CN107246109B - 实复式钢管混凝土组合柱组合梁构成的框架及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是实复式钢管混凝土组合柱组合梁构成的框架及其施工方法，这种实复式钢管混凝土组合柱组合梁构成的框架由组合柱和组合梁通过节点连接构成，组合梁水平设置在组合柱之间，节点为内填自密实混凝土的外套整体式节点；组合柱为节段式实复式钢管混凝土组合柱，组合梁为体外预应力上翼缘为矩形钢管混凝土的工字型蜂窝梁；节点通过上连接环、下连接环与组合柱固定连接，节点通过端梁连接板及节点腹板连接板与组合梁连接，组合梁的自密实细石混凝土和节点端梁的上翼缘钢管中的自密实细石混凝土是贯通的。本发明解决了实复式钢管混凝土组合柱与上翼缘为矩形钢管工字梁连接节点的复杂性问题。
Description
技术领域
本发明涉及土木建筑结构领域中的房屋框架结构，具体涉及实复式钢管混凝土组合柱组合梁构成的框架及其施工方法。
背景技术
常规钢筋混凝土框架结构体系中，框架节点多为钢筋混凝土现浇节点，这类钢筋混凝土节点与框架梁柱一样需要支模、绑扎钢筋随后浇筑混凝土，构件不但承载力较低、施工周期偏长，而且在地震作用下节点易发生破坏。随着土木建筑业的迅速发展，钢管混凝土结构在大跨、重载和超高建筑中得到广泛的应用，配预应力筋的钢管混凝土框架是钢管混凝土结构的一种新型结构形式，由实复式钢管混凝土组合柱和体外预应力上翼缘为矩形钢管混凝土的工字型蜂窝梁通过整体式节点连接而成，梁柱的外钢管取代了钢筋并对内部混凝土产生连续的约束作用，混凝土处于三向受压状态，抗压性能得到提高，塑性和韧性性能得到改善，与传统的钢管混凝土构件相比，实复式钢管混凝土组合柱具有承载力高、抗弯刚度大和抗震性能好的特性。体外预应力上翼缘为矩形钢管混凝土的工字型蜂窝梁是在工字钢梁基础上演变出来的，大大增加截面的刚度，提高梁的整体稳定性，但是实复式钢管混凝土柱-上翼缘为矩形钢管混凝土蜂窝组合梁构成的结构体系的节点复杂性却制约了该类体系在实际工程中的应用，因此提出一种合理的节点连接方式迫在眉睫。
发明内容
本发明的一个目的是提供实复式钢管混凝土组合柱组合梁构成的框架，这种实复式钢管混凝土组合柱组合梁构成的框架用于解决实复式钢管混凝土组合柱与上翼缘为矩形钢管工字梁连接节点的复杂性问题，同时可避免节点连接易破坏的问题，本发明的另一个目的是提供这种实复式钢管混凝土组合柱组合梁构成的框架的施工方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种实复式钢管混凝土组合柱组合梁构成的框架由组合柱和组合梁通过节点连接构成，组合梁水平设置在组合柱之间，节点为内填自密实细石混凝土的外套整体式节点；外套整体式节点包括带有上连接环和下连接环的节点外管，上连接环和下连接环上均设有螺栓孔，节点外管上部有上加强带腔环板，下部有下加强环板，上加强带腔环板水平向外延伸形成内腔相通的节点端梁的上翼缘钢管，下加强环板水平向外延伸形成节点端梁的下翼缘钢板，节点端梁的上翼缘钢管与节点端梁的下翼缘钢板之间为节点腹板，节点端梁的上翼缘钢管上设置有端梁连接板，节点腹板预留螺栓孔；组合柱为节段式实复式钢管混凝土组合柱，组合梁为体外预应力上翼缘为矩形钢管混凝土的工字型蜂窝梁；节点通过上连接环、下连接环与组合柱固定连接，节点通过端梁连接板及节点腹板连接板与组合梁连接，组合梁和节点的节点端梁的上翼缘钢管中浇筑自密实细石混凝土，浇筑完自密实细石混凝土后，组合梁的自密实细石混凝土和节点端梁的上翼缘钢管中的自密实细石混凝土是贯通的，养护后与节点外管形成一体。
