一种高抗震免焊接钢管混凝土柱、结构体系及其施工方法与流程

本发明涉及一种钢管混凝土领域，特别是一种免焊接高抗震的钢管混凝土、结构体系及其施工方法。

背景技术：

地震是地壳的快速振动，地震象刮风、下雨一样，是地球上经常发生的自然现象。全世界每年约发生500万次，每天大概发生13700次，约1％为人们可以感知的地震，造成严重破坏的地震(7级以上)约每年18次，5级地震每年约千次，仅中国每年发生5级以上地震约20～30次。地震是人类必须面对的重大灾难。

钢管混凝土结构是重要的装配式结构形式之一，目前钢管混凝土柱的竖向连接一般采用焊接形式，存在现场竖向连接焊接量大，野外作业时焊接质量不易控制，特别是北方寒冷条件下，焊接作业更加很难展开，容易造成焊缝质量不良，进而影响构件的抗震能力。

如何找到一种能够实现竖向连接简便、现场无需焊接的钢管混凝土结构，工业化生产、绿色、防火性能好、良好抗震性能的结构体系成为工程面临重要的难题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高抗震免焊接钢管混凝土柱、结构体系及其施工方法，要解决现有钢管混凝土柱竖向连接采用焊接存在焊接量大，野外作业时焊接质量不易控制，特别是北方寒冷条件下，焊接作业更加很难展开，易造成焊缝质量不良，进而影响构件的抗震能力的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高抗震免焊接钢管混凝土柱，包括单元管节，所述单元管节包括外部钢管和在外部钢管内部浇筑的钢管混凝土，还包括水平的环形连接板、竖向的管节加劲板和竖向的连接端局部加强筋，

所述环形连接板固定连接在外部钢管的连接端的端面表面，所述环形连接板的环形内径小于或等于外部钢管节的内径，所述环形连接板的环形外径大于外部钢管的外径，环形连接板伸出外部钢管外侧表面的部分为栓接部，所述栓接部沿周向间隔开有一组连接孔，栓接部与外部钢管外侧表面之间沿周向间隔固定连接管节加劲板，所述管节加劲板错开连接孔的位置设置；

所述连接端局部加强筋设置在单元管节一侧核心区的连接端，连接端局部加强筋穿过环形连接板、部分埋入钢管混凝土中，该处连接端形成一段局部加强柱，其中伸入钢管混凝土为加强筋连接部，伸出外部钢管连接端的为加强筋外伸部，

所述连接端局部加强筋包括局部加强钢筋笼，所述局部加强钢筋笼包括纵筋和箍筋，所述箍筋为水平箍筋和/或螺旋箍筋。

所述局部加强钢筋笼为非连续钢筋笼，局部加强柱为钢管钢筋混凝土柱。

所述连接端局部加强筋还包括在局部加强钢筋笼范围内设置的至少一道局部加强钢骨，局部加强柱为钢管钢骨钢筋混凝土柱。

一种高抗震免焊接钢管混凝土柱，包括柱体，所述柱体包括上下相邻并对接的两个单元管节，分别为上管节和下管节，

所述上管节的环形连接板与下管节的环形连接板上下对齐并顶紧，所述上管节的连接孔与下管节的连接孔上下对齐并依次通过穿入两孔的钢连接件栓接和/或铆接；

在两个管节的连接端连接处，所述加强筋外伸部穿过相邻管节的环形连接板并埋入相邻管节连接端的钢管混凝土内，在相邻管节的连接端也形成一段局部加强柱。

一种高抗震免焊接钢管混凝土柱，包括柱体，所述柱体包括上下相邻并对接的两个单元管节，分别为上管节和下管节，

所述上管节的环形连接板与下管节的环形连接板上下对齐并顶紧，所述上管节的连接孔与下管节的连接孔上下对齐并依次通过穿入两孔的钢连接件栓接和/或铆接；

所述上管节和下管节中通长设置有连续钢筋笼，形成通长的钢管钢筋混凝土柱，所述连接端局部加强筋为两个管节的连接端连接处分别于连续钢筋笼之中的局部加密筋。

所述局部加密筋的措施为水平箍筋间距加密、箍筋肢数增加、箍筋直径加大、附加局部螺旋箍筋、附加局部纵筋、附加局部水平箍筋或者附加局部加强钢骨中两种或者两种以上方式的组合。

