CN117090345A - 一种带螺旋加劲板的钢-超高韧性混凝土轻型化组合柱及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带螺旋加劲板的钢‑超高韧性混凝土轻型化组合柱及施工方法，由空心钢管，PBL螺旋加劲肋，钢筋，现浇超高韧性混凝土组成。该组合柱为空心结构，具有轻型化的特点，可广泛应用于大跨桥梁、建筑结构，和海洋结构中。本发明提出的螺旋加劲肋，为带孔洞的螺旋钢板，孔洞可供钢筋穿过。通过螺旋加劲肋的钢筋之间的相互配合，可实现结构的抗剪连接作用和对超高韧性混凝土的横向约束，显著提升结构的组合效应。同时，螺旋加劲肋还能起到抗拔作用，可防止空心钢管向内屈曲。该构造以超高韧性混凝土作为外包层。提高结构的耐火性，韧性，耐腐蚀能力，可广泛应用为长期潮湿环境下的承压结构。
Description
技术领域
本发明涉及结构工程技术领域，具体涉及一种带螺旋加劲板的钢-超高韧性混凝土轻型化组合柱及施工方法。
背景技术
随着科技和经济的发展，中国的城市化进程大大加快。土地资源逐渐变得紧张，城市建筑也逐渐从高占地、质量轻的横向排列转变为低占地、质量重的纵向排列。建筑物不断的高层化、大跨化，使梁、柱承担的荷载越来越大，受力情况也更加复杂，对构件的承载能力和延性等提出了更高的标准和要求。而钢管混凝土柱和钢-混凝土组合柱作为两种常用的竖向承载构件，由于其承载力高、延性佳、等特点，在大跨度桥梁、城市立交、高层及超高层建筑、地铁车站、海洋平台等工程中得到了广泛应用，并取得了良好的经济和社会效益。
但是钢管混凝土柱和钢-混凝土组合柱也有不足之处：
(1)钢管混凝土柱中，如果钢管的厚度较小，宽厚比较大，很容易形成薄壁结构，在这种情况下，钢管很容易产生局部的屈曲，从而使约束性能下降，从而降低承载力和延性。此外钢管混凝土结构外层钢管与外界环境接触，容易发生锈蚀而导致耐久性问题，且耐火性能也不佳。
(2)钢-混凝土组合中，常以栓钉作为组合结构的抗剪连接件，栓钉需要焊接在钢结构上，使得现场施工难度大，施工质量难以保证。且大量的焊接工作使得钢结构产生较大的残余应力，也降低的结构的抗疲劳性能。此外钢-混凝土组合结构的自重也较大，难以适用于海洋平台柱脚，大跨度桥梁桥墩等轻型化应用场景。
发明内容
针对传统钢管混凝土柱和钢-混凝土组合柱存在的问题，本发明提出了一种带螺旋加劲板的钢-超高韧性混凝土轻型化组合柱及施工方法。
一种带螺旋加劲板的钢-超高韧性混凝土轻型化组合柱，包括空心钢管，PBL螺旋加劲肋，钢筋，现浇超高韧性混凝土：
所述空心钢管，厚度为6-50mm，内部可填充混凝土，适用于民用建筑、大跨度桥梁、海洋平台等结构。
所述Perfobond leisten(PBL)螺旋加劲肋，为带孔的钢板，钢板的宽度为30mm-100mm。
所述PBL螺旋加劲肋的连接方法为焊接角焊缝，每条PBL螺旋加劲肋需要2道角焊缝。
所述PBL螺旋加劲肋的布置方式，是将其长边沿着所述空心钢管螺旋焊接，并保持PBL螺旋加劲肋垂直于所述空心钢管。
所述PBL螺旋加劲肋的焊接范围，可以与所述空心钢管混凝土等长，也可在所述空心钢管两端预留50mm-500mm的长度范围不焊接PBL螺旋加劲肋。
所述PBL板的孔洞可供钢筋穿过。开孔位置为PBL板宽度方向中间位置，同时需要保证开孔点与PBL板边缘最小距离为10mm、开孔形状为圆形、开孔直径为20mm-80mm、开孔间距为200mm-1000mm。
进一步的，所述PBL螺旋加劲肋，在本发明中可被改进为锯齿状。
所述锯齿状PBL螺旋加劲肋，需在其凸起处打孔，供钢筋穿过。
所述锯齿状PBL螺旋加劲肋，通过一块矩形钢板分割得到。沿着一块矩形钢板中部按照锯齿状切割得到两块锯齿状钢板，在锯齿状钢板凸起处打孔形成锯齿状PBL螺旋加劲肋。
所述锯齿状PBL螺旋加劲肋，在施工时，需将锯齿状一端朝外，将平整一端焊接在空心钢管上。
所述钢筋，指纵筋，布置间距为100-600mm。本发明中，由于PBL螺旋加劲肋和纵筋的特殊布置，纵筋可以起到对混凝土有效的横向约束作用。因此本发明提出的组合柱无需布置箍筋，仅需布置纵筋。施工时需将纵筋穿入PBL螺旋加劲肋预留的孔洞中。
所述现浇超高韧性混凝土，为本发明提出的组合柱结构的外包层，施工方式为现场浇筑和喷射。
