梁柱翼缘为矩形钢管混凝土的组合框架体系及施工方法与流程

本发明涉及土木建筑结构领域中的房屋框架结构，具体涉及梁柱翼缘为矩形钢管混凝土的组合框架体系及施工方法。

背景技术：

常规的建筑框架结构多为现场浇筑焊接钢筋混凝土框架或钢框架，工期长，受环境影响较大，并且可实现的跨度较小，构件承载力较低，在实际工程中应用具有很大的局限性。近几年随着建筑向更快、更高、跨度更大和承载能力更强的方向发展，常规结构体系和施工方法面临新的挑战。人们开始构建施工更方便、承载能力更强的结构体系。将钢框架设置成可拆卸的结构，并将不同部分用螺栓进行连接，在荷载作用下协同作业，形成框架整体，其强度较高，施工方便，并且可以重复利用，弥补了常规框架结构的缺陷和不足，一时在厂房建设中得到了广泛的应用。但是钢结构刚度较小容易发生整体失稳或局部失稳，而且钢结构大部分是由壁薄的型钢和细长杆件构成的，其形状复杂，节点容易发生应力集中同时存在偏心重力，所以为了提高框架的刚度，增强钢框架的整体稳定性，将钢框架与混凝土结合应用，发挥两者的优点。但是混凝土和钢结构共同作用时，钢结构之间的连接和钢-混凝土的连接以及梁柱节点的设计都存在较多的问题，并且不同截面形式钢-混凝土组合结构的施工也是十分困难且复杂的，在强震作用下，梁柱节点易发生破坏，因此构建新的结构体系并确定合适的施工方法迫在眉睫。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供梁柱翼缘为矩形钢管混凝土的组合框架体系，这种梁柱翼缘为矩形钢管混凝土的组合框架体系用于解决现有的钢-混凝土组合结构施工繁琐，组合结构之间的连接以及稳定性较差的问题，本发明的另一个目的是提供这种梁柱翼缘为矩形钢管混凝土的组合框架体系的施工方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种梁柱翼缘为矩形钢管混凝土的组合框架体系由组合柱和组合梁通过节点连接构成，组合梁水平设置在组合柱之间，节点为钢管混凝土整体式节点，钢管混凝土整体式节点是将上下翼缘为矩形钢管的工字型节点端梁和翼缘为矩形钢管的节点端柱焊接成一体，工字型节点端梁与节点端柱连接处的矩形钢管之间相通，形成钢管整体式节点，工字型节点端梁的另一端焊接连接板，节点端柱的两端分别焊接连接板，钢管整体式节点内浇筑混凝土；组合柱是翼缘为矩形钢管混凝土的十字型或工字型组合柱，组合柱翼缘矩形钢管的两端分别焊接预留螺栓孔的连接板，形成节段式钢柱，节段式钢柱之间通过连接板固定连接后浇筑混凝土而形成组合柱；组合梁是翼缘为矩形钢管混凝土的工字型蜂窝梁，组合梁翼缘的两端钢管上焊接预留螺栓孔的连接板，形成节段式钢梁，节段式钢梁之间通过连接板固定连接后浇筑混凝土而形成组合梁；节点与组合柱在各自的连接板处通过高强螺栓固定连接，节点与组合梁在各自的连接板处也通过高强螺栓固定连接。

上述方案中组合柱是翼缘为矩形钢管混凝土工字型组合柱，节点为T型整体式节点，将上下翼缘为矩形钢管的工字型节点端梁和翼缘为矩形钢管的工字型节点端柱焊接成一体，在节点端柱腹板上通过高强螺栓与普通工字型节点端梁固定连接，形成T型整体式节点。

