內置X型對拉鋼板式焊接矩形鋼管混凝土柱及施工方法與流程

2023-07-27 19:18:16

本發明涉及建築結構中的建築構件及其施工方法，具體是指一種內置X型對拉鋼板式焊接矩形鋼管混凝土柱及其施工方法。

背景技術：

鋼管混凝土是指在鋼管中填充混凝土，鋼管及其核心混凝土共同承受外荷載作用的結構構件。與鋼筋混凝土柱相比，鋼管混凝土柱中，鋼管對其內部混凝土的約束作用使混凝土處於三向受壓狀態，提高了混凝土的抗壓強度，鋼管內部的混凝土又可以有效地防止鋼管發生局部屈曲，鋼管和混凝土之間的相互作用使鋼管內部混凝土的破壞由脆性破壞轉變為塑性破壞，構件的延性性能明顯改善，耗能能力大大提高，具有良好的抗震性能。同時，鋼管混凝土柱施工時不需要模板，節省了支模、拆模的材料和人工費用，也節省了時間。因此，鋼管混凝土柱在高層和超高層建築結構、大型重載工業廠房和大跨橋梁結構中得到了廣泛的應用。

相對於圓形鋼管混凝土柱而言，焊接矩形鋼管混凝土柱外形美觀,製作簡單，梁柱節點連接方便，更容易滿足建築使用功能的要求。但是，焊接矩形鋼管混凝土柱在壓力作用下，對核心混凝土的約束效果不如圓鋼管混凝土柱顯著,焊接矩形鋼管混凝土柱的鋼管一般由四塊鋼板焊接組成，導致了焊接矩形鋼管對核心混凝土的整體約束效應差，承載力較低、延性較差，在一定程度上阻礙了焊接矩形鋼管混凝土柱在高層、超高層建築上的應用。

由於鋼管和混凝土兩種材料的變形能力、力學性能和破壞形態不同，在鋼管混凝土柱實際工程應用中，荷載一般先由焊接矩形鋼管混凝土柱的鋼管壁承擔,再通過鋼管與核心混凝土之間的界面粘結力將外荷載逐步傳遞給核心混凝土,經過一定長度的粘結滑移後,實現鋼管與混凝土的共同工作。焊接矩形鋼管與核心混凝土之間的界面粘結力大小直接影響焊接矩形鋼管混凝土柱的工作性能，因此，如何增強焊接矩形鋼管混凝土柱中焊接矩形鋼管和混凝土之間的界面粘結強度問題是工程界較為關心的問題。

當焊接矩形鋼管混凝土柱的橫截面較大時，鋼管內的核心混凝土體積較大，大體積混凝土澆筑後，其凝結硬化過程中會產生收縮現象並釋放大量的水化熱，使得焊接矩形鋼管對核心混凝土的約束效應降低且核心混凝土內部溫度較高，表面溫度較低，核心混凝土易產生鼓脹、裂縫及溫度變形等缺陷，對焊接矩形鋼管混凝土柱的承載力、界面粘結力和耐久性等性能產生不利影響。

「強柱弱梁，強剪弱彎，強節點弱構件」是結構抗震設計及現行規範中所採用的重要的設計思想，指的是柱子不先於梁破壞，因為梁破壞屬於構件破壞，是局部性的，柱子破壞將危及整個結構的安全，可能會整體倒塌，後果嚴重。所以結構抗震設計中要保證柱子更「相對」安全，故要「強柱弱梁」；「彎曲破壞」是延性破壞，是有預兆的，如開裂或下撓等，而「剪切破壞」是一種脆性的破壞，沒有預兆的，瞬時發生，沒有防範，所以結構抗震設計中要避免發生剪切破壞。「強節點弱構件」指結構抗震設計中使建築結構中梁柱節點的塑性鉸出現在梁端，須避免塑性鉸出現在柱子端部，以提高結構的變形能力，結構能夠更好的耗能、增強延性，防止建築物在強烈地震作用下倒塌，因節點失效意味著與之相連的梁與柱都失效，所以，節點的承載力要高於連接構件。「強柱弱梁，強剪弱彎，強節點弱構件」的設計思想可以有效保證和達到結構抗震設防目標，同時又使結構抗震設計做到經濟合理。在實際工程中，由於地基的不均勻沉降及豎向荷載的作用，在地震作用時柱子的端部基本上都會出現明顯的損傷或破壞且梁柱節點處會有「X」形裂縫產生。如何保證「強柱弱梁，強剪弱彎，強節點弱構件」的設計思想在建築結構抗震設計中更好的實現，也是工程領域從業人員一直研究探索的重要方面。

