CN109057031A - 内置多钢管的装配式钢管混凝土叠合柱-梁结构体系 - Google Patents

内置多钢管的装配式钢管混凝土叠合柱-梁结构体系 Download PDF

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Abstract

本发明公开了内置多钢管的装配式钢管混凝土叠合柱‑梁结构体系，中心大直径内钢管通过低屈服点钢与周边小直径内钢管相连组成预制内钢管，预制内置多钢管上开有流浆孔，且预制内置多钢管在柱高的1/2～2/3处通过内管套管用单边螺栓连接。外钢管在梁柱节点处通过法兰盘与外管连接管用高强螺栓连接，外管连接管在连接外钢管的同时，其也根据梁的尺寸预制成梁的高度，且有外伸梁端，以方便通过腹板连接板和翼缘连接板与梁连接。本发明在外钢管放置预制内置多钢管，既增加结构的承载能力又通过低屈服点钢连接件和流浆孔提高了其耗能性能；预制内置多钢管的连接、外钢管的连接以及梁柱的连接均通过装配式的螺栓连接，提高了施工效率并缩短了施工工期。

Description

内置多钢管的装配式钢管混凝土叠合柱-梁结构体系
技术领域
本发明涉及一种内置多钢管的装配式钢管混凝土叠合柱-梁结构体系，属于土木工程的装配式技术领域。
背景技术
现代建筑工程对建筑材料和建筑结构的要求越来越高，常规的结构形式已不满足结构设计要求，越来越多的组合结构形式应用到实际工程中，它继承了钢结构和钢筋混凝土结构各自的优点，也克服了两者的缺点而产生的一种新型的体系结构，可充分利用钢和混凝土的特点，按照最佳几何尺寸，组成最优的组合构件。具有重量轻，构件延性好，减小截面积，同时缩短施工工期等优点。而在组合结构中，钢管混凝土是应用比较多的结构形式，因地制宜、科学的使用钢管混凝土，可满足有关工程结构像大跨、高耸、重载的需要，符合现代化施工技术的工业化要求，钢管混凝土结构因在受力和施工建造等方面的高性能而得到工程界的青睐。在钢管混凝土得到大量应用的同时，也衍生出了许多新的组合结构形式，其中在钢管混凝土内部内置多钢管的结构形式，不但提高了结构的承载力，而且增加了结构的延性、耗能性能及储备强度。
装配式建筑在20世纪初就开始引起人们的兴趣，到六十年代终于实现。英、法、苏联等国首先作了尝试。由于装配式建筑的建造速度快，而且生产成本较低，迅速在世界各地推广开来。装配式建筑的优点：1、高效率:与传统方式相比，工厂生产不受恶劣天气等自然环境的影响，工期更为可控，且生产效率远高于手工作业；2、精度高：装配式建筑误差达毫米级；3、质量高：构件工厂化生产，质量大幅提高；4、可大幅降低人工依赖；5、干法现场装配，节水节电节材环保；6、有较完整的标准设计体系；7、结构抗震性能好；8、建筑使用面积可增加。进一步改善住宅生产方式和生产工艺，提高生产效率，加快生产周期，改善工人的劳动环境，降低劳动强度，提高构件的标准化模数化，利于装配式结构体系在我国的推广。
虽然装配式建筑在我国得到了极大地推广，但对于某些结构形式来说，从常规的设计及施工方式向装配式结构形式的过渡仍是亟需解决的问题。目前，已有学者提出了预制装配式钢管混凝土梁柱节点，包括Ⅰ型预制装配式钢管混凝土梁柱加强环板结点、Ⅱ型预制装配式钢管混凝土梁柱加强环板结点及Ⅲ型预制装配式钢管混凝土梁柱加强环板结点，其主要包括上、下钢管混凝土柱、耳板、焊缝、加强环板、半钢管、钢梁和高强螺栓等。还有的学者提出装配式钢管混凝土柱与柱的拼接结构，包括预制的上下钢管混凝土柱、上钢管混凝土中预埋钢筋、下钢管混凝土中预埋波纹套管。两种结构形式虽达到装配式结构的要求，但施工过程中均要求有焊接过程，这对于钢管混凝土的厚壁来说，一方面给焊接过程带来了极大地难度，另一方面钢管的焊接均为单侧焊接，焊接连接强度达不到要求，从而带来安全隐患。对于大直径钢管混凝土柱，采用装配式形式，会极大地削弱混凝土和钢管的协变性，且大直径钢管混凝土柱的梁柱连接节点的装配也是极大地挑战，钢管混凝土柱较厚的壁厚也为构件的预制及安装造成了极大地不便。钢管混凝土的柱-柱连接以及梁柱连接节点处的柱与梁的连接的装配性问题也是急于解决的关键问题。
