CN102747810B - 高强螺旋箍约束高强宽翼缘h型钢混凝土柱 - Google Patents

Abstract

高强螺旋箍约束高强宽翼缘H型钢混凝土柱涉及型钢混凝土柱，克服现有工字、H型钢混凝土柱施工难、混凝土保护层厚造成型钢抗弯作用发挥不完全、高强型钢易压屈等缺点。取消纵向钢筋，将钢筋面积折算到型钢翼缘中，方便型钢混凝土柱的施工和设计；螺旋箍为高强矩形螺旋箍，约束型钢翼缘的螺旋箍其内侧紧贴型钢翼缘表面，通过约束型钢翼缘的自由边提高型钢翼缘的失稳临界应力。螺旋箍紧密结合翼缘，起到了栓钉的作用，使得混凝土能更好地和型钢协调工作；型钢的混凝土保护层厚30-40毫米，满足防火需要，同时使得型钢充分发挥抗弯作用。矩形螺旋箍的螺距为0-60毫米，能明显改善型钢翼缘自由边的约束条件。本发明用于型钢混凝土结构。

Description

高强螺旋箍约束高强宽翼缘H型钢混凝土柱

技术领域

本发明涉及一种型钢混凝土柱。

背景技术

型钢混凝土柱是指在混凝土中配置型钢，并配有一定横向箍筋及纵向受力钢筋的结构，柱中型钢主要有工字型钢、H型钢和十字型钢。型钢混凝土柱具有承载力高、刚度大及抗震性能好等优点，已普遍应用于大跨结构和地震区的高层建筑。

型钢混凝土柱中，型钢与混凝土这两种性能不同的材料能够共同工作是由于它们之间存在粘结作用，由于型钢表面光滑，故而型钢与混凝土粘结强度相当于光圆钢筋与混凝土粘结强度的60％和螺纹钢筋与混凝土粘结强度的30％，为了使得型钢能与混凝土协调工作，《型钢混凝土组合结构技术规程》和《钢骨混凝土结构设计规程》分别规定型钢混凝土柱保护层厚度不小于120毫米和150毫米，在实际工程设计中保护层厚度比规范规定的数值还要大，由于保护层过厚型钢往往位于截面的偏中位置，造成实际上型钢主要发挥了抗压作用，抗弯作用没完全发挥出来，尽管计算公式中假定型钢是完全发挥抗弯作用的。

在地震力作用下，型钢外面混凝土保护层可能会脱落，所以型钢翼缘的宽厚比要符合一定的要求，以避免混凝土保护层脱落后型钢翼缘发生局部压屈，这样就限制了高强度型钢的应用，因为屈服强度高的型钢翼缘厚度薄所以比低强度型钢更容易发生压屈。

由于型钢混凝土柱是由纵向受力钢筋、型钢、横向钢筋组成，施工时要同时进行钢结构施工和钢筋混凝土结构施工，所以施工复杂，比单独钢结构施工或者单独钢筋混凝土结构施工麻烦。

由于普通箍强度低，对混凝土的约束不完全。混凝土受压膨胀或剪切滑移时，箍筋易屈服，从而失去对混凝土的约束力。普通箍筋末端存在135°弯钩，在地震力反复作用下，外部混凝土破碎，箍筋弯钩容易出现松扣现象，从而失去对内部混凝土和纵向钢筋的约束，进一步加重柱子的震害。

在高层建筑设计时候，从控制轴压比的角度，要求柱子截面尺寸要足够大，从控制剪跨比角度，要求柱断面不能过大。两种控制往往会发生矛盾。高层建筑底部若干层柱断面尺寸往往较大而同时难以满足达到长柱的要求。解决这一矛盾的办法之一就是采用高强度等级混凝土，但高强混凝土较低强度等级混凝土更脆，不利于抗震。

发明内容

本发明的目的在于克服工程中常用的工字、H型钢混凝土柱的缺点，提供一种高强螺旋箍约束高强宽翼缘H型钢混凝土柱。本发明要解决常用的工字、H型钢混凝土柱(1：1≤高：宽≤2：1)施工不便、混凝土保护层厚造成柱中型钢不能完全发挥抗弯作用、箍筋强度低且末端有135°弯钩地震时候容易松扣造成对混凝土及型钢约束效果不理想、高强度型钢容易压屈不便应用于工程等一系列缺点。

