CN103556781A - 一种装配式框架带钢牛腿长柱及其施工方法 - Google Patents

Abstract

一种装配式框架带钢牛腿长柱及其施工方法,其柱身是由钢管外钢筋砼、钢管、钢管内砼三部分组成的叠合柱，钢管和管内砼贯通整个长柱，钢管内砼第一次预制形成钢管砼柱，然后第二次预先浇注钢管外节点处砼或者全部砼，钢牛腿与钢管焊接。本发明长柱有以下优点：1、将多层框架柱制作成一根长柱，制作简单、安装方便；2、柱身采用叠合柱，抗压承载力和抗剪承载力是同等截面钢筋混凝土柱的2～4倍，显著地提高了框架柱的承载力及抗震性能；3、设有钢牛腿，与钢梁或现浇钢筋混凝土梁均可连接，连接方便可靠；4、钢管内高强砼采用工厂预制，造价比现有叠合柱大大降低。因此，本发明的非常适合于各种多高层预制装配式建筑，市场前景非常广阔。

Description

一种装配式框架带钢牛腿长柱及其施工方法

技术领域

本发明涉及一种装配式建筑中的框架柱，特别是一种用于多高层装配式框架结构的长柱及其施工方法。

背景技术

框架结构、框架-剪力墙结构及框架-筒体结构，其房间布局灵活，是现代建筑中应用非常广泛的结构形式，其中，框架柱在各种建筑中都具有非常重要的作用。装配式结构在工厂里集中生产，是一种低碳环保的结构形式，是现代建筑的发展趋势。装配式框架结构目前主要有钢结构和预制装配式钢筋混凝土结构两种。钢结构自重轻、延性好，但造价高、防火性能差。预制装配式钢筋混凝土框架结构造价低，耐久、防火性能好，是一种很有发展前景的结构形式。但如何将钢筋混凝土梁柱合理分割以便于制作和安装，如何使梁柱连接节点构造简单、性能可靠，一直是困扰工程师们的两大难题，这两大难题至今仍未得到很好的解决，严重阻碍了预制装配式钢筋混凝土框架结构的推广应用。

对于预制装配式钢筋混凝土框架结构，以前在工程中进行过多种形式的探索与实践，其中以下两种方案比较有代表性：

第一种是20世纪70年代北京市某建筑设计院提出的“钢筋混凝土装配式框架整浇梁柱节点”方案，它是一种“短柱方案”：将框架结构划分为每层一根柱、每跨一根梁, 预制梁、预制柱在梁柱交接处现场浇注砼形成整体；节点混凝土分两次浇灌：第一次浇灌到叠合梁上表面, 第二次浇灌上柱下端。（详见《钢筋混凝土装配式框架整浇梁柱节点的设计》及《钢筋混凝土装配式框架整浇和浆锚式梁柱节点设计与施工的建议》，《建筑结构》1978年第4期）。该方案由于节点处柱和梁柱纵向钢筋数量受到限制，因而楼层高度、柱距均受到很大限制；节点处钢筋密集、施工困难；节点整浇采用二次填塞细石混凝土, 操作比较落后，混凝土质量难以保障，抗震性能差；吊装的件数较多，层层校正, 工作较繁琐。虽然这种结构在当时一些试点工程中应用过，但最终未能得到广泛推广。

第二种方案是20世纪70年代末上海市某建筑设计院提出的“无牛腿长柱方案”：将多层框架柱预制成一根长柱，长柱于每层节点处留出空档、先不浇混凝土, 空档处由组合钢筋或型钢构成桁架, 混凝土留空的高度与迭合主梁的高度相等,以便迭合主梁能伸进柱内, 待搁置好连系梁、预应力空心板后, 再浇灌节点, 最后形成一个整体。（详见《无牛腿长柱装配整体多层框架结构的设计研究与试点工程》，《建筑结构学报》1981年第10期）。该方案与第一种“短柱方案”相比，预制长柱安装较方便，但梁柱节点施工困难的问题并没有从根本上解决；节点空档处钢筋桁架刚度小，预制柱很长，吊装困难、安装风险大；当年采用的长柱为5～6层，长度很长，当建筑超过5～6层时，没有提供柱与柱的连接方法，因而无法向上续接以建造更多层数的建筑；而且，这种长柱的柱纵向钢筋数量也受到限制，因此其建筑高度、柱距同样受到很大限制，因此，也未能得到广泛推广。

