[发明专利]一种具有负泊松比效应的圆钢管混凝土及其设计方法

说明书

本发明公开了一种具有负泊松比效应的圆钢管混凝土及其设计方法，包括具有负泊松比效应的圆钢管、具有负泊松比效应的钢支撑和混凝土；所述钢支撑设置在圆钢管的内壁，所述混凝土填充在圆钢管的内部；所述圆钢管和钢支撑为具有周期性横竖交替的孔洞结构；所述圆钢管的高度L与圆钢管的直径D关系应满足：2.5L/D5；所述圆钢管的厚度r与圆钢管的直径D关系应满足30D/r40；所述钢支撑的高度等于L，钢支撑的宽度d应满足：0.6d/D0.7。本发明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。同时负泊松比钢管的孔洞设计能够提高结构的抗震性能。

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圆钢管混凝土，也涉及了钢与混凝土的组合结构，并且提出了负泊松比圆钢管混凝土的设计方法，属于新材料和新结构领域。

背景技术

混凝土作为建筑工程中最为常见的材料，有着悠久的历史。混凝土由于初始缺陷的存在，在轴向受压时，混凝土开始横向膨胀，使得裂缝不断发展直至连通成破坏面。而钢管混凝土虽然能在混凝土泊松比大于钢管的泊松比时约束混凝土径向膨胀，但是在开始受压时，混凝土泊松比小于钢管的泊松比，钢管的径向变形大于混凝土的径向变形，钢管并没有对混凝土起到约束作用。

负泊松比材料和结构具有不同寻常的力学特性，与传统材料的压胀拉缩不同，负泊松比材料在单轴压力(拉力)作用下发生横向收缩(膨胀)。负泊松比效应可以提高材料的机械性能，包括剪切模量、断裂韧性、吸能特性、强度和抗压痕性等。正是由于这些优异的性能，负泊松比材料在医疗设备、传感器、防护设备、航空航海及国防工程等领域具有越来越广阔的应用前景。

本发明将负泊松比圆钢管与混凝土结构相结合，利用负泊松比圆管轴向受压向内收缩的特性，改善了现有钢管混凝土约束混凝土不足的情况，提高了结构的承载力、延性和抗震性能。本发明将负泊松比结构和钢—混结构相结合，设计和制作具有负泊松比效应的圆钢管混凝土。

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负泊松比圆钢管混凝土，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。同时负泊松比钢管的孔洞设计能够提高结构的抗震性能。

本发明采用的技术方案为：一种具有负泊松比效应的圆钢管混凝土，包括具有负泊松比效应的圆钢管、具有负泊松比效应的钢支撑和混凝土；所述钢支撑设置在圆钢管的内壁，所述混凝土填充在圆钢管的内部；

所述圆钢管和钢支撑为具有周期性横竖交替的孔洞结构；

所述圆钢管的高度L与圆钢管的直径D关系应满足：2.5L/D5；

所述圆钢管的厚度r与圆钢管的直径D关系应满足30D/r40；

所述钢支撑为四个，沿着圆钢管内壁每间隔90°布置一个，且不与圆钢管的孔洞结构的孔洞相接触；

所述钢支撑的高度等于L，钢支撑的宽度d应满足：0.6d/D0.7；

所述圆钢管和钢支撑的孔洞结构的孔洞处填充有HY-T119水钻胶水。

作为优选，所述圆钢管和钢支撑的孔洞结构的孔洞形状包括椭圆形、三角形和多边形。

上述一种具有负泊松比效应的圆钢管混凝土的设计方法，包括以下步骤：

1)根据负泊松比圆钢管混凝土的受力情况和建筑用途来确定圆钢管、钢支撑、混凝土的尺寸；

2)设计的负泊松比的圆钢管和钢支撑为具有周期性横竖交替的孔洞结构，并在满足受力要求的情况下，尽量减小孔洞结构中孔洞的间距；

3)选用高强度钢材作为圆钢管和钢支撑的基础材料，采用3D打印技术制备出具有负泊松比效应的圆钢管和钢支撑；