CN103233509B - 内置波形钢板的双钢板混凝土组合核心筒结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种内置波形钢板的双钢板混凝土组合核心筒结构，借鉴钢管混凝土组合结构的优点，将波形钢板与数条钢盖板竖向焊接连接，构成长条形格栅钢管墙板，格栅钢管内浇筑高强混凝土，形成长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙墙板，长条形格栅钢管墙板与管内混凝土柱组合使用，优势互补，协同工作。新型剪力墙墙板与边缘钢柱和边缘钢梁焊接连接，在核心筒剪力墙的墙体交汇角落处，设置端部钢管混凝土核心柱，形成新型的内置波形钢板的双钢板混凝土组合核心筒结构。钢框架—新型组合结构核心筒的结构体系具有结构刚度大、抗压承载力高、施工方便、抗屈曲能力强、屈服荷载高、抗震延性好、耗能性能好等优点，可用于60层以上超高层钢结构建筑。

Description

内置波形钢板的双钢板混凝土组合核心筒结构及施工方法

技术领域

本发明属于建筑结构工程领域，涉及一种高层建筑核心筒结构，尤其涉及一种内置波形钢板的双钢板混凝土组合核心筒结构。

背景技术

核心筒是在高层建筑的中央部分，由电梯井道、楼梯、通风井、电缆井、公共卫生间、部分设备间等围护形成中央核心筒。随着我国房地产建设的发展，高层建筑越来越多。框架—核心筒结构体系是高层建筑中广泛采用的主流结构形式，其优越性在于可以争取尽量宽敞的使用空间。

目前，高层建筑结构常常采用钢框架—混凝土核心筒结构体系，框架柱和框架梁采用抗震性能优良的钢结构材料，核心筒剪力墙结构采用可模性好的钢筋混凝土结构，两种建筑材料混合使用。高层建筑核心筒剪力墙结构承担了大部分的地震剪力，钢筋混凝土核心筒是重要的抗侧力构件，但是钢筋混凝土核心筒剪力墙的抗震延性耗能差，因此，混凝土核心筒结构不适宜用于超高层建筑结构。

对于钢框架—核心筒结构体系的高层建筑，随着建筑结构的高度越来越高，为了保证钢筋混凝土核心筒剪力墙的延性，需要严格控制混凝土核心筒剪力墙的轴压比，混凝土核心筒剪力墙的墙厚就会设计成很厚很大，60层左右的超高层建筑，核心筒剪力墙的墙厚达1.0米左右。过厚的剪力墙不仅施工困难，浪费空间，而且导致自重增加，地震荷载作用力增大。

为了提高核心筒剪力墙的抗震延性和耗能能力，为了减少核心筒剪力墙厚度，应该采用抗震优良的钢板混凝土组合剪力墙，充分发挥钢板和混凝土两种材料的各自优点。目前，内嵌钢板式混凝土组合剪力墙和双钢板内填混凝土式组合剪力墙是二种典型的钢板混凝土组合剪力墙结构构造形式，其中，内嵌钢板式混凝土组合剪力墙结构是单层钢板两面外侧采用钢筋混凝土墙板，内嵌钢板式混凝土组合剪力墙结构存在钢筋混凝土墙板和钢板被各个击破问题，罕遇地震时，外侧钢筋混凝土板墙先期破损，对钢板的约束大大降低，使内嵌钢板式混凝土组合剪力墙在大地震作用下的延性耗能性能大幅降低，内嵌钢板式混凝土组合剪力墙不适用于超高层建筑的核心筒。

双钢板内填混凝土式组合剪力墙是一种应用前景良好的组合剪力墙结构形式，具备很好的轴压性能和抗震延性耗能性能，外侧双层钢板兼作混凝土模板简化施工，双层钢板的有效约束能够很好的提高混凝土的受压性能。但是，钢板与混凝土能否有效的共同工作，对双钢板混凝土组合剪力墙的力学性能有很大的影响，钢板和混凝土墙之间仅靠两种材料界面的摩擦力来传递剪力，并不能充分发挥混凝土和钢筋两种材料的性能。

有关资料建议的双层钢板之间采用密布栓钉或对拉螺栓拉结措施，其施工工作量较大，有关试验表明，对于密布栓钉连接措施的双钢板混凝土剪力墙，罕遇大地震时会产生局部钢板曲屈和底部混凝土压溃现象，表明了其拉结构造措施受力不可靠，不能满足超高层建筑剪力墙抗震延性构造措施要求。有关试验表明，采用焊接拉结缀钢板的双钢板内填混凝土式组合剪力墙结构具有优良的受力性能优良和抗震延性，但施工困难，施工人工工作量大，亟需进行改革。

