CN116005888B - 一种十字板连接的钢管缀板柱 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种十字板连接的钢管缀板柱，属于结构工程技术领域。该钢管缀板柱由四个圆钢管柱肢件通过十字缀板焊接连接组成；所述的四个圆钢管柱肢件的外周壁分别焊接在所述十字缀板的四个自由端的端部；所述的圆钢管柱肢件采用空心圆钢管构件、圆钢管混凝土构件和/或劲性圆钢管混凝土构件；所述的圆钢管柱肢件中的圆钢管柱采用无缝圆钢管或焊接圆钢管；所述的十字缀板为十字形钢板；所述的圆钢管混凝土构件由外部的圆钢管和浇筑在圆钢管内的混凝土组成；所述的劲性圆钢管混凝土构件由内置的十字形钢柱、外部的圆钢管和十字形钢柱与圆钢管之间浇筑的混凝土组成。
Description
技术领域
本发明涉及结构工程技术领域，具体涉及一种十字板连接的钢管缀板柱。
背景技术
以下内容仅代表发明人掌握的背景技术，并非社会公众能够随时获得的现有技术。
随着技术的日益进步，格构式钢结构柱已经广泛应用于工业建筑和公共建筑中。目前常用的格构式柱通常由两个或四个肢件组成，由焊接在其截面外侧的缀材将它们连接为整体，肢件通常为槽钢、工形钢(双肢格构柱)或L形钢(四肢格构柱)，缀材有缀条和缀板两种，一般采用单角钢作为缀条，采用平面钢板作为缀板。在建筑结构中，格构柱通常用于抵抗由于重力作用而产生的压力并同时作为抵抗风荷载和地震作用的抗侧力构件。与实腹式截面柱相比，格构式柱截面更加开展，所获得的抗弯惯性矩更大，材料利用率更高。
然而，对于格构柱来说，当弯矩方向绕格构柱虚轴时，剪力要由比较柔弱的缀材承担或是柱肢也参与承担，剪切变形大，而导致构件产生较大的附加变形，随着结构高度的增高，这种附加变形将对结构的稳定性能起到较大的削弱作用，从而对构件的承载性能造成较大的影响。除了构件整体稳定需要考虑外，柱肢的初始缺陷和失稳也是一个不可忽视的问题。由于初始弯曲的存在，格构柱中不同肢件容易承受不同的压力，当承受压力大的肢件发生失稳时，其刚度迅速退化，造成整体挠度迅速增加，更进一步加剧两肢件内力的不均匀性。这种局部和整体的相互作用将使构件整体的承载力比不考虑这种相互作用显著下降。
幸运的是，理论和实践充分证明，钢管混凝土结构具有优越的力学性能，一方面，由于圆钢管对核心混凝土的“套箍作用”，核心混凝土通常处于三向受压状态，其强度得到明显提升，脆性也得到显著改善；另一方面，钢管也受到混凝土的单向约束，其局部屈曲得到了有效遏制，显著提高了钢管的承载性能。大量试验还表明，钢管混凝土结构具有良好的抗震性能，在往复荷载下，滞回曲线饱满，无明显捏拢现象。在火灾工况下，由于核心区混凝土的填充和吸热功能，外部钢管更难达到软化温度，提高了结构的抗火能力。在施工过程中，圆钢管可以充当混凝土模板，使得整个结构建造节约了模板和支模过程，大大缩短了施工成本和施工时间。在减轻结构自重和增加建筑可用空间方面，钢管混凝土结构也表现出了优于纯混凝土结构的优势。
发明内容
为了解决传统钢结构格构柱的缺点并更大程度发扬钢管混凝土的优势，本发明提出一种十字板连接的钢管缀板柱，所述十字板连接的钢管缀板柱是对现有格构式钢结构的革新，能极大地改善格构柱柱肢稳定和整体稳定承载力，从而拓宽格构式柱在高柱结构中应用。
本发明提出了一种十字板连接的钢管缀板柱，所述的十字板连接的钢管缀板柱由四个圆钢管柱肢件通过十字缀板焊接连接组成；所述的四个圆钢管柱肢件的外周壁分别焊接在所述十字缀板的四个自由端的端部；所述的圆钢管柱肢件采用空心圆钢管构件、圆钢管混凝土构件和/或劲性圆钢管混凝土构件。
优选地，所述的圆钢管柱肢件中的圆钢管柱采用无缝圆钢管或焊接圆钢管。
优选地，所述的十字缀板为十字形钢板。