中国专利申请号为 98113739.3的发明专利申请文件（公开日为1998 年01月22 日），公开了一种“钢管高强砼叠合柱的结构设计与施工方法”，其断面由外到内是钢管外钢筋砼、钢管、钢管内砼三部分组成，它的施工方法为三步：（1）先安装核心钢管，浇注管中的高强砼，形成钢管混凝土柱；（2）以此核心钢管砼柱为支柱，浇注本层及以上各层的肋形楼盖，在楼板与柱穿过处预留后浇孔；（3）当核心钢管砼承受的施工期荷载约达到该柱的最大组合轴力的1/4～1/2时，再叠合浇注核心钢管***的柱砼。这种柱强度高、防火性能好；但它的钢管内砼、钢管外钢筋砼均是现场浇注的，施工工序多，施工工期长，综合成本高，因此，目前仅用于轴力特别大的高层建筑底层结构柱。

发明内容

本发明提供一种装配式框架带钢牛腿长柱及其施工方法，不仅要解决现有装配式钢筋混凝土框架节点构造复杂、安装困难的技术问题；而且要大幅提高现有预制柱的轴压承载力和抗剪承载力，以解决现有装配式钢筋混凝土框架抗震性能差的技术问题；还要使它施工速度快、综合造价低，以解决现有装配式钢筋混凝土框架柱综合造价高、推广应用难的技术问题。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案是：

这种装配式框架带钢牛腿长柱，包括两层以上的层间柱和两个以上钢牛腿节点；

所述长柱在各层间柱和钢牛腿节点处的钢管、第一次预先浇注的钢管内砼以及绑扎在钢管外的柱纵向钢筋整体贯通，并在柱纵向钢筋上横向间隔绑扎有柱箍筋；

所述层间柱及钢牛腿节点范围的钢管外浇注有钢管外砼，钢管外砼与柱纵向钢筋和柱箍筋结合形成钢管外钢筋砼；

所述长柱是由钢管外钢筋砼、钢管、钢管内砼组成的叠合柱；

所述钢牛腿节点位于楼层梁处，钢牛腿节点处的钢管外侧焊接有钢牛腿，钢牛腿高度等于所连接的钢梁高度或者等于所连接的钢筋混凝土梁钢筋骨架的高度。

所述层间柱及钢牛腿节点范围的钢管外砼均为第二次预先浇注的钢管外砼；或者仅钢牛腿节点范围的钢管外砼为第二次预先浇注的钢管外砼，其余范围的钢管外砼均为现浇钢管外砼；或者钢管外砼全部为现浇钢管外砼。

所述钢牛腿包括与钢管外侧焊接的上盖板、腹板及下盖板，上盖板和下盖板上对应开有使柱纵向钢筋穿过的穿筋孔；腹板在柱纵向钢筋内侧的板面上开有混凝土浇注孔。

所述钢牛腿还包括牛腿劲板，牛腿劲板同时与上盖板、腹板及下盖板焊接。

所述钢管直径或边长大于500mm时，分别在钢管内侧与钢牛腿的上盖板、下盖板对应位置设有内加强环。

所述钢管内砼为C60~100强度等级的高强混凝土，钢管外砼为C25~C60强度等级的普通混凝土。

所述钢管截面为圆形、矩形或者方形，所述钢管外钢筋砼截面为圆形、矩形或者方形。

所述钢管直径或边长为150~1000mm。

所述长柱端部有与相邻长柱连接用的柱接头，柱接头包括向外伸出长柱的钢管和柱纵向钢筋，柱接头处钢管采用法兰盘连接或者焊接，柱纵向钢筋采用焊接或者套筒灌浆连接。

所述柱接头处钢管采用法兰盘连接时，柱接头还包括连接在钢管端部的法兰连接板，法兰连接板中心开有混凝土浇注孔，法兰连接板的板面四周间隔分布有加劲肋和连接螺栓孔。

所述长柱上端的柱接头位于钢牛腿节点连接的楼层梁以上0.3~1.5m。

这种装配式框架带钢牛腿长柱的施工方法，施工步骤如下：

步骤一，制作钢管，在钢管上焊接钢牛腿；

步骤二，第一次预先浇注钢管内砼；

步骤三，对钢管内砼进行养护，钢管内砼固化后与钢管结合为一体形成钢管砼柱；

步骤四，将钢管砼柱平放，绑扎柱纵向钢筋、柱箍筋；第二次预先浇注所有层间柱和钢牛腿节点范围的钢管外砼，固化后与钢管砼柱结合为一体形成长柱；或者仅第二次预先浇注钢牛腿节点处的钢管外砼，层间柱处的钢管外砼在钢管砼柱安装后、承受轴力达到该柱轴压力设计值的30%~60% 再现场浇注，固化后与钢管砼柱结合为一体形成长柱；或者钢管外砼全部现浇。