上述方案中节段式实复式钢管混凝土组合柱由内管、节段式外管及内、外层混凝土构成，节段式外管带有连接环，内管的连接部位与节段式外管的连接环相互错开，避免在同一高度处螺栓连接。首先连接内管，然后连接节段式外管，确保内管始终高于节段式外管，在内管中、内管与节段式外管的夹层中浇注异强混凝土。
上述方案中体外预应力上翼缘为矩形钢管混凝土的工字型蜂窝梁将上翼缘做成矩形钢管的形式，上翼缘钢管两端上焊接预留螺栓孔的梁连接板，形成上翼缘为矩形钢管的节段式工字型蜂窝梁，然后向翼缘矩形钢管中浇筑自密实细石混凝土；在工字型蜂窝梁底两端设置端板，进行体外预应力筋的锚固；蜂窝型孔可以是圆形、六边形和多边形的，梁腹板可以是平板，也可以是折板或者正弦曲线型板。
上述方案中预应力筋是直线型的，通过加劲板约束。
上述方案中在工字型蜂窝梁下部布置带内凹槽的转向块，预应力筋形成折线型或者曲线型的，以增加梁的刚度，减小变形。
上述方案中工字型蜂窝梁的工字型梁腹板上布置横向加劲肋，可增加梁腹板的稳定性。
上述方案中上翼缘为矩形钢管混凝土的工字型蜂窝梁将梁端设置有削弱段，削弱段是上翼缘为钢管混凝土的工字型蜂窝梁，削弱段的横截面为变截面的，自两端向中心横截面逐渐缩小，削弱段的中点处横截面最小，结构体系在进入弹塑性状态后，促使梁端塑性铰首先发生在削弱部位，实现梁端塑性铰的外移，从而保证整体节点的完好性。
上述方案中削弱段为可拆卸的，削弱段的两端上翼缘设置有削弱段连接板，削弱段腹板设置有螺栓孔，削弱段通过一端削弱段连接板及削弱段腹板与组合梁连接，削弱段通过另一端削弱段连接板及削弱段腹板与节点端梁连接。削弱段也称为削弱耗能梁块。
上述方案中节点端梁上开洞，便于建筑设备和管道的穿越。
上述实复式钢管混凝土组合柱组合梁构成的框架的施工方法：
首先在工厂焊接预制好需要的钢构件，包括节段式外管、内管、上翼缘为矩形钢管的节段式工字型蜂窝梁、节点，将节段式外管和内管与基础实现固接，且内管比节段式外管高一定的距离，达到预先设计好的高度，然后向内管中浇筑高强混凝土，节段式外管和内管夹层中浇筑常规混凝土，混凝土达到一定强度后，继续采用常规的方法将柱中内钢管接长，将节段式外管与整体高于地面的组合柱外管连接好，确保内管始终高于节段式外管，并且在节点处内管高出节点一段距离，达到预先设计好的高度；待所有节段式外钢管连接好后，达到指定高度后，向内管中浇筑高强混凝土，内管与节段式外管夹层中浇筑常规混凝土，形成实复式钢管混凝土组合柱；安装节点，通过节点的下连接环与组合柱外管连接，通过高强螺栓和节点腹板连接板将上翼缘为矩形钢管的蜂窝型工字梁和节点连接，连接之后对连接处进行焊接；通过注浆孔向组合梁与节点端梁的上翼缘钢管内浇筑自密实细石混凝土，确保组合梁和节点内填满混凝土，且保证混凝土的贯通性；同时向节点的内管与节段式外管夹层中浇筑混凝土，养护达到一定强度后形成底层组合框架体系；通过组合梁下的锚固装置在底层梁的下部布置无粘结预应力筋，对预应力筋进行张拉，然后陆续施工第二层至顶层。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明提出的这种外套整体式节点传力明确，工厂预制，各部位连接精密且质量好，浇筑混凝土后整体式节点不易发生破坏。