优选地，所述的圆钢管混凝土构件由外部的圆钢管和浇筑在圆钢管内的混凝土组成。
优选地，所述的劲性圆钢管混凝土构件由内置的十字形钢柱、外部的圆钢管和十字形钢柱与圆钢管之间浇筑的混凝土组成。
优选地，所述十字缀板的第一自由端的端部与第三自由端的端部之间的距离等于所述十字缀板的第二自由端的端部和第四自由端的端部之间的距离。
优选地，所述的四个圆钢管柱肢件的圆钢管柱的内径相同。
优选地，所述的四个圆钢管柱肢件的圆钢管柱的管壁壁厚相同。
优选地，定义所述十字缀板的第一自由端的端部与第三自由端的端部之间的距离为L，所述十字缀板的第二自由端的端部和第四自由端的端部之间的距离同样为L，所述十字缀板的高度为h2，厚度为t2，十字缀板的间距为h1，四个圆钢管柱肢件的圆钢管柱的半径均为R，四个圆钢管柱肢件的圆钢管柱的管壁壁厚为t1，所述十字板连接的钢管缀板柱的高度为h，所述十字板连接的钢管缀板柱的承载力满足下面的承载力函数，相应地，对不同承载力需求下所述十字板连接的钢管缀板柱的尺寸设计也可依据下式进行；
式中，Nu为所述十字板连接的钢管缀板柱的轴压稳定承载力，Ny为四个圆钢管柱肢件全截面屈服的承载力之和，I1为单个圆钢管柱肢的惯性矩，I为四个圆钢管柱组合截面沿对称轴的惯性矩，E为材料弹性模量，为圆钢管混凝土构件或劲性圆钢管混凝土构件折算的复合材料的等效弹性模量。相关工程技术人员可以根据本专业基本知识和相应材料参数很容易计算得到Ny、I1、I、/>
本发明还提供一种十字板连接的钢管缀板柱的安装方法，包括以下步骤：
第一步、在工厂完成圆钢管柱肢件和十字缀板的制作，并运往施工现场，如果采用圆钢管混凝土构件或劲性圆钢管混凝土构件，混凝土浇筑工作在工厂完成或在施工现场现浇完成；
第二步、将圆钢管柱摆放在规定位置，并按照要求完成圆钢管柱肢件和十字缀板的焊接。
有益效果
与现有技术相比，本发明所述的十字板连接的钢管缀板柱在高柱结构的施工与设计中有较大的经济效益，其有益效果是：
(1)圆钢管比传统四肢钢格构柱中的L形钢具有更大的惯性矩，十字形缀板也比传统的缀条或缀板具有更高的刚度，构件整体的剪切变形将被减弱，从而获得更优的承载性能。
(2)圆钢管柱，尤其对于圆钢管混凝土柱和劲性圆钢管混凝土柱，由于钢材与混凝土的协同作用，肢件稳定承载力更为优越，由于肢件之间的紧密连接使得整体稳定承载力大大提高。
(3)圆钢管混凝土柱或劲性圆钢管混凝土柱位于截面外围，钢管混凝土结构强度高的优势能够得到更有效的发挥，从而大大提高了构件整体的承载力。
(4)十字板连接的钢管缀板柱两个方向的惯性矩相同，不存在明显的弱轴。
(5)圆钢管、工形型钢、十字形钢板均可实现工厂预制、现场组装的施工方法，圆钢管还可以作为混凝土的模板，大大节约了劳动力成本和施工时间。
(6)圆钢管柱截面曲线优美，其优越的承载性能还可以使该构件更加细长，特别适合于高柱结构，从而营造更加美观简约的建筑效果。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的具体实施方式一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1是十字板连接的空心圆钢管缀板柱的正视图。
图2是图1中十字板连接的空心圆钢管缀板柱的A-A方向的剖面图。
图3是十字板连接的圆钢管混凝土缀板柱的正视图。
图4是图3中十字板连接的圆钢管混凝土缀板柱的A-A方向的剖面图。
图5是十字板连接的劲性圆钢管混凝土缀板柱的正视图。
图6是图5中十字板连接的劲性圆钢管混凝土缀板柱的A-A方向的剖面图。
图7是十字缀板的结构示意图。
图8是数值仿真结果与本申请所提出设计公式的对比图。
