CN111677320B - 一种混凝土圆柱托换用组装式钢托换装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土圆柱托换用组装式钢托换装置及应用方法，涉及建筑结构加固改造技术领域。具体包括设置于被托换圆柱两侧的托换钢梁，所述托换钢梁的两端设置有预紧螺栓，且两根所述的托换钢梁在预紧螺栓的作用下对被托换圆柱形成夹紧作用，所述的托换钢梁和被托换圆柱之间设置有圆弧抱柱件，所述的圆弧抱柱件在托换钢梁的夹紧作用下箍紧被托换圆柱。所述的圆弧抱柱件包括圆弧板，所述圆弧板的外侧设置有外侧竖板，所述的圆弧板通过若干个竖向肋板和若干个横向肋板与所述的外侧竖板连接形成一个整体。该装置安全可靠、模块化组装、适用不同截面尺寸柱、可重复使用、绿色环保、快速安装和拆卸、施工速度快的混凝土圆柱用组装式钢托换装置。

Description

一种混凝土圆柱托换用组装式钢托换装置及其应用

技术领域

本发明涉及建筑结构加固改造技术领域，尤其涉及混凝土圆柱托换用组装式钢托换装置及其应用方法。

背景技术

建筑结构加固改造是建筑业的一个特殊行业，混凝土柱的置换加固是建筑结构加固中常见的一种加固方式，对于保证被加固建筑结构的安全具有非常重要的作用。托换装置是混凝土柱置换加固中的重要结构，目前国内混凝土柱置换工程中的混凝土圆柱托换主要是采用现浇钢筋混凝土抱柱式托换梁加卸荷支撑，或满堂卸荷支撑。

混凝土抱柱式托换的托换方法是：在混凝土柱的截断位置或置换范围的上部(或下部)施工四面包裹式的抱柱托换梁，托换梁的下方设置卸荷支撑，卸荷支撑下端支撑在下部结构(下部柱、托换结构或基础)上，卸荷支撑一般采用型钢加工。施工时将托换梁钢筋绑扎完成后，支设模板并浇筑托换梁混凝土，待托换梁混凝土强度达到设计要求后，在托换结构底部与下部结构之间安装卸荷支撑柱，柱截断或剔除缺陷混凝土后，该柱原来所承担的荷载通过托换梁和卸荷支撑传至下部结构。将柱需置换区域的缺陷混凝土剔除后按设计重新浇筑混凝土。

这种抱柱式混凝土托换梁结构具有安全性高、施工技术要求低的优点；但是，上述托换方法的施工工期会受到混凝土强度增长时间的限制，且需要消耗一定数量水泥、沙石、模板等不可再生资源，后期拆除结构需要较多的人力物力，并会产生大量的建筑垃圾。总的来讲这种混凝土托换梁缺点是：劳动强度大、用工量多、消耗资源多、施工周期长。

针对这一问题，中国专利ZL201410225686.4公开了一种混凝土柱托换用组装式钢托换装置及其应用，通过在混凝土方柱四周的钢托换梁和预紧螺栓将被托换圆柱夹紧，其贡献在于：通过预紧螺栓施加的预紧力将托换钢梁夹紧在被托换圆柱的侧面，利用托换钢梁与混凝土柱侧面之间的静摩擦力实现混凝土方柱的快速托换。该方法，虽然解决了上述抱柱梁托换方式现场浇注混凝土存在的缺点，实现了施工方便，快捷，施工工期短，钢结构可以重复使用的优点，但是它仅适于混凝土方柱的托换，无法应用于混凝土圆柱托换。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种适用于混凝土圆柱的托换用组装式钢托换装置，该装置安全可靠、模块化组装、适用不同截面尺寸柱、可重复使用、绿色环保、快速安装和拆卸、施工速度快的混凝土圆柱用组装式钢托换装置。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种混凝土圆柱托换用组装式钢托换装置，包括设置于被托换圆柱两侧的托换钢梁，所述托换钢梁的两端设置有预紧螺栓，且两根所述的托换钢梁在预紧螺栓的作用下对被托换圆柱形成夹紧作用，所述的托换钢梁和被托换圆柱之间设置有圆弧抱柱件，所述的圆弧抱柱件在托换钢梁的夹紧作用下箍紧被托换圆柱；