由此可见，钢管混凝土体系的装配仍缺少新型的形式，为了确定柱-柱连接和柱-梁连接的形式，考察大直径钢管混凝土柱的安全性、可靠性和可实施性，发明了一种便于装配连接，节省材料，以达到最佳的装配式结构形式的装配式内置多个圆钢管的钢管混凝土柱连接节点体系，为当前业内的钢管混凝土装配式体系提出改进。本发明中内置多钢管的装配式钢管混凝土叠合柱-梁结构体系引入到施工工业化中，可以充分得发挥钢管混凝土结构和装配式住宅的优点。
发明内容
为了将钢管混凝土结构引入到住宅工业化中，使钢管混凝土的优势得到进一步的发挥，本发明对传统的钢管混凝土结构形式进行改进，提出了一种内置多钢管的装配式钢管混凝土叠合柱-梁结构体系，该结构体系具有承载力高、延性及耗能性能优越、储备强度高和施工方便等特点，在不降低钢管混凝土体系强度的情况下，将结构体系分成不同的组件以方便装配式施工。本发明在正常使用状态中满足强度构造要求和承载力要求，具有足够的延性和耗能性能，且具有承载力极高、强度储备大的特点。结构体系中，预制内置多钢管、内管套管、外钢管、外管连接管、梁腹板连接板、梁翼缘连接板和梁等均在工厂预制完成。其中，预制内置多钢管通过内管套管用单边螺栓连接，外钢管通过外管连接管连接，梁与柱连接为外管连接管的外伸梁端与梁通过高强螺栓连接。在某一层柱装配完成后，对其进行混凝土浇筑，待混凝土达到一定强度后进行下一层装配。本发明中柱与柱、柱与梁均采用高强螺栓连接，避免使用焊接连接，极大地提高了施工效率，符合未来建筑结构的可持续发展趋势。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
内置多钢管的装配式钢管混凝土叠合柱-梁结构体系，包括中心大直径内钢管(1)、周边小直径内钢管(2)、低屈服点钢连接件(3)、流浆孔(4)、内管套管(5)、单边螺栓(6)、橡胶垫片(7)、外钢管(8)、外管连接管(9)、外伸梁端(10)、高强螺栓(11)、梁腹板连接板(12)、梁翼缘连接板(13)和梁(14)。中心大直径内钢管(1)通过低屈服点钢连接件(3)与周边小直径内钢管(2)相连组成预制内置多钢管，预制内置多钢管上开有流浆孔(4)，且预制内置多钢管在柱高的1/2～2/3处通过内管套管(5)用单边螺栓(6)连接。外钢管(8)在梁柱节点处与外管连接管(9)用高强螺栓(11)连接，外管连接管(9)的端部处设有外伸梁端(10)，以方便通过腹板连接板(12)和翼缘连接板(13)与梁(14)连接。在内管套管(5)和预制内置多钢管连接处塞有橡胶垫片(7)，防止连接处不密封而导致漏浆现象的发生。
预制内置多钢管通过内管套管(5)与预制内置多钢管用单边螺栓(6)连接，使得预制内置多钢管运输到施工现场时即可装配，提高施工效率。
中心大直径内钢管(1)和周边小直径内钢管(2)上均开有流浆孔(4)，流浆孔(4)的存在使柱内混凝土在内管之间能够流动，从而降低浇筑混凝土难度，其同时也增强柱的抗震耗能性能。
低屈服点钢连接件(3)连接着中心大直径内钢管(1)、周边小直径内钢管(2)，使内部的钢管成为一个整体，在增加结构装配性的同时，也提高了结构体系的抗震耗能性能。
预制内置多钢管在柱高1/2～2/3处通过内管套管(5)以单边螺栓(6)连接。预制内置多钢管由一个中心大直径内钢管(1)及周边小直径内钢管(2)组成，所述周边的小直径内钢管(2)数量为四个。中心大直径内钢管(1)直径为外钢管(8)直径的1/4～1/6，周边小直径内钢管(2)直径为中心大直径内钢管的1/2～1，且中心大直径内钢管(1)和周边小直径内钢管(2)的壁厚为外钢管壁厚的1/2～1。预制内置多钢管中周边小直径内钢管(2)之间的净距为150～250mm，相邻内钢管之间以及中心大直径内钢管(1)与周边小直径内钢管(2)之间的净距为150～300mm。
外管连接管(9)通过法兰盘与上下外钢管(8)以高强螺栓相连，且外管连接管(9的高度根据设计的梁高度而定，外管连接管(9上的外伸梁端(10)长度为梁高的2/3～1，外伸梁端(10)通过腹板连接板(12)和翼缘连接板(13)与梁(14)连接，其连接形式亦可以采取其他的合适连接形式。