波形钢板是采用重型模压机压制而成的异性钢板，其波纹可以是梯形、正弦曲线、矩形、V折线形等形状，波形钢板成品已形成了单波长度从0.5m～2.8m的系列成熟产品，波形钢板加工制造厚度由2000年初的8～12mm扩展到现在的30mm左右。波形钢板抗剪切能力强，波形钢板具有自行加劲作用，抗屈曲能力强，用作波形钢腹板时无需设置额外的加劲板，波形钢腹板已经广泛地应用于大跨径连续箱梁桥中。

现有的双层钢板剪力墙结构工艺技术亟需进行改进和完善，为了很好地满足超高层建筑结构中剪力墙“高轴压、高延性、薄墙体”的优化目标，工程界热切期待双钢板混凝土组合剪力墙结构施工工艺的重大革新。

利用压制成型的波形钢板成品材料优点，将波形钢板与数条钢盖板竖向焊接连接，构成长条形格栅钢管墙板，长条格栅钢管内浇筑自密实高强度混凝土，形成一种长条形格栅钢管混凝土组合结构剪力墙结构。内置波形钢板作为双钢板混凝土组合剪力墙的内部加劲肋拉结缀板，大大加强了钢板墙和混凝土墙的共同工作能力，新型组合剪力墙结构具有良好的抗震延性和耗能能力。针对核心筒结构的结构形体，长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙周边设置边缘钢柱和边缘钢梁，设置核心筒剪力墙的端部钢管混凝土核心柱，构成新型的内置波形钢板的双钢板混凝土组合核心筒结构。新型的钢框架—内置波形钢板的双钢板混凝土核心筒结构体系具有结构刚度大、工业化程度高、施工方便、抗屈曲能力强、屈服荷载高、延性好、耗能性能好、造价低等优点，可用于60层以上超高层建筑结构。

发明内容

技术问题：本发明提供一种高轴压、高延性、薄墙体的内置波形钢板的双钢板混凝土核心筒结构。利用波形钢板与数条钢板条盖板竖向焊接，构成长条形格栅钢管墙板，格栅钢管内浇筑自密实高强度混凝土，形成新型剪力墙，设置钢管混凝土端部核心柱，构成新型核心筒剪力墙结构，可用于60以上超高层钢结构建筑。

技术方案：本发明的一种内置波形钢板的双钢板混凝土组合核心筒结构，包括长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙、设置于长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙水平两端的边缘钢柱、设置于长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙上下两端的边缘钢梁、位于核心筒剪力墙的墙体交汇处的端部钢管混凝土核心柱。长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙由长条形格栅钢管墙板、管内拉结栓钉和管内混凝土柱构成，长条形格栅钢管墙板由波形钢板和覆盖连接波形钢板竖向凹槽的钢板条盖板构成，波形钢板的竖向凹槽被钢板条盖板覆盖后形成空腔，管内混凝土柱设置在空腔内，管内拉结栓钉密排焊接在波形钢板和钢板条盖板的内侧面，将管内混凝土柱拉结固定，，端部钢管混凝土核心柱将两相邻的长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙连接为一体，形成封闭核心筒结构。

本发明中，长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙的水平两端分别与一个边缘钢柱连接，上下两端分别与一个边缘钢梁连接，核心筒剪力墙的墙体交汇角落处设置端部钢管混凝土核心柱。

本发明中的波形钢板为V形或矩形或梯形的波形钢板成品。

上述内置波形钢板的双钢板混凝土组合核心筒结构的施工方法，包括以下步骤：

第一步：按照设计要求，进行波形钢板和钢板条盖板下料，管内拉结栓钉密排焊接在波形钢板和钢板条盖板内侧面，然后将钢板条盖板完全覆盖波形钢板的凹槽，并焊接连接牢固，形成带有焊接管内拉结栓钉的长条形格栅钢管墙板；

第二步：在长条形格栅钢管墙板上由钢板条盖板覆盖封闭波形钢板凹槽形成的空腔内，灌注自密实高强度混凝土，构成管内混凝土柱，混凝土结硬后，形成长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙；

