一种预制装配复合钢管混凝土格构柱及施工方法

1.本发明属于建筑技术领域，特别涉及一种预制装配复合钢管混凝土格构柱及施工方法。


背景技术：

2.在生产电气设备的现代工业厂房中，对于重工业厂房(吊车吨位常大于500t)多采用承载力较高的钢管混凝土柱或钢管混凝土格构柱，而对于中级吨位吊车(100t
‑
400t)的厂房，一般常采用钢柱或格构式钢柱作为重力柱及主要抗侧力构件。钢柱截面设计一般受稳定控制，材料强度无法得到充分利用，若采用减小构件长细比的方法来解决稳定问题，则会造成截面过大，进一步增大配钢率，造价过高。如采用承载力较好的钢管混凝土格构柱，则计算柱肢截面常小于200mm，截面尺寸处于规范下限，混凝土不易浇筑，施工工艺难以保证。因此需要一种经济可行，施工简便的格构式柱来解决中、重型工业厂房建造过程中的问题。


技术实现要素：

3.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种预制装配复合钢管混凝土格构柱及施工方法，工厂预制率高，施工速度快，大大缩短了工期，同时具有节省材料，减小自重，抗弯刚度大，性能优越，组合灵活等特点。
4.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
5.一种预制装配复合钢管混凝土格构柱，包括柱肢和格构式连接件，所述柱肢包括：
6.柱肢外钢管；
7.柱肢内钢管；
8.位于柱肢外钢管与柱肢内钢管之间的预制夹层高性能混凝土；
9.所述格构式连接件包括：
10.用于分别贴附连接在两相邻柱肢外钢管外侧壁的两个弧形钢板；
11.焊接于所述两个弧形钢板外侧壁以形成格构式结构的若干缀条。
12.可选地，所述柱肢外钢管的端部焊接有钢结构连接法兰，用于上下柱肢的连接。
13.可选地，所述柱肢内钢管内置连接管，连接管伸出柱肢内钢管的端部，且伸出部分的侧壁开有连接管螺栓孔，相应地，所述柱肢外钢管的端部外侧壁开有外钢管螺栓孔一，通过分离式自锁紧单向螺栓一连接外钢管螺栓孔一和连接管螺栓孔，用于上下柱肢的连接。
14.可选地，所述连接管为短钢管，分别设置在柱肢内钢管的两端，即，在单个柱肢中，有两个连接管。
15.可选地，所述弧形钢板端部预留钢板螺栓孔，相应地，所述柱肢外钢管的外侧壁开有外钢管螺栓孔二，通过分离式自锁紧单向螺栓二与柱肢外钢管干式连接。
16.本发明还提供了所述预制装配复合钢管混凝土格构柱的施工方法，步骤如下：
17.步骤1)，在工厂，将柱肢外钢管和柱肢内钢管进行定位固定，随后柱肢外钢管和柱
肢内钢管之间浇筑高性能混凝土，得到柱肢；
18.步骤2)，在工厂，将缀条和弧形钢板焊接，得到格构式连接件；
19.步骤3)，在现场，将上下柱肢通过法兰连接，左右柱肢用格构式连接件连接。
20.可选地，所述步骤1)中，在柱肢外钢管端部焊接钢结构连接法兰，步骤3)中，用钢结构连接法兰实现上下柱肢连接。
21.可选地，所述步骤1)中，在柱肢内钢管两端内部焊接或者螺栓连接连接管，连接管伸出柱肢内钢管的端部，且伸出部分的侧壁预留连接管螺栓孔，相应地，所述柱肢外钢管的端部外侧壁预留外钢管螺栓孔一，步骤3)中，用连接管、分离式自锁紧单向螺栓一、外钢管螺栓孔一和连接管螺栓孔实现上下柱肢连接。
22.可选地，所述步骤2)中，弧形钢板端部预留钢板螺栓孔，相应地，所述柱肢外钢管的端部外侧壁预留外钢管螺栓孔二，步骤3)中，用分离式自锁紧单向螺栓二、钢板螺栓孔和外钢管螺栓孔二实现格构式连接件与柱肢外钢管的连接。
23.可选地，所述步骤3)中，在柱肢内钢管内现浇混凝土，使上下柱肢贯通成整体。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
25.1、节约成本
26.在吊车吨位为100t
‑
400t作用下，由于钢管混凝土格构柱承载力较高，计算柱肢直径常介于200mm左右，混凝土不易浇筑，施工工艺难以保证。钢柱截面设计一般受稳定控制，材料强度无法得到充分应用，会造成截面过大，配钢率较高。此时，预制装配复合钢管混凝土格构柱利用夹层内部填充混凝土的方法防止钢材向内屈曲，同时内部约束混凝土的高受压强度能降低整体构件配钢率，可有效降低柱构件配钢率。最大程度发挥材料性能并节省混凝土用量。
