发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种施工方便、抗震性能好、刚度高的外包复材缠绕管双钢管混凝土构件及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种外包复材缠绕管双钢管混凝土构件，包括由外到内依次设置的复材缠绕管层、外钢管层、混凝土层和内钢管层；内钢管层的内侧为空腔或填充混凝土；混凝土层通过浇筑的形式设置在内钢管层和外钢管层之间；外钢管层和内钢管层之间设置有多个连接件，连接件的一端与内钢管层外侧固定连接，连接件的另一端与外钢管层内侧固定连接。

作为一种优选，多个连接件选用纵向加劲肋、横向加劲肋、焊钉中的一种或多种组合。

作为一种优选，复材缠绕管层通过缠绕管工艺缠绕于外钢管层的外侧，或通过手糊工艺缠绕于外钢管层的外侧；复材缠绕管层的纤维选用碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维中的一种或多种以上的组合。

作为一种优选，复材缠绕管层通过连续缠绕的形式包裹于外钢管层的外侧，或通过分段缠绕的形式包裹于外钢管层的外侧；复材缠绕管层等角度缠绕于外钢管层的外侧，或复材缠绕管层变角度缠绕于外钢管层的外侧；复材缠绕管层等厚度包裹于外钢管层的外侧，或复材缠绕管层变厚度包裹于外钢管层的外侧。

作为一种优选，内钢管层中钢管的轴线与外钢管层中钢管的轴线相同或不同；内钢管层中，钢管的轴线为直线或曲线；外钢管层中，钢管的轴线为直线或曲线。

作为一种优选，内钢管层中，钢管的数量为一个或多个；内钢管层和外钢管层之间为单腔室或由钢内隔板分隔成多腔室。

作为一种优选，内钢管层中，钢管的截面形状为圆形、椭圆形或多边形；外钢管层中，钢管的截面形状为圆形、椭圆形或多边形。

作为一种优选，内钢管层的厚度为4-40mm，外钢管层的厚度为2-30mm，混凝土层的厚度为20-200mm，复材缠绕管层的厚度为1-20mm。

一种外包复材缠绕管双钢管混凝土构件的制备方法，包括如下步骤：

S1：将内钢管层的钢管、外钢管层的钢管用连接件固定连接形成双钢管组合体；S2：将步骤S1的双钢管组合体作为模板，在外钢管层外侧缠绕纤维形成复材缠绕管层；S3：将步骤S2形成的已缠绕复材缠绕管层的双钢管组合体作为模板，在两个钢管之间浇筑混凝土层。

一种外包复材缠绕管双钢管混凝土构件的制备方法，还可包括如下步骤：

S1：将外钢管层作为模板，在外钢管层外侧缠绕纤维形成复材缠绕管层；S2:将内钢管层的钢管和已缠绕复材缠绕管层的外钢管层的钢管用连接件固定连接形成双钢管组合体；S3：将步骤S2形成的已缠绕复材缠绕管层的双钢管组合体作为模板，在两个钢管之间浇筑混凝土层。

总的说来，本发明具有如下优点：

1.工程应用更方便。将本发明应用于轴线为曲线的构件时，由于复材直接缠绕于外钢管层外侧形成一体，解决了轴线为曲线的复材缠绕管层单独制造后脱模困难的问题。其次，相比于外侧只有复材缠绕管层的双壁空心柱，本发明由于外侧有钢管作为复材缠绕管层的内衬，抗弯刚度更大，能更好地抵抗施工荷载而不发生明显变形，解决了双壁空心柱应用于中、大尺寸结构构件时，外侧复材缠绕管层在浇筑混凝土时变形过大，容易向外鼓曲的问题；本发明在工程应用时，将内钢管层、外钢管层用连接件固定形成双钢管组合体之后即可作为复材缠绕管层制作及混凝土浇筑的模板，避免了双壁空心柱在浇筑混凝土之前需要对钢管与复材缠绕管层进行临时固定的环节；应用本发明可以方便地制作工程结构节点，无需在复材缠绕管层上临时开洞或将复材管切开。