第三步：长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙左右两侧与边缘钢柱牢固焊接，长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙上下两边与边缘钢梁牢固焊接；

第四步：核心筒剪力墙的墙体交汇角落处设置端部钢管混凝土核心柱，将带有边缘钢柱和边缘钢梁的长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙与端部钢管混凝土核心柱牢固焊接，形成内置波形钢板的双钢板混凝土组合核心筒结构，建造钢框架—新型组合核心筒结构体系的超高层建筑结构。

核心筒剪力墙是超高层建筑结构的重要构件，承担着大于85％的地震剪力，承担着大于60％的地震倾覆弯矩，必须具有良好的抗震延性和耗能能力。将波形钢板与数条钢板条盖板竖向焊接连接，构成长条形格栅钢管墙板，长条形格栅钢管墙板内浇筑自密实高强度混凝土，形成一种抗震性能优良的长条形格栅钢管混凝土组合结构剪力墙。长条形格栅钢管墙板与管内钢筋混凝土组合使用，优势互补，协同工作，既能承担竖向荷载，又能承受侧向地震荷载作用，并具有良好的结构延性和耗能性能。采用高性能的长条形格栅钢管混凝土组合结构剪力墙，并设置端部钢管混凝土核心柱，构建新型的内置波形钢板的双钢板混凝土组合核心筒结构。

有益效果：本发明和现有技术相比，具有以下优点：

本发明借鉴钢管混凝土组合结构的优点，利用波形钢板的材料特性，将波形钢板与数条钢板条盖板竖向焊接连接，构成长条形格栅钢管墙板，长条形格栅钢管墙板内浇筑自密实高强度混凝土，形成一种抗震性能优良的长条形格栅钢管混凝土组合结构剪力墙。

本发明采用新型长条格栅钢管混凝土剪力墙，配置端部钢管混凝土核心柱，构成内置波形钢板的双钢板混凝土组合核心筒结构。新型的钢框架—内置波形钢板的双钢板混凝土核心筒结构体系具有结构刚度大、工业化程度高、施工方便、抗屈曲能力强、屈服荷载高、延性好、耗能性能好、造价低等优点，钢框架—新型组合结构核心筒可用于60层以上超高层建筑结构。

长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙是新型内置波形钢板的双钢板混凝土核心筒结构的主要受力结构构件，长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙是一种新型的双钢板混凝土组合剪力墙，采用内置波形钢板的长条形格栅钢管墙板具有良好的抗震性能，选用波形钢板加劲肋进行双层钢板的拉结措施，可有效遏制外层钢板发生面外屈曲现象发生，长条形格栅混凝土组合剪力墙结构具有施工方便、抗屈曲能力强、屈服荷载高、抗震延性强等特点。

长条形格栅钢管墙板内浇筑自密实高强度混凝土，大大提高了组合剪力墙结构的轴压受力性能，加强了双钢板混凝土组合剪力墙结构的强度和刚度，具有类似钢管混凝土组合结构的优点。格栅钢管对管内混凝土的约束作用使管内混凝土处于三向受压状态，提高了管内混凝土的抗压强度，提高了管内混凝土的剪切变形性能，改善了新型组合剪力墙结构的抗震受力性能。

长条形格栅钢管墙板与管内钢筋混凝土组合使用，优势互补，协同工作，形成抗震性能优良的长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙，既能承担竖向荷载，又能承受侧向地震荷载作用，并具有良好的结构延性和耗能性能。

与混凝土核心筒剪力墙相比，新型组合剪力墙结构具有自重轻、墙体截面尺寸小、无模板施工、施工快捷、抗震延性强和耗能能力强等优点，大大提高了核心筒剪力墙的抗震性能。

与内嵌钢板式混凝土组合剪力墙核心筒相比，格栅钢管内灌注混凝土，管内混凝土受到钢管约束提高了混凝土的强度，管内混凝土不会发生先期破损，避免了钢筋混凝土墙板和钢板被各个击破问题，管内钢筋混凝土对于格栅钢管墙板的协同辅助工作的是长久的，格栅钢管墙板的钢板屈服后，管内混凝土仍然能部分参与抗震协同工作，管内混凝土增加了新型组合剪力墙的阻尼，减轻了后期框架柱的抗震荷载，提高了高层建筑结构抗震的延性和耗能性能。