所述的圆弧抱柱件包括圆弧板，所述圆弧板的外侧设置有外侧竖板，所述的圆弧板通过若干个竖向肋板和若干个横向肋板与所述的外侧竖板连接形成一个整体。

进一步地，两个所述的圆弧抱柱件之间设置有用于连接两个所述圆弧抱柱件的安装螺栓。

进一步地，所述圆弧抱柱件的左、右两侧分别设置有与所述安装螺栓的端部相连接的传力件，所述的传力件包括卡接板，且所述的卡接板上设置有一用于容纳所述安装螺栓的U型卡槽，所述安装螺栓的两端位于所述卡接板的外侧分别设置有锁紧螺母。

进一步地，所述外侧竖板的内侧设置有至少两个圆弧板。

进一步地，多个圆弧板共同形成圆弧压紧面所对应的圆心角等于120°。

进一步地，所述外侧竖板的上端或下端固定设置有与所述的圆弧板一一对应的传力钢板，且所述的传力钢板位于所述圆弧板在外侧竖板上的投影范围内。

进一步地，所述托换钢梁的高度大于等于所述圆弧板的高度。

进一步地，所述托换钢梁的左、右两端分别设置有多个用于容纳所述预紧螺栓的螺栓孔，且多个所述的螺栓孔呈矩阵排列。

一种混凝土圆柱托换用组装式钢托换装置应用方法，包括如下步骤，

1)根据被托换圆柱的截面尺寸选用合适的圆弧抱柱件，其内径应比被托换圆柱的直径大10～20mm。

2)清除圆弧抱柱件安装部位被托换圆柱柱面上的抹灰及粉尘后，用水冲净，抹约6～12mm厚的高强水泥砂浆找平层，在砂浆初凝前将圆弧抱柱件通过安装螺栓安装至预定位置；

3)待找平砂浆达到设计强度后，将托换钢梁成对安装在圆弧抱柱件的外侧，托换钢梁与圆弧抱柱件的传力钢板的工作面顶紧，并用预紧螺栓将托换钢梁夹紧在圆弧抱柱件的外侧。

5)安装支撑钢柱并与托换钢梁顶紧，然后将被托换圆柱截断分离；

6)对被托换圆柱进行缺陷混凝土剔除、顶升、移位等操作，操作完成后，对被截断的被托换圆柱进行连接，在连接材料达到设计强度后，松开预紧螺栓将托换钢梁和圆弧抱柱件卸除以备重复使用。

进一步地，步骤3)中，预紧螺栓的安装顺序是，先将预紧螺栓穿过托换钢梁的螺栓孔，并初步紧固，使托换钢梁与圆弧抱柱件的传力钢板的工作面顶紧并处于水平状态，然后用扭矩扳手按照预紧螺栓的设计预紧力交替紧固螺栓。

本发明的有益效果是：

1、本发明结构简单，自重轻，受力明确，可以方便地安装和拆卸，可以多次重复利用，能有效减少混凝土圆柱置换加固工程中混凝土柱托换的工作量，降低劳动强度，缩短施工时间。

2、该托换钢梁在等同混凝土托换梁截面尺寸的情况下，其自重只有混凝土梁的1/2～1/3，用钢量约为混凝土梁的3～5倍，考虑全部托换结构施工费的情况下，其造价约为混凝土托换梁的1～2倍，若重复使用10次，造价仅为混凝土托换梁的1/5～1/3，在多次重复使用的情况下，经济效益明显。

