一种u型钢筋加强的薄壁方钢管混凝土柱及构造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于建筑结构构造设计领域，具体涉及U型钢筋加强的薄壁方钢管混凝土 柱及构造方法。
【背景技术】
[0002] 薄壁钢管混凝土是指其横截面的径厚比（对于圆钢管混凝土)或宽厚比（对于方钢 管混凝土)大于相应受压构件中空钢管局部稳定限值1.5倍的情况。按照这个限定条件，大 尺寸构件一般都可以看成是薄壁钢管柱。在钢管混凝土工程中采用薄壁钢管，与普通钢管 混凝土结构相比可以减少钢材用量，减轻焊接工作量，达到降低工程造价的目的，在小高层 以下包括多层、低层建筑工程中推广使用有着广阔的前景和积极的意义。实际上，对于大直 径钢管混凝土结构柱，其钢管壁厚度与钢管直径或边长的比均属于薄壁钢管混凝土。但对 于薄壁方钢管混凝土来讲，其材料强度不能得到很好的发挥，延性下降。由于截面几何形状 (只有两个形心主惯性轴)和管壁较薄的原因，所以在受压工作条件下薄壁的局部屈曲以及 延性问题比较突出。因此研究提高其力学性能的构造措施十分重要。
[0003] 由解析或数值方法得出的方、矩形钢管混凝土板件宽厚比的限值基本一致。对于 方钢管混凝土轴压构件，由于内部填实混凝土材料(采用自补偿混凝土），考虑混凝土的支 承作用，板件宽厚比的限制可以放宽到空钢管的2.5倍。但薄壁方钢管混凝土受压构件在承 受荷载作用时的力学性能，仍然是受局部稳定条件控制。已有学者对方钢管混凝土轴心受 压时的钢管局部屈曲问题进行了研究，给出了薄壁方钢管混凝土的钢板在轴压和压弯状态 下的有效宽度的计算方法。钢管混凝土是一种组合结构形式，充分利用钢管对混凝土的约 束作用和混凝土对钢管壁的支承作用，同时又最大限度地发挥两种材料各自的力学性能， 在建设工程中已得到广泛应用。对于建筑层高不高的建筑物，拟采用薄壁方钢管混凝土，不 但能够改善结构柱的力学性能，而且还可以节省模板工程及其相关费用。
[0004] 薄壁方钢管混凝土具有与普通方钢管混凝土相似的效果和相同的优点，主要问题 是由于管壁较薄，加载至极限荷载的50%以上时，钢管壁屈曲引发稳定问题。为了克服这一 缺点，有研究者提出了采用对拉片、角隅支撑、垂直加劲肋的方法，以改善薄壁方钢管的变 形性能，改变其变形模态，提高整体稳定性，取得了很好的效果(如图1所示）。
[0005] 设置对拉片的构造方法，需要在方钢管对面薄壁上打孔，用螺栓固定。首先是管壁 打孔会影响钢管的整体性，外露的螺杆及螺帽影响钢管的外部装饰。
[0006] 在矩形截面的角部设置角隅支撑，其支撑零件比较多，要求准确对位时，焊接误差 大，乃以保证作业质量，且直接影响截面尺寸的准确性，施工十分麻烦。
[0007] 设置垂直加劲肋，可以有效改变钢管壁的边界支承条件，但其有效性依赖于肋埋 入混凝土内部的深度，其作用主要是为管壁提供支承，对管壁的外凸拉结作用有限，一旦失 效，后续变形能力将受到影响；该加劲肋在构造上采用沿纵向通焊，由于管壁较薄，通焊焊 缝会导致严重的焊接变形。
【发明内容】
[0008] 本发明是在试验研究的基础上，提出的一种薄壁方钢管混凝土柱构造方法，目的在于 提高薄壁方钢管混凝土柱的局部稳定和变形能力。
[0009] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 一种U型钢筋加强的薄壁方钢管混凝土柱，包括U形钢筋，所述U形钢筋设置于薄壁方钢 管内部，按照加密箍筋的间距垂直与所述薄壁方钢管的管壁焊接，形成贯通或半贯通布置 于横截面上的横向钢筋构造，在所述薄壁方钢管混凝土柱的横截面上设置U型钢筋，所述U 形钢筋的端点焊接在所述薄壁方钢管内壁上。