低屈服点钢连接件(3)和流浆孔(4)每隔1/3～1/6柱高在同一高度处设置。低屈服点钢连接件(3)采用的强度要低于结构用钢材，厚度为10～20mm，其高度为40～100mm。流浆孔(4)在设置高度处在垂直低屈服点钢连接件(3)设置两个，其直径不小于混凝土粗骨料直径的三倍且不大于其所在内钢管直径的2/3。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)本发明将外管通过外管连接管在节点螺栓连接，且外管连接管有外伸的梁端，在增加结构体系的装配性的同时，也使传力明确，有利于提高连接质量。
(2)本发明将内置的多个圆钢管通过低屈服点钢连接件连接为整体，增加了耗能性能、整体性能及装配方便性。
(3)本发明内部钢管上皆开有流浆孔，在增加耗能的同时也增加了混凝土浇筑的流动性及整体性。
(4)本发明将内置多个圆钢管在柱高1/2～2/3处通过内管套管连接避免了节点连接处的施工复杂性。
(5)本发明的内置多个圆钢管通过内管套管连接通过单边螺栓连接，在增加施工方便性的同时，且单边螺栓可以从单侧拧紧而不破坏钢管，施工简单方便，可以很好地解决了使用封闭式截面钢材及手无法跨越的遮挡部位的钢构件之间的连接问题。
(6)本发明的连接方式均通过螺栓连接，极大地增加了装配效率。
附图说明
图1为本发明结构体系的立体示意图。
图2为本发明预制内钢管及连接的立体示意图。
图3为本发明外钢管及连接的立体示意图。
图4为本发明内管套管的立体示意图。
图5为本发明外管连接管的立体示意图。
图6为本发明外管连接管与梁连接立体示意图。
图中：1－中心大直径内钢管、2－周边小直径内钢管、3－低屈服点钢连接件、4－流浆孔、5－内管套管、6－单边螺栓、7－橡胶垫片、8－外钢管、9－外管连接管、10－外伸梁端、11－高强螺栓、12－梁腹板连接板、13－梁翼缘连接板、14－梁。
具体实施方式
实施例1：
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1和图6所示，内置多钢管的装配式钢管混凝土叠合柱-梁结构体系，主要包括中心大直径内钢管、周边小直径内钢管、软钢连接件、流浆孔、内管套管、单边螺栓、橡胶垫片、外钢管、外管连接管、外伸梁端、高强螺栓、梁腹板连接板、梁翼缘连接板和梁。中心大直径内钢管通过低屈服点钢连接件与周边小直径内钢管相连组成预制内置多钢管，预制内置多钢管上开有流浆孔，且预制内置多钢管在柱高的1/2～2/3处通过内管套管用单边螺栓连接。外钢管在梁柱节点处与外管连接管用高强螺栓连接，外管连接管且有外伸梁端，以方便通过腹板连接板和翼缘连接板与梁连接。
实施步骤如下：
1、本文以一工程为例，建筑18层，82m，以二层梁柱节点连接为例。外钢管(直径1600mm，高度4400mm，壁厚25mm)、外钢管连接管(直径1600mm，高度1000mm，壁厚25mm)、1个中心大直径内钢管(直径350mm，高度4400mm，壁厚15mm)、4个周边小直径内钢管(直径250mm，高度4400mm，壁厚15mm)、等均在钢结构工厂预制完成，且对于中心大直径内钢管和周边小直径内钢管除了要开流浆孔(中心大直径内钢管孔径150mm，周边小直径内钢管孔径100mm)之外，还要通过低屈服点钢连接件(宽度20mm，高度40mm，长度200mm)每隔柱高1100mm由四个将其连接成为整体，流浆孔的位置与低屈服点钢连接件在同一高度，且每根内圆柱上在于低屈服点钢垂直的方向上有两个，内管套管由高度为700mm的4个周边小直径内钢管(直径268mm，壁厚15mm)通过4个低屈服点钢连接件与中心大直径内钢管(直径368mm，壁厚15mm)连接。在外钢管的两端以及外管连接管的两端均有厚度为25mm的法兰盘，法兰盘外伸宽度为200mm。所有的内钢管以及内管套管两端均有连接用螺栓孔，所有以上构件均在工厂预制完成。
2、首先将橡胶垫片包在下层施工伸出的内置多钢管整体的得每根钢管的顶端外侧，然后将内管套管套在预制内置多钢管上，将制作好的预制内置多钢管运输到现场，在其每根钢管的末端包上橡胶垫片，然后将其插入内管套管，最后用单边螺栓将三者连接。内管套管内径大于对应的内钢管的外径3mm是为了避免制作误差所造成的安装不匹配，故在其间隙处通过橡胶垫片填塞，防止连接处混凝土漏浆而出现连接问题。
3、最后将制作好的外钢管柱吊装到位，置于预制内置多钢管的外侧，通过下层柱的外管连接管连接到位，在连接前需将梁柱连接处外管连接管上残留混凝土及其他残渣清理干净，最后将梁与外伸梁端通过预制的翼缘连接板和腹板连接板连接。
