一种冷弯多腔钢管混凝土异形柱的对接方式的制作方法

本发明属于建筑结构构件领域，特别涉及一种钢-混凝土组合结构框架对接方式。

背景技术：

异形柱目前在住宅、公寓、宿舍等建筑中应用较多，异形柱与相邻墙体齐平，使得建筑室内空间规整，有利于家具摆放，提高室内空间利用效率。但目前普遍应用的钢筋混凝土异形柱，其抗震设计较为严格，最大使用高度和柱轴压比等设计指标远低于普通矩形钢筋混凝土柱。采用异形钢管混凝土柱能够显著改善异形柱框架结构体系的抗震性能，扩展异形柱框架结构体系的应用范围。但异形钢管混凝土柱框架体系相对较高的用钢量使其经济性能低于异形钢筋混凝土柱框架结构。

而冷弯多腔钢管混凝土由于其独特的多腔结构，使得薄壁钢管亦可对混凝土起到良好的约束效果，在保证性能的前提下降低了用钢量，提高了性价比。众所周知，在地震作用下，柱内部分区域会出现拉应力。对于冷弯多腔钢管混凝土异形柱而言，其上下柱内部竖向隔板由于无法对接焊接，其拉力无法有效传递。如何在保证结构性能的前提下，使得上下柱节点施工便捷，经济美观，是目前冷弯多腔钢管混凝土异形柱体系的一个难题。

技术实现要素：

本发明的目的是解决冷弯多腔钢管混凝土异形柱框架柱与柱对接方式，内部竖向隔板拉力难于传递的问题，提供一种冷弯多腔钢管混凝土异形柱的对接连接节点。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种冷弯多腔钢管混凝土异形柱的对接连接节点，由若干柱体单元叠加而成，其加工工艺包括如下步骤：

1)截取一块矩形薄壁钢板，采用冷弯的加工方式将其弯折成横截面为矩形的空心钢管；

2)在上述空心钢管侧壁的搭接处采用对接焊缝使空心钢管的侧壁闭合，从而得到核心柱钢管；

3)在核心柱钢管的一个或多个侧面上焊接若干对接锚固钢筋，这些对接锚固钢筋焊接在核心柱钢管的一端；每根所述对接锚固钢筋分为竖直段和弯折段，其中竖直段与核心柱钢管的外侧面焊接，弯折段从核心柱钢管的敞口端伸出并背向核心柱钢管延伸；所述对接锚固钢筋的竖直段和弯折段所确定的平面垂直于所焊接的侧面；同一侧面上焊接的对接锚固钢筋相互平行；

4)再截取若干块矩形薄壁钢板，采用冷弯的加工方式分别将其弯折成若干个U型构件；每个所述U型构件具有两块侧板和一块底板；两块所述侧板相互平行，且垂直于底板；两块侧板之间的距离等于核心柱钢管某一侧面的宽度；

5)在焊接有对接锚固钢筋的侧面上拼接U型构件，其拼接方式有四种：

5.1)当拼接成一字型冷弯多腔钢管时，将一个U型构件拼接到核心柱钢管的某一侧面上；采用单面坡口焊缝将这个U型构件的两块侧板分别与所拼接侧面的两条侧棱焊接，从而U型构件与该侧面结合成柱肢矩形钢管；

5.2)当拼接成L型冷弯多腔钢管时，核心柱钢管的两个相邻侧面分别拼接一个U型构件；每个U型构件的两块侧板分别与所拼接侧面的两条侧棱连接，其中连接在同一侧棱上的两块侧板采用熔透焊缝进行焊接，其他侧板采用单面坡口焊缝进行焊接；从而使得每个U型构件与所拼接侧面结合成柱肢矩形钢管；

5.3)当拼接成T型冷弯多腔钢管时，核心柱钢管的三个侧面分别拼接一个U型构件；每个U型构件的两块侧板分别与所拼接侧面的两条侧棱连接，其中连接在同一侧棱上的两块侧板采用熔透焊缝进行焊接，其他侧板采用单面坡口焊缝进行焊接；从而使得每个U型构件与所拼接侧面结合成柱肢矩形钢管；

5.4)当拼接成十字型冷弯多腔钢管时，核心柱钢管的四个侧面分别拼接一个U型构件；每个U型构件的两块侧板分别与所拼接侧面的两条侧棱连接，其中每条侧棱上的两块侧板采用熔透焊缝进行焊接，从而使得每个U型构件与所拼接侧面结合成柱肢矩形钢管；