与现有的双钢板内填混凝土式组合剪力墙核心筒相比，避免了繁琐的密集栓钉或螺栓拉结的施工，减少了施工工作量，格栅钢管板墙构造确保了钢板和混凝土协同工作能力，充分发挥混凝土和钢筋两种材料的性能，新型组合剪力墙结构设置了内部焊接的波形钢板加劲肋，完全克服了螺栓拉结构造的双钢板剪力墙结构容易发生平面外局部钢板屈曲的缺陷，新型组合核心筒剪力墙结构具有结构刚度大、抗屈曲荷载能力强、抗震延性强等优点。

针对高层建筑的钢框架—核心筒结构体系，提出新型的长条格栅钢管混凝土剪力墙，并设置钢管混凝土端部钢管混凝土核心柱，构建内置波形钢板的双钢板混凝土组合核心筒结构。新型组合剪力墙结构核心筒具有“高轴压、高延性、薄墙体”特点，钢框架—新型组合结构核心筒结构体系具有结构刚度大、抗压承载力高、施工方便、抗屈曲能力强、屈服荷载高、抗震延性好、耗能性能好等优点，可用于超高层钢结构建筑，尤其适合60层以上超高层钢结构建筑。

附图说明

图1是本实用新型的核心筒剪力墙结构的水平剖面示意图；

图2是V形波形钢板构成的长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙的剖面示意图；

图3是矩形波形钢板构成的长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙的剖面示意图；

图4是梯形波形钢板构成的长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙的剖面示意图；

图5是图4中的长条形格栅钢管墙板的局部示意图；

图6是本发明的十字形节点钢管混凝土核心柱的示意图；

图7是本发明的T字形节点钢管混凝土核心柱的示意图；

图8是本发明的L字形节点钢管混凝土核心柱的示意图；

图9是本发明的核心筒剪力墙结构的立面示意图；

图中有：长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙1；长条形格栅钢管墙板11；波形钢板111；钢板条盖板112；管内拉结栓钉12；管内混凝土13；边缘钢柱2；边缘钢梁3；端部钢管混凝土核心柱4。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例，对本发明作进一步具体说明。

实施例1：

本发明的内置波形钢板的双钢板混凝土组合核心筒结构，包括长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙1、边缘钢柱2、边缘钢梁3、端部钢管混凝土核心柱4。长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙1由长条形格栅钢管墙板11、管内拉结栓钉12和管内混凝土柱13构成，所述的长条形格栅钢管墙板11由波形钢板111和覆盖连接波形钢板111竖向凹槽的钢板条盖板112构成，波形钢板111的竖向凹槽被钢板条盖板112覆盖后形成空腔，管内混凝土柱13设置在空腔内，长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙1的水平两端分别与一个边缘钢柱2连接，上下两端分别与一个边缘钢梁3连接，核心筒剪力墙的墙体交汇角落处设置端部钢管混凝土核心柱4。

波形钢板111为V形或矩形或梯形的波形钢板成品。

实施例2：

内置波形钢板的双钢板混凝土组合核心筒结构的施工方法，包括以下步骤：

第一步：按照设计要求，进行波形钢板111和钢板条盖板112下料，波形钢板111和钢板条盖板112的内侧面密排焊接管内拉结栓钉12，然后将钢板条盖板112完全覆盖波形钢板111的凹槽，并焊接连接牢固，形成带有焊接管内拉结栓钉12的长条形格栅钢管墙板11；

第二步：在长条形格栅钢管墙板11上由钢板条盖板112覆盖封闭波形钢板111凹槽形成的空腔内，灌注自密实高强度混凝土，构成管内混凝土柱13，混凝土结硬后，形成长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙1；

第三步：长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙1左右两侧与边缘钢柱2牢固焊接，长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙1上下两边与边缘钢梁3牢固焊接；

第四步：核心筒剪力墙的墙体交汇角落处设置端部钢管混凝土核心柱4，将带有边缘钢柱2和边缘钢梁3的长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙1与端部钢管混凝土核心柱4牢固焊接，形成内置波形钢板的双钢板混凝土组合核心筒结构，建造钢框架—新型组合核心筒结构体系的超高层建筑结构。

