一种约束混凝土组合柱的制作方法

本发明涉及一种新型的钢-混凝土组合柱，特别涉及一种新型约束混凝土组合柱。

背景技术：

柱子是所有建筑结构体系中的不可缺少的关键构件，一直是国内外土木工程学者研究的重点构件，目前以钢筋混凝土柱和钢管混凝土柱为主要对象进行了大量的研究工作。通过改进柱配筋或钢管性能，提高构件承载力，改善柱子力学性能，成为柱子研究的主要方向之一。近年来，我国绝大多数结构仍采用钢筋混凝土柱，但研究表明，钢筋混凝土柱在各种新型配筋方案下，虽然综合性能有所提高，但综合抗震性能，剪切破坏严重，仅通过提高箍筋量和配筋形式对提高连梁延性和抗剪能力是有限的，而且施工复杂且钢筋配置较密不利于混凝土的灌注。而对于钢管混凝土柱，应用范围有限目前只在桥梁方面应用较广，钢管管壁较薄时，内部仍需配置钢筋或型钢，施工较为复杂，而对于管壁较厚的钢管混凝土，并不能达到钢管与混凝土理想的组合作用。同时钢管混凝土柱目前的组合形式还比较单一，当截面形状特殊时难以应用，且约束作用发挥不全面。因此，研制一种新型的约束混凝土组合柱就成为应用于建筑中亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种钢-混凝土组合柱，即约束混凝土组合柱，克服传统钢筋混凝土柱延性和耗能能力差的缺点，同时改善钢管混凝土截面形式，从而大大提高其应用范围。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种约束混凝土组合柱，包括方形钢管柱，U形钢管柱，L形钢管柱以及混凝土柱，由一根方钢管柱为一个基准柱，沿基准柱的相邻边上依次焊接有U形钢管柱，沿U形钢管柱的相邻边上依次焊接有L形钢管柱，构成钢管束，最后由混凝土填充在钢管束各方形钢管柱中，形成约束混凝土组合柱。

进一步，所述U形钢管柱包括U形开口、U形开口相邻边和U形开口相对边；所述L形钢管柱包括L形钢管柱边。

作为优选，所述约束混凝土组合柱为矩形柱结构，基准柱位于约束混凝土组合柱的一个边角，沿基准柱水平方向和竖直方向各焊接若干个U形钢管柱构成边柱，然后在焊接后的两条边柱内侧焊接若干个呈阵列分布的L形钢管柱形成最终的钢管束，最后由混凝土进行填充。

进一步，所述U形开口与边角基准柱相邻两条边焊接，U形开口与U形开口相对边依次焊接；所述L形钢管柱边分别与两个对接的U形开口相邻边、两个对接的U形开口相邻边与L形钢管柱边或两个对接的L形钢管柱边相接。

作为优选，所述约束混凝土组合柱为正方形柱结构，基准柱位于约束混凝土组合柱的中部，沿基准柱各边方向各焊接若干个U形钢管柱构成脊柱，然后在焊接后的脊柱周边焊接若干个L形钢管柱形成最终的钢管束，最后由混凝土进行填充。

进一步，所述U形开口与中部基准柱四条边焊接，U形开口与U形开口相对边依次焊接；所述L形钢管柱边分别与两个对接的U形开口相邻边、两个对接的U形开口相邻边与L形钢管柱边或两个对接的L形钢管柱边相接。

作为优选，所述约束混凝土组合柱为异形柱结构，基准柱位于约束混凝土组合柱的一个边角，沿基准柱水平方向和竖直方向各焊接U形钢管柱形成最终的钢管束，最后由混凝土进行填充。

进一步，所述方形钢管柱，U形钢管柱和L形钢管柱均为冷弯薄壁钢管，且单个钢管柱的边长不应小于100mm，不应大于300mm。

进一步，所述方形钢管柱为正方形或长方形结构；所述方形钢管柱管壁上设有开孔。

进一步，所述钢管之间的连接均采用三边围焊焊接。

本发明的有益效果是：

新型约束混凝土组合柱主要是由约束混凝土与钢板共同提供承载力，利用钢管约束混凝土良好的承载能力与塑性变形能力进行抗剪，柱子内有多块内填钢板，以实现承载力与抗震性能的提高，同时增强了两者之间的粘结，增大钢板与混凝土的接触面积，从而保证钢板和混凝土的共同作用提高混凝土受到的约束作用，可以显著提高柱子的抗剪承载力和延性耗能能力，从而大大改善普通柱子的抗震性能。

