本发明涉及混凝土柱，尤其涉及一种内置高强角钢的钢管混凝土柱及其施工方法。
背景技术：
与钢筋混凝土柱相比，钢管混凝土柱具有承载力高、延性好、无需支模等优势，因而在国内外建筑结构中广泛应用。然而，为了进一步增大构件承载力，增大其适用范围，常常需要扩大钢管混凝土柱截面尺寸。该方式不仅增加了建筑空间的占用面积、影响了建筑结构的外观，还会增大建筑结构的自重，不利于建筑结构的抗震。
相比于普强钢，高强钢具有屈服强度高的优势，因而有益于减小钢管混凝土的截面尺寸。并且随着近些年的发展与推广，高强钢的成本也在不断降低。然而高强钢的屈服强度与极限强度之比接近于1，直接将其运用于钢结构、钢-混组合结构中存在较大的安全顾虑；同时由于高强钢的局部屈曲常先于受压屈服发生，导致高强钢的高屈服强度无法充分发挥。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术不足，而提供一种结构简单、截面尺寸较小的内置高强角钢的钢管混凝土柱及其施工方法。本发明试验结果真实可靠。
本发明通过如下技术方案试下：
一种内置高强角钢的钢管混凝土柱，包括钢管、高强角钢、混凝土、连接件、栓钉，所述钢管的横截面为多边形，所述高强角钢的数量与所述多边形的边数相一致，所述高强角钢以轴向贯通方式设置于所述钢管内部且与所述钢管的内壁间隔一定距离，各高强角钢的顶角指向所述多边形的对应边的中部，各高强角钢的开口均朝向混凝土的中心；所述连接件为金属缀板或纤维增强聚合物布，设置于高强角钢的外表面且沿高强角钢的高度方向等距均匀布置；所述栓钉间隔固定在所述高强角钢的外表面。
进一步地，当所述连接件为金属缀板时，所述金属缀板与角钢焊接连接；当所述连接件为纤维增强聚合物布时，纤维增强聚合物布缠绕各高强角钢的外表面1～3圈。
进一步地，所述高强角钢的上端伸出所述钢管的上端面100～300mm。
进一步地，所述高强角钢的屈服强度大于460mpa，且相邻两个高强角钢之间的水平净距不小于80mm。
进一步地，所述高强角钢与所述钢管的内壁之间的水平净距为10～40mm。
进一步地，所述混凝土为天然骨料混凝土、再生骨料混凝土或再生块体混凝土，且混凝土的抗压强度不低于30mpa。
进一步地，所述连接件至所述钢管的下端面之间的竖向净距不小于100mm。
一种如所述内置高强角钢的钢管混凝土柱的施工方法，包括如下步骤：
步骤一：在施工位置处放置钢底板，将各高强角钢依次直立焊接于钢底板上；将连接件定位于相邻高强角钢的外表面且沿高强角钢的高度方向等距均匀布置；当连接件为金属缀板时，所述金属缀板与各高强角钢焊接连接；当连接件为纤维增强聚合物布时，所述纤维增强聚合物布缠绕各高强角钢外表面1～3圈；将栓钉间隔固定于各高强角钢的外表面；
步骤二：采用吊机将钢管吊运套装至高强角钢的外部，所述钢管的上端面低于各高强角钢的上端面100～300mm，使所述各高强角钢与钢管的内壁之间保持相同的净距，最后将钢管与钢底板焊接固定；
步骤三：
将混凝土(3)灌入钢管(1)的内部，直至距离钢管(1)上端面100mm时停止灌入；然后将建筑结构上层的各高强角钢(2)依次直立焊接于本层对应的各高强角钢(2)上；将建筑结构上层的连接件(4)定位于建筑结构上层的相邻高强角钢(2)的外表面且沿建筑结构上层的高强角钢(2)的高度方向等距均匀布置；当连接件(4)为金属缀板时，所述金属缀板与建筑结构上层的各高强角钢(2)焊接连接；当连接件(4)为纤维增强聚合物布时，所述纤维增强聚合物布绕各建筑结构上层的高强角钢外表面1～3圈；将栓钉(5)间隔固定于建筑结构上层的高强角钢(2)的外表面；采用吊机将建筑结构上层的钢管(1)吊运套装至建筑结构上层的各高强角钢(2)外部，并与本层钢管(1)对齐，将建筑结构上层的钢管(1)与本层钢管(1)焊接固定；
