CN112411803A - 一字形矩形钢管-波折钢板组合墙及其设计实施方法及应用 - Google Patents

一字形矩形钢管-波折钢板组合墙及其设计实施方法及应用 Download PDF

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Abstract

本申请涉及建筑结构工程领域，公开一字形矩形钢管‑波折钢板组合墙及其设计实施方法及应用。其中，一字形矩形钢管‑波折钢板组合墙(1)设计及实施方法，方案思路：基于抗侧、承重分离的总体设计思路，将矩形钢管设置在一字形组合墙的端部，采用钢梁铰接进行连接，钢梁只承担竖向荷载，简化了剪力墙与钢梁的连接构造；波折钢板‑钢筋混凝土组合剪力墙上下层之间仅对竖向钢筋采用传统的搭接构造进行连接。由矩形钢管柱、波折钢板、钢筋网片和内填钢筋混凝土组合形成一字形组合剪力墙。由上述设计方法构筑的一字形矩形钢管‑波折钢板组合墙(1)，应用于剪力墙结构中的一字形剪力墙。

Description

一字形矩形钢管-波折钢板组合墙及其设计实施方法及应用
技术领域
本申请涉及建筑结构工程领域，具体涉及一种一字形矩形钢管-波折钢板组合墙。
背景技术
装配式钢-混凝土组合结构住宅具有工业化程度高、部品质量好、施工周期短、抗震性能好、综合技术经济指标高等优势，是国家重点支持发展的装配式建筑体系之一。现有多高层装配式钢-混凝土组合结构住宅总体上可分为钢-混凝土组合柱框架-支撑(剪力墙)结构、钢-混凝土组合剪力墙(钢管束混凝土剪力墙或钢板剪力墙等)结构两大类结构体系。为满足住宅建筑功能需求及用户使用习惯，要求建筑平面灵活布置，导致各房间轴线通常错开布置，采用框架结构体系时，为满足结构设计指标的规范要求，需通过增加组合柱等方式将轴线错开的子框架连接成整体框架来承担水平荷载，导致用钢量增加，影响建筑使用功能等问题；实践表明，采用剪力墙结构体系可很好的满足高层住宅建筑平面灵活的需求，但现有装配式钢-混凝土组合剪力墙结构体系，梁与剪力墙刚接节点构造复杂、竖向构件连 接现场焊接量大、剪力墙防火涂装面积大，导致用钢量大、施工难度大、总体造价高等问题， 严重限制了装配式钢-混凝土组合结构体系在住宅建筑中的应用。由于上述瓶颈问题，导致我国住宅建筑中，该类结构占比不到1％，远远低于发达国家20％-30％的平均水平。
基于此，在保障结构承载力和抗震性能的前提下，发明一种新型的、能显著地降低用钢量和制作安装成本的、适用于建筑平面灵活布置的钢-混凝土组合结构体系和构件，以提升我国装配式钢-混凝土组合结构的应用比例，具有重要的意义。
发明内容
本申请的目的在于，基于承重和抗侧分离的总体设计理念，提供一种一字形矩形钢管-波折钢板组合墙，综合利用形成的矩形钢管混凝土柱承载性能高、制作安装方便及波折钢板平面外刚度大、局部屈曲承载性能好等优势，通过合理组合，解决现有装配式钢-混 凝土组合结构一字形剪力墙-钢梁节点构造复杂、竖向构件现场连接难、用钢量大、制作安 装难、总体造价高等问题。通过在组合墙端部设置矩形钢管混凝土柱，有效提高组合墙共同工作性能，改善墙体抗震性能，并简化与钢梁连接构造，应用高强钢和高强混凝土，还可进一步提高组合墙的竖向承载能力。
本申请需要保护如下技术方案
实施例2技术方案
一字形矩形钢管-波折钢板组合墙(1)设计及实施方法，方案思路：基于抗侧、承重分离的总体设计思路，将矩形钢管设置在一字形组合墙的端部，通过矩形钢管柱(2)直接采用钢梁铰接进行连接，钢梁只承担竖向荷载，简化了剪力墙与钢梁的连接构造；波折钢板-钢筋混凝土组合剪力墙上下层之间仅对竖向钢筋采用传统的搭接构造进行连接。
具体的，一字形矩形钢管-波折钢板组合墙(1)设计和实施方法，其特征在于：