上述方案中节段式钢柱在工厂预制，其连接板与矩形钢管焊接，通过十字型钢腹板与矩形钢管焊接形成翼缘为矩形钢管的节段式钢柱，到现场连接后浇筑混凝土。

上述方案中节段式钢梁在工厂预制，其连接板与矩形钢管焊接，通过工字型钢腹板与矩形钢管焊接形成翼缘为矩形钢管的节段式钢梁，到现场连接后浇筑混凝土。

上述方案中组合梁下翼缘钢管内布置体内预应力钢丝，在节点的矩形钢管混凝土翼缘内侧上预留张拉孔，实现预应力钢丝的张拉和锚固，可减小梁的挠度。

上述方案中组合梁的工字型腹板上布置横向加劲肋，可增加梁腹板的稳定性。

上述方案中组合梁下翼缘钢管内布置预应力筋，节点预留张拉孔，预应力筋穿过节点腹板及节点预留的张拉孔在节点外侧张拉锚固，可实现梁的较大跨度。

上述方案中节点端柱的矩形钢管翼缘之间对称布置竖向加劲肋，可防止节点翼缘发生较大变形。

上述方案中混凝土采用自密实细石混凝土，浇筑完混凝土后，梁、柱及整体式节点的混凝土是全部贯通的，养护后与钢管形成一体。

上述梁柱翼缘为矩形钢管混凝土的组合框架体系的施工方法：

首先在工厂预制好所有需要的钢构件，包括一端焊有连接板、另一端埋于基础内的组合柱外钢管短柱、钢管整体式节点、节段式钢柱、节段式钢梁；将焊有连接板、另一端埋于基础内的组合柱外钢管短柱下部与基础实现固接，上部高出基础0.5m左右，然后将此部分浇筑混凝土接近连接板处，将节段式钢柱下部通过相应的连接板与高出地面的组合柱外钢管短柱连接好，所有节段式钢柱连接好后，浇筑混凝土，形成翼缘为矩形钢管混凝土的十字型组合底层柱；安装钢管整体式节点，通过节点端柱的连接板与十字型组合底层柱实现可靠连接，通过高强螺栓将节段式钢梁和钢管整体式节点连接，同时安装完成其他节段式钢梁，浇筑混凝土，确保节段式钢柱、节段式钢梁和钢管整体式节点内填满混凝土，且保证混凝土的贯通性，养护后形成底层组合框架体系，然后陆续施工第二层组合框架体系，直至顶层组合框架体系。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明均由钢管混凝土构件构成，无普通纵筋和箍筋，施工过程简单，大大减少劳动力，降低整体造价。

2、本发明可承受的轴力比较大，与常规钢结构柱相比，能够明显减小柱的截面尺寸，避免框架体系中出现过于臃肿的胖柱。

3、本发明钢管整体式节点、节段式钢柱、节段式钢梁等的钢构件可在工厂预制，现场安装后现浇混凝土，大大减少工作量，缩短施工周期，而且结构整体连贯性好。

4、可实现的跨度大。组合梁中预应力可采用不同的安装方式，适用于不同构造形式和不同规模的建筑。预应力筋融入到组合梁中，在施工张拉过程中可使梁产生反拱，在使用阶段与钢管混凝土形成一体可减小组合梁的变形，适合大跨、重载和既有建筑的增层改造工程中。

5、不仅可以充分发挥钢材的力学性能，在极限荷载作用下截面中的型钢可全截面进入屈服，受压区边缘混凝土达到极限压应变，充分发挥钢材的最大能效，还能借助混凝土刚度大的优点提高框架结构的稳定性。

6、本发明在预应力筋外侧设置竖向加劲肋不仅可以提高柱子的抗屈曲能力，还能起到保护预应力钢筋的作用，保证框架结构的整体稳定性和工作性能。

7、本发明的框架体系具有良好的延性，体系抗风、抗震性能较好，适合在地震区等复杂环境下应用。

8、本发明组合梁中采用翼缘为钢管混凝土的工字型蜂窝梁，在梁腹板上开洞，截面可为圆形、六边形或者八边形，不但可减轻梁的自重，避免应力集中，同时节省钢材，施工时钢丝绳可穿过，便于吊装。

9、本发明采用自密实细石混凝土，在进行混凝土灌注时工作性能较好，不仅提高了施工效率，还提高了施工质量。

10、框架体系在施工过程中不需要支模，不仅节省了模板材料，而且施工不受常规层层施工的限制，可以多层同时施工。

11、框架体系重量轻，基础造价较低。

12、本发明采用的梁柱翼缘钢管被混凝土填充不易屈曲，刚度较大，稳定承载力较高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的平面布置图；

图3是本发明中组合柱与节点的示意图；

图4是本发明中十字型组合柱的结构示意图；

图5是本发明中十字型钢管整体式节点的结构示意图；

图6是本发明中预应力筋及纵向加劲肋的布置图；

图7是本发明中节点在节点端梁处局部剖视图；

图8是本发明中节点在矩形钢管混凝土处局部剖视图；

图9是图6中1-1剖面图；

图10是图6中2-2剖面图；

图11是本发明实施例2的结构示意图；

图12是发明中工字型组合柱的结构示意图；

图13是本发明中T字型钢管整体式节点的结构示意图。

图中：1组合柱 2组合梁 3节点 4节点端梁 5节点端柱 6连接板 7组合柱外钢管短柱 8矩形钢管 9十字型钢腹板 10混凝土 11高强螺栓 13预应力筋 14竖向加劲肋 15预留孔 16锚具 17锚垫板 18工字型钢腹板 19螺栓孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