本发明的目的是通过如下措施达到：

将型钢混凝土柱中的工字、H型钢改为高强宽翼缘H型钢，钢材屈服强度不小于500兆帕，不大于700兆帕。取消型钢混凝土柱中的纵向受力钢筋，将型钢翼缘加厚加长取代纵向受力钢筋，型钢翼缘的宽度等于柱宽减去70毫米，采用高强螺旋箍。

其特征在于：采用宽翼缘的H型钢，约束高强型钢翼缘的高强螺旋箍的内侧紧贴在型钢翼缘的表面，高强型钢的混凝土保护层厚度为30-40毫米，柱中没有纵向受力钢筋，通过增加高强型钢翼缘的面积代替被取消的纵向受力钢筋。

箍筋采用螺旋箍，箍筋的屈服强度标准值不能小于1100兆帕，且最大力总伸长率不能小于4％，螺旋箍钢材选用高强热处理钢筋，箍筋要用机械加工，以保证加工质量，尺寸误差不能超过正负1毫米，以保证箍筋内表面能与型钢翼缘表面紧紧相贴。

当箍筋直径小于10mm时，型钢的混凝土保护层为30mm,当箍筋直径大于10mm时，型钢的混凝土保护层为40mm。

采用数控弯箍机加工高强度螺旋箍，螺旋箍尺寸误差为正负1mm，螺旋箍紧紧套在型钢表面，起到了约束作用，使得型钢翼缘边界条件得到改善，使得本来三边简支，一边自由的计算模型变成三边简支，一边近似简支的计算模型，根据弹性稳定理论，矩形薄板失稳临界应力计算公式如下：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{cr}}=k\frac{{\mathrm{\π}}^{2}E}{12(1-v^2)}{\left(\frac{t}{b}\right)}^2$

在四边简支板时κ＝4，三边简支、一边自由板时

由此大大提高了型钢翼缘的失稳临界应力，从而可以将型钢翼缘的宽厚比提高，可以使用高强度的型钢，节约了钢材。可以想象螺旋箍的螺距为0时型钢翼缘不存在失稳问题，所以在弯矩大的地方螺旋箍的螺距为0-30mm，在弯矩小的地方螺旋箍螺距为30-60mm。

由于螺旋箍紧紧套在型钢外表面，和型钢形成一个整体，螺旋箍能阻挡混凝土和型钢之间的错动，作用相当于栓钉，可以使得型钢和保护层混凝土协同工作，对整体受力非常有利。

为了使型钢和混凝土更好协调工作，在型钢翼缘上设置圆洞，圆洞直径30mm；每个翼缘设置两排圆洞，两排圆洞三等分翼缘，圆洞垂直间距500mm，两排圆洞错开布置。每个腹板上布置两排圆洞，两排圆洞三等分腹板，圆洞垂直间距500mm，两排圆洞错开布置。考虑到钢材的塑性，在型钢上面开直径30mm洞不影响型钢承载力。

使用强度高于C50的混凝土。

这种新型型钢混凝土柱的高强型钢含钢率为10％-30％。

本发明有益效果是：

由于取消了纵向钢筋，将纵向钢筋面积折算到型钢翼缘上，方便了施工，力学概念清晰，便于结构设计。

由于混凝土保护层厚度只有30-40mm，型钢翼缘远离截面中心，充分发挥了抗弯作用，对抗震也非常有利，同时30-40mm的混凝土保护层足以满足防火的要求。

由于采用了屈服强度1100兆帕以上的箍筋，大大提高了柱子的抗震性能。

由于采用了C50以上的混凝土可以降低柱子的轴压比，对结构抗震非常有利。

由于型钢翼缘自由边得到约束，能放宽翼缘宽厚比的限制，使用高强度型钢，能大大节省钢材。

由数控弯箍机加工高精度的螺旋箍能紧紧套在型钢上，螺旋箍的作用相当于栓钉，使得型钢和混凝土保护层能整体受力。

理论研究和震害经验都表明，地震是复杂的多维多点运动。多维指的是地震动包括三个平动和三个转动分量，所以型钢翼缘宽且远离截面的中心能提高柱的抗震性能。我们通过实验研究表明：高强度螺旋箍约束高强宽翼缘H型钢混凝土柱的型钢和混凝土能够协同工作至极限承载力状态，截面应变基本符合平截面假定，当实验轴压比为0.7时，滞回曲线仍比较饱满，试验构件耗能能力强，刚度、强度退化不明显。