一种包括高抗震免焊接钢管混凝土柱的结构体系，还包括在柱体的梁柱连接节点区与柱体固定连接的梁体组成的框架结构，所述梁柱连接节点区避开两个管节的连接端连接处，所述梁体包括与柱体直接连接的节点区梁段和现场连接梁段，节点区梁段与现场连接梁段的尺寸和形式相同，所述梁体包括梁钢骨，

所述外部钢管的内壁上、对应梁钢骨的位置固定连接有柱水平加劲板、柱竖向加劲板和梁腹板抗剪板，所述柱水平加劲板为环形板，核心区设有供混凝土流淌的流淌孔，柱水平加劲板共设置两道或两道以上，分别对齐梁钢骨的上、下翼缘板，所述柱竖向加劲板沿上下两道柱水平加劲板之间周向间隔设置并固定连接，所述梁腹板抗剪板也设置在上、下两道柱水平加劲板之间，其连接方式与柱竖向加劲板相同，

所述节点区梁段与现场连接梁段的腹板拼缝处两侧紧贴有腹板连接钢板，两侧的腹板连接钢板通过钢连接件栓接和/或铆接。

所述节点区梁段与现场连接梁段的上、下翼缘板拼缝处的外侧紧贴有翼缘连接钢板，翼缘连接钢板与对应的翼缘板通过四角处的钢连接件栓接。

所述节点区梁段与现场连接梁段的上、下翼缘板拼缝处切割有坡口，节点区梁段与现场连接梁段的上、下翼缘板之间均通过焊缝焊接连接。

另一种高抗震免焊接钢管混凝土柱的结构体系，还包括楼板和抗侧力墙板，

所述楼板与梁体的梁刚骨通过钢连接件栓接，所述梁体和/或柱体通过钢连接件与抗侧力墙板固定连接，其中钢连接件焊接在梁体或者柱体上，所述抗侧力墙板与钢连接件固定连接，所述固定连接为栓接、焊接或铆接。

