CN106639151B - 内置x型对拉钢板式焊接矩形钢管混凝土柱及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内置X型对拉钢板式焊接矩形钢管混凝土柱及施工方法，包括焊接矩形钢管、X型对拉钢板，焊接矩形钢管对角线位置设有与其角部焊接在一起的X型对拉钢板，所述X型对拉钢板包括两块，分别设置于焊接矩形钢管的两端；每块X型对拉钢板由一块主钢板和两块副钢板X型交叉形成，且通过X型对拉钢板纵向焊缝焊接而成；在焊接矩形钢管、X型对拉钢板组装的结构内部浇筑有混凝土。通过X型对拉钢板对核心混凝土的有效分割，增加了焊接矩形钢管对核心混凝土的约束能力，有利于改善焊接矩形钢管混凝土柱的界面粘结滑移性能，使焊接矩形钢管混凝土柱的粘结强度和整体承载能力显著提高，节省了钢材和混凝土材料。

Description

内置X型对拉钢板式焊接矩形钢管混凝土柱及施工方法

技术领域

本发明涉及建筑结构中的建筑构件及其施工方法，具体是指一种内置X型对拉钢板式焊接矩形钢管混凝土柱及其施工方法。

背景技术

钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土，钢管及其核心混凝***同承受外荷载作用的结构构件。与钢筋混凝土柱相比，钢管混凝土柱中，钢管对其内部混凝土的约束作用使混凝土处于三向受压状态，提高了混凝土的抗压强度，钢管内部的混凝土又可以有效地防止钢管发生局部屈曲，钢管和混凝土之间的相互作用使钢管内部混凝土的破坏由脆性破坏转变为塑性破坏，构件的延性性能明显改善，耗能能力大大提高，具有良好的抗震性能。同时，钢管混凝土柱施工时不需要模板，节省了支模、拆模的材料和人工费用，也节省了时间。因此，钢管混凝土柱在高层和超高层建筑结构、大型重载工业厂房和大跨桥梁结构中得到了广泛的应用。

相对于圆形钢管混凝土柱而言，焊接矩形钢管混凝土柱外形美观,制作简单，梁柱节点连接方便，更容易满足建筑使用功能的要求。但是，焊接矩形钢管混凝土柱在压力作用下，对核心混凝土的约束效果不如圆钢管混凝土柱显著,焊接矩形钢管混凝土柱的钢管一般由四块钢板焊接组成，导致了焊接矩形钢管对核心混凝土的整体约束效应差，承载力较低、延性较差，在一定程度上阻碍了焊接矩形钢管混凝土柱在高层、超高层建筑上的应用。

由于钢管和混凝土两种材料的变形能力、力学性能和破坏形态不同，在钢管混凝土柱实际工程应用中，荷载一般先由焊接矩形钢管混凝土柱的钢管壁承担,再通过钢管与核心混凝土之间的界面粘结力将外荷载逐步传递给核心混凝土,经过一定长度的粘结滑移后,实现钢管与混凝土的共同工作。焊接矩形钢管与核心混凝土之间的界面粘结力大小直接影响焊接矩形钢管混凝土柱的工作性能，因此，如何增强焊接矩形钢管混凝土柱中焊接矩形钢管和混凝土之间的界面粘结强度问题是工程界较为关心的问题。

当焊接矩形钢管混凝土柱的横截面较大时，钢管内的核心混凝土体积较大，大体积混凝土浇筑后，其凝结硬化过程中会产生收缩现象并释放大量的水化热，使得焊接矩形钢管对核心混凝土的约束效应降低且核心混凝土内部温度较高，表面温度较低，核心混凝土易产生鼓胀、裂缝及温度变形等缺陷，对焊接矩形钢管混凝土柱的承载力、界面粘结力和耐久性等性能产生不利影响。

“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件”是结构抗震设计及现行规范中所采用的重要的设计思想，指的是柱子不先于梁破坏，因为梁破坏属于构件破坏，是局部性的，柱子破坏将危及整个结构的安全，可能会整体倒塌，后果严重。所以结构抗震设计中要保证柱子更“相对”安全，故要“强柱弱梁”；“弯曲破坏”是延性破坏，是有预兆的，如开裂或下挠等，而“剪切破坏”是一种脆性的破坏，没有预兆的，瞬时发生，没有防范，所以结构抗震设计中要避免发生剪切破坏。“强节点弱构件”指结构抗震设计中使建筑结构中梁柱节点的塑性铰出现在梁端，须避免塑性铰出现在柱子端部，以提高结构的变形能力，结构能够更好的耗能、增强延性，防止建筑物在强烈地震作用下倒塌，因节点失效意味着与之相连的梁与柱都失效，所以，节点的承载力要高于连接构件。“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件”的设计思想可以有效保证和达到结构抗震设防目标，同时又使结构抗震设计做到经济合理。在实际工程中，由于地基的不均匀沉降及竖向荷载的作用，在地震作用时柱子的端部基本上都会出现明显的损伤或破坏且梁柱节点处会有“X”形裂缝产生。如何保证“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件”的设计思想在建筑结构抗震设计中更好的实现，也是工程领域从业人员一直研究探索的重要方面。

