CN117248684A - 一种承载防护一体化组合梁及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种承载防护一体化组合梁及其加工方法，属于建筑结构技术领域。本发明包括相对设置的两组钢板‑混凝土叠合构件，所述的钢板‑混凝土叠合构件包括型钢构件以及设置在型钢构件上的预制混凝土层，两个型钢构件之间通过箍筋进行连接，并后浇核心混凝土。本发明的组合梁在中部不设置腹板，采用间隔设置的箍筋抵抗剪力，上下型钢构件抵抗弯矩，由此优化了材料及受力分布，降低了用钢量，减少了成本。同时，通过预制混凝土层的设置，可有效隔绝型钢构件外侧与外界环境的接触，显著增加构件的耐久性及耐腐蚀性，可满足在设计使用年限内免维护的需求。
Description
技术领域
本发明属于建筑结构技术领域，更具体地说，涉及一种承载防护一体化组合梁及其加工方法。
背景技术
组合梁是钢梁和混凝土板通过抗剪连接件连成整体而共同受力的横向承重构件，能够充分发挥钢材抗拉、混凝土抗压性能好的优点，具有承载力高、刚度大、抗震和动力性能好、构件截面尺寸小、施工方便等优点。
传统的组合梁一般采用H型钢梁，其核心H型钢腹板一般通长布置，抗剪承载力富余量可能较大，导致抗剪与抗弯区域材料分布不合理。同时，传统的组合梁用钢量较大，成本较高。
经检索，中国专利公开号为CN 116341082 A的申请案，公开了一种预埋剪力槽的钢-混组合梁及其抗剪分析方法。该申请案的组合梁包括混凝土层，混凝土层呈矩阵交错排布有栓钉和钢筋，栓钉用于将混凝土层与下方的钢梁相固定，钢筋用于将混凝土层与上方UHPC层相固定；混凝土层的顶面预埋有剪力槽，剪力槽用于增强与UHPC层的抗剪强度。该申请案通过混凝土层增加剪力槽，利用剪力槽、栓钉和钢筋共同作用，可增强UHPC-混凝土层界面抗剪能力。然而，该专利部分钢梁裸露在外，无法实现全寿期免维护。
又如，中国专利公开号为CN 116378309 A的申请案，公开了一种型钢混凝土组合梁及型钢混凝土组合梁抗弯设计方法。该申请案的型钢混凝土组合梁包括预制主体和浇筑主体，预制主体包括T型钢部、钢筋笼部和预制混凝土部；T型钢部包括腹板、翼缘和多个连接部分，连接部分设置于腹板的远离翼缘的连接端；腹板和钢筋笼的一部分埋设于预制混凝土部；预制混凝土部和浇筑主体为超高性能混凝土，浇筑主体与预制混凝土部连接，且钢筋笼的另一部分、连接部分和所述腹板的连接端均埋设用于浇筑主体内。该申请案虽然可以使型钢的抗拉强度充分发挥，提高型钢混凝土组合梁的耐久性能。但由于其核心型钢腹板均采用通长设计，相同用钢量下抗弯性能较差。
发明内容
1、要解决的问题
针对以上现有技术中存在的至少一些问题，本发明提出一种承载防护一体化组合梁及其加工方法，其目的在于解决现有的钢结构防护技术耐久性差，钢梁抗剪与抗弯区域材料分布不合理，从而导致抗剪承载力富余量较大，而抗弯性能不足的问题。
2、技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明的一种承载防护一体化组合梁，包括相对设置的两组钢板-混凝土叠合构件，所述的钢板-混凝土叠合构件包括型钢构件以及设置在型钢构件上的预制混凝土层，两个型钢构件之间通过箍筋进行连接，并后浇核心混凝土；其中，所述的箍筋用于抵抗组合梁所受剪力，上下型钢构件用于抵抗弯矩。
进一步地，所述的型钢构件为π型钢，且该π型钢的翼缘上开设有供箍筋穿过的穿筋孔。
进一步地，所述π型钢的腹板上设有抗剪连接件，该抗剪连接件用于连接预制混凝土层。
