一种半组合预制装配式柱及其制作方法和设计方法与流程

本发明涉及装配式建筑领域，特别涉及一种半组合预制装配式柱及其制作方法和设计方法。

背景技术：

现阶段常见的装配式建筑主要包括两大类：装配式钢结构建筑（ps）和装配式混凝土建筑（pc）。

装配式混凝土建筑（pc）中柱构件与梁构件的节点大多采用湿连接，具有布筋复杂、不易操作、质量不易保证的缺点。而常用的干连接又存在构造复杂、传力不直接、施工工序较多、造价较高等问题。柱构件与柱构件的节点大多采用灌浆套筒式连接，常常出现无法完全对接清楚的问题，而且此类节点在浇筑完成后还存在无法检测的难题。

装配式钢结构建筑（ps）中钢柱与其他装配式钢结构构件之间的节点连接方式可采用焊接与螺栓连接，具有传力明确、构造简单、安装方便、有效保证工程进度和质量等优点。但是传统装配式钢柱构件的防腐防锈和防火处理比较麻烦，且在设计使用年限内需要定期维护，后期维护成本偏高。

技术实现要素：

针对目前上述两大类装配式建筑中柱构件存在的问题，本发明在装配式钢柱的基础上，提出了一种半组合预制装配式柱及其制作方法和设计方法，它既能免防锈、免防火涂装处理，又能部分考虑构件刚度。

本发明的目的通过如下技术方案实现：一种半组合预制装配式柱，包括钢柱和外包覆保护层，所述外包覆保护层设置于钢柱的外表面，所述钢柱为箱型柱，所述箱型柱的侧部焊接有h型短钢梁，所述h型短钢梁一端的翼缘和腹板均焊接在箱型柱的翼缘上，所述h型短钢梁另一端的翼缘和腹板上均开设有螺栓孔，所述h型短钢梁上预留有用于连接长钢梁的侧连接节点未包覆区，所述箱型柱的上端部预留有用于连接上方钢柱的上连接节点未包覆区，所述箱型柱的下端部预留有用于连接下方钢柱的下连接节点未包覆区。

作为进一步的优选方案，所述箱型柱内焊接有水平加劲肋，所述水平加劲肋的高度位置与h型短钢梁的翼缘位置一一对应。

作为进一步的优选方案，所述水平加劲肋与h型短钢梁的翼缘等厚，所述水平加劲肋与h型短钢梁的对应翼缘处于同一水平面上。

作为进一步的优选方案，所述箱型柱的上下两端部外周侧分别焊接有用于对应连接上下钢柱的辅助耳板，所述辅助耳板上开设有螺栓孔，位于箱型柱上端部的辅助耳板与位于箱型柱下端部的辅助耳板对应错开且分别靠近于箱型柱对应外侧面的中心线。

