CN108678285A - 外包混凝土的钢管混凝土组合柱及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种外包混凝土的钢管混凝土组合柱及施工方法，属于建筑技术领域。包括方钢管柱、外侧横向钢筋肋、外侧纵向钢筋肋、外侧X形钢筋肋、内侧横向钢筋肋、内部混凝土结构和外部混凝土结构；方钢管柱截面呈正方形，内部为中空，浇筑混凝土结构；外侧横向钢筋肋、纵向钢筋肋相互垂直布置，共同构成钢筋肋矩形框，外侧X形钢筋肋位于矩形框内部；内侧横向钢筋肋位于方钢管柱的内侧，且等间距布置，截面形状呈倒钩状；外侧混凝土结构在可拆模板与方钢管柱之间浇筑，可由可拆模板维护。本发明结合了钢结构与混凝土结构的优点，使二者受力协同性更佳，装配式程度高，提高了柱体的耐火性能及稳定性。

Description

外包混凝土的钢管混凝土组合柱及施工方法

技术领域

本发明属于建筑技术领域，特别是涉及一种外包混凝土的钢管混凝土组合柱及施工方法。

背景技术

钢结构住宅作为绿色环保节能型建筑逐渐走进人们的视野，并且近些年由刚开始走进人们的视野萌芽状态迅速发展壮大起来。国外对于钢结构住宅的研究相对较早，在澳大利亚、美国、日本、加拿大等国家已经兴建了许多的钢结构作为主要建筑材料的住宅。设计师根据当地居民的生活习惯，建造的钢结构房屋的形式多以低层住宅和高层公寓为主。近年来，我国的钢结构发展十分的迅猛，钢生产量2002年达到1.9亿吨，2013年达到7亿吨，国家不断发布用钢优惠政策，我国发展钢结构的环境愈来愈好。

我国高层、超高层建筑近几年出现逐渐开始发展的态势，国家陆续兴建了许多大型钢结构建筑，在桥梁、博物馆、飞机场、体育场以及铁路等方面的发展有显著的成就。建筑钢管混凝土结构可分为钢管混凝土的框架结构、框架-支撑结构、框架-剪力墙结构、框架-核心筒结构和筒中筒结构这些多样的形式，多样的形式为建筑结构提供更多的选择。建筑体系是对空间体系的把控，中国海洋博物馆、北京新机场、天津极地海洋世界极地馆及天津理工大学体育馆都是通过设计者对建筑体系的深度认知，才能结合建材的优势与地域的特点，使得建筑物与环境相得益彰。并且这些举世瞩目的大型建筑都是从无到有，在建造过程中都要克服前所未有的困难，无论是前期设计或是建筑体系的选用，包括节点的选择，施工建造的每一步都是对钢结构建筑发展的推动。

2001年开始国家建立了“钢结构住宅建筑体系与关键技术”的相关科研攻关课题，致力于发展钢结构体系住宅的建设，国家陆续颁布了《钢结构住宅建筑产业化导则》、《钢结构住宅设计规程》等相关规则。我国第一部关于钢结构住宅的规范《轻型钢结构住宅技术规程》JGJ209于2010年 4月17日由住房和城乡建设部颁布。该规程是在总结和分析了我国多年来钢结构住宅工程实践、并做了许多的科学试验和调查研究的基础上，提出的一种符合中国国情的、与国家现行标准保持一致的“轻型钢结构住宅”新体系。规定了轻型钢结构住宅建筑的功能和性能，给出了轻型钢结构住宅的材料标准、设计施工和验收技术要求以及使用和维护的规范管理原则。

钢管混凝土柱包括矩形钢管混凝土柱、圆钢管混凝土柱、方钢管混凝土柱等形式。矩形钢管混凝土柱与圆钢管混凝土柱相比，矩形钢管柱对混凝土的约束能力不是特别强，约束效应稍显复杂，并且对于矩形钢管混凝土柱，矩形钢管对混凝土的约束能力与柱子截面大小和长宽比相关，因此使得矩形钢管混凝土的约束问题不能一概而论。

方钢管混凝土柱属于组合构件，就是在钢管内部填入混凝土，但是截面形式因实际工程而不同。方钢管混凝土柱与普通钢构件比较有很多优势。

（1）截面受力合理，在方钢管混凝土结构体系应用的住宅中，当进行钢构件内力分析时，计算结果显示建筑结构两个跨度上承受的弯矩差别不大。因此较难区分强轴和弱轴的截面，设计截面在两坐标轴方向上应当具有相近的承载能力。

