一种免模板的装配式UHPC-再生混凝土叠合柱及施工方法

一种免模板的装配式uhpc-再生混凝土叠合柱及施工方法
技术领域
1.本发明属于装配式混凝土结构技术领域，特别是涉及一种免模板的装配式uhpc-再生混凝土叠合柱及施工方法。


背景技术：

2.装配式混凝土结构是我国建筑结构发展的重要方向之一，具有提高和保证工程质量、提高生产效率、降低施工成本和节能环保等优势，具有广阔的发展空间。装配式混凝土结构常用的连接方式主要有套筒灌浆连接、螺旋箍筋浆锚搭接连接和波纹管浆锚搭接连接，但这些连接均难以达到“强节点强锚固”的设计要求，甚至成为结构薄弱点。
3.另一方面，既有建筑物的改造、拆除过程产生了大量的建筑固废，据统计，2020年我国废弃混凝土产量超过30亿吨，对建筑业的可持续发展提出了新挑战，由建筑固废和工业固废制成的再生骨料应运而生。研究发现这些再生骨料具有很高的孔隙率和吸水率，在拌制混凝土过程中吸收水分，而在水泥水化过程中释放水，及时补充毛细孔内水分，称为内养护效应。再生骨料的内养护效应使得混凝土的自干燥、自收缩、基本徐变均得到改善，在密闭环境中应用再生骨料是更科学合理的。
4.综上所述，将再生骨料运用至装配式混凝土结构可大量消耗建筑固废和工业固废，但如何加强装配式混凝土结构的节点连接和为再生骨料创造密闭环境成为亟需解决的工作难点。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明旨在提出一种免模板的装配式uhpc-再生混凝土叠合柱及施工方法，以解决上述背景技术所提到两个问题。通过合理运用钢结构加强装配式混凝土结构的节点，使得连接节点达到“强节点”的设计要求，通过预制超高性能混凝土(uhpc)外壳和现浇再生混凝土柱芯，为再生混凝土创造密闭环境，通过合理设置构造实现钢筋与钢节点、钢节点与钢节点的可靠连接，通过设置环向肋改善核心区混凝土与钢节点的黏结性能，整个构件无需模板、连接简单，可有效提高施工效率。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种免模板的装配式uhpc-再生混凝土叠合柱的施工方法，具体包括以下施工步骤：
7.(1)制作钢节点：按照尺寸设计制作若干短内钢管、若干长外钢管、若干长内钢管、若干短外钢管和若干环向肋，将短内钢管、长外钢管和环向肋焊接成钢节点上部，将长内钢管、短外钢管和环向肋焊接成钢节点下部；
8.(2)预制uhpc外壳：按照设计将若干纵向钢筋和若干箍筋绑扎或点焊为钢筋笼，钢节点上部和钢节点下部分别焊接在钢筋笼两端，其中纵向钢筋的端部与环向肋焊接，纵向钢筋的外表面与内钢管内表面焊接，箍筋上表面与内钢管截面焊接，按照设计厚度在钢筋笼位置浇筑uhpc外壳，并养护至设计强度；
9.(3)连接钢节点：将预制的若干叠合柱运输到施工现场，将叠合柱的钢节点上部插
入钢节点下部，通过调整角度使短内钢管与长内钢管相接触，使长外钢管与短外钢管的凹凸形相互咬合，并在凹凸形咬合处焊接连接；
10.(4)浇筑再生混凝土芯：在uhpc外壳内密实浇筑再生混凝土芯，等待再生混凝土芯达到设计强度后，继续进行下一步工序。
11.一种所述的免模板的装配式uhpc-再生混凝土叠合柱，包括短内钢管、长外钢管、长内钢管、短外钢管、若干环向肋、若干纵向钢筋、若干箍筋、uhpc外壳和再生混凝土芯；