步骤四：重复步骤三，直至建筑结构顶层；
步骤五：当施工至建筑结构顶层时，直接将混凝土灌满整个钢管，封顶钢管完成浇筑。
本发明与现有技术相比，具有如下增益效果：
（1）本发明的一种内置高强角钢的钢管混凝土柱，由于高强角钢被混凝土包裹，因而高强角钢得到了混凝土和外部钢管得充分约束，可有效避免因高强钢材受压发生局部屈曲，从而充分发挥其高强度优势。
（2）由于中部核心混凝土不仅得到了缀板、角钢形成的环向约束，还受到了外部混凝土与钢管的有力约束，可有效提升构件的竖向承载力。
（3）高强角钢的采用大大提升了柱子的竖向承载力，因而可在保持相同轴向承载力的情况下，有效减小柱截面尺寸，不仅使建筑使用面积得到提升，同时降低结构自重，有利于结构的抗震。
（4）由于高强角钢、栓钉被混凝土充分包裹，因而柱的耐火性能得到提升。
（5）纤维增强复合材料布不仅提升了对核心混凝土及角钢的约束效应，同时该材料运输方便、减少焊接工作量。
（6）由于高强角钢与钢管内壁间不存在金属连接物，能有效阻碍热量传递速率，进一步提高柱的耐火性能。
（7）由于多边形钢管的约束特性，其仅对钢管的角部和中心对混凝土有充分的约束，高强角钢的顶角指向所述多边形对应边的中部可解决各边中部区域对混凝土约束较弱的缺陷，并提升构件的侧向刚度。
（8）由于相邻角钢净距大于80mm、连接件至所述钢管下端面的竖向净距为100mm以上，在使用再生块体混凝土时，块体能在钢管内部自由流动。
附图说明
图1a为本发明实施例一的一种内置高强角钢的钢管混凝土柱的纵向剖视结构示意图。
图1b为本发明实施例一的一种内置高强角钢的钢管混凝土柱的横向剖视结构示意图。
图2a为本发明实施例二的一种内置高强角钢的钢管混凝土柱的纵向剖视结构示意图。
图2b为图2a中a-a处剖视结构示意图。
图2c为图2a中b-b处剖视结构示意图。
图中：1-钢管；2-高强角钢；3-混凝土；4-连接件，5-栓钉。
具体实施方式
以下结合实施例及附图对本发明进行详细的描述。
实施例一
参见图1a、图1b，一种内置高强角钢的钢管混凝土柱，包括钢管1、高强角钢2、混凝土3、连接件4、栓钉5,所述钢管1的钢材牌号为q345，实测屈服强度401.9mpa，其长度为3000mm，所述钢管1的横截面为方形，边长为350mm，壁厚为6mm。所述高强角钢2为等边角钢，其钢材牌号为q690，实测屈服强度799.2mpa，边长为55mm、厚度为12mm、长度为3150mm，数量为四根，相邻净距大于100mm，其轴向贯通的均匀设置于所述钢管1内部且与所述钢管1内壁间隔20mm。各高强角钢2的顶角指向所述多边形对应边的中部，开口均朝向混凝土3中心；所述栓钉5直径为10mm、长度为30mm，沿高度方向间距100mm均匀固定在所述高强角钢2的外表面；所述连接件4为金属缀板，其钢材牌号为q345、实测屈服强度392.9mpa、长度为200mm、厚度为8mm、高度为300mm，通过三角焊固定在相邻的高强角钢2外表面且沿高强角钢2高度方向等距均匀布置。
所述高强角钢2上端伸出所述钢管1上端面150mm。所述混凝土3为天然骨料混凝土，且混凝土3的抗压强度为30mpa；所述金属缀板至所述钢管1下端面的竖直净距为150mm。