过程一：工厂预制
构成上，包括矩形钢管柱(2)、波折钢板(3)和钢筋网片(4)，其中：矩形钢管柱(2)可通过冷弯成型或由钢板焊接成型；波折钢板(3)与两端矩形钢管(2)通过焊缝连接，沿波纹横向放置，波峰最外侧与矩形钢管外侧平齐；钢筋网片(4)由正交钢筋通过点焊或绑扎成型后，通过点焊将其竖向钢筋焊接于波折钢板(3)内侧；将矩形钢管柱(2)、波折钢板(3)、钢筋网片(4)在工厂制作拼装形成组合墙骨架；
过程二：现场安装和浇筑
实施时，矩形钢管柱(2)、波折钢板(3)、钢筋网片(4)在工厂制作拼装形成组合墙骨架之后整体运输至施工现场，浇筑混凝土5：所述内填混凝土(5)浇筑于矩形钢管(2)以及两侧带钢筋网片(4)的波折钢板(3)所形成的空腔内部，形成一字形矩形钢管-波折钢板组合墙，既作为组合墙体的承载部件，又可作为现场浇筑混凝土的模板，提高组合墙体的制作效率。
以上获得的一字形矩形钢管-波折钢板组合墙(1)：
连接及位置关系上，矩形钢管混凝土柱(2)位于一字形组合墙体端部，通过波折钢板(3)与两端矩形钢管混凝土柱(2)通过焊缝连接，从而形成整体组合墙体；将钢筋网片(4)的纵向钢筋通过间隔点焊与波折钢板(3)连接，与波折钢板(3)形成整体后与矩形钢管(2)进行焊接；上下层墙体的端部矩形钢(3)管通过焊接连接，钢筋网片(4)的竖向钢筋仅需搭接，保障力学性能的同时，可简化上下层组合墙体间构造，有效提高现场施工安装效率。
受力及功能设计上，其中波折钢板(3)沿波纹横向放置，仅承担水平荷载；波折钢板兼具组合墙横向受力钢筋和混凝土浇筑模板的作用，发挥波折钢板平面外刚度大的优势，降低结构整体用钢量；其中钢筋网片(4)的纵向钢筋与波折钢板(3)内侧波峰通过点焊进行连接，用作波折钢板-钢筋混凝土剪力的纵横向受力钢筋；其中矩形钢管混凝土柱(2)应用高强钢和高强混凝土后，进一步提高和保证组合墙的竖向承载能力；矩形钢管混凝土柱(2)兼作一字形组合剪力墙的边缘构件，有效提高了组合墙共同工作性能，改善了组合墙体抗震性能。
过程三：抗火处理
矩形钢管混凝土柱同时承担竖向和水平荷载，按国家相关规范的要求进行抗火设计及防火保护；波折钢板不承受竖向荷载，按规范要求，不需做防火保护，减少防火涂装面积，有效降低钢结构防火成本。
实施例3技术方案
一种由上述实施例2设计方法构筑的一字形矩形钢管-波折钢板组合墙(1)，应用于剪力墙结构中的一字形剪力墙。
本申请位于墙体两侧的矩钢管混凝土柱兼具协调中间部分波折钢板-钢筋混凝土剪力墙共同工作、承受竖向荷载、提升组合墙延性、便于与钢梁连接等多方面的功能；波折钢板兼具混凝土浇筑模板和钢筋混凝土剪力墙横向钢筋的作用，波折钢板有效增强了模板的平面外刚度和局部稳定承载性能，解决混凝土浇筑时模板面外失稳的问题以及构件承受水平荷载时钢板易发生局部失稳的问题；形成的一字形组合墙既便于施工安装，也提升了建筑有效使用面积；此外，本申请还具有构造简单、设计合理、力学性能优越、造价低、适合装配式建造等优点。
进一步，一字形矩形钢管-波折钢板组合墙端部形成的矩形钢管混凝土柱可采用高强钢、普通钢、高强混凝土或普通混凝土制成，截面宽度与墙体一致，宽厚比按国家相关规范的要求控制。
进一步，波折钢板-钢筋混凝土组合墙中，钢筋网片的纵向钢筋直径和间距、对拉钢筋的布置等按国家相关规范确定；波折钢板沿波纹横向放置，具体波形及板的厚度根据其承受水平荷载作用时的局部屈曲承载性能进行设计；波形可通过折弯成型和冲压模具成型两种方式制成。
进一步，由矩形钢管、钢筋网片、波折钢板组成的一字形矩形钢管-波折钢板组合墙钢骨架以及矩形钢管与钢梁连接的预留件可在工厂制作拼装或现场焊接完成。
与现有技术相比，本申请具有以下优点和有益效果：
