连接件、模块化钢-混凝土组合结构及施工方法

1.本技术属于建筑工程和组合结构技术领域，更具体地说，是涉及一种连接件、模块化钢-混凝土组合结构及施工方法。


背景技术：

2.装配式建筑是实现建筑工业化的有力途径，传统的装配式建筑的优点有构件质量高、大幅降低人工依赖和施工周期短。相比传统的构件预制装配式建筑，模块化装配式建筑具有建造速度更快、建筑集成度更高、现场施工人力需求和污染更少。一个典型的建筑模块建筑、结构、装饰和设备均可在工厂完成，通过整体运输、现场整体吊装拼装，实现“像造汽车一样造房子”。这种建造方式大大地降低了材料能耗、运输能耗，可有效地实现建筑行业的“碳达峰、碳中和”的目标。目前，新加坡、中国香港等国家或地区的高层建筑采用预制全装修模块建造方式，可加快施工时间，减少现场人力40％。与传统建造方式不同的是工厂预制可有效优化建筑材料和尺寸，控制每个模块单元的质量。
3.目前，模块化装配式建筑常用钢结构技术，钢结构具有明显缺点就是抗火性能、耐腐蚀性、舒适性、气密性和隔音效果较差；而连接相邻钢模块的节点常用螺栓连接，但螺栓连接经常与地板、天花板或墙壁发生碰撞，致使现场装配水平不高，并可能损坏内部饰面。螺栓连接还存在对中对齐问题，精度和人工要求高，安装误差的积累可能导致后续安装就位和对中困难。在沿海腐蚀环境和动力荷载下，螺栓连接易出现腐蚀和松动问题。通常，框架体系的建筑模块的连接节点可根据其位置分类为角柱连接节点、边柱连接节点和中柱连接节点。公告号为cn206859730u的专利文献中披露了一种螺栓连接的多排多层的复式模块化集装箱建筑，每个集装箱包括四个顶角件和四个底角件，上层集装箱的底角件与下层集装箱的顶角件一一对应。公告号为cn204081078u的专利文献中披露了一种连接组件及模块化建筑，主要是通过一对角件连接板、中间连接板、定位件和螺栓将相邻的模块单元在角部进行连接。上述公开的专利技术主要应用于多层或临时建筑，对于建造高层建筑存在高层累计公差增加和高层纯钢结构防腐防火维护费用成倍增加等问题。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的在于提供一种连接件、模块化钢-混凝土组合结构及施工方法，以解决传统钢筋混凝土钢筋套筒节点注浆内部的密实度难以保证及构件截面较大时配筋密集无法对中的问题。
5.为实现上述目的，根据本技术的一个方面，提供了一种连接件，用于箱型钢管的竖向连接，连接件包括柱体及定位凸部，定位凸部设置于柱体的周侧，并将柱体分隔成第一连接部及第二连接部，柱体的截面尺寸小于箱型钢管的截面尺寸，以使第一连接部及第二连接部能够分别插入对应的箱型钢管中。
6.可选地，相邻两个箱型钢管竖向连接时，定位凸部位于竖向连接的相邻两个箱型钢管的连接处。
7.可选地，定位凸部垂直于柱体延伸方向的截面与箱型钢管截面尺寸相同，或，定位凸部的外周与箱型钢管的内侧相适配。
8.可选地，柱体为空心柱。
9.可选地，连接件还包括剪力部，剪力部设置于柱体外侧。
10.可选地，剪力部为钢筋凸起，钢筋凸起为多个，钢筋凸起沿柱体周向环绕设置，多个钢筋凸起沿柱体的轴向间隔布置。
11.可选地，位于第一连接部的剪力部与位于第二连接部的剪力部相对于定位凸部对称设置。
12.根据本技术的另一个方面，提供了一种模块化钢-混凝土组合结构，包括横向排列的多个模块单元，和竖直排列的多个模块单元，竖直方向排列的多个模块单元中，相邻两个模块单元之间通过连接件连接，连接件为上述本技术提供一种连接件；横向方向排列的多个模块单元中，相邻的连接件通过箍板围箍固定。