3、托换钢梁安装完成后，即可以进行被托换混凝土柱的截断施工，减少了采用混凝土托换梁时混凝土强度增长的等待时间，因此托换施工工期可以减少到采用混凝土托换梁的1/3～1/4，能有效缩短混凝土柱置换加固施工的时间，节省大量的劳动成本。

4、本发明不仅克服了目前混凝土圆柱置换加固工程中前期准备时间长、受环境温度影响大的缺点(低温对混凝土强度增长的影响较大)，而且比采用混凝土托换梁减少了大量的资源和劳动力消耗，是一种绿色、经济的托换结构。

5、每个圆弧抱柱件的圆弧钢板分成两块，中间留有空隙，这样，当托换钢梁通过预紧螺栓将圆弧抱柱件夹紧在被托换圆柱的侧面时，可以使夹紧力分布更均匀。

附图说明

图1为托换装置安装完成后的立体结构示意图；

图2为圆弧抱柱件安装完成后的立体结构图；

图3为图2的爆炸视图；

图4为圆弧抱柱件的立体结构示意图；

图5为安装步骤图一；

图6为安装步骤图二；

图7为圆弧抱柱件与柱预压力示意图；

图8为托换装置安装完成后主视图；

图9为托换装置安装完成后左视图；

图10为托换装置安装在柱截断面以下时被托换圆柱截断后的主视图；

图11为柱截断面上下均安装托换装置时被托换圆柱截断后的主视图。

图中：1-圆弧抱柱件，11-圆弧板，12-外侧竖板，13-传力钢板，14-竖向肋板，15-横向肋板，16-加强筋板，17-传力件，2—安装螺栓，3—托换钢梁，4—预紧螺栓，5—被托换圆柱，6—支撑钢柱。

具体实施方式

为了方便描述，现定义坐标系如图1所示，并以左右方向为横向，前后方向为纵向，上下方向为竖向。

如图1和图2所示，一种混凝土圆柱托换用组装式钢托换装置，包括于柱侧设置的一对对称布置的圆弧抱柱件、一对对称布置的托换钢梁、用于连接圆弧抱柱件的安装螺栓和用于连接托换钢梁的预紧螺栓。所述的圆弧抱柱件分别设置于被托换圆柱的前后两侧，且在安装螺栓的拉紧作用下抱紧被托换圆柱。所述的托换钢梁设置于所述圆弧抱柱件的外侧(以两圆弧抱柱件相对的一侧为内侧)，两根托换钢梁之间位于所述被托换圆柱的左右两侧分别设置有预紧螺栓，且在预紧螺栓的拉紧作用下，所述的托换钢梁的内侧面(以两托换钢梁相对的一面为内侧面)压紧在所述圆弧抱柱件的外侧面上。这样，所述的托换钢梁通过预紧螺栓形成夹紧力，且所述的夹紧力通过圆弧抱柱件传递到被托换圆柱上，实现对被托换圆柱的夹紧。

如图2和图3所示，所述的圆弧抱柱件包括与被托换圆柱相配合的圆弧板，所述圆弧板的外侧设置有外侧竖板，且所述的外侧竖板为一竖直布置的平板。所述的外侧竖板和圆弧板之间设置有若干个竖向肋板和若干个横向肋板，所述的圆弧板通过竖向肋板和横向肋板与所述的外侧竖板连接为一个整体。两个所述的圆弧抱柱件之间位于所述圆弧抱柱件的左、右两侧分别设置有若干个安装螺栓，且所述圆弧抱柱件的左、右两侧分别设置有与所述安装螺栓的端部相连接的传力件。

作为一种具体实施方式，如图2和图3所示，本实施例中两个所述的圆弧抱柱件之间位于所述圆弧抱柱件的左、右两侧分别设置有两个安装螺栓。所述的传力件通过焊接的方式固定设置于位于左、右两端的竖向肋板上。