新型约束混凝土组合柱构造简单，钢管束在工厂直接预制完成，在现在安装完成后现浇混凝土，大大方便了施工，消除了普通钢筋混凝土柱的构造困难和施工复杂等缺点；且由于钢管束中的每一根钢管相当于一个混凝土输送管，因此混凝土不容易离析。因此相较于普通钢管混凝土，钢管束混凝土采用拼接制作，整体截面形式多样，而每个腔内混凝土截面较小，核心区混凝土受到更好的约束作用，可以更好地发挥混凝土的作用。同时每个腔体为薄壁钢管，当柱子截面较大时，不需要考虑厚壁钢管的焊接问题，钢管束的制作也较为简便。

在大震作用下，混凝土对多层内置钢管的约束作用大大减弱了单层钢管在反复荷载作用下更容易发生屈曲和失稳及高强混凝土使用受限等问题。同时由于新型约束混凝土组合柱是由多根钢管混凝土组合而成，在柱子受到偏心荷载以及不均匀荷载时，受力明确，受力分析简单。

本发明吸收了钢管混凝土柱的优点，承载力大大提高，具有更高的塑性和抗震性能，经济效果显著施工简单，可大大缩短工期，钢管对核心混凝土的约束作用更加明显，大大改善混凝土力学性能，且由于部分钢管嵌入混凝土内部，可更加有效防止钢板的平面外失稳问题。同时在受力分析方面，钢管束混凝土的受力更加明确，分析更加简洁。能够在各种形状截面柱中应用，且在高层建筑以及高地震烈度地区的建筑中得以推广应用。

附图说明

图1为正方形截面钢管混凝土束柱截面示意图；

图2为矩形截面钢管混凝土束柱截面示意图；

图3为基准柱在中部的正方形截面钢管混凝土束柱截面示意图；

图4为一种异形截面新型约束混凝土组合柱截面示意图；

图5(a)-(c)为方形钢管柱，U形钢管柱与L形截面钢管柱示意图；

图6为(a)-(c)对普通方钢管进行有限元分析后的应力云图；

图7为对普通方钢管进行有限元分析后的荷载-位移曲线；

图8为(a)-(c)对新型约束混凝土组合柱进行有限元分析后的应力云图；

图9为对本发明约束混凝土组合柱进行有限元分析后的荷载-位移曲线。

图中：1为方形钢管柱，2为U形钢管柱，2-1为U形开口，2-2为U形开口相邻边，2-3为U形开口相对边，3为L形钢管柱，3-1为L形钢管柱边；4为内填混凝土柱。

具体实施方式

下面结合具体实例及附图对本发明做进一步说明。需要说明的是，下述实施例仅限于对本发明的解释，但不限制本发明的实施范围。凡是在本方案基础上作出的结构的增加或以同样内容的替换，均应属本发明的保护范围。

如图1、图5(a)-(c)所示，该约束混凝土组合柱的一种实施方式为钢管束混凝土方柱结构，包括方形钢管柱1、U形钢管柱2、L形钢管柱3和内填混凝土柱4。其中，方形钢管柱1为正方形结构，采用一个基准柱，沿基准柱水平方向和竖直方向各焊接两个U形钢管柱2构成边柱，然后在焊接后的两条边柱右下方焊接四个L形钢管柱3形成最终的钢管束，最后由混凝土进行填充。

其中：方形钢管柱1为左上角柱的基准柱，沿方形钢管柱1相邻两条边上依次焊接有U形钢管柱2，U形钢管柱2的U形开口2-1依次与所述形钢管柱1的正方形边和相邻U形钢管柱2的U形开口相对边2-3相对接；沿U形钢管柱2的U形开口相邻边2-2上依次焊接有L形钢管柱3，L形钢管柱3的L形钢管柱边3-1分别与两个对接的U形开口相邻边2-2相接、与相对接的U形开口相邻边2-2和L形钢管柱边3-1相接、或与两个对接的L形钢管柱边3-1相接；构成钢管束，最后由混凝土进行填充在钢管束各方形钢管柱1中，形成约束混凝土组合柱。