本申请中采用波折钢板兼具组合墙横向受力钢筋和混凝土浇筑模板的功能，充分发挥了波折钢板平面外刚度大的优势，有效降低结构整体用钢量，降低造价成本。
本申请中将波折钢板等效为钢筋混凝土一字形剪力墙中横向钢筋的承载功能进行设计，波折钢板不承受竖向荷载，根据规范规定，可不做防设计，大大减少了防火涂装面积，有效降低涂装造价成本。
本申请通过合理布置，充分发挥了矩形钢管混凝土柱承载性能高、连接方便以及钢筋混凝土剪力墙成本低的综合优势，有效降低了整体造价，相比现有钢-混凝土组合结构剪力墙结构体系，具有良好的市场竞争优势。
本申请具有总体设计思路先进合理、构造简单、施工便利、力学性能优越、造价低等优点。
附图说明
图1为一字形矩形钢管-波折钢板组合墙示意图；
图2为一字形组合墙中梯形波折钢板示意图；
图3为一字形组合墙中闭口压型钢板示意图；
图4为波折钢板与钢管的连接示意图；
图5为一字形矩形钢管-波折钢板组合墙在住宅建筑平面中的典型部位示意图
标记说明：
1-一字形矩形钢管-波折钢板组合墙、2-矩形钢管柱、3-波折钢板；
4-钢筋网片、41-钢筋网片纵向钢筋、42-钢筋网片横向钢筋、43-拉结筋；
5-混凝土、6-角焊缝。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及其附图对本申请提供的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本申请的优点和特征将更加清楚。
实施例1
本申请首先给出基础实施例方案。
技术方案一
一字形矩形钢管-波折钢板组合墙(1)，包括矩形钢管柱(2)、波折钢板(3)、钢筋网片(4)、和内填混凝土(5)；内填混凝土(5)浇筑于于矩形钢管(2)以及两侧带钢筋网片(4)的波折钢板(3)所形成的空腔内部。
具体的，如图1至图4所示，一种一字形矩形钢管-波折钢板组合墙构造，其特征在于，包括矩形钢管柱(2)、波折钢板(3)和钢筋网片(4)，其中：
矩形钢管柱(2)可通过冷弯成型或由钢板焊接成型；矩形钢管柱(2)内填混凝土(5)；
波折钢板(3)与两端矩形钢管(2)通过焊缝连接，沿波纹横向放置，波峰最外侧与矩形钢管外侧平齐；
钢筋网片(4)由正交钢筋通过点焊或绑扎成型后，通过点焊将其竖向钢筋焊接于波折钢板(3)内侧。
实施时，所述内填混凝土(5)浇筑于矩形钢管(2)以及两侧带钢筋网片(4)的波折钢板(3)所形成的空腔内部。
以上技术方案，其设计原理和应用优势：利用矩形钢管混凝土柱2承载性能高、与钢梁可以直接连接方便的优势，将其设置在组合墙端部，可有效提高组合墙共同工作性能，改善墙体抗震性能，并简化组合墙与钢梁连接构造；矩形钢管混凝土柱2应用高强钢和高强混凝土，还可进一步提高组合墙的竖向承载能力；波折钢板3兼具组合墙横向受力钢筋和混凝土浇筑模板的作用，可充分发挥了波折钢板平面外刚度大的优势，有效降低结构整体用钢量；同时波折钢板3不承受竖向荷载，根据规范规定，可不做防火要求，有效降低总体造价；波折钢板3采用闭口型钢板，还可兼具装配式装修和管线支架连接基板的功能。
进一步公开：
所述矩形钢管(2)与布置在波折钢板(3)的两侧，在工厂或现场通过焊接形成钢骨架，形成组合墙现场浇筑混凝土的模板。
所述波折钢板(3)波纹横向放置，波折钢板仅承担水平荷载；波折板采用闭口压型钢板是，可兼做装配式装修或管线支架的连接基板。
所述波折钢板(3)的波形可为梯形、矩形、波浪形，或采用闭口压型钢板；波折钢板可通过折弯成型和冲压模具成型两种方式制成，或采用相关波形的产品。
所述钢筋网片(4)中的纵向钢筋需满足钢筋混凝土剪力墙承载力和构造要求。
所述矩形钢管(2)可采用普通钢材或高强钢材制成，波折钢板(3)采用普通钢材制成。
实施例2