所述的超高韧性混凝土，成分包括水泥、活性矿物掺合料、骨料、纤维和水，活性矿物掺合料包括粉煤灰、硅灰、粒化高炉矿渣、偏高岭土，骨料最大粒径不超过0.5mm，纤维采用聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维中的一种或一种以上的组合，纤维长度为5mm～25mm，直径为0.015mm～0.055mm，弹性模量为30GPa～150GPa，抗拉强度为1000MPa～3500MPa。
极限拉伸应变可达3.2％(约为混凝土的320倍)，极限拉伸应变时对应的裂缝宽度为0.049mm；抗弯强度为12.8MPa(约为混凝土的2倍)，单轴抗压强度为48MPa，对应峰值荷载的压应变为0.55％(约为混凝土的2倍)。
本发明采用的超高韧性混凝土，包括水泥、活性矿物掺合料、骨料、增强纤维和水，其中，水泥和活性矿物掺合料采用以下重量百分比的原料：
与现有技术相比，本发明的主要优点是：
(1)采用的超高韧性混凝土受压承载力高，受拉展现出应变硬化特征，并且极限拉应变可稳定达到3％以上，且在极限拉应变下只出现致密分布的多条细裂纹，可有效阻隔钢材与外部环境，防止钢材锈蚀，改善组合柱的韧性、耐腐蚀性和耐久性。
(2)本构造采用空心钢管外包超高韧性混凝土的形式，自重轻，在海洋结构、大跨桥梁结构等对结构自重要求严格的应用场景有很大优势。
(3)在钢管的外层浇筑了超高韧性混凝土，其不仅提升结构耐久性，还增加了结构的刚度和承载力。
(4)当本发明中提出的轻型化韧性组合柱，外围的混凝土能有效防止钢管向外屈曲。同时，由于PBL螺旋加劲肋和纵筋的组合作用，使钢管向内变形也受到约束，即PBL螺旋加劲肋实际起到了抗剪和抗拔两种作用。由此，钢管向内和向外屈曲都得到了有效约束，本构造可显著提升钢管防屈曲能力，进而增强原结构的承载能力。
(5)PBL螺旋加劲肋能起到抗剪作用，增强结构的组合效应。
(6)PBL螺旋加劲肋与纵筋相互配合，能对外围混凝土起到有效的横向约束作用，使得结构免去配置箍筋，减少了用钢量。同时，PBL螺旋加劲肋焊接方便，焊缝少，现场施工便捷高效，显著降低劳动力成本并提升施工效率。且由于焊接部分减少，本构造可显著改善结构的疲劳性能。
(7)本发明中提出的锯齿状PBL螺旋加劲肋，可在工厂中由一块钢板切割，一分为二后打孔得到。制作方便，不浪费材料。
(8)本发明中提出的锯齿状PBL螺旋加劲肋，将PBL板的一端切割成多段，削弱了PBL板的面内截面刚度，更易面内弯曲，使得螺旋焊接时更加便利。
(9)本发明中提出的构造，无需布置箍筋，可省去传统箍筋要现场绑扎的工序。仅需将纵筋穿过PBL螺旋加劲肋中预留的孔洞，施工方便。
附图说明
图1-1为PBL螺旋加劲肋示意图；
图1-2为锯齿状PBL螺旋加劲肋示意图；
图2-1为锯齿状PBL螺旋加劲肋制造步骤1：切割矩形板；
图2-2为锯齿状PBL螺旋加劲肋制造步骤2：在锯齿状PBL连接板的凸起处打孔；
图2-3为锯齿状PBL螺旋加劲肋制造步骤3：分割得到两块锯齿状PBL螺旋加劲肋；
图3-1为带螺旋加劲板的钢-超高韧性混凝土轻型化组合柱示意图；
图3-2为带锯齿状PBL螺旋加劲肋的钢-超高韧性混凝土轻型组合柱截面图。
具体实施方式
下面结合附图，详细说明本发明的实施方式。一种带螺旋加劲肋的钢-超高韧性混凝土轻型组合柱，包括以下组成或加工部件：
空心钢管1；
PBL螺旋加劲肋2；
PBL螺旋加劲肋中的孔洞3；
矩形钢板4
锯齿状PBL螺旋加劲肋5；
锯齿状PBL中的孔洞6；
纵筋7；
外围超高韧性混凝土8；
一种带螺旋加劲板的钢-超高韧性混凝土轻型化组合柱，制作施工顺序如下：
(1)工厂预制PBL板。如图1-1所示，工厂中在矩形钢板4中部打孔形成PBL螺旋加劲肋2。
当结构采用锯齿状PBL螺旋加劲肋5时，工厂预制PBL板的步骤为：
如图2-1所示，在工厂中将矩形钢板4沿着中间部位呈锯齿状切开。
如图2-2所示，在矩形钢板4被切割后的凸起处打上孔洞6。
如图2-3所示，将矩形钢板4沿着切割缝分开得到两块锯齿状PBL板。
(2)将预制的PBL螺旋加劲肋和浇筑混凝土所需模板运输至施工现场；
(3)焊接PBL螺旋加劲肋。如图3-1所示，将PBL螺旋加劲肋2，沿着空心钢管1的纵向螺旋焊接。PBL螺旋加劲肋需要在底部两侧焊接两道焊缝。若采用锯齿状PBL螺旋加劲肋5，则需要将锯齿状PBL螺旋加劲肋5，沿着空心钢管1的纵向螺旋焊接。图3-2为布置完锯齿状PBL螺旋加劲肋5后的组合柱截面图；