进一步地，所述π型钢与预制混凝土层之间为不完全抗剪连接，即n≤Vs/Nv c，其中，n为抗剪连接件布置数量，Vs为一个剪跨区段内钢与混凝土间的纵向剪力，Nv c为一个抗剪连接件的纵向抗剪承载力。
进一步地，还包括补焊钢板，所述的补焊钢板包括上补焊板、下补焊板以及连接上、下补焊板的补焊腹板，其中，所述的上、下补焊板分别设在对应型钢构件的端部。
进一步地，所述的补焊钢板上设置螺孔，用于和柱构件进行连接。
进一步地，所述的核心混凝土内预设连接板，且该连接板开设有螺孔，用于和次梁进行连接。
进一步地，所述的箍筋拐角处设有纵向筋，以形成钢筋骨架；所述的抗剪连接件为栓钉。
本发明还提供一种承载防护一体化组合梁的加工方法，包括以下步骤，
S1、在π型钢板一侧焊接抗剪连接件，形成带抗剪连接件的π型钢板构件；
S2、在抗剪连接件一侧支模，浇筑预制混凝土层并养护至设计强度，形成预制π型钢板-混凝土叠合构件；
S3、将两个叠合构件放置于模台上，用箍筋穿过π型钢板的孔洞，并将纵向筋绑扎在箍筋角部形成钢筋骨架；
S4、将补焊腹板与上、下补焊板定位并焊接；
S5、按照实际工程要求的构件尺寸支模，随后浇筑核心混凝土；
S6、蒸汽养护或自然养护至混凝土设计强度。
进一步地，当组合梁用于室内环境时，所述的预制混凝土层采用普通混凝土或再生混凝土，其包覆厚度为15～25mm；且该再生混凝土的强度不低于C20，不高于C50；
当组合梁用于环境较为恶劣的室外环境时，所述的预制混凝土层采用高性能水泥基材料，其包覆厚度为35～50mm。
3、有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的一种承载防护一体化组合梁，包括上下设置的两组钢板-混凝土叠合构件，该叠合构件包括型钢构件以及设置钢构件外侧的预制混凝土层，且上下两个型钢构件之间通过箍筋连接并后浇核心混凝土；本发明的组合梁在中部不设置腹板，采用间隔设置的箍筋抵抗剪力，上下型钢构件抵抗弯矩，由此优化了材料及受力分布，降低了用钢量，减少了成本。同时，通过预制混凝土层的设置，可有效隔绝型钢构件外侧与外界环境的接触，显著增加构件的耐久性及耐腐蚀性，可满足在设计使用年限内免维护的需求。
(2)本发明的一种承载防护一体化组合梁，通过内侧钢筋骨架与π型钢构建PBL抗剪连接键，可实现预制叠合构件与核心混凝土的共同工作，在构件达到极限状态时，π型钢也达到屈服，受力合理，力学概念明确；同时，π型钢与预制混凝土层间的组合作用可调，通过减小抗剪连接件的尺寸或增大其间距可使得二者间呈现不完全抗剪连接。与常规的完全抗剪连接相比，在相同荷载作用下可释放预制混凝土层内部应力，使其不易开裂，进一步增强构件的耐久性。
(3)本发明的一种承载防护一体化组合梁，钢板-混凝土叠合构件端部设置纯钢构件连接区域，纯钢构件连接区域由补焊钢板拼接而成，补焊区域的长度为钢梁在地震作用下的塑性铰区长度。这种设计，可以实现地震作用下由连接区域纯钢部件来抗震耗能，充分发挥纯钢部件延性好，抗震性能优越的优势。
(4)本发明的一种承载防护一体化组合梁，核心混凝土可采用再生混凝土材料，以提高工程垃圾综合处置能力、减少建造过程中的碳排放。
附图说明
图1为本发明的一种承载防护一体化组合梁的整体外观示意图；
图2为本发明的一种承载防护一体化组合梁的内部结构示意图；
图3为本发明中钢板-混凝土叠合构件的结构示意图；
图4为本发明中型钢构件的结构示意图；
图5为本发明的一种承载防护一体化组合梁的内部截面图；
图6为本发明中补焊钢板的结构示意图；
图7为本发明的一种承载防护一体化组合梁与次梁连接节点处的示意图。
