CN216475888U - 一种部分包覆蜂窝钢-混凝土组合梁 - Google Patents

Abstract

一种部分包覆蜂窝钢‑混凝土组合梁，包括蜂窝钢、横向C形连杆、纵筋、腰筋和混凝土，蜂窝钢为腹板上设有正六边形孔洞的H形截面钢构件，两根C形连杆通过水平段分别和蜂窝钢两侧的上下翼缘固定连接，纵筋设置在蜂窝钢受拉翼缘附近，腰筋和外侧纵筋穿过所述C形连杆并绑扎在C形连杆上，所述的孔洞和蜂窝钢腹板两侧填充混凝土。本实用新型节约用钢、抗弯承载力和刚度大、可预制化程度高、减少制作周期、混凝土与钢结合良好、防火防腐性能好、组合梁(框架梁)与框架柱装配简单。

Description

一种部分包覆蜂窝钢-混凝土组合梁

技术领域

本实用新型属于土木工程和装配式建筑结构构件领域，具体涉及一种部分包覆蜂窝钢-混凝土组合梁。

背景技术

在建筑工业化背景下，钢-混凝土组合结构具有很多优点：比钢结构更好的抗火反腐蚀性能、比装配式混凝土结构更好的抗震性能等。尽管仅在H型钢(或工字钢)的两翼缘之间包覆(填充)混凝土的特点，使得部分包覆钢-混凝土组合构件(简称PEC构件)具有几乎无模板、大量节省防火防腐涂料等优点。但传统PEC构件的腹板为整块钢板，预制时需要在腹板两侧分别浇筑混凝土，不仅增加了预制周期，而且两侧混凝土与钢之间结合不好，要需预设栓钉；此外，传统PEC 构件截面高度同H型钢高度，承担大部分弯矩的翼缘的间距偏小而不能充分发挥梁截面的效率。

发明内容

为了克服已有技术的不足，本实用新型提供了一种部分包覆蜂窝钢-混凝土组合梁，具有节约用钢、抗弯承载力和刚度大、可预制化程度高、减少制作周期、混凝土与钢结合良好、防火防腐性能好、组合梁(框架梁)与框架柱装配简单等优点。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种部分包覆蜂窝钢-混凝土组合梁，包括蜂窝钢、横向C形连杆、纵筋、腰筋和混凝土，蜂窝钢为腹板上设有正六边形孔洞的H形截面钢构件，两根C形连杆通过水平段分别和蜂窝钢两侧的上下翼缘固定连接，纵筋设置在蜂窝钢受拉翼缘附近，腰筋和外侧纵筋穿过所述C 形连杆并绑扎在C形连杆上，所述的孔洞和蜂窝钢腹板两侧填充混凝土。

进一步，所述蜂窝钢是由H型钢沿腹板按锯齿形图形切割后变换位置重新焊接而成的截面高度扩大、截面宽度不变、腹板带有六边形孔洞的主钢件。

本发明的蜂窝钢，对比普通PEC构件的主钢件(常用H型钢) 开孔仅仅为了节省钢材和制作方便、省时，本发明的蜂窝钢还具有扩大主钢件截面高度进而提高抗弯承载力、充分发挥截面效率的作用。腹板预留的孔洞不仅使得制作时混凝土可以一次浇筑而无需翻转部分包覆钢-混凝土组合梁中的主钢件，而且使得主钢件腹板两侧混凝土可以形成一体进，混凝土与主钢件结合较好，节省了栓钉。混凝土不仅起到保护型钢的作用(节省了防火防腐成本)，而且还起到阻止主钢件的受压翼缘向内屈曲、阻止钢腹板受压屈曲的作用，节省钢材。