6)在柱肢矩形钢管与核心柱钢管相对的板面内侧焊接若干对接锚固钢筋，使得所有的对接锚固钢筋在柱肢矩形钢管上对称分布；

7)在柱肢矩形钢管背向核心柱钢管的侧面上拼接一个U型构件；采用单面坡口焊缝将这个U型构件的开口处的棱边与所拼接侧面的两条棱边焊接，从而使得这个U型构件与所拼接侧面结合成端柱钢管；

从而通过步骤1)至7)制得柱体单元；

8)选取一个柱体单元作为底层柱体单元，并固定在混凝土基础上，这个底层柱体单元焊接有对接锚固钢筋的一端朝上；然后在底层柱体单元的核心柱钢管、柱肢矩形钢管和端柱钢管的侧面钻通气孔；

9)向底层柱体单元的各个空腔内填充混凝土，待混凝土浇筑至通气孔的高度时即可停止浇筑；

10)再选取一个柱体单元作为顶层柱体单元，并竖直叠放在底层柱体单元上；所述顶层柱体单元焊接有对接锚固钢筋的一端朝下，使得顶层柱体单元的对接锚固钢筋的弯折段伸入底层柱体单元内，底层柱体单元的对接锚固钢筋的弯折段伸入顶层柱体单元内；

11)然后围绕这两个柱体单元的拼接处，采用一圈对接焊缝将顶层柱体单元与底层柱体单元的外侧钢管壁连接形成一个整体；

12)再向顶层柱体单元的各个空腔内浇筑混凝土至上端平面，从而实现冷弯多腔钢管混凝土异形柱的对接。

进一步，所述U型构件的底板至开口的距离根据冷弯多腔钢管混凝土异形柱的大小设计相应的尺寸，而它们的两侧板之间的距离等于核心柱钢管侧面的宽度。

进一步，采用熔透焊缝焊接同一侧棱上的两块侧板时，这两块侧板的内壁均预先设置有一块垫板；所述垫板为长条形金属板，其板面与侧板贴合；通过施焊一条熔透焊缝使得垫板、侧板与核心柱钢管的侧棱焊接在一起。

进一步，所述顶柱体单元与底层柱体单元之间还具有若干中间层柱体单元；所述中间层柱体单元的上、下两端均设置有若干对接锚固钢筋。

进一步，所述混凝土为普通混凝土、轻骨料混凝土或高性能混凝土。

进一步，所述核心柱钢管、柱肢矩形钢管和端柱钢管的材料为碳素结构钢Q235级钢材、低合金高强度结构钢Q345级、Q390级、Q420级或Q460级钢材。所述对接锚固钢筋为热轧带肋钢筋，其型号为HRB335、HRB400或HRB500。

本发明提出的冷弯多腔钢管混凝土异形柱的对接连接节点具有如下优点：

1.本发明中的冷弯多腔钢管混凝土异形柱可应用于低层或多层框架结构、框架－剪力墙结构的别墅、住宅、公寓、宿舍、办公楼等形式建筑。改善普通方、矩形柱室内柱楞外露的缺陷，改善室内观瞻，利于家居摆放，提高室内空间的利用效率。

2.多腔钢管混凝土异形柱能够改善目前普遍应用的混凝土异形柱抗震设计的严格限制，扩大异形柱的应用范围。外包钢管与内置竖向隔板共同作用给内置混凝土良好的约束，提高了异形柱的承载力与延性，从而提高异形柱的抗震性能，使其能够应用在抗震设防烈度较高的地区，或者应用于高度更高的框架结构和框架－剪力墙结构中。

3.由于冷弯多腔钢管混凝土异形柱采用多腔式约束方式，薄钢管亦可发挥良好的约束效果。与传统钢管混凝土异形柱相比，多腔钢管混凝土异形柱可以在保证构件性能的前提下具有更低的含钢率，更佳的经济性。

4.由于采用中央核心柱钢管与外围U形构件构成多腔钢管，故混凝土与钢管并不存在传统意义上的阴角，显著提高柱体的各项性能。多腔式结构使得内部核心柱柱壁直接代替加劲肋合理地布置钢管内，大部分加工工序皆可在工厂预制完成，减少了现场施工阶段的工作量，非常适合现在建筑产业化的需求。