2、本发明采用的节段式实复式钢管混凝土组合柱抗弯刚度大、抗震性能好，该类构件使钢材与混凝土结构融合在一起，充分发挥材料的力学性能。承受的轴压比较大，同等条件下可减小柱子的截面尺寸，而且组合柱中的内钢管与外钢管可以在现场安装，施工方便，还可兼作模板，避免了大量模板的使用。
3、本发明的组合梁上翼缘钢管被混凝土填充后不易屈曲，刚度较大且稳定性高，可实现的跨度大；在梁上设置横向加劲肋，提高梁的整体抗屈曲能力。
4、本发明中外套整体式节点端梁上可开洞，便于建筑设备和管道的穿越。
5、本发明采用体外预应力组合梁，通过梁下设置带凹槽的转向块，可张拉不同线型的预应力筋，提高组合梁的刚度，大大减小梁的变形。
6、本发明采用的上翼缘为矩形钢管混凝土蜂窝型工字梁腹板可以是平板、折板和正弦曲线型板，可以增大腹板与翼缘的接触面积，进一步提高构件的承载力。
7、本发明采用的带削弱端的上翼缘为矩形钢管混凝土的蜂窝型工字梁使得结构体系在进入弹塑性状态后，促使梁端塑性铰首先发生在削弱部位，实现梁端塑性铰的外移，从而保证整体节点的完好性。
8、本发明采用的可拆换的削弱耗能梁块，在罕遇地震下确保塑性铰发生在耗能梁块上，强震过后对结构体系进行修复，可将局部削弱的耗能梁块更换，从而保证整体结构仍可正常服役。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的平面布置图；
图3是外套整体式节点示意图；
图4是节点端梁可开洞的外套整体式节点示意图；
图5是实复式钢管混凝土组合柱截面形式；
图6是翼缘为矩形钢管的工字型蜂窝梁截面形式；
图7是安装外套整体式节点之前节段式内管突出示意图；
图8是翼缘为矩形钢管削弱的工字型蜂窝梁与节点的连接；
图9是带可拆换削弱耗能梁块的工字型蜂窝梁与节点的连接；
图10是削弱耗能梁块示意图；
图11是带削弱端的翼缘为矩形钢管的体外预应力工字型蜂窝梁；
图12是梁下设置带内凹槽转向块的体外预应力工字型蜂窝梁；
图13是腹板采用正弦曲线型板的工字梁。
图中：1组合柱 2组合梁 3节点 4上连接环 5下连接环 6节点外管 7上加强带腔环板 8下加强环板 9节点端梁的上翼缘钢管 10端梁连接板 11节点腹板 12螺栓孔 13高强混凝土 14矩形钢管 15内管 16节段式外管 17节点端梁的下翼缘钢板 18横向加劲肋19削弱段 20洞 21预应力筋 22带内凹槽的转向块 23加劲板 24端板 25注浆孔 26梁连接板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
实施例1：
结合图1、图2、图3、图5、图6、图7、图11、图12、图13所示，这种实复式钢管混凝土组合柱组合梁构成的框架由组合柱1和组合梁2通过节点3连接构成，组合梁2水平设置在组合柱1之间，节点3为内填自密实细石混凝土的外套整体式节点；外套整体式节点包括带有上连接环4和下连接环5的节点外管6，上连接环4和下连接环5上均设有螺栓孔12，节点外管6上部有上加强带腔环板7，下部有下加强环板8，上加强带腔环板7水平向外延伸形成内腔相通的节点端梁的上翼缘钢管9，下加强环板8水平向外延伸形成节点端梁的下翼缘钢板17，节点端梁的上翼缘钢管9与节点端梁的下翼缘钢板17之间为节点腹板11，节点端梁的上翼缘钢管9上设置有端梁连接板10，节点腹板11预留螺栓孔12；组合柱1为节段式实复式钢管混凝土组合柱，组合梁2为体外预应力上翼缘为矩形钢管混凝土的工字型蜂窝梁；节点3通过上连接环4、下连接环5与组合柱1固定连接，节点3通过端梁连接板10及节点腹板11连接板与组合梁2连接，组合梁2和节点3的节点端梁的上翼缘中浇筑自密实细石混凝土，浇筑完自密实细石混凝土后，组合梁2的自密实细石混凝土和节点端梁的上翼缘中的自密实细石混凝土是贯通的，养护后与节点外管6形成一体。