图中：1、型钢构件；11、穿筋孔；2、箍筋；3、纵向筋；4、预制混凝土层；5、核心混凝土；6、端部包覆层；7、抗剪连接件；
8、补焊钢板；81、上补焊板；82、下补焊板；83、补焊腹板；9、连接板。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
实施例1
如图1、图2所示，本实施例的一种承载防护一体化组合梁，包括相对设置的两组钢板-混凝土叠合构件，所述的钢板-混凝土叠合构件包括型钢构件1以及设置在型钢构件1上的预制混凝土层4，两个型钢构件1之间通过箍筋2进行连接，并后浇核心混凝土5。
具体地，参考图3、图4、图5所示，所述的型钢构件1为π型钢，且该π型钢的翼缘上开设有供箍筋2穿过的穿筋孔11。所述π型钢板厚度及箍筋2的间距应根据设计计算确定，以满足完全抗剪连接的需要，在极限状态下π型钢可达到屈服。
所述预制混凝土层4与π型钢之间需要设置抗剪连接件7，该抗剪连接件7设置在π型钢的腹板上。优选地，所述的抗剪连接件7为栓钉，且该栓钉的的大小及间距根据设计需要确定。同时，所述的箍筋2拐角处还设有纵向筋3，以形成钢筋骨架。
另外，本实施例中，所述的预制混凝土层4与π型钢间可为不完全协同工作(即采用部分抗剪连接方式设置抗剪连接件)，由此可在设计荷载作用下释放预制混凝土层4所受应力，控制组合梁底部裂纹大小。
本实施例的一种承载防护一体化组合梁，通过钢筋骨架穿过π型钢上的穿筋孔11，构建PBL剪力键，使得钢-混凝土间可实现完全抗剪连接，充分发挥核心混凝土与π型钢板的力学性能，使二者能够共同工作，可满足高层建筑对高承载能力的要求。
实施例2
本实施例的一种承载防护一体化组合梁，其基本结构与实施例1相同，不同之处在于，在还包括补焊钢板8，且在该补焊钢板8区域后浇混凝土，以形成端部包覆层6。
具体地，参考图1、图6所示，所述的补焊钢板8包括上补焊板81、下补焊板82以及连接上、下补焊板的补焊腹板83。其中，所述的上、下补焊板分别设在对应型钢构件1的端部。
本实施例的一种承载防护一体化组合梁，通过在组合梁的端部设置纯钢构件连接区域，该纯钢构件连接区域由钢板拼接而成，补焊区域的长度为钢梁在地震作用下的塑性铰区长度，由设计指定，可以实现地震作用下由连接区域纯钢部件来抗震耗能，充分发挥纯钢部件延性好，抗震性能优越的优势。
另外，为了方便组合梁与柱构件之间的连接。所述的补焊钢板8上设置螺孔，组合梁与柱构件之间可以通过该螺孔利用高强螺栓予以连接。
如图7所示，所述的核心混凝土5内预设连接板9，且该连接板9上设有螺孔。其中，所述连接板9通过其端部的栓钉与组合梁进行连接。装配时，采用连接件9上的螺孔与次梁进行螺栓连接，以完成主次梁之间的快速装配。
本实施的一种承载防护一体化组合梁的加工方法，包括以下步骤：
1)采用切割、铣平、焊接、打孔等工艺将钢板原材加工制作成π型钢板；
2)在π型钢板一侧焊接抗剪连接件7，形成带抗剪连接件的π型钢板构件；
3)将π型钢板平放于地面上，在抗剪连接件7一侧支模并浇筑预制混凝土层5，随后并养护至设计强度，形成预制π型钢叠合构件；
4)将两个叠合构件水平放置于模台上，并用箍筋2穿过π型钢板的穿筋孔11；将纵向筋3绑扎在箍筋2角部形成钢筋骨架；
5)将补焊腹板8与上、下补焊板定位并焊接；
6)按照实际工程要求的构件尺寸支模，随后浇筑普通混凝土；
7)蒸汽养护或自然养护至混凝土设计强度。
实施例3