通过数值对比分析，部分包覆蜂窝钢-混凝土组合梁的主钢件蜂窝钢的截面扩张比(蜂窝构件与原型型钢构件的截面高度之比)宜取 1.3～1.8，但考虑到蜂窝式钢梁的截面扩张比宜为1.4～1.6的规定、以及孔洞太小不利于混凝土施工，本发明的蜂窝钢的截面扩张比优选 1.5；同时考虑到于梁两端(支座处)剪力通常较大，本发明的蜂窝钢在两端组合梁截面高度范围里不设置孔洞。因此，设计时先根据梁的跨度等初步确定组合梁截面尺寸(蜂窝钢的截面高度h_a和宽度b_f)；再按1.5的截面扩张比和截面宽度相等原则确定H型钢截面高度h_a1和截面高度b_f1(b_f1＝b_f)、并根据H型钢板件宽厚比和高厚比要求确定翼缘厚度t_w和腹板厚度t_f；然后将H型钢设计为沿腹板按连续锯齿形图形切割为上下两段后再变化位置重新焊接组合形成截面尺寸为 1.5h_a1×b_f×t_w×t_f、两端无孔但中间腹板带有正六边形孔洞(边长h_a1/1.73、净高度h_a1)的蜂窝钢；最后将初步设计的组合梁截面放入整体结构分析计算，根据得到梁的内力包络图验算初选截面是否满足承载力和刚度要求，如不满足则调整截面并重复之前步骤，直至满足要求。

横向连杆的主要作用是抑制主钢件受压翼缘向外屈曲(脱开混凝土的方向屈曲)以及较好地约束混凝土，因此连杆与钢翼缘之间的连接是否牢固可靠成为连杆能否充分发挥的关键，已有研究表明C形连杆通过水平段与翼缘焊接，与翼缘之间的接连可靠且制作简单(见建筑结构学报2015年增刊330-336页的《H型钢翼缘间填充混凝土的部分组合梁抗震性能试验研究》)，合理设置连杆可以使得主钢件的翼缘宽厚比限值更大，从而节省用钢。

纵筋布置在蜂窝钢受拉翼缘附近，起到充分发挥混凝土受压区高度从而提高组合梁抗弯承载力的作用；布置在组合梁截面高度中部的腰筋则起到约束混凝土裂纹扩散的作用。

所述的蜂窝钢钢材应符合《钢结构设计标准》GB 50017的有关规定，优选工程中常见的Q235或Q345；所述的横向C形连杆材料优选直径8～10mm的HPB300光圆钢筋，以便于和钢翼缘焊接；所述的纵筋优选强度较高的HRB400，以节省用钢和充分发挥受压区混凝土作用；所述的腰筋优选直径10～12mm的HRB400或HRB335钢筋。

所述的混凝土可采用普通混凝土和轻骨料混凝土，为了充分发挥混凝土的受压强度并保证一定的延性，普通混凝土强度等级宜选 C30～C70，轻骨料混凝土强度等级不宜低于LC25。

本实用新型的有益效果主要表现在：

(1)所述的蜂窝钢是由H型钢在腹板按一定折线切割后变换位置再重新焊接而成的截面高度扩大、截面宽度不变、腹板带有六边形孔洞的主钢件，不仅具有一般的主钢件腹板开孔的PEC梁的节省钢材、钢腹板两侧混凝土连成一体(整体性好)、混凝土与型钢结合良好 (节省栓钉)等优点，而且还具有扩大主钢件截面高度(从H型钢到蜂窝钢)进而提高组合梁抗弯承载力、充分发挥截面效率等优点；此外，本发明的组合梁也有传统PEC梁(主钢件腹板不开孔)的所有优点，如混凝土起到保护型钢、阻止主钢件的受压翼缘和腹板受压屈曲的作用，节省了防火防腐成本，节约用钢量(主钢件的板件可以更薄柔)等。

(2)H型钢在腹板按折线切割剖分可以采用数控多头自动切割机进行切割，具有切割精度高、加工效率高等优点；因钢腹板存在孔洞，预制时将蜂窝钢侧放两端用挡板封堵后浇筑混凝土，可以一次浇筑成型，孔洞还可以用来预埋电线等管道。

(3)组合梁具有结构简单、节省用钢成本低、实用性强等优点，易于规模化生产。

附图说明

图1(a)～图1(d)是蜂窝钢(组合梁中的主钢件)的构造和制作图，其中：图1(a)是本发明所述蜂窝钢的原型H型钢(含切割线位置)；图 1(b)是本发明的H型钢切割后分成的上、下两部分；图1(c)是将本发明的H型钢切割后的下半部分翻转后在与上半部分对齐；图1(d)是将变换位置后的上、下两部分重新焊接组合成蜂窝钢，并在两端开螺栓孔和焊接挡板。