5.本发明中的冷弯多腔钢管混凝土异形柱的对接连接节点，外围钢管采用对接焊缝连接，而内置竖向隔板则设置了对接锚固钢筋，通过对接锚固钢筋的锚固作用于外围钢管的对接焊缝实现上下柱拉力的有效传递。这种上下柱对接方式构造简单，传力路径明确，施工快捷方便。

附图说明

图1为冷弯多腔钢管混凝土异形柱的对接连接节点的示意图(图中未显示出混凝土，A为顶层柱体单元B为底层柱体单元)；

图2为的冷弯多腔钢管混凝土异形柱的下层柱体单元的示意图；

图3为一字型的冷弯多腔钢管混凝土异形柱的俯视图；

图4为L型的冷弯多腔钢管混凝土异形柱的俯视图；

图5为T型的冷弯多腔钢管混凝土异形柱的俯视图；

图6为十字型的冷弯多腔钢管混凝土异形柱的俯视图；

图7为步骤3)中对应的加工阶段示意图；

图8为图7中Q-Q处的剖视图；

图9为步骤5)和步骤6)对应的加工阶段示意图；

图10为步骤7)中对应的加工阶段示意图；

其中图1、图2、图9和图10是以L型的冷弯多腔钢管混凝土异形柱的对接连接节点为例；图3至图6均为下层柱体单元的示意图，相应的上层柱体单元无图示中的通气孔和对接锚固钢筋。

图中：核心柱钢管1、柱肢矩形钢管2、端柱钢管3、对接焊缝4、熔透焊缝5、垫板6、单面坡口焊缝7、冷弯多腔钢管8、对接锚固钢筋9。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

参见图1，一种冷弯多腔钢管混凝土异形柱的对接方式，由顶层柱体单元和底层柱体单元叠加而成，其加工工艺包括如下步骤：

1)截取一块矩形薄壁钢板，采用冷弯的加工方式将其弯折成横截面为矩形的空心钢管。其中选取的横截面垂直于空心钢管的长度方向，本实施例中优选的横截面为正方形。

2)在上述空心钢管侧壁的搭接处采用对接焊缝4使空心钢管的侧壁闭合，从而得到核心柱钢管1。其中对接焊缝4为所在侧面的中轴线，其延伸方向与核心柱钢管1的长度方向相同。

所述核心柱钢管1为两端敞口的空心柱钢管，它的四个侧面都可作为柱肢的连接面。设这四个面分别为面A、面B、面C和面D，其上的四条侧棱为棱a、棱b、棱c和棱d。本实施例中所述的面A、面B、面C或面D以及棱a、棱b、棱c或棱d仅代表核心柱钢管1上任意的某个侧面或某条侧棱，并不代表固定位置的某个面或某个棱，但面A与面C是相对的，棱a与棱c是相对的。

3)在核心柱钢管1的一个或多个侧面上焊接若干对接锚固钢筋9，这些对接锚固钢筋9焊接在核心柱钢管1的一端。每根所述对接锚固钢筋9分为竖直段和弯折段，其中竖直段与核心柱钢管1的外侧面焊接，弯折段从核心柱钢管1的敞口端伸出并背向核心柱钢管1延伸。所述对接锚固钢筋9的竖直段和弯折段所确定的平面垂直于所焊接的侧面，同一侧面上焊接的对接锚固钢筋9相互平行。

具体地，所述竖直段与弯折段之间呈钝角，它们的公共点刚好与核心柱钢管1的上端面平齐。而弯折段与竖直面的夹角一般为35°～55°。本实施例中，所述对接锚固钢筋9采用热轧带肋钢筋，其型号可选用HRB335、HRB400或HRB500，具体直径则根据工程大小设计。

4)再截取若干块矩形薄壁钢板，采用冷弯的加工方式分别将其弯折成若干个U型构件。每个所述U型构件具有两块侧板和一块底板。两块所述侧板相互平行，且垂直于底板。两块侧板之间的距离等于核心柱钢管1侧面的宽度。其中所述U型构件的底板至开口的距离可以根据工程的实际需要(冷弯多腔钢管混凝土异形柱的大小)设计相应的尺寸，而它们的两侧板之间的距离需满足等于核心柱钢管1侧面的宽度。