实施例1：

结合图1、图2所示，这种梁柱翼缘为矩形钢管混凝土的组合框架体系由组合柱1和组合梁2通过节点3连接构成，组合梁2水平设置在组合柱1之间，节点3为钢管混凝土整体式节点，钢管混凝土整体式节点是将上下翼缘为矩形钢管的工字型节点端梁4和翼缘为矩形钢管的节点端柱5焊接成一体，工字型节点端梁4与节点端柱5连接处的矩形钢管之间相通，形成十字型钢管整体式节点，工字型节点端梁4的另一端焊接连接板6，节点端柱5的两端分别焊接连接板6，通过高强螺栓11可与工字型组合梁和十字型组合柱连接起来，在钢管整体式节点处向梁柱和节点3内浇筑混凝土10，形成钢管混凝土整体式节点；组合柱1是翼缘为矩形钢管混凝土的十字型组合柱，组合柱1翼缘的两端分别焊接预留螺栓孔19的连接板6，形成节段式钢柱，节段式钢柱之间通过连接板6固定连接后浇筑混凝土而形成组合柱1；组合梁2是翼缘为矩形钢管混凝土的工字型蜂窝梁，组合梁2翼缘的两端钢管上焊接预留螺栓孔19的连接板6，形成节段式钢梁，节段式钢梁之间通过连接板6固定连接后浇筑混凝土而形成组合梁2；节点3与组合柱1在各自的连接板6处通过高强螺栓11固定连接，节点3与组合梁2在各自的连接板6处也通过高强螺栓11固定连接。

节段式钢柱在工厂预制，其连接板6与矩形钢管8焊接，通过十字型钢腹板9与矩形钢管8焊接形成翼缘为矩形钢管的节段式钢柱，到现场连接后浇筑混凝土10。

节段式钢梁在工厂预制，其连接板6与矩形钢管8焊接，通过工字型钢腹板18与矩形钢管8焊接形成翼缘为矩形钢管的节段式钢梁，到现场连接后浇筑混凝土10。

节段式钢梁对传统的工字钢梁进行改进，翼缘做成矩形钢管的形式，在梁两端翼缘钢管上焊接预留螺栓孔19的连接板6，形成翼缘为矩形钢管的工字型节段式钢梁，到现场后与节点端梁4通过高强螺栓11实现可靠连接，然后浇筑混凝土10。上下翼缘钢管可是对称的，也可以是非对称的。

混凝土10采用自密实细石混凝土，浇筑完混凝土10后，梁、柱及整体式节点的混凝土是全部贯通的，养护后与钢管形成一体。

上述梁柱翼缘为矩形钢管混凝土的组合框架体系的施工方法：

首先在工厂预制好所有需要的钢构件，包括一端焊有连接板6、另一端埋于基础内的组合柱外钢管短柱7、钢管整体式节点、节段式钢柱、节段式钢梁；将焊有连接板6、另一端埋于基础内的组合柱外钢管短柱7下部与基础实现固接，上部高出基础0.5m左右，然后将此部分浇筑混凝土接近连接板6处，将节段式钢柱下部通过相应的连接板6与高出地面的组合柱外钢管短柱7连接好，所有节段式钢柱连接好后，浇筑混凝土10，形成翼缘为矩形钢管混凝土的十字型组合底层柱；安装钢管整体式节点，通过节点端柱5的连接板6与十字型组合底层柱实现可靠连接，通过高强螺栓11将节段式钢梁和钢管整体式节点连接，同时安装完成其他节段式钢梁，浇筑混凝土10，确保节段式钢柱、节段式钢梁和钢管整体式节点内填满混凝土，且保证混凝土的贯通性，养护后形成底层组合框架体系，然后陆续施工第二层组合框架体系，直至顶层组合框架体系。这种施工方法称为逐层施工法。该施工方法不涉及钢筋的绑扎，钢构件全部工厂预制，现场浇筑混凝土10，大大减少劳动力，不但缩短施工周期，而且可保证结构的整体性，同时整体造价较低。