2.材料使用更优化。相比于双壁空心柱只将钢结构布置在内侧，本发明在应用于工程结构时，可以根据工程结构部位受力及施工过程需要，将内钢管层和外钢管层按照不同比例更优化地布置在内侧与外侧。内钢管层和外钢管层的优化布置与合理使用，可以实现在钢材用量不变的情况下使结构在弯矩、扭矩作用下，具有更大的刚度与承载力，大大提高了材料的使用效率。

3.本发明内钢管层和外钢管层之间的连接件除了作为两钢管的固定措施之外，还可以作为加劲部件加强构件的力学性能。

相比于现有的内钢管层和外钢管层为钢管，中间夹层为混凝土层的双钢管混凝土空心柱(含内圆钢管，外波纹钢管，中间夹层填充纤维增强粉末混凝土的梯度结构，以下均简称双钢管混凝土空心柱)，本发明增加了外侧缠绕的复材缠绕管层。所述复材缠绕管层由于具有良好的耐腐蚀性能，能保护被其包裹的钢管及内侧混凝土、内钢管层和外钢管层不受外界环境腐蚀，使本发明具有更好的耐久性。所述复材缠绕管层不仅能分担荷载，而且可以约束外侧钢管使之避免受压时局部屈曲，提高了外侧钢管的强度利用率；此外，所述复材缠绕管层还可以与外侧钢管一起，对混凝土层提供约束，从而提高被约束混凝土的强度、变形能力、耗能能力。因此，本发明的外包复材缠绕管层与外侧钢管及混凝土层的功能并非简单的叠加，而是可以实现1+1>2的功能效果。

相比纤维复材约束钢管混凝土，本发明采用了空心的结构形式，减轻了结构自重，有利于建造更加轻盈、大跨度的结构；同时中空结构减少了混凝土的消耗，有利于降低碳排放。

相比于外套圆形(或方形)钢管混凝土纤维复材复合加固钢管柱的方法，本发明主要有以下不同。首先两者用途不同：所述加固钢管柱的方法主要用于既有的钢管柱结构加固，而本发明主要用于新建结构，可用于除柱之外的其他结构部位，如拱肋、梁等。其次，两者的建造工艺不同：所述加固钢管柱的方法实施时，需要先对既有的钢柱进行除锈处理，然后在既有的钢柱外部通过焊接的方法套上圆形或方形钢管，并在新增钢管外缠绕纤维增强复合材料，最后在两管之间浇筑自密实混凝土；而本发明是将内钢管层和外钢管层通过连接件连接固定后，以内钢管层和外钢管层组成的整体做模具在外钢管层外侧制作复材缠绕管层，在包覆有复材缠绕管层的内钢管层和外钢管层之间浇筑混凝土，最后，两者的结构有区别：所述加固钢管柱的方法中内外钢管层无连接措施，而本发明中，内外管层和外钢管层有连接件进行连接。

相比于现有的复材缠绕管层内填混凝土及钢骨的实心管状结构，复材缠绕管层套钢管内填混凝土及钢骨实心管状结构，钢管内填混凝土及复材缠绕管层约束芯柱的实心管状结构，本发明可以采用空心的结构，仅在需要时在钢管内填混凝土，不仅节省了混凝土用量(减少了建筑原材料的消耗及生产水泥过程中的碳排放)，而且使结构更轻，应用起来更加灵活，运输也更加方便；此外，本发明在制作工艺上与上述三类实心管状结构有所不同：本发明的复材缠绕管层是直接以外钢管层为模板用手糊或缠绕工艺制作而成的，成形后的复材缠绕管层与外钢管层是一个整体，而上述实心管状结构中，复材缠绕管层是先单独制造再应用于所述的管状结构的。

相比于现有的织物增强ECC-钢管-钢骨组合构件，本发明有以下三点不同：在构造上，前者的组合构件采用外钢管层内填钢骨的实心构造，而本发明采用内、外均为钢管，夹层为混凝土的构造，且内钢管层可以采用空心构造，结构更轻，应用起来更加灵活，运输及安装更方便；在施工工艺方面，本发明的复材缠绕管层是以外钢管层为模板缠绕或手糊制成，而上述组合构件中织物增强ECC是以喷涂工艺分多层制作于钢管外侧；在功能方面，复材缠绕管层具有比织物增强ECC更好的抗腐蚀性能，能与内钢管层及外钢管层一起对混凝土层提供更好的约束，使混凝土层具有更佳的受力性能(强度、变形能力及延性)。