图2是部分包覆蜂窝钢-混凝土组合梁的构造图。

图3是图2的d-d截面图。

图4是图2的e-e截面图。

图5是图2的f-f截面图。

图6是图2的g-g截面图。

图7是组合梁和框架柱在现场装配示意图。

附图标记说明如下：H型钢1，H型钢腹板上的连续锯齿形切割线2，H型钢切割剖分后的下半部分3，H型钢切割剖分后的上半部分4，焊缝5，蜂窝钢端部补焊的板6，挡板7，蜂窝钢两端螺栓孔(用于和框架柱连接)8，蜂窝钢(组合梁中的主钢件)9，蜂窝钢的下翼缘10，蜂窝钢的上翼缘11，横向C形连杆12，腰筋13，纵筋(纵向受拉钢筋)14，混凝土15，蜂窝钢横向加劲肋(仅集中力较大导致蜂窝钢的削弱截面受剪承载力不足时设置)16，组合梁端部带有螺栓孔的钢腹板17，预制的部分包覆钢-混凝土组合梁18，带有悬臂梁段的框架柱19(优选H型钢主或部分包覆钢-混凝土组合柱)，悬臂梁段 20，悬臂梁段的下翼缘21，悬臂梁段的上翼缘22，连接悬臂梁段腹板和钢腹板17用的盖板23。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

参照图1～图7，一种部分包覆蜂窝钢-混凝土组合梁，包括蜂窝钢 9、横向C形连杆12、纵筋14、腰筋13和混凝土15，蜂窝钢9为腹板上设有正六边形孔洞的H形截面钢构件，两根C形连杆12通过水平段分别和蜂窝钢9两侧的上下翼缘固定连接(例如焊接)，纵筋14 设置在蜂窝钢9受拉翼缘附近(附图中是下翼缘10)，腰筋13和外侧的纵筋14穿过所述C形连杆12并绑扎在C形连杆12上，所述的孔洞和蜂窝钢腹板两侧填充混凝土15。

进一步，所述蜂窝钢9是由H型钢沿腹板按锯齿形图形切割后变换位置重新焊接而成的截面高度扩大、截面宽度不变、腹板带有六边形孔洞的主钢件。

H型钢1用数控切割机按照连续锯齿形切割线2剖分成两部分：下半部分3和上半部分4，将下半部分3水平翻转使得其腹板凸出部分与上半部分4的腹部凸出部分完全对齐，将变换位置后的这两部分通过焊缝5焊接起来，并在另一端补焊一块板6，在两端留出后续与框架柱悬臂梁腹板连接所需的螺栓位置(开螺栓孔8)以及安装所需操作空间后焊接端板7，如此形成截面高度变大、截面宽度不变、腹板带有六边形孔洞、两端为带有连接所需螺栓孔的蜂窝钢9；然后将横向C形连杆12通过水平段牢固焊接在蜂窝钢的下翼缘10和上翼缘 11，并将腰筋13和纵筋14穿过连杆12并绑扎在连杆12上，纵筋14 在端部弯折后焊接在端部7上，若梁上有较大集中力作用在蜂窝钢截面削弱处，则在相应位置设置横向加劲肋16；最后将蜂窝钢侧放(带孔的腹板朝上)，浇筑混凝土并养护达到强度要求，即得本发明的两端带有螺栓孔和外伸H型钢的部分包覆蜂窝钢-混凝土组合梁18。现场装配施工时，组合梁18通过两端外伸的H型钢和带有悬臂梁段20的框架柱19连接，其中组合梁18两端的外伸H型钢的上翼缘11、下翼缘10和悬臂梁20的上翼缘22、下翼缘21之间通过焊接连接，组合梁端部的H型钢腹板17和悬臂梁段腹板之间通过盖板23及高强螺栓连接，待组合梁安装完毕后将钢腹板17、悬臂梁段20两翼缘之间的腹板用混凝土填充。运用钢结构和组合结构基本理论，提出了此类组合梁的设计和制作方法。

本实施例的部分包覆蜂窝钢-混凝土组合梁可用于装配式多高层建筑结构、土木工程桥梁等，具有节省用钢、主钢件截面利用效率高、钢腹板两侧混凝土形成一体、钢与混凝土结合好、蜂窝钢制作过程自动化程度高、混凝土一次性浇筑成型、施工周期短便捷等优点。

