CN206460463U - 一种波形钢板‑混凝土组合结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种波形钢板‑混凝土组合结构，该结构体系可用于多高层结构的墙肢结构中，属于建筑结构技术领域。所述波形钢板混凝土组合结构由两块对称放置的波形钢板、内填混凝土、钢管混凝土边柱以及连接两块波形钢板的高强螺栓组成，其结构布置型式包括一字型、L型、T型、Z型或十字型，所述波形钢板包括梯形波折型式、矩形波折型式、三角形波折型式和波浪型式，其边柱包括方钢管型式、H型钢型式或槽型钢型式，波形钢板的连接型式包括葫芦型孔连接形式、钥匙型孔连接形式、膨胀自锁连接形式或高强螺栓连接形式。本实用新型是一类经济、高效的墙肢结构，具有承载力高、节约材料的优点，对发展装配式建筑具有促进作用。

Description

一种波形钢板-混凝土组合结构

技术领域

本实用新型涉及一种波形钢板-混凝土组合结构，该结构体系应用于多高层结构中的墙肢结构当中，属于建筑结构技术领域。

背景技术

(1)、墙肢结构的应用

墙肢结构是一种剪力墙结构体系，广泛应用于多高层结构中，特别在住宅结构体系中，其带来的户型布置的灵活性深受建筑师青睐，可以避免住宅建筑中采用框架结构出现的梁柱与墙体宽度不一致而带来的露梁露柱现象，也可以克服梁柱节点暴露于室内空间而影响使用和观感的问题。特别地，避免了钢框架结构中设置支撑给开设门窗洞及填充墙施工带来的困难。因此，对墙肢结构的创新发展对促进住宅产业化、建筑工业化以及建筑装配化有重要意义。

(2)、墙肢结构的发展

混凝土墙肢结构最早应用于多层和高层建筑结构，目前这一结构型式还在广泛应用，但由于混凝土受拉强度较低，在外荷载作用下容易开裂，致使混凝土墙肢结构延性较差。同时，混凝土存在现场湿作业浇筑，需要模板支护，施工措施费用较高，也不符合工业化生产以及装配建筑的发展方向。因此，人们开始寻求新的高性能墙肢结构型式。

钢板-混凝土组合墙肢结构是继混凝土墙肢结构之后发展起来的，多采用平钢板包裹混凝土或者混凝土包裹钢板两种情况。对于平钢板包裹混凝土的组合结构，要在钢板内侧设置栓钉以保证混凝土与钢板二者协调工作。但是，二者的约束作用不是很理想，混凝土开裂或破坏后会失去对钢板的约束作用，平钢板也因为失去约束而很快会失去承载力，整体墙肢会也因此而丧失承载力以及延性。施工方面，在混凝土浇筑过程中，外侧钢板本身不可能抵抗混凝土产生的浇灌推力，因而必须设置附加支撑结构以保证钢板在浇筑过程中的稳定性。混凝土包裹钢板的墙肢结构在高层混合结构中作为核心筒的内置钢板有广泛应用，可以有效提高核心筒的承载力和延性。但二者的相互作用表现不佳，如当外侧混凝土在外力作用下开裂破碎后，没有约束的钢板也会很快丧失稳定性。在混凝土浇筑时要设置模板，施工措施复杂而且费工费时，因此，目前在墙肢结构中应用不多。

近年来，另一类型钢-混凝土墙肢结构得到了长足的发展，采用一连串的热轧H型钢或槽型钢或L形钢组合焊接后内灌混凝土的方式构成。这一类型的墙肢结构虽然有利于工业化生产，但是焊接量较大，不仅增加了施工成本和施工工期，而且结构在焊接后的残余应力和残余变形问题突出。更重要的是，焊接形成的焊缝以及热影响区的材质变脆使得结构在往复荷载作用下易于产生脆性断裂，特别在寒冷地区，这一问题非常突出。

(3)、波形钢板压制成型方法及计算机辅助控制技术

建筑工程中应用的波形钢板有多种型式，主要应用于工业厂房的屋面和墙面围护结构，采用厚度不大于1.5mm的冷轧钢板制作。目前对这类薄钢板的压制成型方法多采用辊轧方式，设置多组滚轮逐步滚压成型到设计要求的外形及尺寸。对于应用在墙肢结构的波形钢板，其厚度一般在4mm-30mm之间，此时钢板要承担较大的荷载，如仍采用上述多组滚轮逐步压制成型方法则需要特别大吨位及大功率的辊扎设备，同时也将大大降低压制成型效率，因而需要寻求新的压制成型方法及控制技术。