当组合梁用于室内环境时(《混凝土结构设计规范》GB50010中所规定的一类或二a类环境)，π型钢叠合构件可采用普通混凝土或再生混凝土，实现服役阶段对π型钢板外侧的包覆。这是由于在较好的环境下服役的构件对防腐的要求不高，而对耐火性由一定的要求。因此可根据普通混凝土与再生混凝土材料防腐性能一般，但抗火性能较好的优点，采用低成本的材料达到服役阶段对防腐防火涂装免维护的需求。包覆层的厚度可根据普通混凝土相关规范的规定，按照15～25mm进行设计。
此外，尽管再生混凝土材料性能比普通混凝土略差。但发明人试验研究发现，钢-再生混凝土组合板/梁承载力大致与钢-普通混凝土板/梁相当，降低幅度在5％以内，因此在实际工程中应用时也能够具备足够的强度。为便于实际工程应用，再生混凝土的强度需不低于C20，但不宜高于C50。
同时，根据发明人的研究，现提供一种再生混凝土的配比，其中，水180～200kg/m3、水泥450～500kg/m3、细粉煤灰(粒径在45微米以下)45～50kg/m3、天然粗骨料1050～1150kg/m3、天然细骨料550～680kg/m3、奈系减水剂掺量为水泥掺量的0.5％，即2.25～2.5kg/m3。
上述配比中再生粗、细骨料可采用体积取代或质量取代方式，结合再生骨料自身密度及所需取代率，将相应天然骨料组分质量换算成再生骨料组分质量。值得指出，上述配比中再生粗骨料采用饱和面干法进行预处理，再生细骨料采用预浸泡方式进行处理。且预浸泡水量为附加水量，不包含在配合比用水量内，其质量等于再生细骨料饱和吸水量与天然含水量之差的1.0倍。采用该方式可使得混凝土性能降低幅度可控，同时新拌混凝土坍落度不低于150mm，以保证其在实际工程中具有足够的和易性。
另外，为使再生混凝土在室内环境下具有致密的微观结构及足够的耐久性，其配制方法应能够封闭再生骨料表面微观孔隙，避免形成较宽的氯离子通路。本实施例中，采用四阶段拌合法进行配制：1)首先将所有骨料及1/3的水加入搅拌锅内，持续搅拌5min；2)将水泥放入，搅拌3min，使得大部分孔隙内的水与水泥发生反应，实现大孔隙的封闭；3)将细粉煤灰放入，搅拌3min，实现小孔隙的封闭；4)将剩余的水与减水剂依次掺入并搅拌5min，使减水剂充分反应，提高新拌混凝土和易性。同时，使用强制式搅拌机进行搅拌，叶片转速不宜低于20转/min，以保证混凝土拌合均匀。该混凝土在工厂浇筑完成后，可将其置于蒸压釜内进行养护，加速其硬化及微观结构成型。可在浇筑24h后放置入蒸压釜中缓慢升温至100摄氏度进行养护，养护过程中的压力选择为5-8个大气压，蒸压养护时间为48h。此时混凝土强度可达到其强度终值的80％以上，结构致密，在服役过程中即可实现全寿期免维护。
本实施例的一种承载防护一体化组合梁，π型钢叠合构件可采用再生混凝土材料，以提高工程垃圾综合处置能力、减少建造过程中的碳排放。同时，经过发明人研究发现，当采用上述方式配制的再生混凝土时，再生骨料的全取代对组合梁短期承载力的影响不超过6％，因此可将再生粗、细骨料取代率提高至100％，以最大程度地消耗建筑垃圾。此外，经研究发现，与普通混凝土相比，再生混凝土耐火性能较好，因此在组合梁内浇筑再生混凝土还可提高构件的抗火能力。
对采用上述方式的再生混凝土进行试验，试验结果见下表：
实施例4
当组合梁用于环境较为恶劣的室外环境时(《混凝土结构设计规范》GB50010中所规定的二b类至三b类环境)，π型钢叠合构件可采用高性能水泥基材料(超高强混凝土、活性粉末混凝土、纤维增强混凝土等)，以保证在恶劣环境下构件的抗腐蚀能力。包覆层的厚度可根据普通混凝土相关规范的规定，按照35～50mm进行设计。当有相同环境下的可靠技术资料或试验依据时，可适当减小包覆层厚度以节约成本。此时，π型钢与预制混凝土层间的抗剪连接可采用部分抗剪连接，进而在正常使用荷载作用下，释放其内部应力，避免其开裂而形成氯离子通路，影响构件耐腐蚀性能。部分抗剪连接宜根据《组合结构设计规范》JGJ138进行设计。