因此工程實踐中需要提供一種施工便捷、界面粘結強度高、更符合「強柱弱梁，強剪弱彎，強節點弱構件」設計思想，且能夠有效減小核心混凝土收縮，使核心混凝土內部溫度降低、經濟合理的焊接矩形鋼管混凝土柱，大大提高了焊接矩形鋼管混凝土柱的整體承載力、延性和工作性能。

技術實現要素：

本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種內置X型對拉鋼板式焊接矩形鋼管混凝土柱及其施工方法，它包括焊接矩形鋼管、X型對拉鋼板和核心混凝土，所述焊接矩形鋼管由四塊鋼板焊接而成，X型對拉鋼板沿縱向開設有圓形孔洞，且位於焊接矩形鋼管對角線位置，並通過焊接矩形鋼管的四條縱向角焊縫與焊接矩形鋼管焊接在一起，所述核心混凝土澆築在焊接矩形鋼管和X型對拉鋼板所圍成的空間內。通過X型對拉鋼板對核心混凝土的有效分割，增加了焊接矩形鋼管對核心混凝土的約束能力，有利於改善焊接矩形鋼管混凝土柱的界面粘結滑移性能，使焊接矩形鋼管混凝土柱的粘結強度和整體承載能力顯著提高，節省了鋼材和混凝土材料，同時，X型對拉鋼板具有導熱橋功能，能有效降低核心混凝土內部的溫度，有效減小核心混凝土的收縮。本發明同時公開其施工方法。

本發明的技術方案如下：

一種內置X型對拉鋼板式焊接矩形鋼管混凝土柱，包括焊接矩形鋼管、X型對拉鋼板和混凝土，所述焊接矩形鋼管對角線位置設有與其角部焊接在一起的X型對拉鋼板，所述X型對拉鋼板包括兩塊，分別設置於焊接矩形鋼管的兩端，高度為焊接矩形鋼管淨高的1/4；每塊X型對拉鋼板由一塊主鋼板和兩塊副鋼板X型交叉形成，且通過X型對拉鋼板縱向焊縫焊接而成；在焊接矩形鋼管和X型對拉鋼板所圍成的空間內澆築核心混凝土。

優選的，所述焊接矩形鋼管由四塊鋼板焊接而成，橫截面為矩形。

優選的，所述主鋼板和副鋼板為縱向均勻開設圓形孔洞的鋼板，其厚度及圓形孔洞的大小、間距由焊接矩形鋼管混凝土柱的抗震等級、承載力、界面粘結強度等設計要求決定。

優選的，所述X型對拉鋼板為橫截面「X」形的鋼結構構件，其尺寸與焊接矩形鋼管混凝土柱對角線尺寸相匹配。

優選的，所述X型對拉鋼板通過焊接矩形鋼管的四條縱向角焊縫與焊接矩形鋼管焊接在一起，使焊接矩形鋼管形成內置X型對拉鋼板式鋼結構整體。

優選的，所述X型對拉鋼板與焊接矩形鋼管所需的鋼板可提前在工廠加工完成，並根據焊接矩形鋼管混凝土柱的設計尺寸提前進行坡口。

具體的施工方法如下：

(1)根據焊接矩形鋼管混凝土柱設計尺寸，將加工好的沿縱向均勻設有圓形孔洞的主鋼板和副鋼板通過X型對拉鋼板縱向焊縫焊接成X形對拉鋼板；

(2)將焊接好的X型對拉鋼板置於焊接矩形鋼管兩端的對角線位置，且沿焊接矩形鋼管縱向高度約為1/4柱淨高範圍內，最後，將焊接矩形鋼管所需的鋼板依次焊接到焊接矩形鋼管兩端的X形對拉鋼板的四面，形成內置X型對拉鋼板式焊接矩形鋼管；