12.所述短内钢管外表面紧贴长外钢管内表面，环向肋位于短内钢管内表面，三者焊接组成钢节点上部；长内钢管外表面紧贴短外钢管内表面，环向肋位于长内钢管内表面，三者焊接组成钢节点下部；若干纵向钢筋和若干箍筋绑扎或点焊为钢筋笼，钢节点上部和钢节点下部分别焊接在钢筋笼两端，uhpc外壳位于钢筋笼位置，再生混凝土芯位于uhpc外壳、短内钢管和长内钢管内部。
13.更进一步的，所述长外钢管与短外钢管的连接处为相互咬合的凹凸形。
14.更进一步的，所述短内钢管、长外钢管、长内钢管、短外钢管和环向肋的钢材强度等级不低于q355。
15.更进一步的，所述短内钢管、长外钢管、长内钢管和短外钢管厚度不小于纵向钢筋直径的2/3。
16.更进一步的，所述环向肋厚度不小于纵向钢筋直径，所述环向肋宽度不小于纵向钢筋直径的1.5倍。
17.更进一步的，所述环向肋位置距离短内钢管边缘不少于纵向钢筋锚固长度，所述纵向钢筋的端部与环向肋焊接，纵向钢筋的外表面与内钢管内表面焊接。
18.更进一步的，所述箍筋上表面与短内钢管边缘焊接。
19.更进一步的，所述uhpc外壳的厚度不少于纵向钢筋内侧表面至叠合柱外表面的距离。
20.更进一步的，所述再生混凝土芯为掺入废弃混凝土或工业尾矿制成的再生骨料的再生混凝土，或掺入高吸水性树脂材料或轻骨料的内养护混凝土。
21.与现有技术相比，本发明采用钢结构节点改进了传统的装配式混凝土柱的连接方式，将传统的钢筋混凝土柱改进为预制uhpc外壳和现浇再生混凝土柱芯的叠合柱，通过合理构造加强钢筋与钢节点、钢节点与钢节点的整体性，通过设置环向肋改善核心区混凝土与钢节点的黏结性能。综合来看，该装配式叠合柱具有以下优势：
22.(1)合理利用高性能材料。结构节点处既是上下框架柱、框架梁和楼板交叉结合处，又是建筑物结构抗震设防的关键点，在结点处设置为钢结构以增强结点的刚度和承载力；外框柱在弯矩作用下，截面外侧应力最大，叠合柱外壳为超高强度的uhpc以承受拉力或压力，从而充分发挥高强材料的性能。
23.(2)钢结构受力性能良好。钢结构节点由短内钢管、长外钢管、长内钢管、短外钢管和环向肋组成，将内钢管嵌套于外钢管内形成良好的抗剪能力，将外钢管连接处设置为凹凸式咬合口，一方面增强抗扭能力，另一方面加长焊缝长度以增加抗拉或抗弯能力。
24.(3)有效改善构件长期变形和耐久性。叠合柱外侧uhpc外壳在工厂中预制，已基本完成了混凝土前期的收缩变形并形成了致密的无裂缝的uhpc外壳，由此提升了结构的使用寿命和耐久性，也为再生混凝土提供了密闭环境，再生骨料的内养护效应使得构件的自生
收缩、基本徐变等长期变形均得到有效改善。
25.(4)连接可靠，构件整体性好。纵向钢筋的端部与环向肋焊接，纵向钢筋的侧面与内钢管内表面焊接，箍筋表面与内钢管截面焊接，实现钢节点与钢筋笼的可靠连接；钢节点外钢管焊接实现钢节点与钢节点的可靠连接；通过设置环向肋改善核心区混凝土与钢节点的黏结性能，实现节点处剪力的有效传递。
26.(5)连接方便，施工效率高。叠合柱的钢节点与uhpc外壳在工厂预制，运至施工现场将刚结点嵌套焊接即可完成节点连接，最后浇筑再生混凝土芯即可完成施工。相比于传统连接方式更加高效快捷，将大大提高施工效率。
附图说明
27.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
