CN105544866A - 一种u型钢筋加强的薄壁方钢管混凝土柱及构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种U型钢筋加强的薄壁方钢管混凝土柱及构造方法，用于加强构造，根据钢管混凝土对混凝土的有效约束，以及横向钢筋有利于提高混凝土结构柱延性的基本原理，在薄壁方钢管内壁上，可按照箍筋加密的最小间距S设置的U形加强拉结钢筋，在柱横截面上构造成贯通和半贯通的钢筋网状结构，横向钢筋可提高柱截面的延性，起到约束混凝土横向变形的作用，间接提高混凝土的抗压强度指标；U形钢筋端点与薄壁方钢管内壁垂直点焊，钢筋伸出部分埋于混凝土内部，有效拉结钢管薄壁，限制钢管的凸出变形。该构造方法可有效地提高薄壁方钢管混凝土结构柱的局部稳定和延性指标。

Description

一种U型钢筋加强的薄壁方钢管混凝土柱及构造方法

技术领域

本发明属于建筑结构构造设计领域，具体涉及U型钢筋加强的薄壁方钢管混凝土柱及构造方法。

背景技术

薄壁钢管混凝土是指其横截面的径厚比(对于圆钢管混凝土)或宽厚比(对于方钢管混凝土)大于相应受压构件中空钢管局部稳定限值1.5倍的情况。按照这个限定条件，大尺寸构件一般都可以看成是薄壁钢管柱。在钢管混凝土工程中采用薄壁钢管，与普通钢管混凝土结构相比可以减少钢材用量，减轻焊接工作量，达到降低工程造价的目的，在小高层以下包括多层、低层建筑工程中推广使用有着广阔的前景和积极的意义。实际上，对于大直径钢管混凝土结构柱，其钢管壁厚度与钢管直径或边长的比均属于薄壁钢管混凝土。但对于薄壁方钢管混凝土来讲，其材料强度不能得到很好的发挥，延性下降。由于截面几何形状（只有两个形心主惯性轴）和管壁较薄的原因，所以在受压工作条件下薄壁的局部屈曲以及延性问题比较突出。因此研究提高其力学性能的构造措施十分重要。

由解析或数值方法得出的方、矩形钢管混凝土板件宽厚比的限值基本一致。对于方钢管混凝土轴压构件，由于内部填实混凝土材料（采用自补偿混凝土），考虑混凝土的支承作用，板件宽厚比的限制可以放宽到空钢管的2.5倍。但薄壁方钢管混凝土受压构件在承受荷载作用时的力学性能，仍然是受局部稳定条件控制。已有学者对方钢管混凝土轴心受压时的钢管局部屈曲问题进行了研究，给出了薄壁方钢管混凝土的钢板在轴压和压弯状态下的有效宽度的计算方法。钢管混凝土是一种组合结构形式，充分利用钢管对混凝土的约束作用和混凝土对钢管壁的支承作用，同时又最大限度地发挥两种材料各自的力学性能，在建设工程中已得到广泛应用。对于建筑层高不高的建筑物，拟采用薄壁方钢管混凝土，不但能够改善结构柱的力学性能，而且还可以节省模板工程及其相关费用。

薄壁方钢管混凝土具有与普通方钢管混凝土相似的效果和相同的优点，主要问题是由于管壁较薄，加载至极限荷载的50%以上时，钢管壁屈曲引发稳定问题。为了克服这一缺点，有研究者提出了采用对拉片、角隅支撑、垂直加劲肋的方法，以改善薄壁方钢管的变形性能，改变其变形模态，提高整体稳定性，取得了很好的效果（如图1所示）。

设置对拉片的构造方法，需要在方钢管对面薄壁上打孔，用螺栓固定。首先是管壁打孔会影响钢管的整体性，外露的螺杆及螺帽影响钢管的外部装饰。

在矩形截面的角部设置角隅支撑，其支撑零件比较多，要求准确对位时，焊接误差大，乃以保证作业质量，且直接影响截面尺寸的准确性，施工十分麻烦。

设置垂直加劲肋，可以有效改变钢管壁的边界支承条件，但其有效性依赖于肋埋入混凝土内部的深度，其作用主要是为管壁提供支承，对管壁的外凸拉结作用有限，一旦失效，后续变形能力将受到影响；该加劲肋在构造上采用沿纵向通焊，由于管壁较薄，通焊焊缝会导致严重的焊接变形。