13.可选地，模块单元为立方体框架，包括：多个箱型钢管、上框架、下框架、隔墙组件和楼板，上框架和下框架之间通过箱型钢管连接，相邻的箱型钢管之间连接有隔墙组件，楼板铺设于上框架或下框架，上框架和下框架分别包括多个预制梁；
14.其中，竖直方向上，相邻两个模块单元的箱型钢管竖向对齐；横向方向上，相邻两个模块单元的上框架的预制梁组成凹槽，凹槽用于放置钢筋笼并浇注混凝土使两个相邻模块单元连接。
15.可选地，楼板铺设于下框架或上框架上，在楼板铺设于下框架上的情况下，下框架和上框架的预制梁为l型预制梁；在楼板铺设于上框架的情况下，上框架的预制梁为倒t型预制梁，下框架的预制梁为l型预制梁。
16.根据本技术的另一个方面，提供了一种施工方法，该施工方法应用于上述的模块化钢-混凝土组合结构，施工方法包括以下步骤：
17.将横向相邻的两个模块单元的预制对接，在对接处形成凹槽；
18.将钢筋笼放入凹槽，向凹槽内浇筑混凝土，使对接的预制梁和所述钢筋笼形成整体，将同一层的相邻的连接件通过箍板围箍，使相邻的箱型钢管横向连接；
19.在下层的箱型钢管内浇筑混凝土至预设高度，向混凝土内插入连接件，待混凝土硬化后，将上层的箱型钢管对中套入连接件；
20.在上层的箱型钢管内浇注混凝土，待混凝土硬化后，位于下层的模块单元与上层的模块单元竖向连接。
21.本技术与现有技术相比存在的有益效果是：通过本技术提供的一种连接件，在对上下相邻两个箱型钢管连接时，向下方箱型钢管内浇筑混凝后，将连接件的第一连接部插入混凝土内，待混凝土硬化后，将上方的箱型钢管对中套入连接件的第二连接部，在上方箱型钢管内浇注混凝土，实现了上下相邻两个箱型钢管的有效连接，从而保证混凝土注浆的密实度及上下钢管准确对中，可以实现模块单元间的框架梁和框架柱有效组合，形成连续稳定的框架承重体系。
附图说明
22.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述
中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本技术实施例提供的一种连接件的结构示意图；
24.图2为本技术实施例提供的一种模块化钢-混凝土组合结构的示意图；
25.图3为本技术实施例提供的模块单元结构示意图(带底部楼板)；
26.图4为本技术实施例提供的整体结构边梁区域使用l型梁的结构示意；
27.图5为本技术实施例提供的相邻模块单元组装用公用隔墙组件示意图；
28.图6为本技术实施例提供的l型钢-混凝土组合梁对接后放入钢筋笼的示意图；
29.图7为本技术实施例提供的模块单元结构示意图(带顶部楼板)；
30.图8为本技术实施例提供的水平邻近模块单元组合形式；
31.图9为本技术实施例提供的倒t型钢-混凝土组合梁对接后放入钢筋笼的示意图；
32.图10为本技术实施例提供的一种模块化钢-混凝土组合结构的施工流程图。
33.上述附图所涉及的标号明细如下：
34.1、剪力部；2、定位凸部；3、柱体；4、隔墙组件；5、箱型钢管；6、短边倒t型钢-混凝土组合梁；7、长边倒t型钢-混凝土组合梁；8、短边l型钢-混凝土组合梁；9、长边l型钢-混凝土组合梁；10、底部楼板；11、连接件；12、双孔箍板；13、四孔箍板；14、顶部楼板；15、钢筋笼。
具体实施方式