4、准备完毕后浇筑混凝土并捣振，然后进行常规养护。
5、待混凝土达到一定强度后，再进行上层结构的装配。
本实施方法均采用常规的钢结构安装工艺，构件尺寸应满足上述内容的设计原则。本发明装配式内置多个圆钢管的钢管混凝土柱连接节点体系，可用于新型装配式建筑结构体系，以提高结构的施工效率。以上所述内容，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述解释的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.内置多钢管的装配式钢管混凝土叠合柱-梁结构体系，其特征在于：包括中心大直径内钢管(1)、周边小直径内钢管(2)、低屈服点钢连接件(3)、流浆孔(4)、内管套管(5)、单边螺栓(6)、橡胶垫片(7)、外钢管(8)、外管连接管(9)、外伸梁端(10)、高强螺栓(11)、梁腹板连接板(12)、梁翼缘连接板(13)和梁(14)；中心大直径内钢管(1)通过低屈服点钢连接件(3)与周边小直径内钢管(2)相连组成预制内置多钢管，预制内置多钢管上开有流浆孔(4)，且预制内置多钢管在柱高的1/2～2/3处通过内管套管(5)用单边螺栓(6)连接；外钢管(8)在梁柱节点处与外管连接管(9)用高强螺栓(11)连接，外管连接管(9)的端部处设有外伸梁端(10)，以方便通过腹板连接板(12)和翼缘连接板(13)与梁(14)连接；在内管套管(5)和预制内置多钢管连接处塞有橡胶垫片(7)，防止连接处不密封而导致漏浆现象的发生。
2.根据权利要求1所述的内置多钢管的装配式钢管混凝土叠合柱-梁结构体系，其特征在于：预制内置多钢管通过内管套管(5)与预制内置多钢管用单边螺栓(6)连接，使得预制内置多钢管运输到施工现场时即可装配，提高施工效率。
3.根据权利要求1所述的内置多钢管的装配式钢管混凝土叠合柱-梁结构体系，其特征在于：中心大直径内钢管(1)和周边小直径内钢管(2)上均开有流浆孔(4)，流浆孔(4)的存在使柱内混凝土在内管之间能够流动，从而降低浇筑混凝土难度，其同时也增强柱的抗震耗能性能。
4.根据权利要求1所述的内置多钢管的装配式钢管混凝土叠合柱-梁结构体系，其特征在于：低屈服点钢连接件(3)连接着中心大直径内钢管(1)、周边小直径内钢管(2)，使内部的钢管成为一个整体，在增加结构装配性的同时，也提高了结构体系的抗震耗能性能。
5.根据权利要求1所述的内置多钢管的装配式钢管混凝土叠合柱-梁结构体系，其特征在于：预制内置多钢管在柱高1/2～2/3处通过内管套管(5)以单边螺栓(6)连接；预制内置多钢管由一个中心大直径内钢管(1)及周边小直径内钢管(2)组成，所述周边的小直径内钢管(2)数量为四个；中心大直径内钢管(1)直径为外钢管(8)直径的1/4～1/6，周边小直径内钢管(2)直径为中心大直径内钢管的1/2～1，且中心大直径内钢管(1)和周边小直径内钢管(2)的壁厚为外钢管壁厚的1/2～1；预制内置多钢管中周边小直径内钢管(2)之间的净距为150～250mm，相邻内钢管之间以及中心大直径内钢管(1)与周边小直径内钢管(2)之间的净距为150～300mm。
6.根据权利要求1所述的内置多钢管的装配式钢管混凝土叠合柱-梁结构体系，其特征在于：外管连接管(9)通过法兰盘与上下外钢管(8)以高强螺栓相连，且外管连接管(9的高度根据设计的梁高度而定，外管连接管(9上的外伸梁端(10)长度为梁高的2/3～1，外伸梁端(10)通过腹板连接板(12)和翼缘连接板(13)与梁(14)连接，其连接形式亦可以采取其他的合适连接形式。
7.根据权利要求1所述的内置多钢管的装配式钢管混凝土叠合柱-梁结构体系，其特征在于：低屈服点钢连接件(3)和流浆孔(4)每隔1/3～1/6柱高在同一高度处设置；低屈服点钢连接件(3)采用的强度要低于结构用钢材，厚度为10～20mm，其高度为40～100mm；流浆孔(4)在设置高度处在垂直低屈服点钢连接件(3)设置两个，其直径不小于混凝土粗骨料直径的三倍且不大于其所在内钢管直径的2/3。
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