作为进一步的优选方案，所述外包覆保护层为钢筋混凝土外包层、钢丝网混凝土外包层、防火砖外包层或防火板外包层。

作为进一步的优选方案，所述钢筋混凝土外包层或钢丝网混凝土外包层采用的混凝土为普通混凝土或高性能混凝土。

作为进一步的优选方案，所述高性能混凝土为钢纤维混凝土、活性粉末混凝土或防火混凝土。

本发明的目的还通过如下技术方案实现：一种半组合预制装配式柱的制作方法，包括以下步骤：

（1）制作钢柱：在工厂按常规钢结构生产方式加工钢柱，并去除表面浮锈；

（2）制作外包覆保护层：

若外包覆保护层为钢筋混凝土外包层，则先在钢柱的外表面配置构造钢筋网，再在工厂的模台上立模板、浇筑混凝土、振捣密实，并快速蒸汽养护至设计强度后脱模；

若外包覆保护层为钢丝网混凝土外包层，则先在钢柱的外表面配置构造钢丝网，再在工厂的模台上立模板、浇筑混凝土、振捣密实，并快速蒸汽养护至设计强度后脱模；

若外包覆保护层为防火砖外包层或防火板外包层，则在钢柱的外表面配置抗剪件，在工厂简单装配牢固即可；

在外包覆保护层的制作过程中，对于预制装配式柱的节点连接区域则无需进行外包层的制作，节点连接区域的钢构件保持外露。

作为进一步的优选方案，在步骤（2）中，在钢柱的外表面配置构造钢筋网时，也配置抗剪件。

本发明的目的还通过如下技术方案实现：一种半组合预制装配式柱的设计方法，包括以下步骤：

（1）根据钢柱的防护需求和受力性能，选择外包覆保护层的材料，并确定厚度；

（2）在计算结构基本周期时，考虑钢柱和外包覆保护层组合截面的整体刚度；

（3）在竖向荷载、风载和多遇地震组合作用下，考虑钢柱和外包覆保护层组合截面的整体刚度，即考虑外包覆保护层对预制装配式柱刚度的贡献，应保证外包覆保护层与钢柱的变形协调，不应出现外包覆保护层与钢柱发生剪切滑移或外包覆保护层开裂的情况；

（4）在中震和罕遇地震作用下，允许外包覆保护层开裂失效，不考虑外包覆保护层对预制装配式柱刚度的贡献，即只考虑钢柱的作用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：该半组合预制装配式柱既保留了传统装配式钢柱的受力和施工优点，又不需要进行防腐、防火处理及定期维护，节省成本；同时，考虑外包覆保护层在设计荷载作用下与钢柱共同工作（受力）的“半组合”设计理念，可有效增大结构阻尼、减小设计荷载作用下结构的横向位移响应（如层间侧移、屋顶风振加速度等）、提高住宅的舒适度。本发明可在降低综合造价的前提下，提高柱构件的刚度、抗震性能及施工和使用阶段的便利性。

附图说明

图1是半组合预制装配式柱的结构示意图。

图2是图1中a-a处的截面图。

图3是图1中b-b处的截面图。

图4是图1中c-c处的截面图。

附图标记：1.钢柱/箱型柱，11.h型短钢梁，12.水平加劲肋，13.辅助耳板，2.外包覆保护层/钢筋混凝土外包层，21.钢筋，22.混凝土，31.侧连接节点未包覆区，32.上连接节点未包覆区，33.下连接节点未包覆区。

具体实施方式

为了让本发明的上述特征和优点更明显易懂，下面特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。

如图1~4所示，一种半组合预制装配式柱，包括钢柱1和外包覆保护层2，所述外包覆保护层2设置于钢柱1的外表面，所述钢柱1为箱型柱，所述箱型柱1的侧部焊接有h型短钢梁11，所述h型短钢梁11一端的翼缘和腹板均焊接在箱型柱1的翼缘上，所述h型短钢梁11另一端的翼缘和腹板上均开设有螺栓孔，所述h型短钢梁11上预留有用于连接长钢梁的侧连接节点未包覆区31，所述箱型柱1的上端部预留有用于连接上方钢柱1的上连接节点未包覆区32，所述箱型柱1的下端部预留有用于连接下方钢柱1的下连接节点未包覆区33。其中，所述h型短钢梁11一端的翼缘与箱型柱1的翼缘之间可采用但不局限于坡口全熔透焊缝焊接，所述h型短钢梁11一端的腹板与箱型柱1的翼缘之间可采用但不局限于角焊缝焊接。