发明内容

本发明是在试验研究的基础上，提出的一种薄壁方钢管混凝土柱构造方法，目的在于提高薄壁方钢管混凝土柱的局部稳定和变形能力。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:

一种U型钢筋加强的薄壁方钢管混凝土柱，包括U形钢筋，所述U形钢筋设置于薄壁方钢管内部，按照加密箍筋的间距垂直与所述薄壁方钢管的管壁焊接，形成贯通或半贯通布置于横截面上的横向钢筋构造，在所述薄壁方钢管混凝土柱的横截面上设置U型钢筋，所述U形钢筋的端点焊接在所述薄壁方钢管内壁上。

所述半贯通的U形钢筋的长度为薄壁方钢管的内壁边长的三分之一，所述全贯通的U形钢筋的长度与薄壁方钢管内壁边长相等。

所述U形钢筋为两种：长U形钢筋，短U形钢筋，其中，所述长U形钢筋的一端在所述薄壁方钢管壁内一面的一侧焊接，另外一端与对面薄壁方钢管壁内侧相抵，所述长U形钢筋形成的U形箍筋的两个焊点的位置平行于所述薄壁方钢管的纵向，对合后形成交替叠置的正交井字形双层钢筋网；所述短U形钢筋分别在所述薄壁方钢管内壁隔层焊接，所述短U形钢筋形成的U形箍筋的两个焊点的位置平行于所述薄壁方钢管的纵向，对合后截面形成半贯通构造。

所述薄壁方钢管由两片薄钢板加工成槽型，对合焊接后成薄壁方钢管，同时形成全贯通井字形横向钢筋截面和半贯通的横向钢筋截面，所述薄壁方钢管内浇注自补偿混凝土。

一种U型钢筋加强的薄壁方钢管混凝土柱的构造方法，包含以下步骤：

（1）制作U形钢筋，根据需要采用长或短两种形式；

（2）用薄壁钢板制作槽型型材，组装焊接后与薄壁方钢管截面尺寸相同。

（3）将U形钢筋通过端点与薄壁方钢管内壁焊接在一起（未组装前）；

（4）组装成方钢管。

U形钢筋的构造方法，不限于薄壁方钢管混凝土柱中的应用。

通过U形钢筋与管壁的焊接连接，浇注混凝土后，形成埋于钢管内混凝土中的U形钢筋对钢管壁的具有拉结作用，同时横向钢筋也起到有效限制混凝土横向变形的作用，以提高构件的变形能力。

本发明中，采用U形钢筋，加强混凝土与钢管的拉结，为钢管壁提供支承，并约束内部混凝土的横向变形。

其具体做法是：在薄壁方钢管内壁上，根据箍筋加密设计要求，按间隔距离S设置钢筋零件，可采用两种不同尺寸的U形钢筋加强，其端点与薄壁方钢管管壁点焊，通过分布焊点对管壁起到向内拉结作用，避免薄壁方钢管壁的向外屈曲变形。

同时埋入混凝土中的U形钢筋与混凝土具有良好的粘接锚固作用，使两种材料共同工作，其性能得到充分的发挥，构造出来的横向拉结钢筋网，由于其弹性模量比混凝土的高，可以与配置横向钢筋的混凝土柱一样，约束混凝土的横向变形，更有效地提高结构构件的受力性能，同时薄壁方钢管内混凝土对薄壁方钢管壁一样具有支承作用。

试验研究表明，长、短U形钢筋的配置，有效地提高了混凝土柱的延性，研究结果如表1所示。

试验试件薄壁方钢管的钢板厚度分为三种：1.25mm、1.75mm、2.5mm；混凝土设计强度等级分三种：C30、C35、C40；试件高度为670mm，宽度为200mm，高宽比为3.35，宽厚比分别为160、114.3、80，均高于58的理论局部屈曲限值；