28.图1为本发明所述的免模板的装配式uhpc-再生混凝土叠合柱的内部结构立体示意图；
29.图2为所述的装配式uhpc-再生混凝土叠合柱的立体示意图；
30.附图代号说明：1-短内钢管；2-长外钢管；3-长内钢管；4-短外钢管；5-环向肋；6-纵向钢筋；7-箍筋；8-uhpc外壳；9-再生混凝土芯。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
32.一、具体实施方式一，参见图1-2说明本实施方式，一种免模板的装配式uhpc-再生混凝土叠合柱，包括短内钢管1、长外钢管2、长内钢管3、短外钢管4、若干环向肋5、若干纵向钢筋6、若干箍筋7、uhpc外壳8和再生混凝土芯9；
33.所述短内钢管1外表面紧贴长外钢管2内表面，环向肋5位于短内钢管1内表面，三者焊接组成钢节点上部；长内钢管3外表面紧贴短外钢管4内表面，环向肋5位于长内钢管3内表面，三者焊接组成钢节点下部；若干纵向钢筋6和若干箍筋7绑扎或点焊为钢筋笼，钢节点上部和钢节点下部分别焊接在钢筋笼两端，uhpc外壳8位于钢筋笼位置，再生混凝土芯9位于uhpc外壳8、短内钢管1和长内钢管3内部。
34.本发明设计了钢节点上部和钢节点下部，结构节点处既是上下框架柱、框架梁和楼板交叉结合处，又是建筑物结构抗震设防的关键点，在结点处设置为钢结构以增强结点的刚度和承载力；外框柱在弯矩作用下，截面外侧应力最大，叠合柱外壳为超高强度的uhpc以承受拉力或压力，从而充分发挥高强材料的性能。
35.钢结构节点由短内钢管1、长外钢管2、长内钢管3、短外钢管4和环向肋5组成，所述短内钢管1与长内钢管3组成内钢管，长外钢管2与短外钢管4组成外钢管，将内钢管嵌套于外钢管内形成良好的抗剪能力，将外钢管连接处设置为凹凸式咬合口，一方面增强抗扭能力，另一方面加长焊缝长度以增加抗拉或抗弯能力。
36.所述短内钢管1、长外钢管2、长内钢管3、短外钢管4和环向肋5的钢材强度等级不
低于q355。需要考虑到纵向钢筋6的强度，实现强度匹配，因此强度一般不低于q355。
37.所述短内钢管1、长外钢管2、长内钢管3和短外钢管4厚度不小于纵向钢筋6直径的2/3。作为节点处的主要传力构件，短内钢管1、长外钢管2、长内钢管3和短外钢管4厚度直接关系到节点的安全性，首先需要保证节点上下柱纵向钢筋6的可靠连接，考虑到纵向钢筋6可能出现锚固区域的局部拉压的不利工况，将短内钢管1、长外钢管2、长内钢管3和短外钢管4厚度加强到纵向钢筋6直径的2/3，充分保证节点的受力能力、抗震性能和施工期间的支撑作用。
38.所述环向肋5厚度不小于纵向钢筋6直径，所述环向肋5宽度不小于纵向钢筋6直径的1.5倍。更厚的环向肋5刚度更大、抗剪能力更强，环向肋5厚度的设计使其可承受纵向钢筋6传来的集中力，又可将集中力可靠传递至钢节点，而环向肋5宽度的设计可方便与纵向钢筋6的连接处焊接连接施工，也可加强其与再生混凝土芯的黏结性能。
39.所述环向肋5位置距离短内钢管1边缘不少于纵向钢筋6锚固长度，所述纵向钢筋6的端部与环向肋5焊接，纵向钢筋6的外表面与内钢管内表面焊接。充分保证纵向钢筋6的可靠锚固。
40.所述箍筋7上表面与短内钢管1边缘焊接。纵向钢筋6的端部与环向肋5焊接，纵向钢筋6的侧面与内钢管内表面焊接，箍筋7表面与内钢管截面焊接，实现钢节点与钢筋笼的可靠连接；钢节点外钢管焊接实现钢节点与钢节点的可靠连接；通过设置环向肋5改善核心区混凝土与钢节点的黏结性能，实现节点处剪力的有效传递。