因此工程实践中需要提供一种施工便捷、界面粘结强度高、更符合“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件”设计思想，且能够有效减小核心混凝土收缩，使核心混凝土内部温度降低、经济合理的焊接矩形钢管混凝土柱，大大提高了焊接矩形钢管混凝土柱的整体承载力、延性和工作性能。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种内置X型对拉钢板式焊接矩形钢管混凝土柱及其施工方法，它包括焊接矩形钢管、X型对拉钢板和核心混凝土，所述焊接矩形钢管由四块钢板焊接而成，X型对拉钢板沿纵向开设有圆形孔洞，且位于焊接矩形钢管对角线位置，并通过焊接矩形钢管的四条纵向角焊缝与焊接矩形钢管焊接在一起，所述核心混凝土浇筑在焊接矩形钢管和X型对拉钢板所围成的空间内。通过X型对拉钢板对核心混凝土的有效分割，增加了焊接矩形钢管对核心混凝土的约束能力，有利于改善焊接矩形钢管混凝土柱的界面粘结滑移性能，使焊接矩形钢管混凝土柱的粘结强度和整体承载能力显著提高，节省了钢材和混凝土材料，同时，X型对拉钢板具有导热桥功能，能有效降低核心混凝土内部的温度，有效减小核心混凝土的收缩。本发明同时公开其施工方法。

本发明的技术方案如下：

一种内置X型对拉钢板式焊接矩形钢管混凝土柱，包括焊接矩形钢管、X型对拉钢板和混凝土，所述焊接矩形钢管对角线位置设有与其角部焊接在一起的X型对拉钢板，所述X型对拉钢板包括两块，分别设置于焊接矩形钢管的两端，高度为焊接矩形钢管净高的1/4；每块X型对拉钢板由一块主钢板和两块副钢板X型交叉形成，且通过X型对拉钢板纵向焊缝焊接而成；在焊接矩形钢管和X型对拉钢板所围成的空间内浇筑核心混凝土。

优选的，所述焊接矩形钢管由四块钢板焊接而成，横截面为矩形。

优选的，所述主钢板和副钢板为纵向均匀开设圆形孔洞的钢板，其厚度及圆形孔洞的大小、间距由焊接矩形钢管混凝土柱的抗震等级、承载力、界面粘结强度等设计要求决定。

优选的，所述X型对拉钢板为横截面“X”形的钢结构构件，其尺寸与焊接矩形钢管混凝土柱对角线尺寸相匹配。

优选的，所述X型对拉钢板通过焊接矩形钢管的四条纵向角焊缝与焊接矩形钢管焊接在一起，使焊接矩形钢管形成内置X型对拉钢板式钢结构整体。

优选的，所述X型对拉钢板与焊接矩形钢管所需的钢板可提前在工厂加工完成，并根据焊接矩形钢管混凝土柱的设计尺寸提前进行坡口。

具体的施工方法如下：

(1)根据焊接矩形钢管混凝土柱设计尺寸，将加工好的沿纵向均匀设有圆形孔洞的主钢板和副钢板通过X型对拉钢板纵向焊缝焊接成X形对拉钢板；

(2)将焊接好的X型对拉钢板置于焊接矩形钢管两端的对角线位置，且沿焊接矩形钢管纵向高度约为1/4柱净高范围内，最后，将焊接矩形钢管所需的钢板依次焊接到焊接矩形钢管两端的X形对拉钢板的四面，形成内置X型对拉钢板式焊接矩形钢管；

(3)在施工现场，将预制好的内置X型对拉钢板式焊接矩形钢管吊装到相应安装位置后，向内置X型对拉钢板式焊接矩形钢管内浇筑核心混凝土，核心混凝土硬化后形成内置X型对拉钢板式焊接矩形钢管混凝土柱。

本发明的积极效果是：

(1)通过焊接矩形钢管混凝土柱内两端X型对拉钢板有效的拉结，实现了对焊接矩形钢管混凝土柱的有效分割，增强了对焊接矩形钢管内核心混凝土的约束效应，有效提高了焊接矩形钢管混凝土柱的整体承载能力。

(2)通过焊接矩形钢管混凝土柱内两端X型对拉钢板有效的拉结，加强了焊接矩形钢管四条纵向角焊缝的薄弱部位，防止轴向受压时焊接矩形钢管混凝土柱两端的纵向角焊缝过早鼓曲或开裂。