（2）耐火性能比较好，在设计一个住宅项目结构体系的时候，首先要考虑建材的耐火性能，如果耐火性能不好，后果不可想象，根据资料显示，在温度达到300～400ºC的时候，钢结构材料处在这样的温度环境下，强度和弹性模量都会有所降低，温度达到到600ºC时钢材失去所有的承载力。实验证明钢管混凝土柱在高温下具有良好的工作性能，当钢管混凝土柱处于1000ºC以上的温度环境时，对设计荷载仍有70%的承受力。当对住宅的耐火要求比较高的时候，可以在钢管外面包混凝土、外包防火板材、在构件表面喷涂防火涂料等保护措施。

（3）良好的塑性和韧性，通过空钢管柱与钢管混凝土柱在轴心受压的情况下产生的屈曲模态图上看出，二者的表现非常不同，空钢管柱一般是在柱中截面处发生局部屈曲，而对于钢管混凝土柱则具有良好的抗压性能，表现出一定的稳定性，在轴压下钢管混凝土柱仍具有良好的耗能性能。

钢管混凝土结构能够适应我国现代工程结构的发展需求，无论是符合现代施工技术的工业化要求。但钢结构本身的防火问题是钢材自身不燃，耐高温却不耐火，不做任何防火保护措施的钢构件只能承受15分钟。因此钢材的防火保护问题应该受到重视。我国钢构件现有的防火措施主要有防火板、防火涂料、防火钢筋、轻质混凝土及石膏板等防火材料，防火保护的方法各有优劣。

火灾作用下，钢管和核心混凝土之间互相协作，共同作用，使得钢管混凝土具有良好的抗火性能。方钢管混凝土由于钢管和混凝土两种材料组成，内填混凝土的吸热作用以及良好的力学性能，钢管混凝土柱的耐火性能比纯钢管要好。实际所需的防火层保护层厚度，依据截面大小、长细比等不同因素而不同程度的有所减少。当钢构件处在600摄氏度以上的温度时，在没有任何防火保护措施的前提下，钢材的强度会迅速减小，不再拥有承载能力，并且耐火极限只有15分钟。根据规范中对于纯钢结构的防火设计方法，欲达到3h的耐火极限，需要采用厚涂型防火涂料多达50mm。因此如果按照纯钢管结构的标准进行防火，会造成很大程度上的成本大量浪费。

目前，大多数钢管混凝土组合柱结构均为外部为钢管结构和核心混凝土结构，钢管暴露在外部环境中，不利于钢管的耐腐蚀和火灾高温下钢管柱的耐火等级。

因此，有必要发明一种外包混凝土的钢管混凝土组合柱及施工方法，增加钢管混凝土柱的耐火等级和受力性能。

发明内容

为了解决上述存在的技术问题，本发明提供一种外包混凝土的钢管混凝土组合柱及施工方法，主要开发一种防火性能好，结构简单，装配式程度高，受拉抗压抗扭性能好，耐腐蚀的钢管混凝土柱，方钢管柱截面呈正方形，内部为中空，浇筑混凝土结构；外侧横向钢筋肋、纵向钢筋肋相互垂直布置，共同构成钢筋肋矩形框，外侧X形钢筋肋位于矩形框内部；内侧横向钢筋肋位于方钢管柱的内侧，且等间距布置，截面形状呈倒钩状；外侧混凝土结构在可拆模板与方钢管柱之间浇筑，可由可拆模板维护。可有效避免钢管混凝土柱外表面钢结构易生锈腐蚀，火灾高温下易变形，混凝土脱落，钢筋和混凝土不协同工作的问题。

本发明采用的技术方案如下：

外包混凝土的钢管混凝土组合柱，包括方钢管柱、外侧横向钢筋肋、外侧纵向钢筋肋、外侧X形钢筋肋、内侧横向钢筋肋、内部混凝土结构、外部混凝土结构、钢筋肋矩形框、可拆模板、方钢管柱固定孔和螺栓；方钢管柱截面呈正方形，内部为中空，浇筑内部混凝土结构；在方钢管柱的外侧面沿竖向等间距水平布置外侧横向钢筋肋，沿水平向等间距竖向布置四根外侧纵向钢筋肋，外侧横向钢筋肋和外侧纵向钢筋肋相互垂直布置，围成的钢筋肋矩形框构成一个分区，在方钢管柱的每个侧面有多个钢筋肋矩形框；每个钢筋肋矩形框中设有一个外侧X形钢筋肋，且X形结构四角分别于钢筋肋矩形框的四边角焊接连接；内侧横向钢筋肋位于方钢管柱的内侧，在方钢管柱的四个内侧面沿竖向等间距水平布置，首尾相接，构成矩形框结构，内侧横向钢筋肋的截面呈倒钩状；在方钢管柱外侧安装可拆模板，在可拆模板与方钢管柱之间浇筑混凝土，由可拆模板养护形成外部混凝土结构。