下表给出相同含钢面积的两种型钢混凝土柱的抗震性能对比：

可以看出，本发明的型钢混凝土柱各项指标有大幅度提高。

附图说明

图1目前工程中常用的工字、H型钢混凝土柱的横截面

目前结构设计规程规定：图1所示的型钢保护层厚度不小于120毫米，实际设计中大于120毫米，造成型钢靠近截面中心，发挥的抗压作用大于发挥的抗弯作用。

图2高强螺旋箍约束高强宽翼缘H型钢混凝土柱的横截面

图2中，1为型钢，2为型钢翼缘，3为矩形螺旋箍

型钢翼缘2的宽度等于柱宽度减去70mm，型钢1的保护层厚度为30-40mm。

矩形螺旋箍3约束型钢翼缘2的那段螺旋箍内侧要紧贴型钢翼缘表面。

具体实施方式

型钢柱1由专业的钢结构公司制作，型钢翼缘2宽度等于柱宽度减去70mm，在加工型钢翼缘和腹板时，上面均设置圆洞。由数控弯箍机加工矩形螺旋箍，加工精度为±1毫米，将制作好的矩形螺旋箍3套在型钢上，约束型钢翼缘2的螺旋箍的内表面要与型钢翼缘外表面相贴，一段型钢柱对应若干圈螺旋箍，螺旋箍起始端要围绕型钢1圈，末端要围绕型钢1圈，箍筋搭接焊接要求：双面焊不小于5d,d为箍筋直径，单面焊不小于10d，焊条强度不小于500兆帕，焊缝要饱满。

Claims (1)

1.一种高强螺旋箍约束高强宽翼缘H型钢混凝土柱，该柱由高强型钢(1)和套在高强型钢(1)外面的高强螺旋箍(3)通过混凝土浇注成一体，其特征在于：高强型钢(1)为宽翼缘H型钢，约束高强型钢翼缘(2)的高强螺旋箍(3)的内侧紧贴在高强型钢翼缘(2)的表面，高强型钢(1)的混凝土保护层厚度为30-40毫米，柱中没有纵向受力钢筋，通过增加高强型钢翼缘(2)的面积代替被取消的纵向受力钢筋，高强型钢(1)含钢率为10％-30％，高强螺旋箍(3)为矩形螺旋箍，其屈服强度大于1100兆帕，最大力下总伸长率大于4％，高强螺旋箍(3)选用高强热处理钢筋，高强型钢(1)屈服强度不小于500兆帕，不大于700兆帕，柱中混凝土强度高于C50，高强型钢(1)的翼缘宽度等于柱子截面宽度减去70毫米，高强螺旋箍(3)的螺距在弯矩大时，为0-30毫米，在弯矩小时为30-60毫米，为了使高强型钢(1)和混凝土更好协调工作，在型钢翼缘和腹板上设置圆洞，圆洞直径30mm，每个翼缘设置两排圆洞，圆洞垂直间距500mm，两排圆洞三等分翼缘，两排圆洞错开布置，每个腹板上布置两排圆洞，圆洞垂直间距500mm，两排圆洞三等分腹板，两排圆洞错开布置，当高强螺旋箍(3)直径小于10毫米时，高强型钢(1)的混凝土保护层为30毫米,当高强螺旋箍(3)直径大于10毫米时，高强型钢(1)的混凝土保护层为40毫米，高强螺旋箍(3)起始端要围绕高强型钢(1)1圈，末端要围绕高强型钢(1)1圈，高强螺旋箍(3)搭接焊接要求双面焊不小于5d,d为高强螺旋箍(3)直径，单面焊不小于10d，焊条强度不小于500兆帕，焊缝要饱满，型钢混凝土柱的高宽比应满足1：1≤高：宽≤2：1。