35.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
36.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
37.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
38.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
39.正如背景技术中所记载的，目前，现有技术中的模块化装配式建筑结构存在以下缺点：
40.1.目前模块化装配式建筑体系和建筑模块主要沿袭和采用集装箱或盒子式的结构体系，主要以钢结构为主，钢结构具有明显缺点就是抗火性能、耐腐蚀性、舒适性、气密性
和隔音效果较差；
41.2.大部分模块化整体装配式建筑体系中建筑模块单元与基础和屋顶之间，以及建筑模块单元内楼板模块与横墙模块之间，都通过统一的螺栓连接，而螺栓连接需要建筑单元的连接公差较小，这对工厂预制单元时精度较高，且现场施工时建造技术要求较高，误差累积扩大从而进一步影响后续建造，从而限制了模块化装配式建筑的在高层建筑的使用和推广；
42.3.目前也有部分模块化装配式建筑采用的是出筋后浇剪力墙，主要的施工难点就在于其墙往外和上下出筋，在其上下模块对中连接后其左右模块的连接需要该模块墙单元的凸槽出筋精度较高，否则左右模块凸槽对撞则连接受到阻碍，因此具有一定的施工难度。另外，目前的模块化装配式混凝土结构的自重依然较大，吊装施工困难大或大幅增加吊装造价。
43.4.传统的装配式混凝土结构，构件连接主要采用钢筋套筒灌浆连接，该方法存在的主要问题为注浆内部的密实度难以保证，而且构件截面较大时配筋密集，导致钢筋对接困难进一步造成灌浆质量问题的隐患。
44.参见图1所示，为了解决上述问题，根据本技术的一个方面，本技术的实施例提供了一种连接件11，用于箱型钢管之间的竖向连接，包括：柱体3和定位凸部2，定位凸部2设置于柱体3的周侧，并将柱体3分隔成第一连接部及第二连接部，柱体3的截面尺寸小于箱型钢管的截面尺寸，以使第一连接部及第二连接部能够分别插入箱型钢管中。其中，箱型钢管形状如一个铁箱，内部为空心，一般钢结构上用作梁或者柱子。本实施例中的连接件用于箱型钢管之间的竖向连接，其中竖向为沿箱型钢管轴向进行装配的方向。对上下相邻两个箱型钢管连接时，向下方箱型钢管内浇筑混凝后，将连接件的第一连接部插入混凝土内，待混凝土硬化后，将上方的箱型钢管对中套入连接件的第二连接部，在上方箱型钢管内浇注混凝土，实现了上下相邻两个箱型钢管的有效连接，从而保证混凝土注浆的密实度及上下钢管准确对中。
45.本实施例中的相邻两个箱型钢管竖向连接时，定位凸部2位于竖向连接的相邻两个箱型钢管的连接处，使第一连接部和第二连接部分别位于竖向连接的相邻两个箱型钢管内，通过在箱型钢管内浇注混凝土从而使相邻的两个箱型钢管之间的连接更加稳定高效。
46.在一种实施例中，本实施例中的定位凸部2垂直于柱体3延伸方向的截面与箱型钢管截面尺寸相同，以使定位凸部2抵靠在所述箱型钢管的端部。
47.在另一种实施例中，定位凸部2的外周与箱型钢管5的内侧相适配，优选地，定位凸部的外周与箱型钢管的内侧过盈配合，从而使定位凸部2被固定于箱型钢管的内侧，并保持在竖向连接的两个箱型钢管的连接处。