(3)在施工現場，將預製好的內置X型對拉鋼板式焊接矩形鋼管吊裝到相應安裝位置後，向內置X型對拉鋼板式焊接矩形鋼管內澆築核心混凝土，核心混凝土硬化後形成內置X型對拉鋼板式焊接矩形鋼管混凝土柱。

本發明的積極效果是：

(1)通過焊接矩形鋼管混凝土柱內兩端X型對拉鋼板有效的拉結，實現了對焊接矩形鋼管混凝土柱的有效分割，增強了對焊接矩形鋼管內核心混凝土的約束效應，有效提高了焊接矩形鋼管混凝土柱的整體承載能力。

(2)通過焊接矩形鋼管混凝土柱內兩端X型對拉鋼板有效的拉結，加強了焊接矩形鋼管四條縱向角焊縫的薄弱部位，防止軸向受壓時焊接矩形鋼管混凝土柱兩端的縱向角焊縫過早鼓曲或開裂。

(3)焊接矩形鋼管內X型對拉鋼板不僅可以承擔豎向荷載，提高構件承載力，而且可以減小焊接矩形鋼管管壁厚度，使焊接矩形鋼管混凝土柱的橫截面減小，節省了材料，使建築物的有效使用面積得以加大，滿足了大型建築物的需要。

(4)通過在X型對拉鋼板上開設的圓形孔洞，有利於提高核心混凝土的澆築質量，使得被X型對拉鋼板分割的核心混凝土連接為整體，同時，又可以使核心混凝土對X型對拉鋼板形成更好的包裹效應。X型對拉鋼板可通過剪切圓形孔洞內的核心混凝土，來抵抗焊接矩形鋼管混凝土柱的界面滑移，增加了焊接矩形鋼管與核心混凝土的界面粘結強度，提高了焊接矩形鋼管混凝土柱的抗滑移性能及其整體工作性能。

(5)通過在焊接矩形鋼管混凝土柱兩端內部焊接X型對拉鋼板，加強了柱子兩端的抗剪承載力，X型對拉鋼板開設的圓形孔洞，使焊接矩形鋼管內部形成相互穩定的拉結效應，有利於提高焊接矩形鋼管混凝土柱的強度和剛度，避免了梁柱節點「X」形裂縫的產生，更好的實現了「強柱弱梁，強剪弱彎，強節點弱構件」的設計思想，保證了抗震設防目標的實現。

(6)焊接矩形鋼管混凝土柱兩端內設置的X型對拉鋼板具有導熱橋功能，通過內置X型對拉鋼板的傳導，可將核心混凝土內部的水化熱傳遞給焊接矩形鋼管壁，加速了核心混凝土內部熱量的散發，同時有效避免了因核心混凝土的收縮而使焊接矩形鋼管對核心混凝土的約束效應降低的現象，消除了因核心混凝土水化熱效應產生的核心混凝土鼓脹、裂縫及溫度變形等不利影響。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發明的立體示意圖；

圖2是本發明的X型對拉鋼板結構示意圖；

圖3是本發明的俯視圖；

圖4是本發明的內部結構示意圖

圖5、圖6是本發明的X型對拉鋼板主鋼板、X型對拉鋼板副鋼板結構示意圖

圖中：1-焊接矩形鋼管，2-X型對拉鋼板，3-主鋼板，4-副鋼板，5-X型對拉鋼板縱向焊縫，6-焊接矩形鋼管縱向角焊縫，7-核心混凝土，8-圓形孔洞。

具體實施方式

參照附圖對本發明進行詳細說明：

如圖1～圖6所示，一種內置X型對拉鋼板式焊接矩形鋼管混凝土柱，它包括焊接矩形鋼管1、X型對拉鋼板2和核心混凝土7；焊接矩形鋼管1和X型對拉鋼板所圍成的空間內澆築核心混凝土7。

焊接矩形鋼管1為四塊鋼板焊接而成的橫截面為矩形的鋼管。

X型對拉鋼板2由一塊主鋼板3和兩塊副鋼板4焊接而成的橫截面為X形的鋼結構構件；該裝置中包括兩塊X型對拉鋼板2，高度為縱向焊接矩形鋼管混凝土柱淨高的1/4，分別設置於柱子的兩端；加強了柱子兩端的抗剪承載力，X型對拉鋼板開設的圓形孔洞，使焊接矩形鋼管內部形成相互穩定的拉結效應，有利於提高焊接矩形鋼管混凝土柱的強度和剛度，避免了梁柱節點「X」形裂縫的產生，更好的實現了「強柱弱梁，強剪弱彎，強節點弱構件」的設計思想，保證了抗震設防目標的實現。