基于实施例1，进一步创新，并给出设计方法和适于产业推广的应用于剪力墙结构中的一字形剪力墙。
技术方案二
一字形矩形钢管-波折钢板组合墙(1)设计及实施方法，其特征在于，基于抗侧、承重分离的总体设计思路，将矩形钢管设置在一字形组合墙的端部，便于墙体之间采用钢梁铰接进行连接，钢梁只承担竖向荷载，简化了剪力墙与钢梁的连接构造；波折钢板-钢筋混凝土组合剪力墙上下层之间可以对竖向钢筋采用传统的搭接构造进行连接，避免了装配式混凝土剪力墙必须将上下层墙体的竖向钢筋对齐后通过灌浆套筒等方式进行连接，有效降低了制作安装难度，提升了现场施工效率。
具体的，一字形矩形钢管-波折钢板组合墙(1)设计和实施方法，其特征在于：
过程一：工厂预制
构成上，包括矩形钢管柱(2)、波折钢板(3)和钢筋网片(4)，其中：矩形钢管柱(2)可通过冷弯成型或由钢板焊接成型；矩形钢管柱(2)内填混凝土(5)；波折钢板(3)与两端矩形钢管(2)通过焊缝连接，沿波纹横向放置，波峰最外侧与矩形钢管外侧平齐；钢筋网片(4)由正交钢筋通过点焊或绑扎成型后，通过点焊将其竖向钢筋焊接于波折钢板(3)内侧。实施时，所述内填混凝土(5)浇筑于矩形钢管(2)以及两侧带钢筋网片(4)的波折钢板(3)所形成的空腔内部。
图1c为一字形组合墙整体骨架示意图。矩形钢管柱(2)、波折钢板(3)、钢筋网片(4)在工厂制作拼装形成组合墙骨架之后整体运输至施工现场，浇筑混凝土5。
所述一字形矩形钢管-波折钢板组合墙(1)通过矩形钢管柱(2)和波折钢板(3)组合，形成截面轮廓为一字形的组合墙体，既作为组合墙体的承载部件，又可作为现场浇筑混凝土的模板，提高组合墙体的制作效率。
过程二：现场安装
连接及位置关系上，矩形钢管混凝土柱(2)位于一字形组合墙体端部，通过波折钢板(3)与两端矩形钢管混凝土柱(2)通过焊缝连接，从而形成整体组合墙体；将钢筋网片(4)的纵向钢筋通过间隔点焊与波折钢板(3)连接，与波折钢板(3)形成整体后与矩形钢管(2)进行焊接；上下层墙体的端部矩形钢(3)管通过焊接连接，钢筋网片(4)的竖向钢筋仅需搭接，保障力学性能的同时，可简化上下层组合墙体间构造，有效提高现场施工安装效率。
受力及功能设计上，其中波折钢板(3)沿波纹横向放置，仅承担水平荷载；波折钢板兼具组合墙横向受力钢筋和混凝土浇筑模板的作用，发挥波折钢板平面外刚度大的优势，降低结构整体用钢量；其中钢筋网片(4)的纵向钢筋与波折钢板(3)内侧波峰通过点焊进行连接，用作波折钢板-钢筋混凝土剪力的纵横向受力钢筋；其中矩形钢管混凝土柱(2)应用高强钢和高强混凝土后，进一步提高和保证组合墙的竖向承载能力；矩形钢管混凝土柱(2)兼作一字形组合剪力墙的边缘构件，有效提高了组合墙共同工作性能，改善了组合墙体抗震性能。
过程三：抗火处理
矩形钢管混凝土柱同时承担竖向和水平荷载，按国家相关规范的要求进行抗火设计及防火保护；波折钢板不承受竖向荷载，按规范要求，不需做防火保护，减少防火涂装面积，有效降低钢结构防火成本。
实施例3
技术方案三
一种由上述实施例2设计方法构筑的一字形矩形钢管-波折钢板组合墙(1)，应用于剪力墙结构中的一字形剪力墙。如图5所示，一字形矩形钢管-波折钢板组合墙1应用于平面图中所示典型位置。
图5建筑中的一字形矩形钢管-波折钢板组合墙1，其结构为：
如图1a与图1b所示，图1a是采用梯形波折钢板的一字形组合墙，图1b是采用闭口压型钢板的一字形组合墙。采用一字形截面的组合墙(1)包括矩形钢管柱(2)、波折钢板(3)、钢筋网片(4)和内填混凝土(5)，矩形钢管混凝土柱截面宽度方向与波折钢板-钢筋混凝土剪力墙最外侧平齐。
如图2a和图2b所示，图2a为梯形波折钢板立面示意图，图2b为梯形波折钢板侧面示意图。
如图3a和图3b所示，图3a为闭口型压型钢板立面示意图，图2b为闭口压型钢板侧面示意图。