图9是四只无缀板钢管柱与本申请所提出的十字板连接的钢管缀板柱轴压稳定承载力的对比图。
具体实施方式
在下文中更详细地描述了本发明以有助于对本发明的理解。
如图1至图6所示，本发明所述的十字板连接的钢管缀板柱由四个圆钢管柱肢件通过十字缀板2焊接连接组成；所述的四个圆钢管柱肢件的外周壁分别焊接在所述十字缀板的四个自由端的端部；所述的圆钢管柱肢件可采用空心圆钢管构件1-1、圆钢管混凝土构件1-2和/或劲性圆钢管混凝土构件1-3，其中所述的圆钢管柱肢件中的圆钢管柱可采用无缝圆钢管或焊接圆钢管。
所述的十字缀板2为十字形钢板。
如图4所示，所述的圆钢管混凝土构件由外部的圆钢管和浇筑在圆钢管内的混凝土组成。
如图6所示，所述劲性圆钢管混凝土构件由内置十字形钢柱、外部圆钢管和十字形钢柱与圆钢管之间浇筑的混凝土组成。
本发明还提供一种十字板连接的钢管缀板柱的安装方法，包括以下步骤：
第一步、在工厂完成圆钢管柱肢件和十字缀板的制作，并运往施工现场，如果采用圆钢管混凝土构件或劲性圆钢管混凝土构件，混凝土浇筑工作可在工厂完成或在施工现场现浇完成，但推荐在工厂完成浇筑；
第二步、将圆钢管柱摆放在规定位置，并按照要求完成圆钢管柱肢件和十字缀板的焊接。
本发明所述的十字板连接的钢管缀板柱具有承载性能优、用钢量小、美观大方、标准化加工、生产方便以及便于运输与现场安装的特点，适合于高柱结构。
在一个优选的实施例中，如图7所示，十字缀板2的四个自由端包括第一自由端21、第二自由端22、第三自由端23和第四自由端24，第一自由端21、第二自由端22、第三自由端23和第四自由端24的端部各自分别焊接一个圆钢管柱肢件的外周壁，形成所述的十字板连接的钢管缀板柱。
优选地，定义所述十字缀板的第一自由端的端部与第三自由端的端部之间的距离为L，所述十字缀板的第二自由端的端部和第四自由端的端部之间的距离同样为L，所述十字缀板的高度为h2，厚度为t2，十字缀板的间距为h1，四个圆钢管柱肢件的圆钢管柱的半径均为R(内径与外径平均值的一半)，四个圆钢管柱肢件的圆钢管柱的管壁壁厚为t1，所述十字板连接的钢管缀板柱的高度为h，其中，R、L、h2、h1、t1、t2的单位相同(例如都为米，或者都为厘米)。
现实行的《钢结构设计标准(GB50017-2017)》(以下简称为《标准》)采用换算长细比法计算传统格构式钢结构柱的轴压稳定承载力，但《标准》中的方法仅适用于缀板线刚度大于分支线刚度的6倍的工况。对于本申请设计的十字板连接的钢管缀板柱来说，在不满足缀板线刚度大于分支线刚度的6倍时，依旧可以获得较优的承载力，传统方法不能准确的确定本发明所述的十字板连接的钢管缀板柱的承载力。
为了更好的衡量本发明所述的十字板连接的钢管缀板柱的承载力，申请人进行了大量的试验并积累了大量的试验数据，在理论分析和数值仿真的基础上，申请人得到了可以更加准确的预测所述的十字板连接的钢管缀板柱的轴压稳定承载力的设计方法，并得到了如下式所示的承载力函数。图8展示了该承载力函数与数值仿真结果的对比图。
式中，Nu为所述十字板连接的钢管缀板柱的轴压稳定承载力，Ny为四个圆钢管柱肢件全截面屈服的承载力之和，I1为单个圆钢管柱肢的惯性矩，I为四个圆钢管柱组合截面沿对称轴的惯性矩，E为材料弹性模量，对于圆钢管混凝土构件或劲性圆钢管混凝土构件需要代入折算的复合材料的等效弹性模量相关工程技术人员可以根据本专业基本知识和相应材料参数很容易计算得到Ny、I1、I、/>
需要指出的是，上式所涉及的物理量(R、L、h2、h1、t1、t2、E、h)需要保持量纲的一致性，即同取米或同取厘米。