所述钢管内砼是在钢管与水平面夹角不大于20°的状态下进行预先浇注的；钢管内砼的养护方式采用常温浇水养护、常压蒸汽养护，或者蒸压釜内的高温高压蒸汽养护。

本发明的有益效果如下：

本发明的长柱，其钢管内砼是在工厂室内的钢管内浇注，不需模板；钢管外钢筋砼也可在工厂室内施工，采用定型模板，并在水平状态下浇注，因此加工制作很方便。长柱上设有钢牛腿，与钢梁的连接完全与钢结构类似，安装非常方便；与现浇钢筋混凝土梁连接时，将混凝土的柱纵向钢筋焊接在钢牛腿上，也很方便。

本发明的长柱，其钢管只位于柱的核芯部分，钢管截面比常规钢管混凝土柱的钢管要小得多，用钢量小；而且钢管位于柱的核芯部分，***有混凝土包裹，钢管不需要涂刷防腐和防火涂料，因此本发明的长柱造价比常规钢管混凝土柱低，耐火性强，耐久性好。

本发明的长柱柱身采用叠合柱，竖向抗压承载力及抗剪承载力是同等截面钢筋混凝土柱的2～4倍，显著地提高了框架柱的承载力及抗震性能。

本发明的长柱，其梁柱节点处钢管是贯通的，钢管内外均预先浇注有混凝土，因此节点刚度很大，便于长柱的运输和吊装；由于有钢管加强，抗剪承载力大大提高，而且节点构造简单；其加工制作又是在工厂室内进行的，因此混凝土施工质量很可靠，大大提高了节点的抗震性能。

本发明的长柱，其柱与柱节头，位于梁柱节点钢牛腿以上0.3～1.5m范围，施工操作方便，而且避开了梁柱节点受力复杂部位，简化了梁柱节点构造，柱钢筋连接也相对容易。

本发明的长柱，混凝土采用工厂预制，可加快施工速度、降低造价；尤其是钢管内高强混凝土，在工厂采用高温高压蒸汽养护制作的高强混凝土比常温常压下现场浇注制作的高强混凝土要便宜得多，强度高，质量有保障；特别是对于小截面柱，现场浇注很困难，而工厂批量生产就很容易，因此，可以大大降低叠合柱的造价。

本发明的长柱，当采用钢管内外砼全部预制时，不仅适合于多层预制装配式框架结构，也适合于各种高层建筑上部轴力不是很大的柱；当只对钢管内砼及节点处钢管外混凝土进行预制、节点外砼采用现浇时，长柱截面也可以相当大，例如边长1500x1500mm的长柱，可满足130层左右的超高层建筑底层柱受力要求，因此，本发明带钢牛腿长柱的应用范围将十分广泛。

本发明的长柱,克服了工程上多种偏见, 将有利于推动预制装配式框架结构的发展。

1、克服了预制装配式框架结构抗震性能不如现浇结构的偏见 传统观点认为，预制装配式框架的抗震性能比现浇框架差，这一观点很大程度上阻碍了预制装配式框架结构的发展。本发明具有如下特点：1）、柱身采用叠合柱，由于钢管和高强混凝土的双重作用，其轴向抗压承载力和水平抗剪承载力均为同等截面钢筋混凝土柱的2～4倍，本发明的长柱构件和节点的承载力远高于普通现浇混凝土结构；2）、梁柱节点处钢筋密集，钢筋绑扎困难，漏放箍筋、箍筋间距不合格等是现浇钢筋混凝土框架的质量通病，而且梁柱节点处框架柱混凝土与梁基本上是同时浇注的，框架柱混凝土强度等级高于框架梁时，强度高的柱混凝土浇注困难、质量难以保证，而本发明钢管外钢筋绑扎在工厂施工、水平绑扎，节点处混凝土为预制，其钢筋绑扎和混凝土浇注质量均优于现浇混凝土结构；3）、梁柱连接采用钢牛腿节点，其节点抗震性能大大优于梁纵筋锚入于柱内的混凝土节点；4）、一般框架楼层4m高左右，采用现浇时每层框架柱纵向钢筋均需要做连接接头，而本发明采用多层框架柱形成一根长柱，大大减少了柱纵向钢筋接头数量，从而减少了钢筋连接不合格的质量隐患，同时节省了钢筋接头费用；5）、柱与柱节头位于楼面梁以上0.3～1.5m，比在楼面梁顶连接操作要方便得多，有利于保证柱与柱连接节点的施工质量。因此，采用本发明的长柱的框架结构抗震承载力比常规现浇混凝土框架要好得多，将大大提高结构的抗震能力，可以广泛应用于各种抗震设防烈度地区。

2、克服了多层框架中不采用高强度等级混凝土的偏见：多层框架柱轴力小，目前工程中一般只采用C20～40普通混凝土。高强度等级混凝土配比要求高、现场养护困难，而且混凝土强度越高，其延性就越低，因此目前现浇混凝土多层框架柱几乎从不采用C60及以上高强混凝土。本发明的长柱，高强混凝土浇注于钢管内，可在工厂采用蒸压釜内进行高温高压蒸汽养护，很容易将混凝土强度提高到C60～C100，甚至更高；钢管的包裹作用可以克服高强混凝土延性低的缺点，这样就可以大量将C60～C100甚至更高强度等级的高强混凝土应用于轴力小的多层框架柱，减小框架柱截面，极大地扩大了高强混凝土的使用范围，有利于高强材料的推广使用，从而节省建筑材料。