如图1和图5所示，所述的托换钢梁为钢结构箱型截面梁，所述的托换钢梁上设置有沿前后方向贯穿所述托换钢梁的用于容纳所述预紧螺栓的螺栓孔，位于两根托换钢梁之间的沿前后方向延伸的预紧螺栓的两端分别穿过所述的螺栓孔延伸至所述托换钢梁的外侧，且所述预紧螺栓的前、后两端位于所述托换钢梁的外侧分别设置有锁紧螺母。作为一种具体实施方式，本实施例中所述的预紧螺栓为高强螺栓，其作用是通过托换钢梁将圆弧抱柱件压紧在被托换圆柱的侧面上，并通过圆弧抱柱件的内侧面与被托换圆柱侧面所产生的静摩擦力实现对混凝土圆柱的有效托换。

进一步地，由于竖向肋板和横向肋板的存在，会使外侧竖板和圆弧板形成了一个刚性整体，且具有较强的刚性，不宜被弯曲，这样，当托换钢梁对圆弧抱柱件施加侧向压力时，圆弧抱柱件会有整体向靠近被托换圆柱一侧移动的趋势，这会导致圆弧板和被托换圆柱之间的夹紧力不均匀的问题。通过分析不难得到，位于圆弧板中间位置的压力使最大的，而位于圆弧板两端的压力使最小的，若考虑一种极限情况，当所述圆弧板对应的圆心角为180°时，所述圆弧板边缘处的压力会等于零。这无疑会造成夹紧力的弱化，存在不可靠的问题。

为此，如图4所示，所述外侧竖板的内侧(以靠近被托换圆柱的一侧为内侧)设置有至少两个圆弧板，且两个所述圆弧板所对应的圆心角相等。每个所述圆弧板的外侧面(以远离被托换圆柱的一侧为外侧)均设置有若干个竖向肋板和若干个横向肋板，且所述的圆弧板通过横向肋板和竖向肋板与所述的外侧竖板固定连接。相邻的两个圆弧板的横向肋板之间不存在连接关系。作为一种具体实施方式，本实施例中所述外侧竖板的内侧设置有两个圆弧板。

这样，如图7所示，由于相邻两个圆弧板的横向肋板之间不存在连接关系，在左右方向上实际上只有外侧竖板作为连接件将多个圆弧板连为一体，因此圆弧抱柱件的刚性会大大减小。当托换钢梁对外侧竖板实现侧向压力时，圆弧抱柱件会在一定程度上发生弹性形变，从而使使夹紧力分布更均匀。

优选的，多个圆弧板共同形成圆弧压紧面所对应的圆心角等于120°。

进一步地，为了提高托换钢梁和圆弧抱柱件之间力量传递的可靠性，如图4所示，所述外侧竖板的外侧面的上端或下端通过焊接的方式固定设置有传力钢板。

进一步地，为了避免传力钢板造成圆弧抱柱件刚性的增加，如图4所示，所述外侧竖板的外侧面设置有多个传力钢板，且所述传力钢板的数量与所述圆弧板的数量相同，位置一一对应，具体为，所述的传力钢板位于所述圆弧板在外侧竖板上的投影范围内。多个所述传力钢板的工作面共面，在这里，所述的工作面即安装后与所述托换钢梁相接触的面。

进一步地，为了保证圆弧板与被托换圆柱之间的夹紧力在上下方向也是均匀的，所述托换钢梁的高度(沿上下方向的尺寸)要大于等于所述圆弧板的高度。这样，为了设置传力钢板，所述外侧竖板的设置有传力钢板的一端应突出于所述的圆弧板。为了保证外侧竖板和横向肋板之间的连接强度，如图4所示，所述外侧竖板的设置有传力钢板的一端与横向肋板之间设置有加强筋板。