所述X型對拉鋼板位於焊接矩形鋼管1的對角線位置，且X型對拉鋼板通過四條焊接矩形鋼管縱向角焊縫6與焊接矩形鋼管1焊接在一起，使焊接矩形鋼管1形成內置X型對拉鋼板的鋼結構構件；通過焊接矩形鋼管混凝土柱內兩端X型對拉鋼板有效的拉結，加強了焊接矩形鋼管四條縱向角焊縫的薄弱部位，防止軸向受壓時焊接矩形鋼管混凝土柱兩端的縱向角焊縫過早鼓曲或開裂。

X型對拉鋼板主鋼板3和X型對拉鋼板副鋼板4沿鋼板縱向均開設有圓形孔洞8，且圓形孔洞8沿縱向均勻布置；通過在X型對拉鋼板2上開設的圓形孔洞8，有利於提高核心混凝土的澆築質量，使得被X型對拉鋼板2分割的核心混凝土連接為整體，同時，又可以使核心混凝土對X型對拉鋼板2形成更好的包裹效應。X型對拉鋼板2可通過剪切圓形孔洞8內的核心混凝土，來抵抗焊接矩形鋼管混凝土柱的界面滑移，增加了焊接矩形鋼管1與核心混凝土的界面粘結強度，提高了焊接矩形鋼管混凝土柱的抗滑移性能及其整體工作性能。

焊接矩形鋼管1、X型對拉鋼板主鋼板3和X型對拉鋼板副鋼板4所需鋼板可預先根據焊接矩形鋼管混凝土柱的設計尺寸在工廠加工而成，然後通過X型對拉鋼板2縱向焊縫5將一塊X型對拉鋼板主鋼板3和兩塊X型對拉鋼板副鋼板4焊接在一起，形成X型對拉鋼板2。

焊接矩形鋼管1的四塊鋼板分別通過四條焊接矩形鋼管縱向角焊縫6焊接到鋼管混凝土柱兩端的X型對拉鋼板2的四面，向焊接矩形鋼管1內澆築核心混凝土7後，形成內置X型對拉鋼板式焊接矩形鋼管混凝土柱；焊接矩形鋼管混凝土柱兩端內設置的X型對拉鋼板2具有導熱橋功能，通過內置X型對拉鋼板2的傳導，可將核心混凝土內部的水化熱傳遞給焊接矩形鋼管1壁，加速了核心混凝土內部熱量的散發，同時有效避免了因核心混凝土的收縮而使焊接矩形鋼管1對核心混凝土的約束效應降低的現象，消除了因核心混凝土水化熱效應產生的核心混凝土鼓脹、裂縫及溫度變形等不利影響。

上述內置X型對拉鋼板式焊接矩形鋼管混凝土柱的施工方法，包括如下步驟：

(1)根據焊接矩形鋼管1混凝土柱設計尺寸，將加工好的沿縱向均勻設有圓形孔洞8的X型對拉鋼板主鋼板3和X型對拉鋼板副鋼板4通過X型對拉鋼板縱向焊縫5焊接成X形對拉鋼板2，然後，將焊接好的X型對拉鋼板2置於焊接矩形鋼管1兩端的對角線位置，且沿焊接矩形鋼管1縱向高度約為1/4柱淨高範圍內，最後，將焊接矩形鋼管1所需的鋼板依次焊接到焊接矩形鋼管1兩端的X形對拉鋼板2的四面，形成內置X型對拉鋼板式焊接矩形鋼管1。

(2)在施工現場，將預製好的內置X型對拉鋼板式焊接矩形鋼管吊裝到相應安裝位置後，向內置X型對拉鋼板式焊接矩形鋼管內澆築核心混凝土7，核心混凝土7硬化後形成內置X型對拉鋼板式焊接矩形鋼管混凝土柱。

應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進，這些改進也應視為本發明的保護範圍。本實施例中未明確的各組成部分均可用現有技術加以實現。