(3)焊接矩形钢管内X型对拉钢板不仅可以承担竖向荷载，提高构件承载力，而且可以减小焊接矩形钢管管壁厚度，使焊接矩形钢管混凝土柱的横截面减小，节省了材料，使建筑物的有效使用面积得以加大，满足了大型建筑物的需要。

(4)通过在X型对拉钢板上开设的圆形孔洞，有利于提高核心混凝土的浇筑质量，使得被X型对拉钢板分割的核心混凝土连接为整体，同时，又可以使核心混凝土对X型对拉钢板形成更好的包裹效应。X型对拉钢板可通过剪切圆形孔洞内的核心混凝土，来抵抗焊接矩形钢管混凝土柱的界面滑移，增加了焊接矩形钢管与核心混凝土的界面粘结强度，提高了焊接矩形钢管混凝土柱的抗滑移性能及其整体工作性能。

(5)通过在焊接矩形钢管混凝土柱两端内部焊接X型对拉钢板，加强了柱子两端的抗剪承载力，X型对拉钢板开设的圆形孔洞，使焊接矩形钢管内部形成相互稳定的拉结效应，有利于提高焊接矩形钢管混凝土柱的强度和刚度，避免了梁柱节点“X”形裂缝的产生，更好的实现了“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件”的设计思想，保证了抗震设防目标的实现。

(6)焊接矩形钢管混凝土柱两端内设置的X型对拉钢板具有导热桥功能，通过内置X型对拉钢板的传导，可将核心混凝土内部的水化热传递给焊接矩形钢管壁，加速了核心混凝土内部热量的散发，同时有效避免了因核心混凝土的收缩而使焊接矩形钢管对核心混凝土的约束效应降低的现象，消除了因核心混凝土水化热效应产生的核心混凝土鼓胀、裂缝及温度变形等不利影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的立体示意图；

图2是本发明的X型对拉钢板结构示意图；

图3是本发明的俯视图；

图4是本发明的内部结构示意图

图5、图6是本发明的X型对拉钢板主钢板、X型对拉钢板副钢板结构示意图

图中：1-焊接矩形钢管，2-X型对拉钢板，3-主钢板，4-副钢板，5-X型对拉钢板纵向焊缝，6-焊接矩形钢管纵向角焊缝，7-核心混凝土，8-圆形孔洞。

具体实施方式

参照附图对本发明进行详细说明：

如图1～图6所示，一种内置X型对拉钢板式焊接矩形钢管混凝土柱，它包括焊接矩形钢管1、X型对拉钢板2和核心混凝土7；焊接矩形钢管1和X型对拉钢板所围成的空间内浇筑核心混凝土7。

焊接矩形钢管1为四块钢板焊接而成的横截面为矩形的钢管。

X型对拉钢板2由一块主钢板3和两块副钢板4焊接而成的横截面为X形的钢结构构件；该装置中包括两块X型对拉钢板2，高度为纵向焊接矩形钢管混凝土柱净高的1/4，分别设置于柱子的两端；加强了柱子两端的抗剪承载力，X型对拉钢板开设的圆形孔洞，使焊接矩形钢管内部形成相互稳定的拉结效应，有利于提高焊接矩形钢管混凝土柱的强度和刚度，避免了梁柱节点“X”形裂缝的产生，更好的实现了“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件”的设计思想，保证了抗震设防目标的实现。

所述X型对拉钢板位于焊接矩形钢管1的对角线位置，且X型对拉钢板通过四条焊接矩形钢管纵向角焊缝6与焊接矩形钢管1焊接在一起，使焊接矩形钢管1形成内置X型对拉钢板的钢结构构件；通过焊接矩形钢管混凝土柱内两端X型对拉钢板有效的拉结，加强了焊接矩形钢管四条纵向角焊缝的薄弱部位，防止轴向受压时焊接矩形钢管混凝土柱两端的纵向角焊缝过早鼓曲或开裂。

X型对拉钢板主钢板3和X型对拉钢板副钢板4沿钢板纵向均开设有圆形孔洞8，且圆形孔洞8沿纵向均匀布置；通过在X型对拉钢板2上开设的圆形孔洞8，有利于提高核心混凝土的浇筑质量，使得被X型对拉钢板2分割的核心混凝土连接为整体，同时，又可以使核心混凝土对X型对拉钢板2形成更好的包裹效应。X型对拉钢板2可通过剪切圆形孔洞8内的核心混凝土，来抵抗焊接矩形钢管混凝土柱的界面滑移，增加了焊接矩形钢管1与核心混凝土的界面粘结强度，提高了焊接矩形钢管混凝土柱的抗滑移性能及其整体工作性能。