本实施例的部分包覆蜂窝钢-混凝土组合梁，混凝土13和C形连杆10一起有效地抑制了受压翼缘向内或向外屈曲，混凝土13还有效地抑制腹部屈曲、保护了钢，因此比钢梁具有更好的防火防腐性能以及节省用钢量；H型钢1切割后重新组成的蜂窝钢7的特点，使得本发明的组合梁比一般PEC梁具有混凝土一次性浇筑成型、钢腹板两侧混凝土一体、主钢件截面利用效率高、截面抗弯承载力高等优点。

本实施例的部分包覆蜂窝钢-混凝土组合梁，其设计和加工制作包括如下步骤：

1)步骤S1，根据钢结构和组合结构基本理论，初步确定部分包覆蜂窝钢-混凝土组合梁的截面尺寸(即初步确定蜂窝钢的截面高度和宽度)；根据蜂窝钢构件与原型型钢构件的截面高度比宜为1.4～1.6(通常取1.5)确定H型钢截面高度h_a1，H型钢截面宽度b_f1同蜂窝钢截面宽度b_f；再根据《部分包覆钢-混凝土组合结构技术规程》T/CECS 719 有关H型钢翼缘宽厚比和腹板高厚比的要求确定H型钢的翼缘厚度t_f和腹板厚度t_w。

2)步骤S2，根据初选的H型钢截面设计蜂窝钢，孔洞形状为正六边形(边长h_a1/1.73)，孔洞的上、下边缘与H型钢轴线平行且距离 H型钢翼缘h_a1/4，孔洞的倾斜边与H型钢轴线成60⁰或120⁰夹角，相邻孔洞的中心间距为1.73h_a1，并且不在距离梁端(支座处)1.5h_a1的范围内设置孔洞。

3)步骤S3，根据初选的组合梁进行整体结构分析计算，根据计算得到的内力包络图验算组合梁的抗弯承载力M_ub和抗剪承载力力 V_ub是否满足要求，如抗弯承载力不满足则调整初选截面直至满足要求，如因有较大集中力作用而导致蜂窝钢最大削弱截面的抗剪承载力不能满足要求，则增设附加加劲肋。

4)步骤S4，根据截面和配置的型钢计算组合梁的抗弯刚度B，再根据B验算梁的挠度是否满足要求，如不满足则调整截面尺寸直至满足要求。

5)步骤S5，根据步骤2的设计将截面高度为h_a1的H型钢沿腹板按连续锯齿形图形切割分为上、下两段，锯齿形图形的上下水平段和倾斜段(与H型钢轴线成60⁰或120⁰夹角)的长度均为h_a1/1.73、且上下水平段距离H型钢翼缘h_a1/4；再将下段做水平翻转使得上段和下段腹板的凸出部分完全对齐，然后进行对接焊接并在端部补焊一块腹板，如此制作成截面高度h_a＝1.5h_a1、腹板有六边形孔洞的蜂窝钢。

6)步骤S6，根据蜂窝钢的腹板高度h_a-2t_f制作横向C型连杆并将其两端与蜂窝钢翼缘焊接，纵筋穿过连杆并绑扎在连杆上，将蜂窝钢侧放(腹板朝上)并在两端开螺栓孔以及焊接挡板，浇筑混凝土并养护，待强度达到要求即得部分包覆混凝土-蜂窝钢组合梁，现场装配施工时将组合梁端部通过高强螺栓和焊缝连接于带有悬臂梁段(优选 H型钢)的框架柱，梁柱连接完成后将挡板之外的组合梁端部的钢腹板以及悬臂梁段的钢腹板用混凝土填充。

本说明书的实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本实用新型构思所能想到的等同技术手段。

Claims (2)

1.一种部分包覆蜂窝钢-混凝土组合梁，其特征在于，包括蜂窝钢、C形连杆、纵筋、腰筋和混凝土，所述蜂窝钢为腹板上设有正六边形孔洞的H形截面钢构件，C形连杆通过水平段分别和蜂窝钢两侧的上下翼缘固定连接，位于蜂窝钢的一侧的C形连杆按照设定间距布置，纵筋设置在蜂窝钢受拉翼缘附近，腰筋和外侧纵筋穿过所述C形连杆并绑扎在C形连杆上，所述的孔洞和蜂窝钢腹板两侧填充混凝土。

2.如权利要求1所述的一种部分包覆蜂窝钢-混凝土组合梁，其特征在于，所述蜂窝钢是由H型钢沿腹板按锯齿形图形切割后变换位置重新焊接而成的截面高度扩大、截面宽度不变、腹板带有六边形孔洞的主钢件。

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