如图2所示，该约束混凝土组合柱的第二种实施方式为钢管束混凝土矩形柱结构，同样包括方形钢管柱1，U形钢管柱2，L形钢管柱3，内填混凝土柱4。其中：方形钢管柱1为左上角柱的基准柱，再用U形钢管柱2沿垂直于方钢管相邻两条边的方向进行焊接，形成矩形柱中的两条边柱，之后剩余部分由L形钢管柱3对内部与其余两条边柱进行焊接形成最终的钢管束，最后由混凝土进行填充。

如图3所示，该约束混凝土组合柱的第三种实施方式为钢管束混凝土正方形柱结构，方形钢管柱1的基准柱在约束混凝土组合柱的中部，在沿方形钢管柱1相邻四条边上依次焊接有U形钢管柱2构成脊柱，然后在焊接后的脊柱周边焊接若干个L形钢管柱(3)形成最终的钢管束。U形钢管柱2的U形开口2-1依次与形钢管柱1的正方形边相对接；沿U形钢管柱2的U形开口相邻边2-2上依次焊接有L形钢管柱3，L形钢管柱3的L形钢管柱边3-1分别与两个对接的U形开口相邻边2-2相接、相对接的U形开口相邻边2-2和L形钢管柱边3-1或两个对接的L形钢管柱边3-1相接；构成钢管束，最后由混凝土进行填充在钢管束各方形钢管柱1中，形成约束混凝土组合柱。

如图4所示，约束混凝土组合柱的第四种实施方式为钢管束混凝土异形柱结构，包括方形钢管柱1，U形钢管柱2，内填混凝土柱4。其中：方形钢管柱1为一个边角基准柱，再用U形钢管柱2沿垂直于方钢管相邻两条边的方向进行焊接，最后由混凝土进行填充。

本发明的基准柱不单单为正方形，可以为矩形，也可以改变L形和U形柱的边长，以满足不同尺寸的组合。钢管束混凝土由小截面钢管混凝土柱组合而成，可组成多种截面多种尺寸柱。上述方形钢管柱1，U形钢管柱2和L形钢管柱3均为冷弯薄壁钢管；钢管之间的连接均采用三面围焊焊接。

本发明的新型约束混凝土组合柱设计为一体结构，方柱为基准柱，U形柱为边柱，L形柱为补充柱，最后再由混凝土填充。除了本实施例的几种新型约束混凝土组合柱，由几种单柱的还可以组成其他种类的异形柱。

本发明通过由上述多种钢管混凝土组合而成，利用有限元方法模拟相同尺寸与配钢率的普通钢管混凝土柱和新型约束混凝土组合柱，如分析结果图6(a)-(c)-8(a)-(c)。通过图6(a)-(c)以及图8(a)-(c)的应力云图对比，表明钢管束与普通方钢管的变形情况类似，都为中间段变形，而对于所填充的混凝土而言，钢管束中的混凝土，被保护情况好，并未出现很大的变形破坏。同时，对比图7与图9，结果表明新型约束混凝土组合柱的延性是普通钢管混凝土的十几倍，其具有很好的变形能力和延性系数，具有很强的抗震性能。

本发明通过由上述多个钢管混凝土柱单元组合而成，在复杂应力情况下受力明确，便于受力分析，尤其是在对异形柱的受力分析中更加简单。相较于普通钢管混凝土柱，无论柱子截面积多大，厚壁钢管不会出现，同时在整体内部也内嵌钢管，因此其在吸收钢管混凝土的优异性能的同时，表现出更好的抗震性能，施工性能和适用性。

为了保证足够的承载能力和施工性能，钢管束混凝土中的钢管为冷弯薄壁钢管，且单个钢管柱的边长不应小于90mm，不应大于300mm。为了能更好地确保钢板与混凝土协同工作，可以在新型约束混凝土组合柱的内钢管柱中进行开孔。

本发明所述新型约束混凝土组合柱的施工工艺：

新型约束混凝土组合柱的冷弯薄壁钢管以及钢管之间的焊接，均可在专业化的钢构公司制作，然后运到施工现场，无需进行支模，进一步浇筑混凝土。

采用新型约束混凝土组合柱结构时，可以在其组合内柱的管壁上开洞，确保钢与混凝土之间的有效连接，在钢管束整体组合完成后，最后进行整体浇注。通过本发明设计的新型约束混凝土组合柱，提高了柱子的耗能能力，改善了抗震性能，且施工方便快捷，创造一定的社会效益和经济效益。