27.2、施工方便
28.格构柱柱肢采用中空夹层钢管高性能混凝土形式，大大降低了结构自重，现场易于吊装。格构柱可以分节段在工厂预制，夹层混凝土浇筑、缀条焊接也可在工厂预制生产，现场仅需将缀条与柱肢、柱肢与柱肢之间进行连接，即可完成中空夹层钢管混凝格构柱的安装。
29.3、性能优越
30.在预制装配复合钢管混凝土格构柱中，夹层混凝土部分为预制生产，可以采用高性能混凝土或超高性能混凝土，高性能混凝土增加柱肢承载力的同时可以增加钢管的空心率，进一步减轻自重，有效提高柱的耐久性能、耐火性能以及抗震性能。
31.4、组合灵活
32.中空部分可以根据不同的荷载条件和使用要求，对柱肢进行二次浇筑混凝土，形成复合钢管混凝土柱，从而进一步提升承载力和刚度。作为强度储备，通过二次浇筑中空部分混凝土可达到使用过程中吊车升级、厂房改造等目的。除此之外，本发明还给出了三种不同的格构式连接件，其刚度不同，可根据实际需要进行选择，设计简便，应用灵活。
33.从总体上来看，采用预制装配复合钢管混凝土格构柱与钢结构、混凝土结构格构柱相比，具有截面开展、抗弯刚度大，自重轻、抗震性能和防火性能良好等特点。夹层混凝土构件中的混凝土受到内外钢管的有效约束，在受力过程中不会出现因混凝土被压碎而导致构件破坏的现象。由于混凝土的存在可以避免或延缓钢管发生局部屈曲，从而可以保证其
材料性能的充分发挥，使钢管与混凝土之间相互贡献、协同互补、共同工作。
附图说明
34.图1是本发明结构示意图。
35.图2是本发明格构式连接件示意图，(a)为格构内单缀条结构，(b)为格构内菱形结构，(c)为格构内十字交叉结构。
36.图3是本发明连接示意图。
37.图4是本发明柱中螺栓孔处水平剖面示意图。
38.图5是本发明柱端螺栓孔处水平剖面示意图。
39.图6是本发明竖向剖面示意图。
40.图7是本发明中分离式自锁紧分离式自锁紧单向螺栓的连接示意图，(a)为分离式自锁紧单向螺栓构造，(b)为分离式自锁紧单向螺栓二13的连接示意图，(c)为分离式自锁紧单向螺栓一5的连接示意图。
具体实施方式
41.下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
42.本发明为一种预制装配复合钢管混凝土格构柱，主要包括柱肢和格构式连接件，格构式连接件主要用于水平相邻两柱肢之间的连接。
43.如图1所示，本发明柱肢包括：柱肢外钢管1、柱肢内钢管3以及位于柱肢外钢管1与柱肢内钢管3之间的预制夹层高性能混凝土2。
44.柱肢外钢管1和柱肢内钢管3一般都为圆钢管，柱肢外钢管1内侧壁与柱肢内钢管3外侧壁之间间隙的距离范围一般可为50～300mm，预制夹层高性能混凝土2根据内外壁间隙的大小可采用不同种类的混凝土，当空心率较小时，内外钢管间隙较大，容易保证浇筑密实，可以选择高强混凝土或细骨料高强混凝土；当空心率比较大时，内外钢管之间的间隙很小，可采用自密实混凝土或高强纤维混凝土(高强钢纤维混凝土或高强聚丙烯纤维混凝土)。
45.预制夹层高性能混凝土2预浇在该间隙中，将二者紧密结合。
46.如图1所示，本发明格构式连接件包括：两个弧形钢板10和若干缀条4，其中，两个弧形钢板10用于分别贴附连接在需要连接的两相邻柱肢外钢管1外侧壁，若干缀条4则焊接于两个弧形钢板10外侧壁以形成格构式结构。
47.弧形钢板10，是指其弧度能够满足恰好包裹于柱肢外钢管1外侧壁，其长度较柱肢外钢管1稍短，其弧长一般不大于圆周的一半，以便于加工和安装。
48.缀条4，是截面为矩形、圆形、工字型等常见形状的钢质或者其它高强金属材料长条，能够以焊接等方式与弧形钢板10紧固于一体。
49.如图2所示，格构式结构，是指水平的两缀条4与竖直的两弧形钢板10先形成格构，并在格构中进一步布置斜向的缀条4。即，将缀条4水平与斜向布置在两弧形钢板10之间。
50.如图2中(a)所示，该结构中，单根缀条4以45
°
或135
°
的角度布置在格构的对角之间，作为优选，与该格构上下相邻的格构中，如仍然选择单根缀条4，则相邻的格构中单根缀条4的角度应为135