进一步地，外侧横向钢筋肋、外侧纵向钢筋肋、外侧X形钢筋肋和内侧横向钢筋肋与方钢管柱连接均为焊接，且外侧横向钢筋肋与内侧横向钢筋肋布置的位置错开。

进一步地，可拆模板由钢板制成，内表面经过打磨，施工前刷机油润滑，在端部留有方钢管柱固定孔，通过螺栓固定方钢管柱。

进一步地，外部混凝土结构包裹方钢管柱，且厚度不易过薄，由可拆模板支护浇筑形成。

进一步地，施工步骤为：

1）在工厂中预制方钢管柱，在其外侧内侧分别布置、外侧横向钢筋肋、外侧纵向钢筋肋、外侧X形钢筋肋和内侧横向钢筋肋；

2）在方钢管柱外侧安装可拆模板，在方钢管柱内部浇筑混凝土，可拆模板与方钢管柱之间的空隙浇筑混凝土，振捣养护成形，分别形成内部混凝土结构和外部混凝土结构；

3）养护完成之后，拆除可拆模板，组合柱成形。

本发明的有益效果：

本发明的效果和优点是钢结构与混凝土结构协同工作，防火性能好，结构简单，装配式程度高，受拉抗压抗扭性能好，钢结构耐腐蚀，能够有效解决解决钢管混凝土柱外表面钢结构易生锈腐蚀，火灾高温下易变形，混凝土脱落，钢筋和混凝土不协同工作的问题。

附图说明

图1为未安装可拆模板的外包混凝土的钢管混凝土组合柱的剖面结构示意图。

图2为安装可拆模板的外包混凝土的钢管混凝土组合柱的剖面结构示意图。

图3为外侧未浇筑外部混凝土结构的钢管混凝土组合柱的剖面结构示意图。

图4为外侧未浇筑外部混凝土结构的钢管混凝土组合柱的侧面结构示意图。

图中，1为方钢管柱；2为外侧横向钢筋肋；3为外侧纵向钢筋肋；4为外侧X形钢筋肋；5为内侧横向钢筋肋；6为内部混凝土结构；7为外部混凝土结构；8为钢筋肋矩形框；9为可拆模板；10为方钢管柱固定孔；11为螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述：

实施例：如图1-图4所示，外包混凝土的钢管混凝土组合柱及施工方法，包括方钢管柱1、外侧横向钢筋肋2、外侧纵向钢筋肋3、外侧X形钢筋肋4、内侧横向钢筋肋5、内部混凝土结构6、外部混凝土结构7、钢筋肋矩形框8、可拆模板9、方钢管柱固定孔10和螺栓11；方钢管柱1截面呈正方形，内部为中空，浇筑内部混凝土结构6；在方钢管柱1的外侧面沿竖向等间距水平布置外侧横向钢筋肋2，沿水平向等间距竖向布置四根外侧纵向钢筋肋3，外侧横向钢筋肋2和外侧纵向钢筋肋3相互垂直布置，围成的钢筋肋矩形框8构成一个分区，在方钢管柱1的每个侧面有多个钢筋肋矩形框8；每个钢筋肋矩形框8中设有一个外侧X形钢筋肋4，且X形结构四角分别于钢筋肋矩形框8的四边角焊接连接；内侧横向钢筋肋5位于方钢管柱1的内侧，在方钢管柱1的四个内侧面沿竖向等间距水平布置，首尾相接，构成矩形框结构，内侧横向钢筋肋5的截面呈倒钩状；在方钢管柱1外侧安装可拆模板9，在可拆模板9与方钢管柱1之间浇筑混凝土，由可拆模板9养护形成外部混凝土结构7；外侧横向钢筋肋2、外侧纵向钢筋肋3、外侧X形钢筋肋4和内侧横向钢筋肋5与方钢管柱1连接均为焊接，且外侧横向钢筋肋2与内侧横向钢筋肋5布置的位置错开；可拆模板9由钢板制成，内表面经过打磨，施工前刷机油润滑，在端部留有方钢管柱固定孔10，通过螺栓11固定方钢管柱1；外部混凝土结构7包裹方钢管柱1，且厚度不易过薄，由可拆模板9支护浇筑形成；施工步骤为：在工厂中预制方钢管柱1，在其外侧内侧分别布置、外侧横向钢筋肋2、外侧纵向钢筋肋3、外侧X形钢筋肋4和内侧横向钢筋肋5；在方钢管柱1外侧安装可拆模板9，在方钢管柱1内部浇筑混凝土，可拆模板9与方钢管柱1之间的空隙浇筑混凝土，振捣养护成形，分别形成内部混凝土结构6和外部混凝土结构7；养护完成之后，拆除可拆模板9，组合柱成形。

