2％。
6.根据权利要求5所述的部分填充超高韧性水泥基复合材料的薄壁钢组合柱，其特征在于，室温条件下，将水泥、粉煤灰、细沙混合搅拌1～2min；加入聚乙烯醇纤维继续搅拌3～5min至拌合物无聚乙烯醇纤维结团现象；最后将减水剂掺入水中搅匀，加入拌合物中搅拌3～5min，制成超高韧性水泥基复合材料。
7.根据权利要求1所述的部分填充超高韧性水泥基复合材料的薄壁钢组合柱，其特征在于，薄壁翼缘板(1)和中部的薄壁腹板(2)以角焊缝焊接方式连接。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的部分填充超高韧性水泥基复合材料的薄壁钢组合柱，其特征在于，薄壁钢组合柱的截面形状为方形或矩形。
技术总结