3、克服了叠合柱只用于轴力很大的高层建筑底层结构柱的偏见：目前叠合柱的钢管内、外砼均采用现场浇注，施工工序多，施工工期长，综合成本高，仅用于轴力特别大的高层建筑底层结构柱。本发明的长柱，将钢管内混凝土、部分或全部钢管外混凝土采用工厂预制，大大降低了叠合柱的施工难度和施工成本，不仅可以广泛应用于多层框架和高层建筑顶部若干层轴力小的框架柱，以替代承载力小的普通钢筋混凝土柱，扩大了叠合柱的应用范围，而且可以大大提高结构承载能力及抗震能力，提高结构安全度，可减少地震、火灾等灾害下结构破坏引起的人员与财产损失，具有重大经济意义和社会价值。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为实施例一的长柱纵剖面图。

图2为实施例一图1 A-A横剖面（方形柱-圆钢管）的结构示意图。

图3为实施例一图1B-B横剖面的结构示意图。

图4为实施例一图1C-C横剖面的结构示意图。

图5为实施例二图1 A-A横剖面（圆形柱-圆钢管）的结构示意图。

图6为实施例三图1A-A横剖面（方形柱-方钢管）的结构示意图。

图7为实施例四图1A-A横剖面（圆形柱-方钢管）的结构示意图。

图8为实施例五长柱纵剖面图。

图9为实施例五图8D-D横剖面的结构示意图。

图10为实施例五图8E-E横剖面的结构示意图。

附图标记：1-层间柱、1.1-钢管外钢筋砼、1.2-钢管、1.3-钢管内砼、1.4-柱纵向钢筋、1.5-柱箍筋；2-钢牛腿节点、2.1-上盖板、2.2-腹板、2.3-下盖板、2.4-穿筋孔、2.5-牛腿劲板、2.6-混凝土浇注孔、2.7-内加强环、3-柱接头、3.1-法兰连接板、3.2-加劲肋、3.3-连接螺栓孔、3.4-混凝土浇注孔；4-柱顶钢盖板。

具体实施方式

实施例一，参见图1-4所示，这种装配式框架带钢牛腿长柱，包括两层以上的层间柱1和两个以上钢牛腿节点2；

所述长柱在各层间柱1和钢牛腿节点2处的钢管1.2、第一次预先浇注的钢管内砼1.3以及绑扎在钢管外的柱纵向钢筋1.4整体贯通，并在柱纵向钢筋1.4上横向间隔绑扎有柱箍筋1.5；

所述层间柱1及钢牛腿节点2范围的钢管1.2外浇注有钢管外砼，钢管外砼与柱纵向钢筋1.4和柱箍筋1.5结合形成钢管外钢筋砼1.1；

所述长柱是由钢管外钢筋砼1.1、钢管1.2、钢管内砼1.3组成的叠合柱；

所述钢牛腿节点2位于楼层梁处，钢牛腿节点2处的钢管1.2外侧焊接有钢牛腿，钢牛腿高度等于所连接的钢梁高度或者等于所连接的钢筋混凝土梁钢筋骨架的高度。

所述层间柱1及钢牛腿节点2范围的钢管外砼均为第二次预先浇注的钢管外砼。

参见图1、图3所示，所述钢牛腿节点2位于楼层梁处，钢牛腿节点2处的钢管1.2外侧焊接有钢牛腿，并在钢管1.2外侧预先浇注有钢管外钢筋砼1.1，钢牛腿高度等于所连接的钢梁高度或者等于所连接的钢筋混凝土梁钢筋骨架的高度。钢牛腿包括与钢管1.2外侧焊接的上盖板2.1、腹板2.2及下盖板2.3，上盖板2.1和下盖板2.3上对应开有使柱纵向钢筋1.4穿过的穿筋孔2.4，柱纵向钢筋1.4从穿筋孔2.4穿过，起到了比箍筋更好的约束作用，对增强节点承载力有很好的作用；由于钢管外钢筋砼1.1是在水平或者略微倾斜状态下浇注的，为了使梁柱节点处混凝土浇注密实，腹板2.2在柱纵向钢筋1.4内侧的板面上开有混凝土浇注孔2.6。钢牛腿还包括牛腿劲板2.5，牛腿劲板2.5同时与上盖板2.1、腹板2.2及下盖板2.3焊接。牛腿劲板2.5增强了钢牛腿节点2的刚度，提高了钢梁及柱混凝土的局部承压能力，还可以增强节点的整体性。