本发明的工作原理：

外部混凝土结构7包裹方钢管柱1，保护了方钢管柱1，防止其腐蚀且增加了钢管混凝土组合柱的耐火等级；方钢管柱1的外侧布置外侧横向钢筋肋2、外侧纵向钢筋肋3和外侧X形钢筋肋4，增加了方钢管柱1的受力性能，使外部混凝土结构7与方钢管柱1的连接性能更加可靠；方钢管柱1的内表面布置倒钩状的内侧横向钢筋肋5，增加了内部混凝土结构6与方钢管柱1的连接性能，提供系统工作协调性；可拆模板9的内侧通过涂抹机油提高拆卸便利度，在端部布置方钢管柱固定孔10和螺栓11控制方钢管柱1的位置和外部混凝土结构7的厚度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.外包混凝土的钢管混凝土组合柱，其特征在于：包括方钢管柱（1）、外侧横向钢筋肋（2）、外侧纵向钢筋肋（3）、外侧X形钢筋肋（4）、内侧横向钢筋肋（5）、内部混凝土结构（6）、外部混凝土结构（7）、钢筋肋矩形框（8）、可拆模板（9）、方钢管柱固定孔（10）和螺栓（11）；方钢管柱（1）截面呈正方形，内部为中空，浇筑内部混凝土结构（6）；在方钢管柱（1）的外侧面沿竖向等间距水平布置外侧横向钢筋肋（2），沿水平向等间距竖向布置四根外侧纵向钢筋肋（3），外侧横向钢筋肋（2）和外侧纵向钢筋肋（3）相互垂直布置，围成的钢筋肋矩形框（8）构成一个分区，在方钢管柱（1）的每个侧面有多个钢筋肋矩形框（8）；每个钢筋肋矩形框（8）中设有一个外侧X形钢筋肋（4），且X形结构四角分别于钢筋肋矩形框（8）的四边角焊接连接；内侧横向钢筋肋（5）位于方钢管柱（1）的内侧，在方钢管柱（1）的四个内侧面沿竖向等间距水平布置，首尾相接，构成矩形框结构，内侧横向钢筋肋（5）的截面呈倒钩状；在方钢管柱（1）外侧安装可拆模板（9），在可拆模板（9）与方钢管柱（1）之间浇筑混凝土，由可拆模板（9）养护形成外部混凝土结构（7）。

2.根据权利要求1所述的外包混凝土的钢管混凝土组合柱，其特征在于：所述外侧横向钢筋肋（2）、外侧纵向钢筋肋（3）、外侧X形钢筋肋（4）和内侧横向钢筋肋（5）与方钢管柱（1）连接均为焊接，且外侧横向钢筋肋（2）与内侧横向钢筋肋（5）布置的位置错开。

3.根据权利要求1所述的外包混凝土的钢管混凝土组合柱，其特征在于：所述可拆模板（9）由钢板制成，内表面经过打磨，施工前刷机油润滑，在端部留有方钢管柱固定孔（10），通过螺栓（11）固定方钢管柱（1）。

4.根据权利要求1所述的外包混凝土的钢管混凝土组合柱，其特征在于：所述外部混凝土结构（7）包裹方钢管柱（1），且厚度不易过薄，由可拆模板（9）支护浇筑形成。

5.外包混凝土的钢管混凝土组合柱的施工方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）在工厂中预制方钢管柱（1），在其外侧内侧分别布置、外侧横向钢筋肋（2）、外侧纵向钢筋肋（3）、外侧X形钢筋肋（4）和内侧横向钢筋肋（5）；

2）在方钢管柱（1）外侧安装可拆模板（9），在方钢管柱（1）内部浇筑混凝土，可拆模板（9）与方钢管柱（1）之间的空隙浇筑混凝土，振捣养护成形，分别形成内部混凝土结构（6）和外部混凝土结构（7）；

3）养护完成之后，拆除可拆模板（9），组合柱成形。