对于用于墙肢结构采用的波形钢板，其压制与组装过程包括波形钢板的压制、波形钢板的组装定位、螺栓穿孔、螺栓拧紧、边柱焊接和端部封板焊接等作业，目前还没有看到这一过程通过采用计算机辅助控制成型技术在全自动化生产线上实现。

实用新型内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本实用新型提出一种波形钢板-混凝土组合结构及计算机控制成型方法。

1、一种波形钢板-混凝土组合结构，其特征在于，所述波形钢板-混凝土组合结构由两块对称放置的波形钢板、内填混凝土、边柱以及连接两块波形钢板的高强螺栓组成，其结构布置型式包括一字型、L型、T型、Z型或十字型；所述边柱包括方钢管型式、H型钢型式或槽型钢型式；所述波形钢板包括梯形波折型式、矩形波折型式、三角形波折型式或波浪型式；所述两块波形钢板通过在其波谷位置设置安装孔供螺杆穿过以实现其连接，所述安装孔沿高度方向均匀布置；所述波形钢板的连接型式包括葫芦型孔连接形式、钥匙型孔连接形式、膨胀自锁连接形式或高强螺栓连接形式。

2、所述葫芦型孔连接形式为，在波形钢板上设置葫芦型安装孔，其中葫芦型孔的大孔在上、小孔在下，安装过程如下：

步骤2.1，将圆柱形螺杆和圆形限位套管通过大孔插入葫芦型安装孔；

步骤2.2，将圆柱形螺杆下落至葫芦型孔洞的小孔端，通过圆形限位套管实现对波形钢板的限位；

步骤2.3，在圆柱形螺杆两端加垫圈和螺母，拧紧螺母以施加预紧力。

3、所述钥匙型孔连接形式为，在波形钢板上设置钥匙型安装孔，其中型孔的大孔在下、小孔在上，安装过程如下：

步骤3.1，将带限位卡的螺杆插入钥匙型安装孔，此时螺杆上限位卡位于上端；

步骤3.2，将带限位卡的螺杆绕其轴线旋转180°，此时螺杆上限位卡位于下端，通过限位卡可实现对波形钢板的限位；

步骤3.3，在带限位卡的螺杆两端加垫圈和螺母，拧紧螺母以施加预紧力。

4、所述膨胀自锁连接形式为，在波形钢板上设置圆形安装孔，采用中部带螺纹的金属膨胀套管和连在其两端的变截面螺杆实现连接，所述金属膨胀套管两端沿轴向设有缝隙，安装过程如下：

步骤4.1，将金属膨胀套管和连在其两端的变截面螺杆插入圆形安装孔；

步骤4.2，在两端变截面螺杆加垫圈和螺母，拧紧螺母以施加预紧力，随着螺杆的拧入，螺杆从内部挤压金属膨胀套管的侧壁，金属膨胀套管两个端部截面扩大从而实现对波形钢板的限位。

5、所述高强螺栓连接形式为，在波形钢板上设置圆形安装孔，采用内螺纹套管和连在其两端的高强螺栓，安装过程如下：

步骤5.1，将内螺纹套管紧贴一侧的波形钢板，并拧入其中一侧的高强螺栓；

步骤5.2，将另一个波形钢板盖上，并拧入另一侧的高强螺栓。

本实用新型提出的一种波形钢板-混凝土组合结构及其计算机控制成型方法，该结构体系可应用于多高层结构中的墙肢结构当中，具备显著的优势：

墙肢结构常由多个墙肢组成，每一个墙肢由波形钢板包裹混凝土组成，外侧钢板与内置混凝土之间通过对拉长杆螺栓连接，在螺杆内侧设置内锁装置以精准控制和调整外侧钢板之间的内距。待混凝土浇筑完成且凝固后，对对拉螺栓施加预紧力，形成对混凝土的侧向约束效应，进而提高混凝土的设计强度。由于波形钢板本身具有的波形特征，使得波带竖向设置的波形钢板能够有效提高其竖向受压承载力。有益于提高竖向压力及剪力作用下的屈曲荷载，其受压和受剪屈曲荷载与同尺寸的平钢板比较可高出几倍甚至几十倍。波形钢板又受到混凝土的约束，使其在受压、受弯、受剪屈曲时向内屈曲变形完全受到混凝土约束，向外侧变形又受到对拉螺栓的有效约束，这种双向约束作用极大地提高了波形板的屈曲荷载以及对应的稳定系数。