48.本实施例中的柱体3为空心柱。本实施例中的空心柱采用内部贯通的空心钢管进行加工，并非利用上下两个相同套管焊接而成。利用空心钢管填充混凝土能有效利用钢管和混凝土力学性能，使整体具有更好的延性和承载能力。通过使空心钢管的外周与箱型钢管的内侧相适配，空心钢管的样式随箱型钢管的截面形式变化，以实现空心钢管与箱型钢管的紧密配合，如空心钢管可为方钢管、圆角钢管或圆钢管。
49.参见图1所示，本实施例中的连接件11还包括剪力部1，剪力部1设置于柱体3外侧。其中，剪力部主要起到剪力连接键的作用，剪力部在与混凝土粘结时会额外产生机械咬合
力，约占总粘结力的一半。连接件通过剪力部可以与灌浆层形成拉结互锁力，提升了连接件与箱型钢管内部混凝土的总粘结力，从而完善组合效应和抗剪能力。本实施例中的剪力部1为钢筋凸起，钢筋凸起为多个，钢筋凸起沿柱体3周向环绕设置，多个钢筋凸起沿柱体3的轴向间隔布置。通过设置多个钢筋凸起，可以使箱型钢管内部在浇注混凝土后与柱体形成足够的粘结力。具体地，通过对钢筋进行切割，然后将钢筋条焊接于柱体外侧形成钢筋凸起。
50.本实施例中的位于第一连接部的剪力部与位于第二连接部的剪力部相对于定位凸部对称设置。在制作定位凸部时，采用钢板焊接于空心钢管的周侧并将空心钢管分隔成对称的第一连接部和第二连接部，从而使连接件连接的上下柱间传力均匀。其中，在第一连接部设置有多个剪力部，在第二连接部上设置有与第一连接部对称的多个剪力部。如图2所示，根据本技术的另一个方面，本技术的实施例提供了一种模块化钢-混凝土组合结构，包括横向排列的多个模块单元，和竖直排列的多个模块单元。竖直方向排列的多个模块单元中，相邻两个模块单元之间通过上述实施例提供的连接件连接；横向方向排列的多个模块单元中，相邻的连接件通过箍板围箍固定。其中，横向相邻模块单元利用箍板围箍相邻连接件完成框架柱的组合，从而有效将柱子区域进行模块组合，发挥其承载效率。
51.本实施例中的模块单元为立方体框架，如图3所示，包括：多个箱型钢管 5、上框架、下框架、隔墙组件4和楼板。上框架和下框架之间通过箱型钢管 5连接，相邻的箱型钢管5之间连接有隔墙组件4，楼板铺设于上框架或下框架，上框架和下框架分别包括多个预制梁。预制梁的材料可为钢材或混凝土，预制梁为钢材的实施例中，可通过与箱型钢管焊接相连；预制梁为混凝土的实施例中，可通过箱型钢管横向配筋或焊接栓钉连接。由于钢材本身的性能优越，但若预制梁完全使用钢材可能价格过高，可以使用钢-混凝土组合结构。其中，上述的横向排列的多个模块单元和竖向排列的多个模块单元，是指多个模块单元中包括了横向排列的多个以及竖向排列的多个，其中，竖直方向上，相邻两个模块单元的箱型钢管竖向对齐；横向方向上，相邻两个模块单元的上框架的预制梁组成凹槽，凹槽用于放置钢筋笼15，在凹槽中浇注混凝土以使两个相邻模块单元连。其中，上框架的预制梁可采用倒t型钢-混凝土组合梁或l型钢
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混凝土组合梁，相邻模块单元拼接后倒t型钢-混凝土组合梁或l型钢-混凝土组合梁对接处会形成凹槽，在凹槽内塞入预制钢筋笼，并向凹槽内浇筑混凝土，可以有效组合横向的两个相邻模块单元，从而形成整体框架梁，有效发挥了模块单元梁与梁间的力学性能。对于非邻近的梁，如图4所示，例如边梁可使用内向的l型钢-混凝土组合梁以满足模块单元顶板或底板铺设的需要，其中，边梁为位于模块化钢-混凝土组合结构周边的梁。