节段式实复式钢管混凝土组合柱由内管15、节段式外管16及内、外层混凝土构成，节段式外管16带有连接环，内管15的连接部位与节段式外管16的连接环相互错开，避免在同一高度处螺栓连接。首先连接内管15，然后连接节段式外管16，确保内管15始终高于节段式外管16，在内管15中、内管15与节段式外管16的夹层中浇注异强混凝土。
体外预应力上翼缘为矩形钢管混凝土的工字型蜂窝梁将上翼缘做成矩形钢管14的形式，上翼缘钢管两端上焊接预留螺栓孔12的梁连接板26，形成上翼缘为矩形钢管14的节段式工字型蜂窝梁，然后向翼缘矩形钢管14中浇筑自密实细石混凝土；在工字型蜂窝梁底两端设置端板24，进行体外预应力筋21的张拉锚固；预应力筋21可以是直线型的，通过加劲板23约束。也可以在梁下部布置带内凹槽的转向块22，预应力筋21形成折线型或者曲线型的。蜂窝型孔可以是圆形、六边形和多边形的，梁腹板可以是平板，也可以是折板或者正弦曲线型板。
本发明工字型蜂窝梁的工字型梁腹板上布置横向加劲肋18，可增加梁腹板的稳定性。
参阅图8，本发明中上翼缘为矩形钢管混凝土的工字型蜂窝梁将梁端设置有削弱段19，削弱段19是上翼缘为钢管混凝土的工字型蜂窝梁，削弱段19的横截面为变截面的，自两端向中心横截面逐渐缩小，削弱段19的中点处横截面最小，结构体系在进入弹塑性状态后，促使梁端塑性铰首先发生在削弱部位，实现梁端塑性铰的外移，从而保证整体节点的完好性。
参阅图9、图10，削弱段19为可拆卸的，削弱段19的两端上翼缘设置有削弱段连接板，削弱段腹板设置有螺栓孔12，削弱段19通过一端削弱段连接板及削弱段腹板与组合梁2连接，削弱段19通过另一端削弱段连接板及削弱段腹板与节点端梁连接。削弱段19也称为削弱耗能梁块。在罕遇地震下确保塑性铰发生在耗能梁块上，充分吸收地震带来的能量，强震过后对结构体系进行修复，可将局部削弱的耗能梁块更换，从而保证整体结构仍可恢复正常服役。
本发明外套整体式节点的节点端梁上可开洞20（参阅图4），便于建筑设备和管道的穿越。
上述实复式钢管混凝土组合柱组合梁构成的框架的施工方法：
首先在工厂焊接预制好需要的钢构件，包括节段式外管16、内管15、上翼缘为矩形钢管的节段式工字型蜂窝梁、节点3，将节段式外管16和内管15与基础实现固接，且内管15比节段式外管16高一定的距离，达到预先设计好的高度，然后向内管15中浇筑高强混凝土13，节段式外管16和内管15夹层中浇筑常规混凝土，混凝土达到一定强度后，继续采用常规的方法将柱中内钢管接长，将节段式外管16与整体高于地面的组合柱外管连接好，确保内管15始终高于节段式外管16，并且在节点3处内管15高出节点3一段距离，达到预先设计好的高度；待所有节段式外钢管连接好后，达到指定高度后，向内管15中浇筑高强混凝土13，内管15与节段式外管16夹层中浇筑常规混凝土，形成实复式钢管混凝土组合柱；安装节点3，通过节点3的下连接环5与组合柱外