与平钢板比较，由于波形钢板本身的波形特征提高了其受压和抗剪承载力，而且波形钢板受混凝土与对拉螺栓的双重约束作用也提高了其稳定承载力，加上混凝土受钢板侧向约束及对拉螺栓的预紧作用也极大地提高了混凝土的抗压强度设计值，这三种作用形成 1+1+1大于3的组合效果。因此可以说，波形钢板-混凝土组合结构是一个经济、高效的墙肢结构，具有承载力高、节约材料的优点，符合工业化生产以及装配化建筑的发展特点。

此外，利用对拉螺栓的方式连接两个波形钢板时，螺栓可作为幕墙板、内装饰板等材料的生根部件，进一步提升了结构体系的集成化程度。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1-1为波形钢板-混凝土组合结构的结构布置型式示意图：采用一字型布置。

图1-2为波形钢板-混凝土组合结构的结构布置型式示意图：采用L型布置。

图1-3为波形钢板-混凝土组合结构的结构布置型式示意图：采用T型布置。

图1-4为波形钢板-混凝土组合结构的结构布置型式示意图：采用Z字型布置。

图1-5为波形钢板-混凝土组合结构的结构布置型式示意图：采用十字型布置。

图2-1为波形钢板-混凝土组合结构的板件型式示意图：采用梯形波折型式。

图2-2为波形钢板-混凝土组合结构的板件型式示意图：采用矩形波折型式。

图2-3为波形钢板-混凝土组合结构的板件型式示意图：采用三角形波折型式。

图2-4为波形钢板-混凝土组合结构的板件型式示意图：采用波浪型式。

图3-1为波形钢板-混凝土组合结构的边柱型式示意图：采用方钢管型式。

图3-2为波形钢板-混凝土组合结构的边柱型式示意图：采用H型钢型式。

图3-3为波形钢板-混凝土组合结构的边柱型式示意图：采用槽型钢型式。

图4为波形钢板-混凝土组合结构中波折钢板立面图。

图5-1为波形钢板-混凝土组合结构螺栓连接形式示意图：采用葫芦型孔连接形式。

图5-2为波形钢板-混凝土组合结构螺栓连接形式示意图：采用钥匙型孔连接形式。

图5-3为波形钢板-混凝土组合结构螺栓连接形式示意图：采用膨胀自锁连接形式。

图5-4为波形钢板-混凝土组合结构螺栓连接形式示意图：采用高强螺栓连接形式。

图6-1为波形钢板与平钢板的受力性能比较图：受剪弹性屈曲应力的比较。

图6-2为波形钢板与平钢板的受力性能比较图：受压弹性屈曲应力的比较。

图6-3为波形钢板与平钢板的受力性能比较图：平面外弯曲柱面刚度的比较。

图7-1为波形钢板-混凝土组合结构与平钢板-混凝土组合结构的弹塑性受力性能比较：弹塑性全过程分析荷载位移曲线的比较。

图7-2为波形钢板-混凝土组合结构与平钢板-混凝土组合结构的弹塑性受力性能比较：弹塑性全过程分析von Mises应力分布及面外变形分布的比较。

图中：

1——波形钢板，其中：1-1——梯形型式；1-2——矩形型式；1-3——三角形型式；1-4——波浪型式；

2——混凝土；

3——边柱，其中：3-1——方钢管型式；3-2——H型钢型式；3-3——槽型钢型式；

4——安装孔，其中：4-1——葫芦型孔；4-2——钥匙型孔；4-3——圆形孔；

5——螺杆，其中：5-1——圆柱形螺杆；5-2——带限位卡的螺杆；5-3——变截面螺杆；5-4——高强螺栓；

6——限位套管，其中：6-1——圆形限位套管；6-2——金属膨胀套管；6-3——内螺纹套管；

7——螺母；

8——垫圈。

具体实施方式

下面结合图1-1～图7-2说明本专利的具体实施方式。

如图1-1～1-4所示，一种波形钢板-混凝土组合结构由两块对称放置的波形钢板1、内填混凝土2、钢管混凝土边柱3以及连接两块波形钢板的高强螺栓5组成；

如图1-1～1-4所示，所述波形钢板-混凝土组合结构的结构布置型式包括一字型(图 1-1)、L型(图1-2)、T型(图1-3)、Z型(图1-4)或十字型(图1-5)；