定义延性指标：；其中：；；为试件的高度。纵向位移和应变的下角标中，0.75为加载达到75%极限承载能力时对应的实测纵向位移和应变；0.85为卸载至85%极限承载能力时对应的实测纵向位移和应变。

研究表明：配置长U形钢筋的平均延性指标为3.34，短U形钢筋的平均延性指标为2.85，一般钢管混凝土试件的平均延性指标2.30；以此为基准，配置短U形钢筋的试件提高了24%，配置长U形钢筋的试件提高了45%。

表1薄壁方钢管混凝土短柱实测变形及延性指标

本发明的新型薄壁钢管混凝土柱，与传统的薄壁钢管混凝土相比减少了长焊缝的数量，从而尽可能避免由于焊缝带来的焊接应力和焊接变形对薄壁钢管形状的影响，通过分布焊点，为钢管壁提供支承，延缓钢壁管的屈曲，U形钢筋有效的锚固作用，也能够加强混凝土与钢管之间的粘结，使两者的性能充分发挥，提高短柱的力学性能指标，配置的U形钢筋具有提高该结构柱延性的作用，效果显著、制作方便。

附图说明

图1是已有薄壁钢管混凝土短柱的各种截面加强构造形式；

图2是本发明长U形钢筋在截面上的布置方式；

图3是本发明短U形钢筋在截面上的布置方式；

图4是本发明长U形钢筋外形构造图；

图5是本发明短U形钢筋外形构造图；

图6是本发明长U形钢筋在薄壁钢管内的空间布置构造；

图7是本发明短U形钢筋在薄壁钢管内的空间布置构造；

图8是本发明长U形钢筋的配置构造图；

图9是本发明短U形钢筋的配置构造图。

具体实施方式

下面，结合实例对本发明的实质性特点和优势作进一步的说明，但本发明并不局限于所列的实施例。

如图2~9所示，用薄壁钢板压制成两个槽型构件5，制作U型钢筋3，将U型钢筋3与槽型构件5在其内壁上点焊4，形成带有焊接U型钢筋3的半个部分的薄壁方钢管6；然后在槽口处施焊缝1，最后形成内置U型钢筋3的薄壁方钢管6，在薄壁方钢管内浇筑补偿收缩混凝土，就做成了内置U型钢筋3加强的薄壁钢管混凝土柱。

所述U形钢筋的外部宽度为最小箍筋间距减去箍筋的直径，所述箍筋的直径为：6mm-12mm。

如图8、图9所示，S表示U型钢筋的间距，S在40mm和80mm之间时效果最好,最大可达100mm，图9中5的横截面形成在中心处不连通的复合箍筋,如图8所示，槽型构件5的横截面形成完整复合箍筋的情况；

对于尺寸比较小（小于800mm）的薄壁方钢管混凝土柱,采用长U形钢筋布置的构造方式，尺寸比较大的，采用短U形钢筋布置的方式；

如图8所示，内部的U形钢筋3与薄壁方钢管6一起有效地约束混凝土的横向变形，使得混凝土处在三向受压状态，其抗压强度及变形能力随着侧向约束力的提高而大幅度增长，有效地改善了薄壁钢管混凝土的力学性能；

U形钢筋3在混凝土中的锚固是双向自锚，U形钢筋3与薄壁方钢管6内壁的焊接节点4，起到了支撑作用，有效地减小了薄壁方钢管6的自由长度，克服了较早的局部屈服和整体失稳的缺陷；能都最大限度地发挥材料的力学性能；

如图8、图9所示，S的尺寸不限于在40mm和80mm之间，但也不宜过大，会影响使用效果；

槽口处对接焊接焊缝1，克服了在角部连接的问题，避免了角部应力集中带来的不利影响。

钢筋网片2是为了在柱头和柱脚处增强局部抗压强度而设置的构造。

实施例1

下面结合附图介绍本发明配置U形钢筋的新型薄壁钢管混凝土短柱构造方法：试验采用的是短柱试验，但不影响工程应用。

请参看图8、图9所示，薄壁方钢管6内壁按照纵向间距S、横向间距b/3与U形钢筋3通过点焊连接，长U形钢筋在薄壁方钢管6内壁一侧b方向同一水平位置有一个焊点，短U形钢筋在薄壁方钢管6内壁一侧b方向同一水平位置有两个焊点，如图2、图3所示。