41.所述uhpc外壳8的厚度不少于纵向钢筋6内侧表面至叠合柱外表面的距离。一方面uhpc外壳8的外表面与节点的外钢管表面平齐，达到构件与节点连接的整齐美观性，且不影响后续装修工程施工；另一方面uhpc外壳8的内表面应至少到达纵向钢筋6内侧表面，实现uhpc外壳8与钢筋笼的可靠连接，浇筑完成后可实现良好的受力能力和整体性。
42.所述再生混凝土芯9为掺入废弃混凝土或工业尾矿制成的再生骨料的再生混凝土，或掺入高吸水性树脂材料或轻骨料的内养护混凝土。在外部密闭的环境下，再生混凝土或内养护混凝土的内养护效果可得到充分利用，达到提高水泥水化程度和减小收缩徐变变形的目的。
43.本发明通过合理设计钢结构加强装配式混凝土结构的节点，使得连接节点达到“强节点”的设计要求，将传统的钢筋混凝土柱改进为预制uhpc外壳和现浇再生混凝土柱芯的叠合柱，通过合理构造加强钢筋与钢节点、钢节点与钢节点的整体性，通过设置环向肋改善核心区混凝土与钢节点的黏结性能，整个构件无需模板、连接简单，可有效提高施工效率。该装配式叠合柱充分发挥高强材料的性能，可有效改善构件长期变形和耐久性，增强整体性。
44.所述的一种免模板的装配式uhpc-再生混凝土叠合柱的施工方法，具体包括以下施工步骤：
45.(1)制作钢节点：按照尺寸设计制作若干短内钢管1、若干长外钢管2、若干长内钢管3、若干短外钢管4和若干环向肋5，将短内钢管1、长外钢管2和环向肋5各一件焊接成钢节点上部，将长内钢管3、短外钢管4和环向肋5各一件焊接成钢节点下部；
46.(2)预制uhpc外壳：按照设计将若干纵向钢筋6和若干箍筋7绑扎或点焊为钢筋笼，钢节点上部和钢节点下部分别焊接在钢筋笼两端，其中纵向钢筋6的端部与环向肋5焊接，
纵向钢筋6的外表面与内钢管内表面焊接，箍筋7上表面与内钢管截面焊接，按照设计厚度在钢筋笼位置浇筑uhpc外壳8，并养护至设计强度；
47.(3)连接钢节点：将预制的若干叠合柱运输到施工现场，将叠合柱的钢节点上部插入钢节点下部，通过调整角度使短内钢管1与长内钢管3相接触，使长外钢管2与短外钢管4的凹凸形相互咬合，并在凹凸形咬合处焊接连接；
48.(4)浇筑再生混凝土芯：在uhpc外壳内密实浇筑再生混凝土芯9，等待再生混凝土芯9达到设计强度后，继续进行下一步工序。
49.叠合柱外侧uhpc外壳在工厂中预制，已基本完成了混凝土前期的收缩变形并形成了致密的无裂缝的uhpc外壳，由此提升了结构的使用寿命和耐久性，也为再生混凝土提供了密闭环境，再生骨料的内养护效应使得构件的自生收缩、基本徐变等长期变形均得到有效改善。
50.本发明采用钢结构节点改进了传统的装配式混凝土柱的连接方式，钢结构节点由短内钢管1、长外钢管2、长内钢管3、短外钢管4和环向肋5组成，具有良好的受力性能。将传统的钢筋混凝土柱改进为预制uhpc外壳和现浇再生混凝土柱芯的叠合柱，有效改善构件长期变形和耐久性。通过合理构造加强钢筋与钢节点、钢节点与钢节点的连接程度，通过设置环向肋改善核心区混凝土与钢节点的黏结性能，提高构件的整体性。钢结构节点相比于传统连接方式更加高效快捷，将大大提高施工效率。
51.以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。