一种如所述内置高强角钢的钢管混凝土柱的施工方法，包括步骤：
步骤一：在施工位置处放置钢底板，将四根高强角钢2依次直立焊接于钢底板上；将连接件4定位于相邻高强角钢的外表面的750mm、1500mm、2250mm高度处；连接件4采用金属缀板，将金属缀板与各高强角钢2角焊连接；栓钉5间隔焊接于高强角钢的外表面。
步骤二：采用吊机将钢管1吊运套装至高强角钢2的外部，所述钢管1的上端面低于各高强角钢2的上端面150mm，使所述各高强角钢2与钢管1的内壁之间保持相同的净距20mm，最后将钢管1与钢底板焊接固定；
步骤三：将混凝土灌入钢管1的内部，直至距离钢管1上端面100mm时停止灌入；然后将建筑结构上层的各高强角钢2依次直立焊接于本层对应的各高强角钢2上；将建筑结构上层的连接件4定位于建筑结构上层的相邻高强角钢2外表面的750mm、1500mm、2250mm高度处，连接件4采用金属缀板，金属缀板与建筑结构上层的各高强角钢2角焊连接；将栓钉间隔焊接于建筑结构上层的高强角钢的外表面；采用吊机将建筑结构上层的钢管吊运套装至建筑上层的各高强角钢外部，并与本层钢管对齐，将上层钢管与本层钢管焊接固定；
步骤四：重复步骤三，直至建筑结构顶层；
步骤五：当施工至建筑结构顶层时，直接将混凝土灌满整个钢管，封顶钢管完成浇筑。
实施例二
本实施例除下述特征外，其他特征与实施例一相同：
参见图2a、图2b、图2c，所述连接件4为纤维增强聚合物布，厚度1mm，高度500mm，绕高强角钢2缠绕2圈；
另外，本实施例的施工方法中，所述的步骤一为：在施工位置处放置钢底板，将四根高强角钢2依次直立焊接于钢底板上；将纤维增强聚合物布缠绕于各高强角钢2的1000mm、2000mm高度处的外表面；将栓钉5间隔焊接于高强角钢2外表面。所述的步骤三为：将混凝土灌入钢管1的内部，直至距离钢管1上端面100mm时停止灌入；然后将建筑结构上层的各高强角钢2依次直立焊接于本层对应的各高强角钢2上；将建筑结构上层的将纤维增强聚合物布缠绕于建筑结构上层的各高强角钢2的1000mm、2000mm高度处的外表面；将栓钉间隔焊接于高强角钢的外表面；采用吊机将建筑结构上层的钢管吊运套装至上层的各高强角钢外部，并与本层钢管对齐，将上层钢管与本层钢管焊接固定；
为对比起见，取边长350mm、壁厚6mm的相同材料方钢管，仅将内置角钢的钢材牌号改取q345，制作内置普强角钢的方钢管混凝土柱。经计算分析，而内置高强角钢的钢管混凝土柱的轴压承载力达到11069kn，而内置普强角钢的方钢管混凝土柱的轴压承载力仅为8919kn，可见在柱截面尺寸相同的情况下，前者的承载力比后者提高了24.1%。
为对比起见，取边长267mm、壁厚6mm的相同材料方钢管，内置角钢的钢材牌号取q690，制作内置高强角钢的钢管混凝土柱。经计算分析，内置普强角钢的钢管混凝土柱的轴压承载力可达到8919kn，即在同等承载力要求下，内置高强角钢的钢管混凝土柱的横截面积比内置普强角钢的钢管混凝土柱减少了41.8%，混凝土用量随之减少了44.9%。
为对比起见，取边长523mm、壁厚6mm的相同材料方钢管，制作无内置角钢的普通方钢管混凝土柱。经计算分析，内置高强角钢的方钢管混凝土柱的轴压承载力可达11069kn，即在同等承载力要求下，内置高强角钢的钢管混凝土柱的横截面积比普通方钢管混凝土柱减少55.2%，混凝土用量随之减少58.1%。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。