(4)布置纵筋。如图3-1所示，将纵筋沿着PBL螺旋加劲肋的孔洞穿过。
(5)在焊接、布筋后的组合柱外围支模，浇筑超高韧性混凝土；
本发明采用的超高韧性混凝土，其成分包括水泥、活性矿物掺合料、骨料、纤维和水，活性矿物掺合料包括粉煤灰、硅灰、粒化高炉矿渣、偏高岭土，骨料最大粒径不超过0.5mm，纤维采用聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维中的一种或一种以上的组合，纤维长度为5mm～25mm，直径为0.015mm～0.055mm，弹性模量为30GPa～150GPa，抗拉强度为1000MPa～3500MPa，极限伸长率为2％～15％，水泥和活性矿物掺合料各组分的重量比为：
对于上述配合比下获得的超高韧性混凝土的性能测试表明，其极限拉伸应变可达3.2％(约为混凝土的320倍)，极限拉伸应变时对应的裂缝宽度为0.049mm；抗弯强度为12.8MPa(约为混凝土的2倍)，单轴抗压强度为48MPa，对应峰值荷载的压应变为0.55％(约为混凝土的2倍)。
Claims (10)
1.一种带螺旋加劲板的钢-超高韧性混凝土轻型化组合柱，其特征在于，包括：
空心钢管；
环绕所述空心钢管外壁设置的PBL螺旋加劲肋；
穿设在所述PBL螺旋加劲肋上的纵筋；
以及浇筑在所述PBL螺旋加劲肋和纵筋上的混凝土。
2.根据权利要求1所述的带螺旋加劲板的钢-超高韧性混凝土轻型化组合柱，其特征在于，所述的空心钢管的厚度为6-50mm，内部填充混凝土。
3.根据权利要求1所述的带螺旋加劲板的钢-超高韧性混凝土轻型化组合柱，其特征在于，所述的PBL螺旋加劲肋为带孔的钢板，钢板的宽度为30mm-100mm。
4.根据权利要求1所述的带螺旋加劲板的钢-超高韧性混凝土轻型化组合柱，其特征在于，所述的PBL螺旋加劲肋与所述空心钢管的连接方法为焊接角焊缝，每条PBL螺旋加劲肋需要2道角焊缝。
5.根据权利要求1所述的带螺旋加劲板的钢-超高韧性混凝土轻型化组合柱，其特征在于，所述的PBL螺旋加劲肋的布置方式为PBL螺旋加劲肋的长边沿着所述空心钢管螺旋焊接，并保持所述PBL螺旋加劲肋垂直于所述空心钢管。
6.根据权利要求1所述的带螺旋加劲板的钢-超高韧性混凝土轻型化组合柱，其特征在于，所述的PBL螺旋加劲肋的开孔位置为PBL板宽度方向中间位置，开孔形状为圆形、开孔直径为20mm-80mm、开孔间距为200mm-1000mm。
7.根据权利要求1所述的带螺旋加劲板的钢-超高韧性混凝土轻型化组合柱，其特征在于，所述的PBL螺旋加劲肋为锯齿状。
8.根据权利要求1所述的带螺旋加劲板的钢-超高韧性混凝土轻型化组合柱，其特征在于，所述纵筋布置间距为100-600mm，将纵筋穿入所述PBL螺旋加劲肋预留的孔洞中。
9.根据权利要求1所述的带螺旋加劲板的钢-超高韧性混凝土轻型化组合柱，其特征在于，所述的混凝土为超高韧性混凝土，成分包括水泥、活性矿物掺合料、骨料、纤维和水，活性矿物掺合料包括粉煤灰、硅灰、粒化高炉矿渣、偏高岭土，纤维采用聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维中的一种或两种以上的组合。
10.根据权利要求1所述的带螺旋加劲板的钢-超高韧性混凝土轻型化组合柱的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)工厂预制PBL螺旋加劲肋或锯齿状PBL螺旋加劲肋；
(2)将预制的PBL螺旋加劲肋和浇筑混凝土所需模板运输至施工现场；
(3)焊接PBL螺旋加劲肋或锯齿状PBL螺旋加劲肋，将PBL螺旋加劲肋，沿着空心钢管的纵向螺旋焊接，PBL螺旋加劲肋需要在底部焊接两道焊缝；
(4)将纵筋穿入PBL螺旋加劲肋预留的孔洞中；
(5)在焊接、布筋后的组合柱外围支模，浇筑混凝土。
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| CN (1) | CN117090345A (zh) |
-
2023
- 2023-09-26 CN CN202311258538.8A patent/CN117090345A/zh active Pending
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