实施例3：

某80层超高层钢结构建筑，采用钢框架—核心筒结构体系，底部三层层高为4.8米，其余层高为3.6米。由于为超高层建筑，为了增加抗震延性需要，为了减少核心筒剪力墙结构墙体厚度，核心筒结构采用内置波形钢板的双钢板混凝土组合核心筒结构，形成钢框架—新型组合结构核心筒结构体系。核心筒剪力墙的设计厚度为600mm，由于该楼是80层的超高层建筑，需要大大地加强双钢板的拉结能力，选用V形波形钢板构成的长条形格栅钢管混凝土剪力墙。内置V形波形钢板的外形尺寸采用波长为800mm，波高600mm，直板段水平长度为100mm，斜板段投影长度为300mm，钢板条盖板宽度为750mm。底部六层V形钢波形钢板板厚为14mm，七层到三十层钢波形钢板板厚为12mm，其余楼层钢波形钢板板厚为10mm。底部六层钢板条盖板板厚为18mm，七层到三十层钢板条盖板板厚为16mm，其余楼层钢板条盖板板厚为14mm。管内混凝土底部八层为C60，九层到三十六层为C50，其余楼层为C40。波钢板和钢盖板内测设置密排拉结栓钉，进一步加强钢板墙与混凝土墙的连接性能，确保共同工作，底部十层拉结栓钉为φ16栓钉，九层到三十六层为φ14拉结栓钉，其余楼层为φ12拉结栓钉。新型组合剪力墙边缘钢柱采用600×600mm的方钢管混凝土柱，钢管壁厚与新型组合剪力墙的钢盖板同厚，边缘钢梁采用焊接双H型钢梁，边缘钢柱和边缘钢梁与新型组合剪力墙采用连接钢板焊接，形成装配式长条形格栅钢管混凝土组合结构剪力墙。核心筒剪力墙的墙体交汇角落处设置端部钢管混凝土核心柱，端部钢管混凝土核心柱采用600×600mm的方钢管混凝土柱，钢管壁厚与新型组合剪力墙的钢盖板同厚。经过分析计算得知，该楼抗震性能优良，具有结构刚度大、施工方便、抗屈曲能力强、屈服荷载高、延性好、耗能性能好、造价低等优点。

Claims (3)

1.一种内置波形钢板的双钢板混凝土组合核心筒结构，包括长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙（1）、设置于所述长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙（1）水平两端的边缘钢柱（2）、设置于长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙（1）上下两端的边缘钢梁（3）、位于核心筒剪力墙的墙体交汇处的端部钢管混凝土核心柱（4），其特征在于，所述长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙（1）由长条形格栅钢管墙板（11）、管内拉结栓钉（12）和管内混凝土柱（13）构成，所述的长条形格栅钢管墙板（11）由波形钢板（111）和覆盖连接所述波形钢板（111）竖向凹槽的钢板条盖板（112）构成，所述的波形钢板（111）的竖向凹槽被钢板条盖板（112）覆盖后形成空腔，所述管内混凝土柱（13）设置在空腔内，管内拉结栓钉（12）密排焊接在波形钢板（111）和钢板条盖板（112）位于空腔内的侧面，将管内混凝土柱（13）拉结固定，所述端部钢管混凝土核心柱（4）将两相邻的长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙（1）连接为一体，形成封闭核心筒结构。

2.根据权利要求1所述的内置波形钢板的双钢板混凝土组合核心筒结构，其特征在于，所述的波形钢板（111）为V形或矩形或梯形的波形钢板成品。

3.一种权利要求1所述内置波形钢板的双钢板混凝土组合核心筒结构的施工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

第一步：按照设计要求，进行波形钢板（111）和钢板条盖板（112）下料，管内拉结栓钉（12）密排焊接在波形钢板（111）和钢板条盖板（112）内侧面，然后将钢板条盖板（112）完全覆盖波形钢板（111）的凹槽，并焊接连接牢固，形成带有管内拉结栓钉（12）的长条形格栅钢管墙板（11）；

第二步：在长条形格栅钢管墙板（11）上由钢板条盖板（112）覆盖封闭波形钢板（111）凹槽形成的空腔内，灌注自密实高强度混凝土，构成管内混凝土柱（13），混凝土结硬后，形成长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙（1）；

第三步：长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙（1）左右两侧与边缘钢柱（2）牢固焊接，长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙（1）上下两边与边缘钢梁（3）牢固焊接；

第四步：核心筒剪力墙的墙体交汇角落处设置端部钢管混凝土核心柱（4），将带有边缘钢柱（2）和边缘钢梁（3）的长条形格栅钢管混凝土组合剪力墙（1）与端部钢管混凝土核心柱（4）牢固焊接，形成内置波形钢板的双钢板混凝土组合核心筒结构。