实施例2：

这种梁柱翼缘为矩形钢管混凝土的组合框架体系由组合柱1和组合梁2通过节点3连接构成，组合梁2水平设置在组合柱1之间，节点3为钢管混凝土整体式节点，钢管混凝土整体式节点是将上下翼缘为矩形钢管的工字型节点端梁和翼缘为矩形钢管的节点端柱焊接成一体，工字型节点端梁与节点端柱5连接处的矩形钢管之间相通，通过高强螺栓11可与工字型组合梁和工字型组合柱连接起来，在钢管整体式节点处向梁柱和节点内浇筑混凝土10，形成钢管混凝土整体式节点；工字型节点端梁的另一端焊接连接板6，节点端柱5的两端分别焊接连接板6，钢管整体式节点内浇筑混凝土10；组合柱1是翼缘为矩形钢管混凝土的工字型组合柱，组合柱1翼缘的两端分别焊接预留螺栓孔19的连接板6，形成节段式钢柱，节段式钢柱之间通过连接板6固定连接后浇筑混凝土10而形成组合柱1；组合梁2是翼缘为矩形钢管混凝土的工字型蜂窝梁，组合梁2翼缘的两端钢管上焊接预留螺栓孔19的连接板6，形成节段式钢梁，节段式钢梁之间通过连接板6固定连接后浇筑混凝土10而形成组合梁2；节点3与组合柱1在各自的连接板6处通过高强螺栓11固定连接，节点3与组合梁2在各自的连接板6处也通过高强螺栓11固定连接。

组合柱1是翼缘为矩形钢管混凝土工字型组合柱，节点3为T型整体式节点，将上下翼缘为矩形钢管的工字型节点端梁和翼缘为矩形钢管的工字型节点端柱焊接成一体，在节点端柱5工字型钢腹板18上通过高强螺栓11与普通工字型节点端梁固定连接，形成T型整体式节点。

节段式钢柱在工厂预制，其连接板6与矩形钢管8焊接，通过十字型钢腹板9与矩形钢管8焊接形成翼缘为矩形钢管的节段式钢柱，到现场连接后浇筑混凝土10。

节段式钢梁在工厂预制，其连接板6与矩形钢管8焊接，通过工字型钢腹板18与矩形钢管8焊接形成翼缘为矩形钢管的节段式钢梁，到现场连接后浇筑混凝土10。 对传统的工字钢梁进行改进，翼缘做成矩形钢管的形式，在梁两端翼缘钢管上焊接预留螺栓孔19的连接板6，形成翼缘为矩形钢管的工字型节段式钢梁，到现场后与节点端梁4通过高强螺栓11实现可靠连接，然后浇筑混凝土10。为减小梁的挠度，在下翼缘钢管内可布置体内预应力钢丝，在节点矩形钢管混凝土翼缘内侧上预留张拉孔，实现预应力钢丝的张拉和锚固。为增加梁腹板的稳定性，在腹板上布置横向加劲肋。上下翼缘钢管可是对称的，也可以是非对称的。

组合梁下翼缘钢管内布置预应力筋13，节点预留张拉孔，预应力筋13穿过节点腹板及节点预留的张拉孔在节点外侧通过锚具16和锚垫板17张拉锚固，可实现梁的较大跨度。当梁跨度较大时，在下翼缘钢管内可布置预应力筋13，由于用于张拉的千斤顶较大，无法在节点矩形钢管混凝土翼缘内侧实现张拉，预应力筋13需穿过腹板在整体式节点外侧实现张拉锚固，因此在节点处预应力筋13穿越矩形钢管混凝土翼缘的位置需预留张拉孔。为防止节点翼缘发生较大变形，在节点矩形钢管混凝土翼缘之间对称布置竖向加劲肋14。当两个方向都需要张拉预应力筋时，双向预应力筋将会在节点处相遇，两个方向的预应力筋13应上下错开，这样翼缘钢管混凝土形成偏心构件。在整体式节点制作过程中，要将双向竖向加劲肋焊接好，腹板、翼缘矩形钢管和加劲肋上开洞，形成共有16个孔洞的翼缘为矩形钢管的整体式多孔节点。

