一种具有梯度变化和负泊松比特性的钢管及钢管混凝土柱

本发明涉及建筑工程，特别涉及一种具有负泊松比特性的钢管及钢管混凝土柱。

背景技术：

1、在建筑施工过程中，常会利用钢管混凝土柱作为支撑，提高建筑的结构强度。现有的钢管混凝土柱包括呈中空设置的钢柱，钢柱内填充混凝土，钢柱主要提供抗拉和抗扭性能，混凝土主要承受竖向压力。钢管混凝土柱具有高强度、耐久性、灵活性、抗震性能、施工效率和环保性等多个优势，因而成为建筑工程中常用的结构材料之一。现有技术中，如中国发明专利“一种多腔钢管混凝土柱”(cn112942682b)，使用方形钢管将圆形钢管划分成一个方形腔体和四等分的扇形腔体，增加了在施工方面的选择性。“一种组合钢管混凝土柱”(cn114809451b)，通过在外钢柱和内钢柱之间浇筑有第一混凝土层，并在内钢柱内浇筑第二混凝土，以提高组合钢管混凝土柱的结构强度。“带有抗混凝土收缩环装置的钢管混凝土柱、安装方法”(cn117627278b)，通过在钢管混凝土柱内设置一种带有抗混凝土收缩环的装置有效减小混凝土收缩，并使内外钢管和混凝土共同受力，提高结构的承载能力和安全性。但是，现有技术中的钢管混凝土柱由于自重大，增加了基础和支撑系统的负担，在某些情况下甚至会限制施工。同时，在轴向受压时，现有的钢管混凝土柱会发生径向膨胀，导致混凝土的破坏。为了应对不断变化的建筑工程需求和挑战，特别是提升构件整体的吸能抗压性能和经济性，有必要发明一种能够解决上述问题的新型钢管混凝土柱。当前，负泊松比超材料具有优异的吸能抗压性能且重量较轻，因此，利用负泊松比超材料来设计一种新型钢管混凝土柱将具有重要意义。

技术实现思路

1、针对以上现有技术存在的不足，本发明提供了一种具有梯度变化和负泊松比特性的钢管及钢管混凝土柱，本发明的具有负泊松比特性的钢管混凝土柱，在受到轴向压缩载荷作用时，其内具有负泊松比特性的钢管可以实现稳定的变形模式与冲击变形的最大化，同时钢管混凝土柱更长的压溃行程从整体上有效提升了其轴向抗压性能。具体通过以下技术实现。

2、一种具有梯度变化和负泊松比特性的钢管，钢管上均布有若干卡西尼卵形线孔，在二维笛卡尔坐标系下，卡西尼卵形线的表达式为：

3、(x2+y2)2+(s2-d2)(y2-x2)-s2d2＝0，

4、式中，s为卡西尼卵形线长轴的一半，d为卡西尼卵形线短轴的一半。

5、本发明的钢管上均布有若干卡西尼卵形线孔，具有负泊松比特性，可以根据轴向耐撞性的评价指标，设计卡西尼卵形线的形状控制参数s、d与单胞内孔隙率以及梯度变化模式，无需增加其他复杂的结构设计，也没有复杂的安装工序，大大节约了制造和安装成本。

6、本发明的卡西尼卵形线的表达式为(x2+y2)2+(s2-d2)(y2-x2)-s2d2＝0，具体可描述为平面内两定点距离之积为常数的动点p(x,y)的轨迹。

7、进一步地，s与d之间的关系为

8、进一步地，卡西尼卵形线孔的长轴2s为6-600mm；卡西尼卵形线孔的短轴2d为2-100mm。

9、进一步地，卡西尼卵形线孔在钢管上的排布方式为：相邻两个卡西尼卵形线孔的长轴相互垂直。

10、更进一步地，相邻两个卡西尼卵形线孔之间的最小距离m满足公式：其中a为单个卡西尼卵形线孔的面积且满足公式：e(·)(即)为第二类椭圆积分，k为孔隙率且满足公式l为单胞边长。

11、本发明中，如图2所示，所述单胞包括四个四分之一的卡西尼卵形线孔(分别在单胞的四个角上)、两个二分之一的卡西尼卵形线孔(以卡西尼卵形线的长轴分开，分别位于单胞的左右两边)、两个二分之一的卡西尼卵形线孔(以卡西尼卵形线的短轴分开，分别位于单胞的上下两边)和一个完整的卡西尼卵形线孔(位于单胞的中间)。

