[发明专利]一种高刚度承压、抗弯曲杆件制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高刚度承压杆件制造方法，属于抗压及抗弯曲材料的力学材料应用技术领域。

背景技术

现有的力学材料应用领域中抗压及抗弯曲力材料的受力方式是承受压应力，此类结构在承受大跨度的压力及弯曲应力时随受力结构高度及跨度增大材料的消耗量呈几何基数增加(高度或跨度增加一倍材料的消耗量增加三倍以上)，因此现有的材料力学领域中承受抗压及抗弯曲力结构的材料消耗量都是极大的，进而导致此类结构的造价极高。

发明内容

本发明改变了抗压及抗弯曲材料的受力方式使材料在结构中承力方式由受压改为受拉，这样的结构材料消耗量是线性增加的(随受力结构高度及跨度增大材料的消耗量正比例增加)。可呈大基数地降低20米以上高度及跨度抗压及抗弯曲力学结构材料的消耗量。进而大比例地降低此类结构的造价。

这种高刚度承压杆件制造方法，其特征在于：在封闭式管件内填充高压流体或固体。

所述的高压流体为轻质油类等液体或气体；管件内填充的固体热膨胀系数与管件外壁的热膨胀系数相同。

举例所述钢管材料为钢丝绳钢材。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为钢管外壁受力图；

图2为钢管内壁受力图。

具体实施方式

下面结合图示说明本发明的设计及利用：(图1)中M为一根φ60×5mm、材质为由制作钢丝绳钢材制作的无缝钢管，抗拉强度为1870MPa的钢丝绳钢材最大承拉能力约190.8公斤/平方毫米左右。现将管内充满高压流体(如轻质油类)后永久封闭。这时此钢管外壁的受力状态为沿钢管周向的拉应力及沿钢管径向的拉应力，力学分析可知此时钢管所能够承受内部高压流体最大压力的能力取决于钢管能够承受周向的最大拉应力的能力。此时沿钢管径向的拉应力约为周向拉应力的45％。

取1厘米长度钢管分析无缝钢管M的受力状态(图2)：在管内高压流体的作用下通过圆心O两侧钢管的外壁承受拉力为钢管最大受力面，此时钢管两侧管壁截面积之和为1平方厘米；按钢丝绳钢材的承拉能力约190.8公斤/平方毫米计钢管两侧管壁周向的最大承拉能力之和为19080公斤(即通过图2圆心O的直径上方或下方1厘米长度钢管在两侧管壁上的反作用力FG之和为19080公斤)；此时管内通过圆心O点1厘米长度钢管内的流体截面积为5平方厘米；因此在不考虑安全系数的前提下此钢管的最大承压能力约为3816公斤/平方厘米(此时管内通过图2圆心O的直径上方或下方1厘米长度钢管的作用力FY之和为19080公斤)。此时钢管内高压流体的截面积是直径为5厘米的圆其面积为19.625平方厘米；此时由于钢管内高压流体的作用使钢管两端将产生74889公斤的反方向拉应力F及F1(图1)。

当钢管M垂直立于稳定的基础之上时管内高压流体的顶力F即成为一个作用在钢管中心垂直向上的拉力，根据简单的力学原理可知当钢管M的总重量W不大于向上的拉力F时钢管M是不会产生弯曲等刚性不稳定现象的(不考虑管内高压流体的重量)。

φ60×5mm钢管的重量约为6.8公斤/米，当钢管的长度为11013米时钢管重量W约与垂直向上的拉力F相当，因此在不考虑管内高压流体重量及外力影响的前提下钢管M在下部基础稳定时独自最大直立高度H为11013米以上，此时钢管M不会产生弯曲及刚性不稳定现象。而采用由下至上杆件截面积逐渐缩小的设计10000米以上高的建筑理论上是可行的。

本钢管在垂直固定于地面时(图1)。当钢管受外力弯曲时钢管顶部中心点A1相应偏离钢管底部中心点A同时钢管垂直高度降低，此时在钢管顶部载荷及自身重量W之和小于顶部拉力F时将钢管自身将产生一个垂直指向钢管(直立时)中心线的分力，此分力在钢管所受的外力未达到材料的破坏应力前弯曲变形越大其数值也越大，此分力的结果是钢管弯曲变形越大其自身产生的抗弯曲力矩越大反变形(抗变形)能力越强，这一能力是本设计杆件的固有特性在钢管的高度达到一定数值后与钢管材料自身的刚度几乎无关。

本钢管水平放置在大跨度支撑之上时由于两端拉力的作用在允许负荷范围内同样具有钢管弯曲变形越大其自身反变形能力越强的特点。水平放置状态下在不考虑钢管自身重量时钢管的承载能力与两端支撑的距离(跨度)几乎无关。