52.可选地，如图5所示，模块化钢-混凝土组合结构中模块单元由箱型钢管、上框架、下框架、楼板和隔墙组件组成，而根据住宅需求可以将隔墙组件设置在梁端前出半墙厚，而邻近模块单元不设该处的隔墙组件，使得相邻模块组装后共用隔墙组件。可选地，倒t型钢-混凝土组合梁或l型钢-混凝土组合梁为纯钢倒t型或l型梁与后浇混凝土搭配成钢-混凝土梁，或，倒t型钢-混凝土组合梁或l型钢-混凝土组合梁为钢筋混凝土预制梁与后浇混凝土搭配成钢-混凝土梁。
53.可选地，隔墙组件4可以全部使用300-1500kg/m3级别轻质隔墙，可以有效减少隔墙组件自重。
54.本实施例中的楼板铺设于下框架或上框架上，在楼板铺设于下框架上的情况下，
下框架和上框架的预制梁为l型预制梁；在楼板铺设于上框架的情况下，上框架的预制梁为倒t型预制梁，下框架的预制梁为l型预制梁。如图3 所示，采用底部楼板10的模块单元。在工厂内将轻质隔墙、4个箱型钢管5、 2个短边l型钢-混凝土组合梁8、2个长边l型钢-混凝土组合梁9和底部楼板 10拼接组装的立方体模块单元。在工厂内需要完成单个模块单元的承重体系和附属体系的构建，将2个短边l型钢-混凝土组合梁8平行设置，由2个长边l型钢-混凝土组合梁9分别连接两个短边l型钢-混凝土组合梁8相邻的端部从而成矩形的上框架，模块单元底部的下框架如图3所示，可采用内凹的l 型钢-混凝土组合梁，由4个内凹的l型钢-混凝土组合梁首尾相接形成底部内凹的矩形框架，该矩形框架用以铺设底部楼板10；底部楼板10铺设完后，通过对底部楼板和下框架浇筑混凝土或者砂浆将板和梁连接在一起；箱型钢管的上下两端分别与与组成上框架及下框架的预制梁进行焊接，从而完成带有底部楼板的模块单元的拼装。对于带有底部楼板模块单元的上框架，不需要设计与顶板对接的需求，只需要设计满足与水平方向上的邻近模块单元连接的要求即可。在现场工作中，将横向各个模块单元进行短边l型钢-混凝土组合梁8与相邻模块单元对应的短边l型钢-混凝土组合梁8对接，长边l型钢-混凝土组合梁9与相邻模块单元对应的长边l型钢-混凝土组合梁9对接，如图6所示，在对接区域位置吻合后形成凹槽，在凹槽内放入钢筋笼15，在凹槽内浇筑混凝土，待混凝土硬化后，横向相邻的两个模块单元有效组合梁截面。如图 8所示，通过连接件11横向连接有四个模块单元，对于在中柱区域的节点连接则通过四孔箍板13进行相邻模块单元的箱型钢管5的四柱组合，对于在边柱区域的节点连接则通过双孔箍板12进行相邻模块单元的箱型钢管5的双柱组合。
55.采用底部楼板的模块单元可以有助于后续装修一体化，例如，在工厂内可完成地板瓷砖铺装、网线电线铺设和地暖安装等操作，同时若有需要可以预先固定厨卫设备、床和桌椅等家具。
56.在本技术的另一个实施例中，如图7所示采用顶部楼板14的模块单元。在工厂内需要完成单个模块单元的承重体系和附属体系的构建，模块单元上框架为首尾相接的4个倒t型钢-混凝土组合梁组成的底部内凹的矩形框架，其中顶部楼板14铺设于上框架，铺设完后通过浇筑混凝土或者砂浆将板和梁连接在一起。该实施例中模块单元下框架为首尾相接的4个内凹的l型钢-混凝土组合梁组成的矩形框架，但是不需要铺设底板。如图9所示，在现场工作中将水平各个单元模块进行短边倒t型钢-混凝土组合梁6与相邻模块单元对应的短边倒t型钢-混凝土组合梁6对接，长边倒t型钢-混凝土组合梁7与相邻模块单元对应的长边倒t型钢-混凝土组合梁7对接。如图8所示，在对接区域位置吻合后形成凹槽，在凹槽内放入钢筋笼15，在凹槽内浇筑混凝土，待混凝土硬化后，横向相邻的两个模块单元通过该方法有效组合梁截面。如图2 所示，通过连接件11横向连接四个模块单元，对于在中柱区域的节点连接则通过四孔箍板13进行相邻模块单元的箱型钢管5的四柱组合，对于在边柱区域的节点连接则通双孔箍板12进行相邻模块单元的箱型钢管5的双柱组合。