12、更进一步地，所述钢管由上到下，孔隙率k逐渐减小，单胞的边长l保持不变。

13、进一步地，钢管的厚度t为5-50mm。

14、更进一步地，钢管的厚度t为5-12mm。

15、一种钢管混凝土柱，包括上述具有梯度变化和负泊松比特性的钢管。

16、一种具有负泊松比特性的钢管混凝土柱的制备方法，包括以下步骤：

17、在钢管底部进行封堵，使用可拆卸构件封堵卡西尼卵线形孔，在管壁上粘贴具有粘性的拉伸膜；

18、将混凝土倒入钢管中，压实，混凝土初凝后，撕掉拉伸膜，去除可拆卸构件，终凝后即得。

19、在本发明中，混凝土为满足《混凝土结构设计标准》(gb/t50010-2010)中强度标准c20及以上的混凝土。

20、进一步地，可拆卸构件为泡沫、硅橡胶、不锈钢、高强度丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚、高密度聚乙烯中的至少一种。

21、更进一步地，泡沫为聚氨酯泡沫。

22、进一步地，在混凝土养护28d后，使用高强度砂浆填充所述钢管与混凝土之间的缝隙。

23、与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

24、1、本发明的新型钢管混凝土柱结构使用了具有负泊松比特性的钢管，在承受轴向压缩载荷时，钢管在轴向受压过程中产生的径向收缩变形能够有效抑制内嵌混凝土柱的径向膨胀，从而显著增强其抗压性能；

25、2、本发明的新型钢管混凝土柱结构运用了具有梯度变化的钢管设计，当受到轴向压缩载荷时，梯度变化的穿孔结构能够实现稳定的变形模式，并最大化吸收冲击能量。更长的压溃行程显著提升了整体钢管混凝土柱的轴向抗压性能；

26、3、本发明提出了一种基于性能需求导向的新型钢管混凝土柱结构。该结构通过调控钢管层上卡西尼卵形线孔的形状控制参数及孔隙梯度变化模式，以改变孔的梯度分布形式，从而满足轴向变形的要求，适应不同应用场景的需求。与传统的钢管混凝土结构相比，这种具有负泊松比的结构在抗压和吸能领域的建筑工程材料中展现出了广泛的应用前景。

技术特征：

1.一种具有梯度变化和负泊松比特性的钢管，其特征在于，所述钢管上布有若干卡西尼卵形线孔，在二维笛卡尔坐标系下，所述卡西尼卵形线的表达式为：

2.根据权利要求1所述的具有梯度变化和负泊松比特性的钢管，其特征在于，所述s与d之间的关系为

3.根据权利要求1所述的具有梯度变化和负泊松比特性的钢管，其特征在于，所述卡西尼卵形线孔长轴为6-600mm；卡西尼卵形线孔短轴为2-100mm。

4.根据权利要求1所述的具有梯度变化和负泊松比特性的钢管，其特征在于，所述卡西尼卵形线孔在钢管上的排布方式为：相邻两个卡西尼卵形线孔的长轴相互垂直。

5.根据权利要求4所述的具有梯度变化和负泊松比特性的钢管，其特征在于，相邻两个卡西尼卵形线孔之间的最小距离m满足公式：其中a为单个卡西尼卵形线孔的面积且满足公式e(·)为第二类椭圆积分，k为孔隙率且满足公式l为单胞边长。

6.根据权利要求5所述的具有梯度变化和负泊松比特性的钢管，其特征在于，所述钢管由上到下，孔隙率k逐渐减小，单胞的边长l保持不变。

7.根据权利要求1所述的具有梯度变化和负泊松比特性的钢管，其特征在于，所述钢管的厚度t为5-50mm。

8.一种钢管混凝土柱，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的具有梯度变化和负泊松比特性的钢管。

9.一种权利要求8所述的钢管混凝土柱的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本发明公开了一种具有梯度变化和负泊松比特性的钢管及钢管混凝土柱，属于建筑工程技术领域。所述具有负泊松比特性的钢管上布有若干卡西尼卵形线孔，在二维笛卡尔坐标系下，所述卡西尼卵形线的表达式为：(x<supgt;2</supgt;+y<supgt;2</supgt;)<supgt;2</supgt;+(s<supgt;2</supgt;‑d<supgt;2</supgt;)(y<supgt;2</supgt;‑x<supgt;2</supgt;)‑s<supgt;2</supgt;d<supgt;2</supgt;＝0，式中，s为卡西尼卵形线长轴的一半，d为卡西尼卵形线短轴的一半。本发明的钢管具有负泊松比特性，可以根据轴向抗压性能指标，调整卡西尼卵形线的形状控制参数与孔隙距离变化模式，从而改变孔的梯度分布形式，满足轴向变形需求，无需复杂的结构设计和安装工序，降低制造和安装成本，适应不同的应用需求。填充混凝土后，获得钢管混凝土柱，利用钢管在轴向受压时的径向收缩变形效应，抑制内部混凝土柱的径向膨胀，增强抗压性能。技术研发人员：王辉,韩梦飞,王丹,雷永鹏,董勤喜受保护的技术使用者：海南大学技术研发日：技术公布日：2024/11/18