由于设置了钢牛腿，长柱与钢梁连接时，可以采用栓焊连接、高强螺栓连接、或者全焊接，完全等同于钢框架结构梁柱的连接；与钢筋混凝土梁连接时，可以将钢筋混凝土梁的上下钢筋焊接钢牛腿的上盖板2.1和下盖板2.3上，非常方便，连接可靠。

所述钢管外钢筋砼1.1在钢牛腿节点2处是预制的，在钢牛腿节点2以外楼层范围采用现浇，或者钢管外钢筋砼1.1全部采用现浇；钢管外钢筋砼1.1固化后与钢管砼柱结合为一体。

参见图1、图4所示，所述长柱端部有与相邻长柱连接用的柱接头3，柱接头3包括向外伸出长柱的钢管1.2和柱纵向钢筋1.4，柱接头3处钢管1.2采用法兰盘连接或者焊接。图1中所示为法兰连接：柱接头3处钢管1.2采用法兰盘连接时，柱接头3还包括连接在钢管1.2端部的法兰连接板3.1，法兰连接板3.1中心开有混凝土浇注孔3.4，法兰连接板3.1的板面四周间隔分布有加劲肋3.2和连接螺栓孔3.3。法兰连接承受压力可靠，现场连接速度快，但现场偏差调整的余地较小。柱接头3也可以采用焊接连接：将钢管内接头处预留约300~500mm的混凝土先不浇，并在留空处下端预留后浇混凝土浇注孔、上端预留排气孔，待上下柱对齐后焊接钢管，最后用高强混凝土或者灌浆料将钢管内留空处浇实。焊接连接虽然增加了现场焊接工作量，但传力效果更好。核芯钢管砼柱连接好后，对柱纵向钢筋1.4进行连接，连接方式可采用焊接或者套筒灌浆连接，最后现场浇注柱接头3处钢管外钢筋砼1.1，完成长柱连接。

参见图1所示，所述长柱上端的柱接头3位于钢牛腿节点2连接的楼层梁以上0.3~1.5m。柱接头3范围钢管外砼待钢管砼柱连接后再现场浇注。这种柱接头高出楼面，不但避开了梁柱接头受力复杂的部位，而且与在楼板顶面连接的短柱方案相比，接头施工要方便得多。

所述钢管内砼1.3为C60~100、甚至更高强度等级的高强混凝土，钢管外砼为C25~C60强度等级的普通混凝土。对于承受轴力较小的长柱，所述钢管内砼1.3也可以采用强度等级较低的普通混凝土。

为了获得良好的经济性，长柱制作长度宜尽可能地长，以减少现场拼接接头；不过还应满足运输及吊装起重量限制的要求。对于一般楼层，可以采用2～4层高作为一根柱，长度8～12m左右，这样安装较方便；对于多高层建筑底层柱，安装条件比楼层好，也可以采用5～10层、约20～40m作为一根柱。

对于底层柱脚，可采用***式柱脚或者埋入式柱脚。***或者埋入部分的钢管外钢筋砼1.1 外表面凿毛，或者其中的混凝土不预浇，待长柱安装定位后现场浇注。

对于顶层柱，可以按照钢框架的做法，在距梁顶约60mm位置设置柱顶钢盖板，参见图8所示。

参见图2~3，所述钢管1.2截面为圆形，圆形钢管1.2对钢管内混凝土1.3约束作用大，对改善高强混凝土延性、提高混凝土承载力能力有利。所述钢管外钢筋砼1.1截面为方形。

钢管1.2直径适宜尺寸为150~500mm，长柱横截面单边长为350~800mm，可以满足一般多层建筑及高层建筑顶部的受力要求。

以下通过计算，说明本发明实施例一长柱的抗压承载力及抗剪承载力增强效果：

算例1、边长500mmx500mm的钢筋混凝土柱，C30混凝土，纵筋12D20，钢筋采用HRB400；箍筋φ8100(4)，钢筋采用HPB300。按《混凝土结构设计规范》GB50010-2010公式6.2.15及6.3.4分别计算抗压承载力和抗剪承载力，不计稳定系数的影响，N_po取0.3fc·Ao。

钢筋混凝土柱的抗压承载力：

Nc=0.9·(fc·Ac+ fy ·As)=0.9*（14.3*500*500+360*314*12）/1000=4438 kN

钢筋混凝土柱的抗剪承载力：

Vc=Vcs+Vp=1.75/(λ+1) ·ft·b·ho+ fyv ·Asv·ho/s+0.07N_po)