所采用的高性能水泥基材料宜选用纤维增强混凝土材料，这是由于其内部掺入的纤维材料可大幅增强混凝土的抗裂能力，提高其耐久性。纤维材料可选择为钢纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维等。然而，在高盐环境下，钢纤维混凝土表层混凝土中的纤维会出现锈斑，从而降低其性能。综合考虑，宜选用无机材料纤维，如聚丙烯纤维、玄武岩纤维等。
进一步地，本实施例还提供一种纤维增强混凝土的配比，具体为，水200kg/m3、水泥800～1000kg/m3、天然细骨料750～1125kg/m3、硅灰80～100kg/m3、高效聚羧酸减水剂掺量为水泥掺量的0.5％～1％，玄武岩纤维掺量为1％～3％(1立方米混凝土中含0.01-0.03立方米玄武岩纤维)。考虑到天然砂/机制砂在部分地区价格较高，部分天然砂也可采用天然石替代，天然石质量占总骨料质量的比例不超过20％。
具体制备工艺如下：1)先将所有骨料、硅灰和玄武岩纤维放入搅拌装置中拌合10min，使得骨料、硅灰与钢纤维分布均匀；2)在搅拌过程中缓缓倒入水，倒入水量为1/2总水量，所选用水为城市居民用水，水温建议不低于15摄氏度，以保证混凝土强度的有效发展。对于有条件的搅拌厂，可将水温提升至30摄氏度，该水温可保证混凝土在3天内的立方体抗压强度达50MPa，保证后期强度的发展。3)加水搅拌过程需持续10min，以保证硅灰的充分反应；4)随后将水泥添入搅拌装置内，再将剩余水全部掺入，搅拌5min；5)最后加入减水剂，建议选用高效聚羧酸液态减水剂，可提高混凝土流动性，便于泵送。同样的，建议使用强制式搅拌机进行搅拌，叶片转速不宜低于25转/min，以保证混凝土拌合均匀。该混凝土在工厂浇筑完成后，可将其置于蒸压釜内进行养护，加速其硬化及微观结构成型。可在浇筑24h后放置入蒸压釜中缓慢升温至130摄氏度进行养护，养护过程中的压力选择为8个大气压以上，蒸压养护时间为60h。此时混凝土强度可达到其强度终值的85％以上，结构致密，抗裂能力强，在服役过程中即可实现全寿期免维护。根据发明人前期试验，掺入玄武岩纤维可显著提高其抗裂能力，劈裂抗拉强度的提高幅度可达50％以上。
相比传统的组合梁，混凝土材料强度较低(强度等级C20-C30)，微观结构不致密，存在较多的氯离子迁移微通道，防腐性能较差。同时，在正常使用阶段组合梁底部易开裂，进一步降低了其防腐性能，使其无法直接应用于海滨结构或高盐高腐蚀环境中。本实施例的一种承载防护一体化组合梁，利用水泥基材料配合比的灵活性及其性能提升空间大等优势，通过调整配合比及配制方法使其内部形成致密的微观结构，大幅度减少氯离子通路，在极端高盐高腐蚀环境也有广阔的应用前景。
对采用上述方式的玄武岩纤维超高强混凝土进行试验，试验结果见下表：
综上所述，本发明的一种承载防护一体化的组合梁构件，通过钢筋骨架穿过π型钢板上的预制孔洞，构建PBL剪力键，使钢与混凝土共同工作，充分发挥各自的材料性能优势，显著增加构件强度与刚度。在与传统构件承载力相当的条件下可减小构件截面，实现“轻质、高强”的目标，助力建筑业高质量发展。同时，利用高性能水泥基材料与普通性能的混凝土材料组合包覆，达到长效耐久、防腐防火的目的。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种承载防护一体化组合梁，其特征在于：包括相对设置的两组钢板-混凝土叠合构件，所述的钢板-混凝土叠合构件包括型钢构件(1)以及设置在型钢构件(1)上的预制混凝土层(4)，两个型钢构件(1)之间通过箍筋(2)进行连接，并后浇核心混凝土(5)；其中，所述的箍筋(2)用于抵抗组合梁所受剪力，上下型钢构件(1)用于抵抗弯矩。
