[发明专利]具有负泊松比效应的双层圆钢管混凝土空心柱及设计方法

说明书

本发明公开了具有负泊松比效应的双层圆钢管混凝土空心柱及设计方法，包括具有负泊松比效应的外层圆钢管、核心混凝土和内层普通圆钢管，所述具有负泊松比效应的外层圆钢管为具有周期性横竖交替的孔洞结构；所述具有负泊松比效应的外层圆钢管的外直径D与圆钢管混凝土空心柱的高度L的关系应满足2.5L/D10；所述具有负泊松比效应的外层圆钢管的厚度t1与之外直径D的关系应满足30D/t140；所述内层普通圆钢管的厚度t2与具有负泊松比效应的外层圆钢管的外直径D的关系应满足45D/t255。本发明圆钢管混凝土空心柱具有承载力高、延性好、不易鼓曲变形等优点。

技术领域

本发明涉及一种通过设计三维负泊松比孔洞结构来设计具有负泊松比效应的双层圆钢管混凝土空心柱，也涉及了钢与混凝土的组合结构，并且提出了具有负泊松比效应的双层圆钢管混凝土空心柱的设计方法，属于新材料和新结构领域。

背景技术

混凝土具有成本低、强度高、可塑性佳等优点，决定了其在工程实践中有着极其广泛的应用。但混凝土同时存在着初始缺陷：即在单轴受压的作用下发生横向膨胀，导致裂缝扩大、连通直至破坏。钢管混凝土中的钢管在一定程度上能对核心混凝土起到约束作用，但是这种约束效果仅发生在钢管泊松比小于混凝土泊松比时；然而构件开始受压时，钢管的泊松比大于混凝土的泊松比，导致钢管的约束作用在弹性受压阶段并不能生效。

负泊松比材料和结构具有特殊的变形特性和优良的力学性能，即在轴向拉(压)的作用下发生横向膨胀(收缩)。负泊松比材料在抗剪、抗断裂性及吸能等方面较传统材料有更大的优势。而负泊松比管状结构受压时内外壁同时向内收缩且拥有良好的吸能、防屈曲、拉扭特性，因此负泊松比管状结构在医疗设备、防护设备、航空航海及建筑工程等领域有广泛的应用前景。

本发明将负泊松比圆钢管、普通圆钢管与传统钢管混凝土相结合，利用外层负泊松比圆钢管轴向受压横向收缩、内层普通圆钢管轴向受压横向膨胀的性质，增强了对核心混凝土部分的约束作用，以此提升构件整体的轴向承载力和延性，并且。本发明将新颖的负泊松比结构和传统的钢管混凝土相结合，设计和制作了具有负泊松比效应的双层圆钢管混凝土。

发明内容

本发明的目的是针对现有钢管混凝土的一些不足，利用负泊松比材料和结构的特殊性质，设计和制造了具有实用性的具有负泊松比效应的双层圆钢管混凝土空心柱，并提出了具体设计方法，设计的圆钢管混凝土能够主动约束核心混凝土的横向变形，提高了结构的受压承载力和延性。

本发明采用的技术方案是：一种具有负泊松比效应的双层圆钢管混凝土空心柱，包括具有负泊松比效应的外层圆钢管、核心混凝土和内层普通圆钢管；通过设计外层圆钢管上的孔洞使其具有负泊松比效应，与内层普通圆钢管协同作用，进而增强对混凝土的主动约束；

所述具有负泊松比效应的外层圆钢管为具有周期性横竖交替的孔洞结构；

所述具有负泊松比效应的外层圆钢管、核心混凝土和内层普通圆钢管的高度均应等于整体圆钢管混凝土空心柱的高度L；

所述具有负泊松比效应的外层圆钢管的外直径D与圆钢管混凝土空心柱的高度L的关系应满足2.5L/D10；

所述具有负泊松比效应的外层圆钢管的厚度t1与之外直径D的关系应满足30D/t140；

所述内层普通圆钢管的厚度t2与具有负泊松比效应的外层圆钢管的外直径D的关系应满足45D/t255；

所述核心混凝土厚度t3与圆钢管混凝土空心柱的高度L的关系应满足15L/t355。

作为优选，所述具有负泊松比效应的外层圆钢管的孔洞形状包括椭圆形和多边形。

作为优选，所述具有负泊松比效应的外层圆钢管使用聚氨酯泡沫填充钢管孔洞和粘性缠绕膜进行包裹。

上述具有负泊松比效应的双层圆钢管混凝土空心柱的设计方法，包括以下步骤：