5)在焊接有对接锚固钢筋9的侧面上拼接U型构件，其拼接方式有四种：

5.1)参见图3，当拼接为一字型冷弯多腔钢管时，将一个U型构件拼接到核心柱钢管的面A上，面A上的两条侧棱为棱a和棱b；采用单面坡口焊缝7将这个U型构件的两块侧板分别与面A的棱a、棱b焊接，从而使U型构件与面A结合成柱肢矩形钢管2。

5.2)参见图4，当拼接成L型冷弯多腔钢管时，核心柱钢管1的两个相邻侧面(面A和面B)分别拼接一个U型构件，其中面A上的两条侧棱为棱a和棱b，面B上的两条侧棱为棱c和棱b；一个U型构件的两块侧板分别与面A的棱a和棱b连接，另一个U型构件的两块侧板分别与面B的棱b和棱c连接；其中连接在(公共棱)棱b上的两块侧板(两个U型构件各提供一块侧板)采用熔透焊缝5进行焊接，其他侧板(即连接在棱a、棱c上的侧板)采用单面坡口焊缝7进行焊接；从而使得这两个U型构件分别与面A、面B结合成两个柱肢矩形钢管2。

5.3)参见图5，当拼接成T型冷弯多腔钢管时，核心柱钢管1的面A、面B、面C分别拼接一个U型构件，其中面A上的两条侧棱为棱a和棱b，面B上的两条侧棱为棱b和棱c，面C上的两条侧棱为棱c和棱d；

其中一个U型构件的两块侧板分别与棱a、棱b连接，一个U型构件的两块侧板分别与棱b、棱c连接，另外一个U型构件的两块侧板分别与棱c、棱d连接；连接在同一侧棱上的两块侧板采用熔透焊缝5进行焊接，其他侧板采用单面坡口焊缝7进行焊接；即连接在棱b上的两块侧板(相邻两个U型构件各提供一块侧板)采用熔透焊缝5进行焊接，连接在棱c上的两块侧板(相邻两个U型构件各提供一块侧板)也采用熔透焊缝5进行焊接；连接在棱a、棱c上的侧板则采用单面坡口焊缝7进行焊接；从而使得这三个U型构件分别与面A、面B、面C结合成三个柱肢矩形钢管2。

5.4)参见图6，当拼接成十字型冷弯多腔钢管时，核心柱钢管1的面A、面B、面C、面D分别拼接一个U型构件，其中面A上的两条侧棱为棱a和棱b，面B上的两条侧棱为棱b和棱c，面C上的两条侧棱为棱c和棱d，面D上的两条侧棱为棱d和棱a；其中一个U型构件的两块侧板分别与棱a、棱b连接，一个U型构件的两块侧板分别与棱b、棱c连接，一个U型构件的两块侧板分别与棱c、棱d连接，另外一个U型构件的两块侧板分别与棱d、棱a连接；其中每条侧棱(棱a、棱b、棱c、棱d)上的两块侧板(相邻两个U型构件各提供一块侧板)均采用熔透焊缝5进行焊接，从而使得这四个U型构件分别与面A、面B、面C、面D结合成四个柱肢矩形钢管2。

需要说明的是，L型、T型和十字形冷弯多腔钢管8均存在核心柱钢管1相邻两个侧面都有柱肢矩形钢管2的情况，即在上述步骤中L型冷弯多腔钢管的棱b处焊接了两块侧板(相邻U型构件各提供一块侧板，下同)；T型冷弯多腔钢管的棱b和棱c处都焊接了两块侧板；十字形冷弯多腔钢管的每条侧棱(棱a、棱b、棱c、棱d)都焊接了两块侧板。

本实施例中，核心柱钢管1的一条侧棱上若要焊接两块侧板时，则需要在这两块侧板的内壁分别贴靠一块垫板6。所述垫板6为长条形金属板，其板面与侧板贴合；所述垫板6的长度方向与所贴靠的侧板的长度方向相同。然后施焊一条熔透焊缝5将此处的两块侧板以及垫板6与核心柱钢管1焊接在一起。其中垫板6可以保证焊缝成形平整光滑，不产生焊缝缺陷。若核心柱钢管1的一条侧棱上仅焊接一块侧板时，则直接采用单面坡口焊缝7进行焊接。