图9针对某一工程案例，对比了采用相同空心圆钢管(R＝0.15m,t1＝0.02mm,钢材屈服强度fy＝355MPa)的四只无缀板圆钢管柱与本专利提出的十字缀板连接的钢管缀板柱的承载力。图9的横坐标为单根钢管柱的长细比λ1，λ1定义为单根圆钢管的长度h与其回转半径i1的比值，纵坐标为稳定系数定义为四只无缀板圆钢管柱或本申请提出的十字缀板连接的钢管缀板柱的稳定承载力Nu与其全截面屈服的承载力Ny的比值。本例中涉及的十字缀板连接的钢管缀板柱的缀板统一取高度h2＝0.5m，厚度t2＝0.03m，宽度L＝0.186m，缀板之间的间距统一取h1＝1.2m。图9中，四只无缀板圆钢管的轴压稳定承载力为单根圆钢管轴压稳定承载力的四倍，单根圆钢管的承载力按照《标准》的传统设计方法计算，十字缀板连接的钢管缀板柱的轴压稳定承载力按照本申请所给出的设计方法(即承载力函数)计算。由图可见，本申请提出的十字缀板连接的钢管缀板柱可以在用钢量仅增加5～7％的情况下，将结构的承载力提高两到三倍。
以上描述了本发明优选实施方式，然其并非用以限定本发明。本领域技术人员对在此公开的实施方案可进行并不偏离本发明范畴和精神的改进和变化。
Claims (9)
1.一种十字板连接的钢管缀板柱，其特征在于，所述的十字板连接的钢管缀板柱由四个圆钢管柱肢件通过十字缀板焊接连接组成；所述的四个圆钢管柱肢件的外周壁分别焊接在所述十字缀板的四个自由端的端部；所述的圆钢管柱肢件采用空心圆钢管构件、圆钢管混凝土构件和/或劲性圆钢管混凝土构件；
定义所述十字缀板的第一自由端的端部与第三自由端的端部之间的距离为L，所述十字缀板的第二自由端的端部和第四自由端的端部之间的距离同样为L，所述十字缀板的高度为h2，厚度为t2，十字缀板的间距为h1，四个圆钢管柱肢件的圆钢管柱的半径均为R，四个圆钢管柱肢件的圆钢管柱的管壁壁厚为t1，所述十字板连接的钢管缀板柱的高度为h，所述十字板连接的钢管缀板柱的承载力满足下面的承载力函数：
式中，Nu为所述十字板连接的钢管缀板柱的轴压稳定承载力，Ny为四个圆钢管柱肢件全截面屈服的承载力之和，I1为单个圆钢管柱肢的惯性矩，I为四个圆钢管柱组合截面沿对称轴的惯性矩，E为材料弹性模量，为圆钢管混凝土构件或劲性圆钢管混凝土构件折算的复合材料的等效弹性模量。
2.根据权利要求1所述的十字板连接的钢管缀板柱，其特征在于，所述的圆钢管柱肢件中的圆钢管柱采用无缝圆钢管或焊接圆钢管。
3.根据权利要求1所述的十字板连接的钢管缀板柱，其特征在于，所述的十字缀板为十字形钢板。
4.根据权利要求1所述的十字板连接的钢管缀板柱，其特征在于，所述的圆钢管混凝土构件由外部的圆钢管和浇筑在圆钢管内的混凝土组成。
5.根据权利要求1所述的十字板连接的钢管缀板柱，其特征在于，所述的劲性圆钢管混凝土构件由内置的十字形钢柱、外部的圆钢管和十字形钢柱与圆钢管之间浇筑的混凝土组成。
6.根据权利要求1所述的十字板连接的钢管缀板柱，其特征在于，所述十字缀板的第一自由端的端部与第三自由端的端部之间的距离等于所述十字缀板的第二自由端的端部和第四自由端的端部之间的距离。
7.根据权利要求1所述的十字板连接的钢管缀板柱，其特征在于，所述的四个圆钢管柱肢件的圆钢管柱的内径相同。
8.根据权利要求1所述的十字板连接的钢管缀板柱，其特征在于，所述的四个圆钢管柱肢件的圆钢管柱的管壁壁厚相同。
9.根据权利要求1至8任一项所述的十字板连接的钢管缀板柱的安装方法，包括以下步骤：
第一步、在工厂完成圆钢管柱肢件和十字缀板的制作，并运往施工现场，如果采用圆钢管混凝土构件或劲性圆钢管混凝土构件，混凝土浇筑工作在工厂完成或在施工现场现浇完成；
第二步、将圆钢管柱摆放在规定位置，并按照要求完成圆钢管柱肢件和十字缀板的焊接。
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