=(1.75/4*1.43*500*465+270*50.3*4*465/100+0.07*0.3*14.3*500*500)/1000

=473  kN 

算例2、 边长500mmx500mm的钢管混凝土叠合柱，钢管D245x7，采用Q345，管内C80混凝土，管外C40混凝土; 纵筋12D20，钢筋采用HRB400；箍筋φ8100(4)，钢筋采用HPB300。按《钢管混凝土叠合柱结构技术规程》CECS 188:2005 公式6.2.7-1及6.2.10-1分别计算抗压承载力和抗剪承载力，不计稳定系数的影响，N取0.3fco·A。

管外钢筋混凝土抗压承载力为：

Nu.co=0.9·(fco·Aco+ fy·As)=0.9*（19.1*（500*500-3.14*245*245/4)+360*314*12）/1000

= 4708 kN

θ=fa·Aa/(fcc·Acc)=310*(245*245-231*231)*3.14/4/(35.9*231*231*3.14/4)  =1.078

钢管混凝土抗压承载力为：

Nu.cc=fcc·Acc(1+ 1.8·θ) = 35.9*231*231*3.14/4*（1+1.8*1.078)/1000 =4421 kN

则叠合柱的抗压承载力：Nu= Nu.co+ Nu.cc=4708+4421=9129  kN

叠合柱柱的抗剪承载力：

 Vc=Vcs+Vp=1.75/(λ+1)·fto·b·ho+ fyv ·Asv·ho/s+2.5fa·Aa/(1+4λ²)^1/2+0.07N

=(1.75/4*1.71*500*465+270*50.3*4*465/100+2.5*310*(245*245-231*231)

*3.14/4/sqrt(1+4*3*3)/1000+0.07*0.3*19.1*500*500)/1000  =1192  kN

同样，可以再计算出C40混凝土柱、钢管D245x7/管外C60/管内C80叠合柱、以及钢管D245x16/管外C60/管内C100叠合柱等3种情况的抗压和抗剪承载力，列表对比如下：

边长500mmx500mm 的叠合柱与钢筋混凝土柱抗压、抗剪承载力对比表

                                                 

由上表可以看出，当混凝土强度等级由C30提高至C40时，抗压承载力仅提高了24%，抗剪承载力仅提高了11%，效果不大。而采用叠合柱后，抗压承载力提高了106~220%，抗剪承载力提高了152~339%，效果非常显著。由此可见，本发明采用叠合柱，对提高长柱预制柱的抗压承载力和抗剪承载力都是非常显著的。

实施例二，参见图5所示，所述钢管1.2截面为圆形，所述钢管外钢筋砼1.1截面为圆形，其余同实施例一。

实施例三，参见图6所示，所述钢管1.2截面为方形，所述钢管外钢筋砼1.1截面为方形，其余同实施例一。钢管1.2采用矩形或者方形，虽然约束作用有所减少，但矩形或者方形截面所包含的面积较圆形的大，从而包含的高强混凝土量更多，对于提高长柱承载力也很有效。所述钢管1.2边长尺寸为150~500mm。

算例3、 边长500x500的钢管混凝土叠合柱，矩形钢管□D300x7，采用Q345，管内C80混凝土，管外C40混凝土; 纵筋12D20，钢筋采用HRB400。方形或矩形钢管不计对管内混凝土约束产生的强度增高效应。

管外钢筋混凝土抗压承载力为：

Nu.co=0.9·(fco·Aco+ fy ·As)

=0.9*(19.1*(500*500-300*300)+360*314*12)/1000 = 3971 kN

钢管混凝土抗压承载力为： 

Nu.cc=fcc·Acc+f a·Aa =( 35.9*286*286+（300*300-286*286）*310)/1000 =5480 kN

则叠合柱的抗压承载力：Nu= Nu.co+ Nu.cc=3971+5480= 9451 kN

与算例2钢管混凝土抗压承载力9129 kN相比，抗压承载力非常接近。

由此可见，钢管1.2采用方向或者矩形时，虽然不计钢管1.2对钢管内混凝土1.3的约束作用，但抗压承载力增强效果也非常好。

实施例四，参见图7所示，所述钢管1.2截面为方形。所述钢管外钢筋砼1.1截面为圆形。

实施例一至四的装配式框架带钢牛腿长柱的施工方法，施工步骤如下：

步骤一，制作钢管1.2，在钢管1.2上焊接钢牛腿2；

步骤二，第一次预先浇注钢管内砼1.3；

步骤三，对钢管内砼1.3进行养护，钢管内砼1.3固化后与钢管1.2结合为一体形成钢管砼柱；

步骤四，将钢管砼柱平放，绑扎柱纵向钢筋1.4、柱箍筋1.5，第二次预先浇注所有层间柱1和钢牛腿节点2范围的钢管外钢筋砼1.1，固化后与钢管砼柱结合为一体形成长柱。

所述钢管内砼1.3是在钢管1.2与水平面夹角不大于20°的状态下进行预先浇注的；钢管内砼1.3的养护方式采用常温浇水养护、常压蒸汽养护，或者蒸压釜内的高温高压蒸汽养护。