如图4所示：图4a为钢筋网片示意图；图4b、图4c分别为钢筋网片之间通过穿过波折钢板(3)外侧波谷的拉结筋(43)连接形成整体的正立面示意图和侧立面示意图；钢筋网片(4)的竖向钢筋(41)在波折钢板(3)内侧波峰处通过点焊(7)连接形成整体，图4d为其正立面示意图，图4e为其侧立面示意图。如图4f与图4g所示，矩形钢管(2)与波折钢板(3)之间通过角焊缝(6)连接，其正立面示意图见图4f，侧立面示意图见4g。
以上仅为本申请的具体实施例，但本申请的技术特征并不局限于此，任何以本申请为基础，为解决基本相同的技术问题，实现基本相同的技术效果，所做出的简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖本申请的保护范围中。

Claims (4)

1.一字形矩形钢管-波折钢板组合墙(1)设计和实施方法，其特征在于：
过程一：工厂预制
构成上，包括矩形钢管柱(2)、波折钢板(3)和钢筋网片(4)，其中：矩形钢管柱(2)可通过冷弯成型或由钢板焊接成型；波折钢板(3)与两端矩形钢管(2)通过焊缝连接，沿波纹横向放置，波峰最外侧与矩形钢管外侧平齐；钢筋网片(4)由正交钢筋通过点焊或绑扎成型后，通过点焊将其竖向钢筋焊接于波折钢板(3)内侧；将矩形钢管柱(2)、波折钢板(3)、钢筋网片(4)在工厂制作拼装形成组合墙骨架；
过程二：现场安装和浇筑
实施时，矩形钢管柱(2)、波折钢板(3)、钢筋网片(4)在工厂制作拼装形成组合墙骨架之后整体运输至施工现场，浇筑混凝土5：所述内填混凝土(5)浇筑于矩形钢管(2)以及两侧带钢筋网片(4)的波折钢板(3)所形成的空腔内部，形成一字形矩形钢管-波折钢板组合墙，既作为组合墙体的承载部件，又可作为现场浇筑混凝土的模板，提高组合墙体的制作效率；
过程三：抗火处理
矩形钢管混凝土柱同时承担竖向和水平荷载，按国家相关规范的要求进行抗火设计及防火保护；波折钢板不承受竖向荷载，按规范要求，不需做防火保护。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，获得的一字形矩形钢管-波折钢板组合墙(1)：
连接及位置关系上，矩形钢管混凝土柱(2)位于一字形组合墙体端部，通过波折钢板(3)与两端矩形钢管混凝土柱(2)通过焊缝连接，从而形成整体组合墙体；将钢筋网片(4)的纵向钢筋通过间隔点焊与波折钢板(3)连接，与波折钢板(3)形成整体后与矩形钢管(2)进行焊接；上下层墙体的端部矩形钢(3)管通过焊接连接，钢筋网片(4)的竖向钢筋仅需搭接，保障力学性能的同时，可简化上下层组合墙体间构造，有效提高现场施工安装效率。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，获得的一字形矩形钢管-波折钢板组合墙(1)：
受力及功能设计上，其中波折钢板(3)沿波纹横向放置，仅承担水平荷载；波折钢板兼具组合墙横向受力钢筋和混凝土浇筑模板的作用，发挥波折钢板平面外刚度大的优势，降低结构整体用钢量；其中钢筋网片(4)的纵向钢筋与波折钢板(3)内侧波峰通过点焊进行连接，用作波折钢板-钢筋混凝土剪力的纵横向受力钢筋；其中矩形钢管混凝土柱(2)应用高强钢和高强混凝土后，进一步提高和保证组合墙的竖向承载能力；矩形钢管混凝土柱(2)兼作一字形组合剪力墙的边缘构件，有效提高了组合墙共同工作性能，改善了组合墙体抗震性能。
4.一种由权利要求1至3任一设计方法构筑的一字形矩形钢管-波折钢板组合墙(1)，应用于剪力墙结构中的一字形剪力墙。
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