另一种高抗震免焊接钢管混凝土柱的结构体系，所述梁体和柱体的连接节点处通过节点板与支撑和/或耗能支撑固定连接为一体。

一种高抗震免焊接钢管混凝土柱的施工方法，包括如下步骤，

步骤一，根据柱体的尺寸选择钢管和钢板；所述钢管为冷弯成型钢管或者焊接成型钢管，选择焊接成型钢管时，先放线切割钢板，然后焊接成为钢管；

步骤二，割钢板制作环形连接板和管节加劲板，将两者焊接在钢管上形成外部钢管；

步骤三，将环形连接板和管节加劲板焊接在外部钢管上的对应位置；

步骤四，制作连接端局部加强筋；

步骤五，把连接端局部加强筋与钢管固定连接为一体；

步骤六，将下管节吊装到位，然后吊装上管节至下管节的上侧，对齐连接孔后通过连接件将上管节和下管节的外部钢管连接为一体；

步骤七，在外部钢管内浇筑钢管混凝土并养护至预定强度。

另一种高抗震免焊接钢管混凝土柱的施工方法，包括如下步骤，

步骤一，根据柱体的尺寸选择钢管和钢板；所述钢管为冷弯成型钢管或者焊接成型钢管，选择焊接成型钢管时，先放线切割钢板，然后焊接成为钢管；

步骤二，割钢板制作环形连接板和管节加劲板，将两者焊接在钢管上形成外部钢管；

步骤三，将环形连接板和管节加劲板焊接在外部钢管上的对应位置；

步骤四，制作连续钢筋笼以及局部加密筋；

步骤五，把连续钢筋笼以及局部加密筋与钢管固定连接为一体；

步骤六，将下管节吊装到位，然后吊装上管节至下管节的上侧，对齐连接孔后通过连接件将上管节和下管节的外部钢管连接为一体；

步骤七，在外部钢管内浇筑钢管混凝土并养护至预定强度。

所述步骤四和步骤五移至步骤六之后，步骤七之前。

与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：

本发明的高抗震免焊接钢管混凝土柱，采用全栓接的连接形式，免焊接施工，在冬季和高寒地区可以保证施工质量和连接处力学性能，保证全天候施工。

本发明的高抗震免焊接钢管混凝土柱现场施工速度快，用螺栓连接的钢管混凝土柱连接处的水平抗剪远小于非连接处的抗剪承载力，同时本发明在连接区进行加强，能够有效保证竖向连接的抗剪、抗弯的安全性。

本发明的高抗震免焊接钢管混凝土柱采用在局部加强的混凝土柱，与连接处的螺栓或者铆钉共同抗剪，从而有效提升拉弯作用下的抗剪承载力，并且在连接处形成组合截面，进一步提升连接处的抗弯承载力。

本发明的局部加强钢筋笼为非连续钢筋笼，局部加强柱成为钢管钢筋混凝土柱，施工时较容易实施。

本发明还可以增设局部加强钢骨，局部加强柱成为钢管钢骨钢筋混凝土柱。增加钢骨之后，连接节点的抗剪、抗弯承载力更高，可以实现较高强节点的要求。

本发明的柱体上下相邻并对接的两个单元管节对接时，上管节和下管节中通长设置有连续钢筋笼形成通长的钢管钢筋混凝土柱，可以提升柱的抗火、抗震延性。连接端局部加强可以实现钢管钢筋混凝土柱的强节点连接。

本发明的结构体系的连接方式为框架结构下的无焊接全栓接结构，具有可再生性，增设抗侧力墙板后形成带侧力构件的钢管混凝土结构体系，减少框架位移，在大震、巨震之后只需要更换破坏的钢板剪力墙或耗能支撑即可完成修复，同时具有防火性能好的特点，钢管钢筋混凝土柱抗火性能远优于普通的钢结构，为人员在火灾中逃生提供良好的条件。

本发明的结构体系为全栓接结构，符合工业化的目标，绝大部分工作可以通过预制方法完成，缩短工期，提高施工质量，绿色、节能环保，钢材可以重复再利用。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1是本发明实施例一柱体的结构示意图。

图2是图1中局部加强柱的横截面示意图。

图3是图1中非加强区的横截面示意图。

图4是本发明实施例二柱体的结构示意图。

图5是图4中局部加强柱的横截面示意图。

图6是本发明实施例三柱体的结构示意图。

图7是本发明实施例四柱体的结构示意图。

图8是本发明实施例五柱体的结构示意图。

图9是本发明结构体系实施例一的结构示意图。

图10是本发明结构体系实施例二的结构示意图。

附图标记：1－外部钢管、2－钢管混凝土、3－环形连接板、4－管节加劲板、5－连接孔、6－局部加强钢筋笼、61－纵筋、62－箍筋、7－局部加强柱、8－局部加强钢骨、9－钢连接件、10－节点区梁段、11－现场连接梁段、12－柱水平加劲板、13－柱竖向加劲板、14－梁腹板抗剪板、15－腹板连接钢板、16－翼缘连接钢板、17－连续钢筋笼、171－局部加密筋。

具体实施方式

实施例一参见图1-3所示，一种高抗震免焊接钢管混凝土柱，包括单元管节，所述单元管节包括外部钢管1和在外部钢管1内部浇筑的钢管混凝土2，还包括水平的环形连接板3、竖向的管节加劲板4和竖向的连接端局部加强筋。

所述环形连接板3固定连接在外部钢管1的连接端的端面表面，所述环形连接板3的环形内径小于或等于外部钢管1节的内径，所述环形连接板3的环形外径大于外部钢管1的外径，环形连接板3伸出外部钢管1外侧表面的部分为栓接部，所述栓接部沿周向间隔开有一组连接孔5，栓接部与外部钢管1外侧表面之间沿周向间隔固定连接管节加劲板4，所述管节加劲板4错开连接孔5的位置设置。