57.采用顶部楼板的模块单元，顶部楼板可采用预制叠合板，与模块单元的l 型或倒t型钢-混凝土组合梁组合，后续与梁一体浇筑形成整体。该方案整体性好，结构计算中的楼板符合刚性板假设。
58.根据本技术的另一个方面，本技术的实施例提供了一种上述模块化钢-混凝土组合结构的施工方法，如图10所示，包括以下步骤：
59.将横向相邻的两个模块单元的预制梁对接，在对接处形成凹槽；
60.将钢筋笼放入凹槽，向凹槽内浇筑混凝土，使对接的所述预制梁和所述钢筋笼形成整体，将同一层的相邻的连接件通过箍板围箍完，使相邻的箱型钢管横向连接；
61.在下层的箱型钢管内浇筑混凝土至预设高度(其中，预设高度为连接件 11可插入混凝土的高度)，在混凝土内插入连接件，待混凝土硬化后，将上层的箱型钢管对中套入连接件；
62.在上层的箱型钢管内浇注混凝土，待混凝土硬化后，位于下层模块的单元与位于上层的模块单元形成竖向连接。
63.与实际建房的工序相似，一层一层往上建，模块单元搭接顺序正常情况下应为先拼接水平邻近模块，再在拼接竖直方向。
64.本实施例中的箱型钢管、轻质隔墙、倒t型钢-混凝土组合梁、l型钢-混凝土组合梁、隔板单元以及楼板等新型模块化结构的所有构件可以在工厂预制，并在工厂内进行预拼装预装修，结构层、面层、设备等在工厂均已加工制作完成，可以节约人力物力、减少现场施工工作量，提高施工效率。
65.综上，实施本实施例提供的连接件、模块化钢-混凝土组合结构以及施工方法，至少具有以下有益技术效果：
66.(1)兼顾了混凝土和钢材的优点，有效解决了钢结构抗火性能差等一系列问题；
67.(2)本发明模块化钢-混凝土组合结构中，上下层相邻建筑模块之间的立柱竖向对齐，通过本技术提供的连接件连接，单元间的框架梁和框架柱有效组合，形成连续稳定的框架承重体系。因此，避免了传统集装箱式整体装配化建筑体系中，以盒子作为受力单元，结构受力和楼板连接不连续的问题，大大提高了装配式建筑结构的整体性与安全性；
68.(3)模块承重体系为框架承重，单个模块单元具备独立的承重条件，并且在模块单元与模块单元组装过程中发挥了梁单元的组合和柱单元的组合，实现共同工作，使整体结构受力性能稳定高效；模块按照矩形框架结构设计，符合现行车辆搭载要求和施工现场吊机吊装要求，针对特异性较强的房屋样式可在框架基础上进行附属构件的添加。
69.(4)通过在相邻模块槽钢梁螺栓连接或混凝土后浇带法之间的接缝连接构造，可以增强模块单元之间的水平连接，解决同层模块单元拼接时只着重于节点处柱连接而模块间梁的组合程度不够，造成模块梁在平面内刚度不连续的问题，增强了结构整体鲁棒性；
70.(5)结构承重构件全部为预制件，连接构造的焊接部分预先在工厂中完成，结构层、面层、设备等在工厂均已加工制作完成，可以节约人力物力、减少现场施工工作量，提高施工效率，可以根据实际施工需求在模块内预埋管线或者管槽，而该部分的管线碰撞可以预先在工厂内设计时通过bim相关软件进行管线碰撞测试或最优化选择。
71.以上仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。