如图2-1～2-4所示，所述波形钢板-混凝土组合结构，其特征在于，所述波形钢板1包括梯形波折型式1-1、矩形波折型式1-2、三角形波折型1-3式或波浪型式1-4；

如图3-1～3-3所示，所述波形钢板-混凝土组合结构，其特征在于，所述边柱3包括方钢管型式3-1、H型钢型式3-2或槽型钢型式3-3；

如图4所示，所述波形钢板-混凝土组合结构，其特征在于，所述两块波形钢板1通过在其波谷位置设置安装孔4供螺杆5穿过以实现其连接，所述安装孔4沿高度方向均匀布置；所述波形钢板1的连接型式包括葫芦型孔连接形式、钥匙型孔连接形式、膨胀自锁连接形式或高强螺栓连接形式，其各自的安装过程如下：

(1)葫芦型孔连接形式(图5-1)

波形钢板1上设置葫芦型安装孔4-1，其中葫芦型孔4-1的大孔在上、小孔在下，安装过程如下：

步骤1-1：将圆柱形螺杆5-1和圆形PVC限位套管6-1通过大孔插入葫芦型安装孔4-1；

步骤1-2：将圆柱形螺杆5-1下落至葫芦型安装孔4-1的小孔端，通过圆形PVC限位套管6-1实现对波形钢板1的限位；

步骤1-3：在圆柱形螺杆5-1两端加垫圈8和螺母7，拧紧螺母7以施加预紧力。

(2)钥匙型孔连接形式(图5-2)

波形钢板1上设置钥匙型安装孔4-2，其中要是型孔的大孔在下、小孔在上，安装过程如下：

步骤2-1：将带限位卡的螺杆5-2插入钥匙型安装孔4-2，此时螺杆5-2上限位卡位于上端；

步骤2-2：将带限位卡的螺杆5-2绕其轴线旋转180°，此时螺杆5-2上限位卡位于下端，通过限位卡可实现对波形钢板1的限位；

步骤2-3：在带限位卡的螺杆5-2两端加垫圈8和螺母7，拧紧螺母7以施加预紧力。

(3)膨胀自锁连接形式(图5-3)

波形钢板1上设置圆形安装孔4-3，采用中部带螺纹的金属膨胀套管6-2和连在其两端的变截面螺杆5-3实现连接，所述金属膨胀套管6-2两端沿轴向设有缝隙，安装过程如下：

步骤3-1：将金属膨胀套管6-2和连在其两端的变截面螺杆5-3插入圆形安装孔4-3；

步骤3-2：在两端变截面螺杆5-3加垫圈8和螺母7，拧紧螺母7以施加预紧力，随着螺杆5-3的拧入，螺杆5-3从内部挤压金属膨胀套管6-2的侧壁，金属膨胀套管6-2两个端部截面扩大从而实现对波形钢板1的限位。

(4)高强螺栓连接形式(图5-4)

波形钢板1上设置圆形安装孔4-3，采用内螺纹套管6-3和连在其两端的高强螺栓5-4 实现连接，安装过程如下：

步骤4-1，将内螺纹套管6-3紧贴一侧的波形钢板1，并拧入其中一侧的高强螺栓5-4；

步骤4-2，将另一个波形钢板1盖上，并拧入另一侧的高强螺栓5-4。

如图6-1～6-3所示，波形钢板的受力性能显著优于平钢板。

如图6-1所示，通过比较波形钢板和平钢板在受纯剪荷载作用下的弹性屈曲性能，可以发现，前者的受剪弹性屈曲应力远高于后者，尤其是当板件厚度较小时；例如对于某一典型的波形尺寸，当板件厚度为2mm时，前者受剪弹性屈曲应力约为后者的75倍。

如图6-2所示，通过比较波形钢板和平钢板在受面内纯压荷载作用下的弹性屈曲性能，可以发现，前者的受压弹性屈曲应力远高于后者，尤其是当板件厚度较小时；例如对于某一典型的波形尺寸，当板件厚度为2mm时，前者受压弹性屈曲应力约为后者的110倍。

如图6-3所示，通过比较波形钢板和平钢板在受面外横向压力荷载作用下的受力性能，可以发现，前者的面外弯曲柱面刚度远高于后者，尤其是当板件厚度较小时；这体现了前者在承受混凝土浇筑力等横向压力荷载时拥有更大的面外刚度，能够获得更为优越的受力性能；例如对于某一典型的波形尺寸，当板件厚度为2mm时，前者面外弯曲柱面刚度约为后者的360倍。