管连接，通过高强螺栓和节点腹板11连接板将上翼缘为矩形钢管14的工字型蜂窝梁和节点3连接，连接之后对连接处进行焊接；通过注浆孔25向组合梁2与节点端梁的上翼缘钢管内浇筑自密实细石混凝土，确保组合梁2和节点3内填满混凝土，且保证混凝土的贯通性；同时向节点3的内管15与节段式外管16夹层中浇筑混凝土，养护达到一定强度后形成底层组合框架体系；通过组合梁2下的锚固装置在底层梁的下部布置无粘结预应力筋21，对预应力筋21进行张拉，然后陆续施工第二层至顶层。这种施工方法的钢构件全部为工厂预制，大大减少劳动力，缩短了施工周期，现场浇筑混凝土，整体贯通性好。该种施工方法中上翼缘为矩形钢管混凝土的蜂窝型工字梁可采用梁端缓冲型的，也可以采用可拆换的翼缘和腹板削弱的缓冲耗能梁块连接，其他施工过程不变。
本发明还可以采取以下施工方法：
首先按设计在工厂下料，焊接预制好所有需要的钢构件，包括两端焊好连接环的节段式组合柱外钢管和内钢管，两端焊好连接板的工字型蜂窝组合梁及外套整体式节点。将框架体系所有焊好连接环的节段式外钢管和内钢管与基础实现固接，上部整体高出基础0.5m左右，且内钢管比外钢管高出一定的距离，达到预先设计好的高度。向组合柱内钢管中浇筑高强混凝土13，内外钢管夹层中浇筑常规混凝土。混凝土达到一定强度后，采用常规的方法将柱中内钢管接长，将两端焊好连接环的节段式外钢管下部通过连接环与整体高于地面的组合柱外钢管连接好，上部达到一层节点3底部指定的位置，确保内钢管始终高于外钢管，并且在梁柱节点处内钢管高出节点3一段距离，达到预先设计好的高度。待所有节段式外钢管连接好达到指定高度后，向组合柱内钢管中浇筑高强混凝土13，内外钢管夹层中浇筑常规混凝土，形成实复式钢管混凝土组合柱。安装外套整体式节点，通过节点3的下连接环5与底层柱实现可靠连接，通过高强螺栓和腹板连接板将上翼缘为矩形钢管14的蜂窝型工字梁和外套整体式节点连接，连接之后对连接处进行适当的焊接，同时安装完成其他框架节点和梁。向梁与节点3的上翼缘钢管及节点3的外夹层中浇筑自密实细石混凝土，确保梁和节点3内填满混凝土，且保证混凝土的贯通性，同时向节点3的内管15与节段式外管16夹层中浇筑混凝土，养护达到一定强度后形成底层组合框架体系。然后陆续施工第二层至顶层，待所有楼层全部施工完毕，在各层梁的下部通过加劲板23布置无粘结预应力筋21，自底向上依次一次性张拉完每层的预应力筋21，实现可靠锚固，完成整体框架的预应力施工。优点在于框架形成后张拉预应力筋21，和常规的预应力混凝土框架一样，确保整体受力。而且框架体系可逐层不间断施工，预应力筋21可实现集中张拉，预应力技术人员现场张拉时间短，整体造价低。该种施工方法中上翼缘为矩形钢管混凝土的蜂窝型工字梁可采用梁端削弱型的，也可以采用可拆换的上翼缘和腹板削弱的缓冲耗能梁块连接，预应力筋21可以是直线型的，也可是通过转向块形成折线或曲线型的，其他施工过程不变。
Claims (9)