焊接矩形钢管1、X型对拉钢板主钢板3和X型对拉钢板副钢板4所需钢板可预先根据焊接矩形钢管混凝土柱的设计尺寸在工厂加工而成，然后通过X型对拉钢板2纵向焊缝5将一块X型对拉钢板主钢板3和两块X型对拉钢板副钢板4焊接在一起，形成X型对拉钢板2。

焊接矩形钢管1的四块钢板分别通过四条焊接矩形钢管纵向角焊缝6焊接到钢管混凝土柱两端的X型对拉钢板2的四面，向焊接矩形钢管1内浇筑核心混凝土7后，形成内置X型对拉钢板式焊接矩形钢管混凝土柱；焊接矩形钢管混凝土柱两端内设置的X型对拉钢板2具有导热桥功能，通过内置X型对拉钢板2的传导，可将核心混凝土内部的水化热传递给焊接矩形钢管1壁，加速了核心混凝土内部热量的散发，同时有效避免了因核心混凝土的收缩而使焊接矩形钢管1对核心混凝土的约束效应降低的现象，消除了因核心混凝土水化热效应产生的核心混凝土鼓胀、裂缝及温度变形等不利影响。

上述内置X型对拉钢板式焊接矩形钢管混凝土柱的施工方法，包括如下步骤：

(1)根据焊接矩形钢管1混凝土柱设计尺寸，将加工好的沿纵向均匀设有圆形孔洞8的X型对拉钢板主钢板3和X型对拉钢板副钢板4通过X型对拉钢板纵向焊缝5焊接成X形对拉钢板2，然后，将焊接好的X型对拉钢板2置于焊接矩形钢管1两端的对角线位置，且沿焊接矩形钢管1纵向高度约为1/4柱净高范围内，最后，将焊接矩形钢管1所需的钢板依次焊接到焊接矩形钢管1两端的X形对拉钢板2的四面，形成内置X型对拉钢板式焊接矩形钢管1。

(2)在施工现场，将预制好的内置X型对拉钢板式焊接矩形钢管吊装到相应安装位置后，向内置X型对拉钢板式焊接矩形钢管内浇筑核心混凝土7，核心混凝土7硬化后形成内置X型对拉钢板式焊接矩形钢管混凝土柱。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种内置X型对拉钢板式焊接矩形钢管混凝土柱，其特征在于，包括焊接矩形钢管、X型对拉钢板和混凝土，所述焊接矩形钢管对角线位置设有与其角部焊接在一起的X型对拉钢板，所述X型对拉钢板包括两块，分别设置于焊接矩形钢管的两端；每块X型对拉钢板由一块主钢板和两块副钢板X型交叉形成，且通过X型对拉钢板纵向焊缝焊接而成；在焊接矩形钢管和X型对拉钢板所围成的空间内浇筑核心混凝土；所述主钢板和副钢板为纵向均匀开设圆形孔洞的钢板。

2.如权利要求1所述的内置X型对拉钢板式焊接矩形钢管混凝土柱，其特征在于，所述焊接矩形钢管由四块钢板焊接而成，横截面为矩形。

3.如权利要求1所述的内置X型对拉钢板式焊接矩形钢管混凝土柱，其特征在于，所述X型对拉钢板为横截面“X”形的钢结构构件，其尺寸与焊接矩形钢管混凝土柱对角线尺寸相匹配。

4. 如权利要求1所述的内置X型对拉钢板式焊接矩形钢管混凝土柱，其特征在于， 所述X型对拉钢板与焊接矩形钢管所需的钢板为预制件，且根据焊接矩形钢管混凝土柱的设计尺寸提前进行坡口设计。

5.如权利要求1所述的内置X型对拉钢板式焊接矩形钢管混凝土柱，其特征在于，两块X型对拉钢板的高度为焊接矩形钢管净高的1/4。

6.如权利要求1所述的内置X型对拉钢板式焊接矩形钢管混凝土柱的施工方法，其特征在于：

（1）根据焊接矩形钢管混凝土柱设计尺寸，将加工好的沿纵向均匀设有圆形孔洞的主钢板和副钢板通过X型对拉钢板纵向焊缝焊接成X形对拉钢板；

（2）将焊接好的X型对拉钢板置于焊接矩形钢管两端的对角线位置，且沿焊接矩形钢管纵向高度约为1/4柱净高范围内，最后，将焊接矩形钢管所需的钢板依次焊接到焊接矩形钢管两端的X形对拉钢板的四面，形成内置X型对拉钢板式焊接矩形钢管；

（3）在施工现场，将预制好的内置X型对拉钢板式焊接矩形钢管吊装到相应安装位置后，向内置X型对拉钢板式焊接矩形钢管内浇筑核心混凝土，核心混凝土硬化后形成内置X型对拉钢板式焊接矩形钢管混凝土柱。