如图7-1～7-2所示，波形钢板-混凝土组合结构的弹塑性受力性能优于平钢板-混凝土组合结构。

如图7-1所示，通过比较波形钢板-混凝土组合结构与平钢板-混凝土组合结构在混凝土浇筑压力和面内竖向压力共同作用下的弹塑性全过程荷载位移曲线可以发现，前者的承载力效率远远高于后者；在相同的板件厚度和螺栓密度的情况下，波形钢板-混凝土组合结构承载稳定系数达到0.7左右，而平钢板-混凝土组合结构承载稳定系数仅为0.05，两者相差十余倍。

如图7-2所示，通过对波形钢板-混凝土组合结构与平钢板-混凝土组合结构在混凝土浇筑压力和面内竖向压力共同作用下的弹塑性全过程分析von Mises应力分布及面外变形分布的比较，可以发现，前者的承载性能显著优于后者：一方面，前者在整个板件上的von Mises应力分布较为均匀，体现出了材料的充分利用，而后者在结构底部位置发生应力集中而使得结构过早丧失承载能力；另一方面，前者的面外变形远远小于后者，表明前者在承受混凝土浇筑力等横向压力荷载时拥有更大的面外刚度，能够获得更为优越的受力性能。

根据本实用新型实施例的波形钢板-混凝土组合结构的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种波形钢板-混凝土组合结构，其特征在于，所述波形钢板-混凝土组合结构由两块对称放置的波形钢板、内填混凝土、边柱以及连接两块波形钢板的高强螺栓组成，其结构布置型式包括一字型、L型、T型、Z型或十字型；所述边柱包括方钢管型式、H型钢型式或槽型钢型式；所述波形钢板包括梯形波折型式、矩形波折型式、三角形波折型式或波浪型式；所述两块波形钢板通过在其波谷位置设置安装孔供螺杆穿过以实现其连接，所述安装孔沿高度方向均匀布置；所述波形钢板的连接型式包括葫芦型孔连接形式、钥匙型孔连接形式、膨胀自锁连接形式或高强螺栓连接形式。

2.按照权利要求1所述的波形钢板-混凝土组合结构，其特征在于，所述葫芦型孔连接形式为，在波形钢板上设置葫芦型安装孔，其中葫芦型孔的大孔在上、小孔在下，安装过程如下：

步骤2.1，将圆柱形螺杆和圆形限位套管通过大孔插入葫芦型安装孔；

步骤2.2，将圆柱形螺杆下落至葫芦型孔洞的小孔端，通过圆形限位套管实现对波形钢板的限位；

步骤2.3，在圆柱形螺杆两端加垫圈和螺母，拧紧螺母以施加预紧力。

3.按照权利要求1所述的波形钢板-混凝土组合结构，其特征在于，所述钥匙型孔连接形式为，在波形钢板上设置钥匙型安装孔，其中型孔的大孔在下、小孔在上，安装过程如下：

步骤3.1，将带限位卡的螺杆插入钥匙型安装孔，此时螺杆上限位卡位于上端；

步骤3.2，将带限位卡的螺杆绕其轴线旋转180°，此时螺杆上限位卡位于下端，通过限位卡可实现对波形钢板的限位；

步骤3.3，在带限位卡的螺杆两端加垫圈和螺母，拧紧螺母以施加预紧力。

4.按照权利要求1所述的波形钢板-混凝土组合结构，其特征在于，所述膨胀自锁连接形式为，在波形钢板上设置圆形安装孔，采用中部带螺纹的金属膨胀套管和连在其两端的变截面螺杆实现连接，所述金属膨胀套管两端沿轴向设有缝隙，安装过程如下：

步骤4.1，将金属膨胀套管和连在其两端的变截面螺杆插入圆形安装孔；

步骤4.2，在两端变截面螺杆加垫圈和螺母，拧紧螺母以施加预紧力，随着螺杆的拧入，螺杆从内部挤压金属膨胀套管的侧壁，金属膨胀套管两个端部截面扩大从而实现对波形钢板的限位。

5.按照权利要求1所述的波形钢板-混凝土组合结构，其特征在于，所述高强螺栓连接形式为，在波形钢板上设置圆形安装孔，采用内螺纹套管和连在其两端的高强螺栓，安装过程如下：

步骤5.1，将内螺纹套管紧贴一侧的波形钢板，并拧入其中一侧的高强螺栓；

步骤5.2，将另一个波形钢板盖上，并拧入另一侧的高强螺栓。