2.根据权利要求1所述的一种承载防护一体化组合梁，其特征在于：所述的型钢构件(1)为π型钢，且该π型钢的翼缘上开设有供箍筋(2)穿过的穿筋孔(11)。
3.根据权利要求2所述的一种承载防护一体化组合梁，其特征在于：所述π型钢的腹板上设有抗剪连接件(7)，该抗剪连接件(7)用于连接预制混凝土层(4)。
4.根据权利要求3所述的一种承载防护一体化组合梁，其特征在于：所述π型钢与预制混凝土层(4)之间为不完全抗剪连接。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的一种承载防护一体化组合梁，其特征在于：还包括补焊钢板(8)，所述的补焊钢板(8)包括上补焊板(81)、下补焊板(82)以及连接上、下补焊板的补焊腹板(83)，其中，所述的上、下补焊板分别设在对应型钢构件(1)的端部。
6.根据权利要求5所述的一种承载防护一体化组合梁，其特征在于：所述的补焊钢板(8)上设置螺孔，用于和柱构件进行连接。
7.根据权利要求6所述的一种承载防护一体化组合梁，其特征在于：所述的核心混凝土(5)内预设连接板(9)，且该连接板(9)开设有螺孔，用于和次梁进行连接。
8.根据权利要求7所述的一种承载防护一体化组合梁，其特征在于：所述的箍筋(2)拐角处设有纵向筋(3)，以形成钢筋骨架；所述的抗剪连接件(7)为栓钉。
9.权利要求5所述的一种承载防护一体化组合梁的加工方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1、在π型钢板一侧焊接抗剪连接件(7)，形成带抗剪连接件的π型钢板构件；
S2、在抗剪连接件一侧支模，浇筑预制混凝土层(4)并养护至设计强度，形成预制π型钢板-混凝土叠合构件；
S3、将两个叠合构件放置于模台上，用箍筋(2)穿过π型钢板的孔洞，并将纵向筋(3)绑扎在箍筋(2)角部形成钢筋骨架；
S4、将补焊腹板与上、下补焊板定位并焊接；
S5、按照实际工程要求的构件尺寸支模，随后浇筑核心混凝土(5)；
S6、蒸汽养护或自然养护至混凝土设计强度。
10.根据权利要求9所述的一种承载防护一体化组合梁的加工方法，其特征在于：
当组合梁用于室内环境时，所述的预制混凝土层(4)采用普通混凝土或再生混凝土，其包覆厚度为15～25mm；且该再生混凝土的强度不低于C20，不高于C50；
当组合梁用于环境较为恶劣的室外环境时，所述的预制混凝土层(4)采用高性能水泥基材料，其包覆厚度为35～50mm。
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|---|---|---|---|---|
| CN118207964A (zh) * | 2024-04-10 | 2024-06-18 | 浙江江丰股份有限公司 | 一种上开孔式钢组合梁及生产方法 |
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2023
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