[0010] 所述半贯通的U形钢筋的长度为薄壁方钢管的内壁边长的三分之一，所述全贯通 的U形钢筋的长度与薄壁方钢管内壁边长相等。
[0011] 所述U形钢筋为两种：长U形钢筋，短U形钢筋，其中，所述长U形钢筋的一端在所述 薄壁方钢管壁内一面的一侧焊接，另外一端与对面薄壁方钢管壁内侧相抵，所述长U形钢筋 形成的U形箍筋的两个焊点的位置平行于所述薄壁方钢管的纵向，对合后形成交替叠置的 正交井字形双层钢筋网；所述短U形钢筋分别在所述薄壁方钢管内壁隔层焊接，所述短U形 钢筋形成的U形箍筋的两个焊点的位置平行于所述薄壁方钢管的纵向，对合后截面形成半 贯通构造。
[0012] 所述薄壁方钢管由两片薄钢板加工成槽型，对合焊接后成薄壁方钢管，同时形成 全贯通井字形横向钢筋截面和半贯通的横向钢筋截面，所述薄壁方钢管内浇注自补偿混凝 土。
[0013] -种U型钢筋加强的薄壁方钢管混凝土柱的构造方法，包含以下步骤： (1) 制作U形钢筋，根据需要采用长或短两种形式； (2) 用薄壁钢板制作槽型型材，组装焊接后与薄壁方钢管截面尺寸相同。
[0014] (3)将U形钢筋通过端点与薄壁方钢管内壁焊接在一起(未组装前）； (4)组装成方钢管。
[0015] U形钢筋的构造方法，不限于薄壁方钢管混凝土柱中的应用。
[0016] 通过U形钢筋与管壁的焊接连接，浇注混凝土后，形成埋于钢管内混凝土中的U形 钢筋对钢管壁的具有拉结作用，同时横向钢筋也起到有效限制混凝土横向变形的作用，以 提尚构件的变形能力。
[0017] 本发明中，采用U形钢筋，加强混凝土与钢管的拉结，为钢管壁提供支承，并约束内 部混凝土的横向变形。
[0018] 其具体做法是:在薄壁方钢管内壁上，根据箍筋加密设计要求，按间隔距离S设置 钢筋零件，可采用两种不同尺寸的U形钢筋加强，其端点与薄壁方钢管管壁点焊，通过分布 焊点对管壁起到向内拉结作用，避免薄壁方钢管壁的向外屈曲变形。
[0019] 同时埋入混凝土中的u形钢筋与混凝土具有良好的粘接锚固作用，使两种材料共 同工作，其性能得到充分的发挥，构造出来的横向拉结钢筋网，由于其弹性模量比混凝土的 高，可以与配置横向钢筋的混凝土柱一样，约束混凝土的横向变形，更有效地提高结构构件 的受力性能，同时薄壁方钢管内混凝土对薄壁方钢管壁一样具有支承作用。
[0020]试验研究表明，长、短U形钢筋的配置，有效地提高了混凝土柱的延性，研究结果如 表1所示。
[0021 ] 试验试件薄壁方钢管的钢板厚度分为三种：1.25mm、1.75mm、2.5mm;混凝土设计强 度等级分三种:C30、C35、C40;试件高度为670mm，宽度为200mm，高宽比为3.35，宽厚比fc/t分 别为160、114.3、80,均高于58的理论局部屈曲限值； 定乂延性指标：孤=.s〇S3./sii.75 ;其中：; Η 为试件的尚 度。纵向位移4和应变霉的下角标中，0.75为加载达到75%极限承载能力时对应的实测纵向 位移和应变;0.85为卸载至85%极限承载能力时对应的实测纵向位移和应变。
[0022]研究表明：配置长U形钢筋的平均延性指标为3.34,短U形钢筋的平均延性指标为 2.85，一般钢管混凝土试件的平均延性指标2.30;以此为基准，配置短U形钢筋的试件提高 了 24%，配置长U形钢筋的试件提高了 45%。
[0023]表1薄壁方钢管混凝土短柱实测变形及延性指标
本发明的新型薄壁钢管混凝土柱，与传统的薄壁钢管混凝土相比减少了长焊缝的数 量，从而尽可能避免由于焊缝带来的焊接应力和焊接变形对薄壁钢管形状的影响，通过分 布焊点，为钢管壁提供支承，延缓钢壁管的屈曲，U形钢筋有效的锚固作用，也能够加强混凝 土与钢管之间的粘结，使两者的性能充分