长U形钢筋在一个截面上形成水平井格式横向配筋，如：钢筋混凝土柱中的复合箍筋，短U形钢筋在一个截面上中间不连续的井格式横向配筋，U形钢筋沿薄壁方钢管6内壁均匀分布，形成钢管内部具有横向钢筋且与钢管形成一体的空间钢骨架体系，如图6、图7所示，然后在其内部浇注混凝土，形成加强的U形钢筋的薄壁方钢管混凝土短柱。

利用横向钢筋提高混凝土柱延性、钢管对混凝土的约束作用提高钢管内混凝土的力学性能指标，以埋入钢管混凝土内部的U形钢筋的拉结力，限制钢管薄壁的外凸变形，克服薄壁方钢管混凝土的局部屈曲和稳定问题对其工作性能和破坏形态的不利影响，该方法以横向钢筋和钢管可约束混凝土横向变形的基本原理为依据，克服了对拉片的打孔、加劲肋长焊缝的焊接变形较大等缺憾，是一种功能较强、构造方便的组合结构柱建造技术。

基于上述分析，根据钢筋混凝土柱中箍筋对混凝土的变形约束、提高延性的作用，等间距布置的横向钢筋可约束钢管壁的外凸，设计了U形钢筋构造方法，焊接在钢管内壁后可以起到提高方钢管混凝土柱变形能力的作用，并通过了试验验证。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的工程技术人员，可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改、补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种U型钢筋加强的薄壁方钢管混凝土柱，包括U形钢筋，其特征在于,所述U形钢筋设置于薄壁方钢管内部，按照加密箍筋的间距垂直与所述薄壁方钢管的管壁焊接，形成贯通或半贯通布置于横截面上的横向钢筋构造，在所述薄壁方钢管混凝土柱的横截面上设置U型钢筋，所述U形钢筋的端点焊接在所述薄壁方钢管内壁上。

2.根据权利要求1所述的一种U型钢筋加强的薄壁方钢管混凝土柱，其特征在于，所述半贯通的U形钢筋的长度为薄壁方钢管的内壁边长的三分之一，所述全贯通的U形钢筋的长度与薄壁方钢管内壁边长相等。

3.根据权利要求2所述的一种U型钢筋加强的薄壁方钢管混凝土柱，其特征在于，所述U形钢筋为两种：长U形钢筋，短U形钢筋，其中，所述长U形钢筋的一端在所述薄壁方钢管壁内一面的一侧焊接，另外一端与对面薄壁方钢管壁内侧相抵，所述长U形钢筋形成的U形箍筋的两个焊点的位置平行于所述薄壁方钢管的纵向，对合后形成交替叠置的正交井字形双层钢筋网；所述短U形钢筋分别在所述薄壁方钢管内壁隔层焊接，所述短U形钢筋形成的U形箍筋的两个焊点的位置平行于所述薄壁方钢管的纵向，对合后截面形成半贯通构造。

4.根据权利要求3所述的一种U型钢筋加强的薄壁方钢管混凝土柱，其特征在于，所述薄壁方钢管由两片薄钢板加工成槽型，对合焊接后成薄壁方钢管，同时形成全贯通井字形横向钢筋截面和半贯通的横向钢筋截面，所述薄壁方钢管内浇注自补偿混凝土。

5.根据权利要求1~4任一项所述的一种U型钢筋加强的薄壁方钢管混凝土柱的构造方法，其特征在于，包含以下步骤：

（1）制作U形钢筋，根据需要采用长或短两种形式；

（2）用薄壁钢板制作槽型型材，组装焊接后与薄壁方钢管截面尺寸相同；

（3）将U形钢筋通过端点与薄壁方钢管内壁焊接在一起（未组装前）；

（4）组装成方钢管。

6.根据权利要求5所述的一种U型钢筋加强的薄壁方钢管混凝土柱的构造方法，其特征在于，U形钢筋的构造方法，不限于薄壁方钢管混凝土柱中的应用。