混凝土10采用自密实细石混凝土，浇筑完混凝土后，梁、柱及整体式节点的混凝土是全部贯通的，养护后与钢管形成一体。

上述梁柱翼缘为矩形钢管混凝土的组合框架体系的施工方法：

首先按设计在工厂下料，焊接预制好所有需要的钢构件，包括一端焊有连接板6、另一端埋于基础内的组合柱外钢管短柱7，两端焊好连接板6的组合柱矩形钢管柱，两端焊好连接板6的翼缘为矩形钢管的工字型蜂窝梁及整体式多孔节点。将框架体系所有焊好连接板6的组合柱外钢管短柱7下部与基础实现固接，上部高出基础0.5m左右，然后将钢管内浇筑混凝土接近连接板6处。将两端焊好连接板6的组合柱矩形钢管下部通过连接板6与高出地面的组合柱外钢管短柱7连接好，所有组合柱矩形钢管连接好后，浇筑混凝土10，形成翼缘为矩形钢管混凝土的工字型组合底层柱。安装整体式多孔节点，通过节点端柱5的连接板6与底层柱实现可靠连接，通过高强螺栓11将翼缘为钢管的工字型蜂窝梁和整体式多孔节点连接，连接之后对连接处进行适当的焊接，陆续安装完成其他框架梁，同时将梁中矩形钢管中布置的无粘结预应力筋放到钢管中。然后同底层一样完成二层钢构件的连接。对底层梁中的预应力筋13进行伸直张拉，临时锚固在节点矩形钢管翼缘上，然后浇筑混凝土至二层柱顶，确保柱、梁和节点内填满混凝土10，且保证混凝土的贯通性。然后陆续向上施工，完成三层的连接。将布置在二层梁矩形钢管中的无粘结预应力筋布置好且伸直张拉，然后浇筑二层混凝土至三层柱顶，依次完成顶层的施工，混凝土养护后自底向上张拉每层的预应力筋13，可靠锚固，完成整体框架的预应力施工，这种施工方法称为整体后张法。框架形成后张拉预应力筋13，和常规的预应力混凝土框架一样，确保整体受力。优点在于层层施工不间断，施工周期短。

实施例3：

本实施例中组合柱是翼缘为矩形钢管混凝土的十字型组合柱，节点为十字型钢管整体式节点，其它与实施例2相同。

上述梁柱翼缘为矩形钢管混凝土的组合框架体系的施工方法：

首先按设计在工厂下料，焊接预制好所有需要的钢构件，包括一端焊有连接板6、另一端埋于基础内的组合柱外钢管短柱7，两端焊好连接板6的组合柱矩形钢管柱，两端焊好连接板6的翼缘为矩形钢管的工字型蜂窝梁及整体式多孔节点。将框架体系所有焊好连接板6的组合柱外钢管短柱7下部与基础实现固接，上部高出基础0.5m左右，然后将钢管内浇筑混凝土接近连接板处。将两端焊好连接板6的组合柱矩形钢管下部通过连接板6与高出地面的组合柱外钢管短柱7连接好，所有组合柱矩形钢管连接好后，浇筑混凝土10，形成翼缘为矩形钢管混凝土的十字型或者工字型组合底层柱。安装整体式多孔节点，通过节点端柱5的连接板6与底层柱实现可靠连接，通过高强螺栓11将翼缘为钢管的工字型蜂窝梁和整体式节点连接，连接之后对连接处进行适当的焊接，陆续安装完成其他框架梁，同时将梁中矩形钢管中布置的无粘结预应力钢丝放到钢管中。然后同底层一样完成二层的钢构件的连接。对底层梁中的预应力钢丝进行伸直张拉，临时锚固在节点矩形钢管翼缘内侧上，然后浇筑混凝土至二层柱顶，确保柱、梁和节点内填满混凝土，且保证混凝土的贯通性，养护达到一定强度后对预应力钢丝进行二次张拉达到张拉控制应力。形成底层预应力组合框架体系。然后陆续施工第二层至顶层，在张拉下层预应力钢丝时要确保本层钢结构已经连接，确保体系在张拉预应力钢丝过程中不发生较大的变形。这种施工方法称为两层一张法。该施工方法不涉及钢筋的绑扎，钢构件全部工厂预制，施工具有很好的连续性和不间断性，大大缩短施工周期。当跨度较大时，粱里需要张拉预应力筋13，这样由于用于张拉的千斤顶较大，无法在节点矩形钢管混凝土翼缘内侧实现张拉，预应力筋13需穿过腹板在整体式节点外侧实现张拉锚固。当两个方向都需要张拉预应力筋时，预应力筋13要提前布置好，上层钢框架形成后，临时张拉伸直预应力筋13，浇筑本层混凝土10，养护达到一定强度后进行本层预应力筋13的二次张拉。