1.一种实复式钢管混凝土组合柱组合梁构成的框架，其特征在于：这种实复式钢管混凝土组合柱组合梁构成的框架由组合柱（1）和组合梁（2）通过节点（3）连接构成，组合梁（2）水平设置在组合柱（1）之间，节点（3）为内填自密实细石混凝土的外套整体式节点；外套整体式节点包括带有上连接环（4）和下连接环（5）的节点外管（6），上连接环（4）和下连接环（5）上均设有螺栓孔（12），节点外管（6）上部有上加强带腔环板（7），下部有下加强环板（8），上加强带腔环板（7）水平向外延伸形成内腔相通的节点端梁的上翼缘钢管（9），下加强环板（8）水平向外延伸形成节点端梁的下翼缘钢板（17），节点端梁的上翼缘钢管（9）与节点端梁的下翼缘钢板（17）之间为节点腹板（11），节点端梁的上翼缘钢管（9）上设置有端梁连接板（10），节点腹板（11）预留螺栓孔（12）；组合柱（1）为节段式实复式钢管混凝土组合柱，组合梁（2）为体外预应力上翼缘为矩形钢管混凝土的工字型蜂窝梁；节点（3）通过上连接环（4）、下连接环（5）与组合柱（1）固定连接，节点（3）通过端梁连接板（10）及节点腹板连接板与组合梁（2）连接，组合梁（2）和节点（3）的节点端梁的上翼缘钢管中浇筑自密实细石混凝土，浇筑完自密实细石混凝土后，组合梁（2）的自密实细石混凝土和节点端梁的上翼缘钢管（9）中的自密实细石混凝土是贯通的，养护后与节点外管（6）形成一体。
2.根据权利要求1所述的实复式钢管混凝土组合柱组合梁构成的框架，其特征在于：所述的节段式实复式钢管混凝土组合柱由内管（15）、节段式外管（16）及内、外层混凝土构成，节段式外管（16）带有连接环，内管（15）的连接部位与节段式外管（16）的连接环相互错开；首先连接内管（15），然后连接节段式外管（16），确保内管（15）始终高于节段式外管（16），在内管（15）中、内管（15）与节段式外管（16）的夹层中浇注异强混凝土。
3.根据权利要求2所述的实复式钢管混凝土组合柱组合梁构成的框架，其特征在于：所述的体外预应力上翼缘为矩形钢管混凝土的工字型蜂窝梁将上翼缘做成矩形钢管（14）的形式，上翼缘钢管两端上焊接预留螺栓孔（12）的梁连接板（26），形成上翼缘为矩形钢管的节段式工字型蜂窝梁，然后向翼缘矩形钢管（14）中浇筑自密实细石混凝土；在工字型蜂窝梁底两端设置端板（24），进行体外预应力筋（21）的张拉锚固。
4.根据权利要求3所述的实复式钢管混凝土组合柱组合梁构成的框架，其特征在于：所述的工字型蜂窝梁的工字型腹板上布置横向加劲肋（18）。
5.根据权利要求4所述的实复式钢管混凝土组合柱组合梁构成的框架，其特征在于：所述的上翼缘为矩形钢管混凝土的工字型蜂窝梁将梁端设置有削弱段（19），削弱段（19）是上翼缘为钢管混凝土的工字型蜂窝梁，削弱段（19）的横截面为变截面的，自两端向中心横截面逐渐缩小，削弱段（19）的中点处横截面最小。
6.根据权利要求5所述的实复式钢管混凝土组合柱组合梁构成的框架，其特征在于：所述的削弱段（19）为可拆卸的，削弱段（19）的两端上翼缘设置有削弱段连接板，削弱段腹板设置有螺栓孔（12），削弱段（19）通过一端削弱段连接板及削弱段腹板与组合梁（2）连接，削弱段（19）通过另一端削弱段连接板及削弱段腹板与节点端梁连接。
7.根据权利要求6所述的实复式钢管混凝土组合柱组合梁构成的框架，其特征在于：所述的节点端梁上开洞（20）。
8.根据权利要求7所述的实复式钢管混凝土组合柱组合梁构成的框架，其特征在于：所述的预应力筋（21）是直线型的，通过加劲板（23）约束。
9.根据权利要求7所述的实复式钢管混凝土组合柱组合梁构成的框架，其特征在于：在所述的工字型蜂窝梁下部布置带内凹槽的转向块（22），预应力筋（21）形成折线型或者曲线型的。
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