进一步地，为了便于现场施工中安装螺栓的安装和拆卸，如图4所示，所述的传力件包括一卡接板，且所述的卡接板上设置有一U型卡槽。所述的卡接板和竖向肋板之间设置有筋板。如图2所示，所述安装螺栓的两端位于所述卡接板的外侧分别设置有锁紧螺母，且所述锁紧螺母的内侧面(以同一根安装螺栓上两锁紧螺母相对的一面为内侧面)压紧在所述卡接板的外侧面上。这样，在安装的过程中可以将安装螺栓直接卡入U型卡槽内，然后拧紧锁紧螺母即可，需要的安装空间小，不需要沿轴向抽拉安装螺栓，方便安装和拆卸。

进一步地，所述托换钢梁的左、右两端分别设置有多个用于容纳所述预紧螺栓的螺栓孔，且多个所述的螺栓孔呈矩阵排列。这样设计，一方面可以适应不同被托换圆柱的尺寸，另一方面可以根据载荷调整预紧螺栓的数量。

工作时，当截断部位位于被托换圆柱的下端时，如图8和图9所示，在所述托换钢梁的下方放置两根支撑钢柱，且两根支撑钢柱的上端分别顶在所述托换钢梁的左、右两端。被托换圆柱与下部结构截断后，圆弧抱柱件通过其外侧面的摩擦力将其承担的荷载传给托换钢梁，托换钢梁通过其下部的支撑构件(即支撑钢柱)将被托换圆柱传来的全部荷载传至下部结构。

当截断部位位于被托换圆柱的上端时，如图10所示，在所述托换钢梁的上方放置两根支撑钢柱，且两根支撑钢柱的下端分别顶在所述托换钢梁的左、右两端。被托换圆柱与上部结构截断后，上部结构的载荷通过支撑钢柱传递到托换钢梁上，托换钢梁通过圆柱抱柱件将载荷传递到被托换圆柱上。

当截断部位位于被托换圆柱的中部时，如图11所示，在截断位置的上下两侧分别设置托换装置，并在两组托换装置之间设置支撑钢柱，所述支撑钢柱的上端顶紧在位于上方的托换钢梁上，所述支撑钢柱的下端顶紧在位于下方的托换钢梁上。

具体实施步骤如下：

1)根据被托换圆柱的截面尺寸选用合适的圆弧抱柱件，其内径应比被托换圆柱的直径大10～20mm。

2)清除圆弧抱柱件安装部位被托换圆柱柱面上的抹灰及粉尘后，用水冲净，抹约6～12mm厚的高强水泥砂浆找平层，在砂浆初凝前将圆弧抱柱件通过安装螺栓安装至预定位置，如图5所示；

安装时应将圆弧抱柱件成对平行安放在混凝土圆柱的两侧，当托换钢梁位于柱截断面以上时，圆弧抱柱件的传力钢板应在上，当托换钢梁位于柱截断面以下时，圆弧抱柱件的传力钢板应在下。圆弧抱柱件安装完成后，两个圆弧抱柱件的外侧竖板应平行，传力钢板的工作面应水平且共面。

3)待找平砂浆达到设计强度后，将托换钢梁成对安装在圆弧抱柱件的外侧，托换钢梁与圆弧抱柱件的传力钢板的工作面顶紧，并用预紧螺栓将托换钢梁夹紧在圆弧抱柱件的外侧。

预紧螺栓的安装顺序是：先将预紧螺栓穿过托换钢梁的螺栓孔，并初步紧固，使托换钢梁与圆弧抱柱件的传力钢板的工作面顶紧并处于水平状态，用扭矩扳手按照预紧螺栓的设计预紧力交替紧固螺栓，此时被托换圆柱侧面的圆弧抱柱件通过托换钢梁和预紧螺栓将被托换圆柱夹紧，托换钢梁安装完成。

5)安装支撑钢柱并与托换钢梁顶紧，然后将被托换圆柱截断分离；

支撑钢柱具体的安装位置要根据截断的位置进行选择，这在上文中已经阐述，在此不再赘述。

6)对被托换圆柱进行缺陷混凝土剔除、顶升、移位等操作，操作完成后，对被截断的被托换圆柱进行连接，在连接材料达到设计强度后，松开预紧螺栓将托换钢梁和圆弧抱柱件卸除以备重复使用。