所述连接端局部加强筋设置在单元管节一侧核心区的连接端，连接端局部加强筋穿过环形连接板3、部分埋入钢管混凝土2中，该处连接端形成一段局部加强柱7，连接端局部加强筋伸入钢管混凝土2为加强筋连接部，连接端局部加强筋伸出外部钢管1连接端的为加强筋外伸部。

所述连接端局部加强筋包括局部加强钢筋笼6，所述局部加强钢筋笼6包括纵筋61和箍筋62，所述箍筋62为水平箍筋和/或螺旋箍筋。

所述局部加强钢筋笼为非连续钢筋笼，局部加强柱7为钢管钢筋混凝土柱。

实施例二参见图4-5所示，与实施例一不同的是，所述连接端局部加强筋还包括在局部加强钢筋笼6范围内设置的至少一道局部加强钢骨8，局部加强柱7为钢管钢骨钢筋混凝土柱。本实施例中局部加强钢骨为工字钢。

实施例三参见图6所示，一种高抗震免焊接钢管混凝土柱，包括柱体，所述柱体包括上下相邻并对接的两个单元管节，分别为上管节和下管节，所述上管节的环形连接板3与下管节的环形连接板3上下对齐并顶紧，所述上管节的连接孔5与下管节的连接孔5上下对齐并依次通过穿入两孔的钢连接件9栓接和/或铆接。其中钢连接件9可以为螺栓或者铆钉。

在两个管节的连接端连接处，所述加强筋外伸部穿过相邻管节的环形连接板3并埋入相邻管节连接端的钢管混凝土2内，在相邻管节的连接端共同形成局部加强柱7。其中局部加强钢筋笼为非连续钢筋笼，局部加强柱7为钢管钢筋混凝土柱。

实施例四参见图7所示，与实施例三不同的是，局部加强钢筋笼中还设有局部加强钢骨8。局部加强柱7为钢管钢骨钢筋混凝土柱。

这种高抗震免焊接钢管混凝土柱的施工方法，包括如下步骤，

步骤一，根据柱体的尺寸选择钢管和钢板；所述钢管为冷弯成型钢管或者焊接成型钢管，选择焊接成型钢管时，先放线切割钢板，然后焊接成为钢管；

步骤二，割钢板制作环形连接板3和管节加劲板4，将两者焊接在钢管上形成外部钢管1；

步骤三，将环形连接板3和管节加劲板4焊接在外部钢管1上的对应位置；

步骤四，制作连接端局部加强筋；

步骤五，把连接端局部加强筋与外部钢管1固定连接为一体；

步骤六，将下管节吊装到位，然后吊装上管节至下管节的上侧，对齐连接孔5后通过连接件将上管节和下管节的外部钢管1连接为一体；

步骤七，在外部钢管1内浇筑钢管混凝土2并养护至预定强度。

实施例五参见图8所示，一种高抗震免焊接钢管混凝土柱，包括柱体，所述柱体包括上下相邻并对接的两个单元管节，分别为上管节和下管节，所述上管节的环形连接板3与下管节的环形连接板3上下对齐并顶紧，所述上管节的连接孔5与下管节的连接孔5上下对齐并依次通过穿入两孔的钢连接件9栓接和/或铆接；所述上管节和下管节中通长设置有连续钢筋笼17，形成通长的钢管钢筋混凝土柱，所述连接端局部加强筋为两个管节的连接端连接处分别于连续钢筋笼之中的局部加密筋63。

所述局部加密筋171的措施为水平箍筋间距加密、箍筋肢数增加、箍筋直径加大、附加局部螺旋箍筋、附加局部纵筋、附加局部水平箍筋或者附加局部加强钢骨中两种或者两种以上方式的组合。本实施例中为水平箍筋间距加密和箍筋肢数增加的组合。