 

实施例五，参见图8、9、10所示，对于截面较大的长柱，为减轻长柱自重，仅钢管内砼1.3及钢牛腿节点2范围的钢管外钢筋砼1.1预制，钢牛腿节点2范围以外的钢管外钢筋砼1.1中钢筋预先绑扎、混凝土现浇。

参见图9，在长柱预制阶段，钢管1.2外仅绑扎钢筋，不浇注混凝土。

参见图10，由于钢管1.2尺寸较大，分别在钢牛腿上盖板2.1、下盖板2.3处的钢管1.2对应位置还设有内加强环2.7，以加强梁柱节点刚度。

参见图8、9、10，钢管1.2直径适宜尺寸为500~1000mm，长柱边长为0.8~1.5m，可以满足超高层建筑底部柱轴力很大的受力要求。

钢管外钢筋砼1.1截面及钢管1.2可以为矩形、方形、或者圆形。

这种预制柱自重较轻，便于运输和安装；截面大，适合于超高层建筑底层轴力大的柱。对于建筑底层柱，安装条件比楼面好，还可以采用5～10层、约20～40m作为一根柱。这种长柱，通过调整钢管外砼浇注时间，还可以使长柱核芯部分钢管砼柱承受更大的轴力，充分发挥叠合柱的优点。

其他同实施例一、二。

算例4、 边长1500x1500mm的钢管混凝土叠合柱，钢管D1000x45，采用Q345，管内C100混凝土，管外C60混凝土; 纵筋48D32，钢筋采用HRB400。

管外钢筋混凝土抗压承载力为：

Nu.co=0.9·(fco·Aco+ fy ·As)

=0.9*（27.5*（1500*1500-3.14*1000*1000/4)+360*804.3*48）/1000

= 48767  kN

θ=fa·Aa/(fcc·Acc)=310*(1000*1000-910*910)*3.14/4/(43.9*910*910*3.14/4)  =1.466

钢管混凝土抗压承载力为：

Nu.cc=fcc·Acc(1+ 1.8 ·θ) = 43.9*910*910*3.14/4*（1+1.8*1.466)/1000 =103842 kN

则叠合柱的抗压承载力：Nu= Nu.co+ Nu.cc=48767+103842=152609  kN

按柱网8mx8m、每层楼面荷载标准值10 kN/m²、柱轴压比为0.75进行估算，则：

   n=152609*0.75/(8*8*10*1.35) ≈ 132 层

本计算表明，边长面1.5mx1.5m的长柱，完全可满足130层左右的超高层建筑底层柱的受力要求。

实施例五的这种装配式框架带钢牛腿长柱的施工方法，施工步骤如下：

步骤一，制作钢管1.2，在钢管1.2上焊接钢牛腿2；

步骤二，第一次预先浇注钢管内砼1.3；

步骤三，对钢管内砼1.3进行养护，钢管内砼1.3固化后与钢管1.2结合为一体形成钢管砼柱；

步骤四，将钢管砼柱平放，绑扎柱纵向钢筋1.4、柱箍筋1.5，仅第二次预先浇注钢牛腿节点2处的钢管外砼，层间柱1处的钢管外砼在钢管砼柱安装后、承受轴力达到该柱轴压力设计值的30%~60% 再现场浇注，固化后与钢管砼柱结合为一体形成长柱。

所述钢管内砼1.3是在钢管1.2与水平面夹角不大于20°的状态下进行预先浇注的；钢管内砼1.3的养护方式采用常温浇水养护、常压蒸汽养护，或者蒸压釜内的高温高压蒸汽养护。

实施例六，对于截面较大的长柱，为了进一步减轻长柱的运输及吊装重量，钢牛腿节点2处的钢管外钢筋砼1.1中的混凝土也采用现浇，其余同实施例五。

  

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种装配式框架带钢牛腿长柱，其特征在于：包括两层以上的层间柱（1）和两个以上钢牛腿节点（2）；

所述长柱在各层间柱（1）和钢牛腿节点（2）处的钢管（1.2）、第一次预先浇注的钢管内砼（1.3）以及绑扎在钢管外的柱纵向钢筋（1.4）整体贯通，并在柱纵向钢筋（1.4）上横向间隔绑扎有柱箍筋（1.5）；