Claims (6)

1.一种混凝土圆柱托换用组装式钢托换装置，包括设置于被托换圆柱两侧的托换钢梁，所述托换钢梁的两端设置有预紧螺栓，且两根所述的托换钢梁在预紧螺栓的作用下对被托换圆柱形成夹紧作用，其特征在于：所述的托换钢梁和被托换圆柱之间设置有圆弧抱柱件，所述的圆弧抱柱件在托换钢梁的夹紧作用下箍紧被托换圆柱；

所述的圆弧抱柱件包括圆弧板，所述圆弧板的外侧设置有外侧竖板，所述的圆弧板通过若干个竖向肋板和若干个横向肋板与所述的外侧竖板连接形成一个整体；

所述外侧竖板的内侧设置有至少两个圆弧板；

两个所述的圆弧抱柱件之间设置有用于连接两个所述圆弧抱柱件的安装螺栓；

所述圆弧抱柱件的左、右两侧分别设置有与所述安装螺栓的端部相连接的传力件，所述的传力件包括卡接板，且所述的卡接板上设置有一用于容纳所述安装螺栓的U型卡槽，所述安装螺栓的两端位于所述卡接板的外侧分别设置有锁紧螺母；

多个圆弧板共同形成圆弧压紧面所对应的圆心角等于120°。

2.根据权利要求1所述的一种混凝土圆柱托换用组装式钢托换装置，其特征在于：所述外侧竖板的上端或下端固定设置有与所述的圆弧板一一对应的传力钢板，且所述的传力钢板位于所述圆弧板在外侧竖板上的投影范围内。

3.根据权利要求1所述的一种混凝土圆柱托换用组装式钢托换装置，其特征在于：所述托换钢梁的高度大于等于所述圆弧板的高度。

4.根据权利要求1所述的一种混凝土圆柱托换用组装式钢托换装置，其特征在于：所述托换钢梁的左、右两端分别设置有多个用于容纳所述预紧螺栓的螺栓孔，且多个所述的螺栓孔呈矩阵排列。

5.一种权利要求1所述的混凝土圆柱托换用组装式钢托换装置的应用方法，其特征在于：包括如下步骤，

1）根据被托换圆柱的截面尺寸选用合适的圆弧抱柱件，其内径应比被托换圆柱的直径大10~20mm；

2）清除圆弧抱柱件安装部位被托换圆柱柱面上的抹灰及粉尘后，用水冲净，抹6～12mm厚的高强水泥砂浆找平层，在砂浆初凝前将圆弧抱柱件通过安装螺栓安装至预定位置；

3）待找平砂浆达到设计强度后，将托换钢梁成对安装在圆弧抱柱件的外侧，托换钢梁与圆弧抱柱件的传力钢板的工作面顶紧，并用预紧螺栓将托换钢梁夹紧在圆弧抱柱件的外侧；

4）安装支撑钢柱并与托换钢梁顶紧，然后将被托换圆柱截断分离；

5）对被托换圆柱进行缺陷混凝土剔除、顶升、移位操作，操作完成后，对被截断的被托换圆柱进行连接，在连接材料达到设计强度后，松开预紧螺栓将托换钢梁和圆弧抱柱件卸除以备重复使用。

6.根据权利要求5所述的一种混凝土圆柱托换用组装式钢托换装置的应用方法，其特征在于：步骤3）中，预紧螺栓的安装顺序是，先将预紧螺栓穿过托换钢梁的螺栓孔，并初步紧固，使托换钢梁与圆弧抱柱件的传力钢板的工作面顶紧并处于水平状态，然后用扭矩扳手按照预紧螺栓的设计预紧力交替紧固螺栓。

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