°
或45
°
，即相邻的斜向缀条4的夹角最好为90
°
。
51.如图2中(b)所示，该结构中，四根缀条4分别连接在格构的四条边的中点位置，从而在格构中组成一个菱形。
52.如图2中(c)所示，该结构中，两根或四根或三根缀条4分别连接在格构的顶角，从而在格构中组成一个十字交叉形状。
53.上述图2中(a)、(b)和(c)所显示的结构，在实际应用中可组合使用，当然，缀条4的斜向角度也可任意选择其它数值，具体可根据强度要求以及弧形钢板10的间距等因素选择。
54.如图1、图3、图4、图5和图6所示，为便于上下柱肢的连接，可在每个柱肢外钢管1的端部焊接钢结构连接法兰7，通过法兰结构连接上下柱肢外钢管1。
55.如图1、图3、图4、图5和图6所示，为便于上下柱肢的连接，还可在柱肢内钢管3内置连接管9，连接管9伸出柱肢内钢管3的端部，且伸出部分的侧壁开有连接管螺栓孔6，相应地，柱肢外钢管1的端部外侧壁开有外钢管螺栓孔一8，并通过分离式自锁紧单向螺栓一5连接外钢管螺栓孔一8和连接管螺栓孔6。
56.连接管9可为单根长钢管，贯通柱肢内钢管3，为节约考虑，也可采用两根短钢管，分别设置在柱肢内钢管3的两端，即，在单个柱肢中，有两个连接管9。
57.如图1、图3、图4、图5和图6所示，为便于格构式连接件与柱肢之间的连接，在弧形钢板10端部预留钢板螺栓孔11，相应地，柱肢外钢管1的外侧壁开有外钢管螺栓孔二12，通过分离式自锁紧单向螺栓二13即可与柱肢外钢管1干式连接。
58.如图7所示，分离式自锁紧单向螺栓的连接示意图如(a)所示，其构造由可扩张的套管以及分离式自锁紧单向螺栓组成。分离式自锁紧单向螺栓二13的连接如(b)所示，施工时，先正常钻孔到目标深度后进行扩孔，扩孔尺寸应与套管端部相匹配，扩孔完成插入套管，随后拧入分离式自锁紧单向螺栓二13，套管会在分离式自锁紧单向螺栓二13的挤压下扩展开来，套管端部卡入卡槽，连接完成。分离式自锁紧单向螺栓一5的连接如(c)所示，其施工方法与分离式自锁紧单向螺栓二13唯一的差别是不用进行扩孔，套管端部直接深入内钢管(3)的内壁，当拧入分离式自锁紧单向螺栓一5后，套管端部扩展部分会卡在内钢管壁孔的两侧。
59.本发明还提供了上述预制装配复合钢管混凝土格构柱的施工方法，对结构进行划分，每一部分均采用工厂预制，现场组装的方式。柱肢和格构式连接件均为预制部分，现场将二者组装即可。
60.步骤如下：
61.步骤1，在工厂，将柱肢外钢管1和柱肢内钢管3进行定位固定，随后柱肢外钢管1和柱肢内钢管3之间浇筑高性能混凝土2，得到柱肢。
62.步骤2，在工厂，将缀条4和弧形钢板10焊接，得到格构式连接件。
63.步骤3，在现场，将上下柱肢连接，左右柱肢用格构式连接件连接。
64.其中，在步骤1，可在柱肢外钢管1端部焊接钢结构连接法兰7，此时，在步骤3中，用钢结构连接法兰7即可快速实现上下柱肢连接。
65.进一步地，在步骤1，还可在柱肢内钢管3两端内部焊接或者螺栓连接连接管9，连接管9的伸出柱肢内钢管3的端部，且伸出部分的侧壁预留连接管螺栓孔6，相应地，柱肢外钢管1的端部外侧壁预留外钢管螺栓孔一8，此时，在步骤3中，用连接管9、分离式自锁紧单
向螺栓一5、外钢管螺栓孔一8和连接管螺栓孔6可快速实现上下柱肢连接。
66.上述两种上下柱肢连接的方案可以并用，也可单独采用一种。
67.同样，在步骤2中，可在弧形钢板10端部预留钢板螺栓孔11，相应地，柱肢外钢管1的端部外侧壁预留外钢管螺栓孔二12，此时，在步骤3中，用分离式自锁紧单向螺栓二13、钢板螺栓孔11和外钢管螺栓孔二12即可快速实现格构式连接件与柱肢外钢管1的连接。
68.步骤3中，若有需要，可在柱肢内钢管3内现浇混凝土，使上下柱肢贯通成整体。
69.本发明中，双钢管夹层约束混凝土可有效降低柱构件配钢率，节省混凝土用量，减轻自重。格构式柱采用全装配的方式，现场施工简便，无需湿作业。内钢管空心部分作为强度储备，可通过二次浇筑中空部分混凝土达到使用过程中吊车升级、厂房改造的目的。基于设计简便、应用灵活的特点，本发明可广泛应用于中型工业厂房中，有效提高格构式柱的耐久性能、耐火性能和抗震性能。