所述层间柱（1）及钢牛腿节点（2）范围的钢管（1.2）外浇注有钢管外砼，钢管外砼与柱纵向钢筋（1.4）和柱箍筋（1.5）结合形成钢管外钢筋砼（1.1）；

所述长柱是由钢管外钢筋砼（1.1）、钢管（1.2）、钢管内砼（1.3）组成的叠合柱；

所述钢牛腿节点（2）位于楼层梁处，钢牛腿节点（2）处的钢管（1.2）外侧焊接有钢牛腿，钢牛腿高度等于所连接的钢梁高度或者等于所连接的钢筋混凝土梁钢筋骨架的高度。

2.根据权利要求1所述的一种装配式框架带钢牛腿长柱，其特征在于：所述层间柱（1）及钢牛腿节点（2）范围的钢管外砼均为第二次预先浇注的钢管外砼；或者仅钢牛腿节点（2）范围的钢管外砼为第二次预先浇注的钢管外砼，其余范围的钢管外砼均为现浇钢管外砼；或者钢管外砼全部为现浇钢管外砼。

3.根据权利要求1所述的一种装配式框架带钢牛腿长柱，其特征在于：所述钢牛腿包括与钢管（1.2）外侧焊接的上盖板（2.1）、腹板（2.2）及下盖板（2.3），上盖板（2.1）和下盖板（2.3）上对应开有使柱纵向钢筋（1.4）穿过的穿筋孔（2.4）；腹板（2.2）在柱纵向钢筋（1.4）内侧的板面上开有混凝土浇注孔（2.6）。

4.根据权利要求3所述的一种装配式框架带钢牛腿长柱，其特征在于：所述钢牛腿还包括牛腿劲板（2.5），牛腿劲板（2.5）同时与上盖板（2.1）、腹板（2.2）及下盖板（2.3）焊接。

5.根据权利要求3所述的一种装配式框架带钢牛腿长柱，其特征在于：所述钢管（1.2）直径或边长大于500mm时，分别在钢管（1.2）内侧与钢牛腿的上盖板（2.1）、下盖板（2.3）对应位置设有内加强环（2.7）。

6.根据权利要求1所述的一种装配式框架带钢牛腿长柱，其特征在于：所述钢管内砼（1.3）为C60~100强度等级的高强混凝土，钢管外砼为C25~C60强度等级的普通混凝土。

7.根据权利要求1所述的一种装配式框架带钢牛腿长柱，其特征在于：所述钢管（1.2）截面为圆形、矩形或者方形，所述钢管外钢筋砼（1.1）截面为圆形、矩形或者方形。

8.根据权利要求1所述的一种装配式框架带钢牛腿长柱，其特征在于：所述钢管（1.2）直径或边长为150~1000mm。

9.根据权利要求1所述的一种装配式框架带钢牛腿长柱，其特征在于：所述长柱端部有与相邻长柱连接用的柱接头（3），柱接头（3）包括向外伸出长柱的钢管（1.2）和柱纵向钢筋（1.4），柱接头（3）处钢管（1.2）采用法兰盘连接或者焊接，柱纵向钢筋（1.4）采用焊接或者套筒灌浆连接。

10.根据权利要求9所述的一种装配式框架带钢牛腿长柱，其特征在于：所述柱接头（3）处钢管（1.2）采用法兰盘连接时，柱接头（3）还包括连接在钢管（1.2）端部的法兰连接板（3.1），法兰连接板（3.1）中心开有混凝土浇注孔（3.4），法兰连接板（3.1）的板面四周间隔分布有加劲肋（3.2）和连接螺栓孔（3.3）。

11.根据权利要求9所述的一种装配式框架带钢牛腿长柱，其特征在于：所述长柱上端的柱接头（3）位于钢牛腿节点（2）连接的楼层梁以上0.3~1.5m。

12.一种权利要求1～11任意一项所述一种装配式框架带钢牛腿长柱的施工方法，其特征在于施工步骤如下：

步骤一，制作钢管（1.2），在钢管（1.2）上焊接钢牛腿；

步骤二，第一次预先浇注钢管内砼（1.3）；

步骤三，对钢管内砼（1.3）进行养护，钢管内砼（1.3）固化后与钢管（1.2）结合为一体形成钢管砼柱；

步骤四，将钢管砼柱平放，绑扎柱纵向钢筋（1.4）、柱箍筋（1.5）；第二次预先浇注所有层间柱（1）和钢牛腿节点（2）范围的钢管外砼，固化后与钢管砼柱结合为一体形成长柱；或者仅第二次预先浇注钢牛腿节点（2）处的钢管外砼，层间柱（1）处的钢管外砼在钢管砼柱安装后、承受轴力达到该柱轴压力设计值的30%~60% 再现场浇注，固化后与钢管砼柱结合为一体形成长柱；或者钢管外砼全部现浇。

13.根据权利要求12所述的一种装配式框架带钢牛腿长柱的施工方法，其特征在于：所述钢管内砼（1.3）是在钢管（1.2）与水平面夹角不大于20°的状态下进行预先浇注的；钢管内砼（1.3）的养护方式采用常温浇水养护、常压蒸汽养护，或者蒸压釜内的高温高压蒸汽养护。

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