这种高抗震免焊接钢管混凝土柱的施工方法，包括如下步骤，

步骤一，根据柱体的尺寸选择钢管和钢板；所述钢管为冷弯成型钢管或者焊接成型钢管，选择焊接成型钢管时，先放线切割钢板，然后焊接成为钢管；

步骤二，割钢板制作环形连接板3和管节加劲板4，将两者焊接在钢管上形成外部钢管1；

步骤三，将环形连接板3和管节加劲板4焊接在外部钢管1上的对应位置；

步骤四，制作连续钢筋笼17以及局部加密筋；

步骤五，把连续钢筋笼以及局部加密筋与外部钢管固定连接为一体；

步骤六，将下管节吊装到位，然后吊装上管节至下管节的上侧，对齐连接孔5后通过连接件将上管节和下管节的外部钢管1连接为一体；

步骤七，在外部钢管1内浇筑钢管混凝土2并养护至预定强度。

所述步骤四和步骤五移至步骤六之后，步骤七之前。

实施例一参见图9所示，一种包括高抗震免焊接钢管混凝土柱的结构体系，还包括在柱体的梁柱连接节点区与柱体固定连接的梁体组成的框架结构，所述梁柱连接节点区避开两个管节的连接端连接处，所述梁体包括与柱体直接连接的节点区梁段10和现场连接梁段11，节点区梁段10与现场连接梁段11的尺寸和形式相同，所述梁体包括梁钢骨。

所述外部钢管1的内壁上、对应梁钢骨的位置固定连接有柱水平加劲板12、柱竖向加劲板13和梁腹板抗剪板14，所述柱水平加劲板12为环形板，核心区设有供混凝土流淌的流淌孔，柱水平加劲板12共设置两道或两道以上，分别对齐梁钢骨的上翼缘板111和下翼缘板112，所述柱竖向加劲板13沿上下两道柱水平加劲板12之间周向间隔设置并固定连接，所述梁腹板抗剪板14也设置在上、下两道柱水平加劲板12之间，其连接方式与柱竖向加劲板13相同，与对齐梁钢骨的腹板113位置处对齐或者不对齐。

所述节点区梁段10与现场连接梁段11的腹板拼缝处两侧紧贴有腹板连接钢板15，两侧的腹板连接钢板通过钢连接件9栓接和/或铆接。所述节点区梁段10与现场连接梁段11的上、下翼缘板拼缝处的外侧还紧贴有翼缘连接钢板16，翼缘连接钢板16与对应的翼缘板通过四角处的钢连接件9栓接。

实施例二参见图10所示，与实施例一不同的是，所述节点区梁段10与现场连接梁段11的上、下翼缘板拼缝处切割有坡口，节点区梁段10与现场连接梁段11的上、下翼缘板之间均通过焊缝焊接连接。此时可以形成只有横向梁焊接的框架，可以降低后连接钢梁的施工难度。

其中所述梁体为钢梁、钢骨混凝土梁或者变刚度钢骨混凝土梁。

一种高抗震免焊接钢管混凝土柱的结构体系，还包括基础、楼板和抗侧力墙板，所述楼板与梁体的梁刚骨通过钢连接件栓接，所述梁体和/或柱体通过钢连接件与抗侧力墙板固定连接，其中钢连接件焊接在梁体或者柱体上，所述抗侧力墙板与钢连接件固定连接，所述固定连接为栓接、焊接或铆接。

其中抗侧力墙板可以为钢板、面外约束钢板剪力墙墙板、钢筋混凝土预制墙板或者钢板钢筋混凝土预制墙板，墙板的钢板可以有加劲肋也可以无加劲肋，钢板可以开洞或者缝。楼板为预制钢筋混凝土楼板，或者钢筋桁架楼板，或者压型钢板现浇钢筋混凝土楼板。基础为钢筋混凝土基础，钢筋混凝土基础为独立基础、筏板基础、梁式基础、箱型基础。

另一种高抗震免焊接钢管混凝土柱的结构体系，所述梁体和柱体的连接节点处通过节点板与支撑和/或耗能支撑固定连接为一体。

本发明中涉及的钢管混凝土和楼板混凝土可以为普通混凝土，也可以为再生混凝土，或者高粉煤灰混凝土。钢管钢筋混凝土柱的钢筋之间的连接可以为搭接、焊接、机械连接。钢管内还可以设置栓钉。钢连接件9可以为螺栓或者铆钉。