6)在柱肢矩形钢管2与核心柱钢管1相对的板面内侧焊接若干对接锚固钢筋9，使得所有的对接锚固钢筋9在柱肢矩形钢管2上对称分布。

7)在柱肢矩形钢管2的底板上还拼接一个U型构件。拼接时，采用单面坡口焊缝7将这个U型构件的开口处的棱边与柱肢矩形钢管2的底板焊接在一起，从而使得这个U型构件与底板结合成端柱钢管3。

本实施例中以L型冷弯多腔钢管8为例，参见图9和图10，将核心柱钢管1与柱肢矩形钢管2、柱肢矩形钢管2与端柱钢管3共同的板面称之为内部隔板，即每块内部隔板上焊接着两根对接锚固钢筋9。

从而通过步骤1)至7)制得柱体单元。所述柱体单元可作为底层柱体单元或者顶层柱体单元。

8)选取一个柱体单元作为底层柱体单元，并固定在混凝土基础上，这个底层柱体单元焊接有对接锚固钢筋9的一端朝上。然后在底层柱体单元的核心柱钢管1、柱肢矩形钢管2和端柱钢管3的侧面钻通气孔，并利用通气孔可以判断浇筑的混凝土的高度是否到位。其中核心柱钢管1和端柱钢管3的开孔位置距离上端对接边缘20mm左右，柱肢矩形钢管2的开孔位置需根据上层的柱体单元的对接锚固钢筋9的锚固长度确定，一般开孔位置位于对接锚固钢筋9的弯折段末端下方20mm左右。

9)向底层柱体单元的各个空腔内填充混凝土，待混凝土浇筑至通气孔的高度时即可停止浇筑；

10)再选取一个柱体单元作为顶层柱体单元，并竖直叠放在底层柱体单元上。所述顶层柱体单元焊接有对接锚固钢筋9的一端朝下，使得顶层柱体单元的对接锚固钢筋9的弯折段伸入底层柱体单元内，底层柱体单元的对接锚固钢筋9的弯折段伸入顶层柱体单元内。需要说明的是，底层柱体单元和顶层柱体单元的基本结构和制造工艺相同，但其上的对接锚固钢筋9的焊接位置可略有调整，以便两个柱体单元叠放时它们的对接锚固钢筋9相互错开，避免抵触。

11)然后围绕这两个柱体单元的拼接处，采用一圈对接焊缝4将顶层柱体单元与底层柱体单元的外侧钢管壁连接形成一个整体。而内部隔板无施焊空间，故利用对接锚固钢筋9的锚固作用使其间接连接形成一个整体。

12)再向顶层柱体单元的各个空腔内浇筑混凝土至上端平面，从而实现冷弯多腔钢管混凝土异形柱的对接。

其中顶层柱体单元与底层柱体单元之间还可焊接若干中间层柱体单元，这样就可以叠加多个中间层柱体单元已达到工程所需的高度。所述中间层柱体单元的上、下两端均设置有若干对接锚固钢筋9。即中间层柱体单元的基本结构和制造工艺同底层柱体单元，仅需在步骤3)中核心柱钢管1的两端都焊接上对接锚固钢筋9，后续采用类似做法即可制得中间层柱体单元。同时中间层柱体单元的开孔位置的选取同底层柱体单元一致。

以上的顶层柱体单元、底层柱体单元以及中间层柱体单元均可在工厂内预制成型，得到一字型、L型、T型或十字形冷弯多腔钢管8。然后运至施工现场，具体施工方案如下：

首先，将底层柱体单元固定到位，并依次向各部分钢管内浇筑混凝土。一旦观察到浇筑面到达通气孔的位置，即停止该部分钢管的浇筑。

然后，在底层柱体单元上方叠放上一层的柱体单元(可以是中间层柱体单元或顶层柱体单元)，并固定到位，再采用对接焊缝4将它们焊接在一起。

之后，在上一层的柱体单元的空腔内填充满混凝土。若上一层的柱体单元为中间层柱体单元时，则浇筑混凝土至其上的通气孔位置处，在继续叠放上一层的柱体单元并按照相同方法浇筑，直至顶层柱体单元浇筑完成。

本实施例中，所述混凝土可选用普通混凝土、轻骨料混凝土或高性能混凝土。所述核心柱钢管1、柱肢矩形钢管2和端柱钢管3的材料可选用碳素结构钢Q235级钢材、低合金高强度结构钢Q345级、Q390级、Q420级或Q460级钢材。