在本实施例中，所述箱型柱1内焊接有水平加劲肋12，所述水平加劲肋12的高度位置与h型短钢梁11的翼缘位置一一对应，加强效果更好。

在本实施例中，所述水平加劲肋12与箱型柱1的翼缘之间、所述水平加劲肋12与箱型柱1的腹板之间均采用但不局限于坡口全熔透焊缝焊接，焊接效果好。

在本实施例中，所述水平加劲肋12上（如中心位置）开设有排气孔，所述排气孔优选但不局限于圆孔，以便排出焊接时的气体。

在本实施例中，所述水平加劲肋12与h型短钢梁11的翼缘优选但不局限于等厚，所述水平加劲肋12与h型短钢梁11的对应翼缘处于同一水平面上，加强效果好且成本较低。

在本实施例中，所述箱型柱1的上下两端部外周侧分别焊接有用于对应连接上下钢柱1的辅助耳板13，所述辅助耳板13上开设有螺栓孔，位于箱型柱1上端部的辅助耳板13与位于箱型柱1下端部的辅助耳板13对应错开且分别靠近于箱型柱1对应外侧面的中心线。多个钢柱1上下装配时，利用辅助耳板13进行对位连接，装配速度快，施工效率高，节省人力。

在本实施例中，所述外包覆保护层2为钢筋混凝土外包层，所述钢筋混凝土外包层2包含钢筋21和混凝土22，其包覆范围不包括钢柱1的拼接节点区；当然外包覆保护层2也可以是钢丝网混凝土外包层、防火砖外包层或防火板外包层等外包类型。在实际应用时，所述外包覆保护层2的材料和厚度可以根据钢柱1的防护需求和受力性能进行设计，使外包覆保护层2既具备特定的防护功能，同时又能与钢柱1具有相同的设计使用年限。

在本实施例中，所述钢筋混凝土外包层采用的混凝土22为普通混凝土或高性能混凝土。其中，所述高性能混凝土为钢纤维混凝土、活性粉末混凝土或防火混凝土等。

在本实施例中，所述钢筋混凝土外包层采用的钢筋21可按构造进行配置，只需采用小直径钢筋网，对连接精度也没有要求。

请参阅图1~4，一种半组合预制装配式柱的制作方法，包括以下步骤：

（1）制作钢柱1：在工厂按常规钢结构生产方式加工钢柱1，并去除表面浮锈；

（2）制作外包覆保护层2：所述外包覆保护层2为钢筋混凝土外包层，先在钢柱1的外表面配置构造钢筋网，再在工厂的模台上立模板、浇筑混凝土、振捣密实，并快速蒸汽养护至设计强度后脱模；在外包覆保护层2的制作过程中，对于预制装配式柱的节点连接区域则无需进行外包层的制作，节点连接区域的钢构件保持外露。

在步骤（1）中，所述钢柱1上的h型短钢梁11、水平加劲肋12、辅助耳板13都在工厂完成焊接，完成钢柱1的制作后再除去钢板表面的浮锈，但不要求抛丸或喷砂除锈的工序，也没有严格除锈等级的要求。

在步骤（2）中，钢筋网的钢筋可按构造进行配置，只需采用小直径钢筋网，对连接精度也没有要求。

在步骤（2）中，若有需要提高抗剪能力，则在钢柱1的外表面配置构造钢筋网时，也配置抗剪件。

在步骤（2）中，所述外包覆保护层2的厚度可以根据建筑的防火等级及构件的耐火极限进行设计。

当然，步骤（2）的外包覆保护层2还可以采用钢丝网混凝土外包层、防火砖外包层或防火板外包层等；若外包覆保护层2为钢丝网混凝土外包层，则先在钢柱1的外表面配置构造钢丝网或者配置构造钢丝网和抗剪件（有需要时），再在工厂的模台上立模板、浇筑混凝土、振捣密实，并快速蒸汽养护至设计强度后脱模；若步骤（2）的外包覆保护层2为防火砖外包层或防火板外包层等现场型材，则在钢柱1的外表面配置抗剪件，在工厂简单装配牢固即可。

施工时，将制作好的半组合预制装配式柱运输到施工现场进行装配施工，该半组合预制装配式柱与其他预制装配式构件（预制装配式柱、预制装配式梁）之间的节点连接方式与传统钢结构连接方法相同，即采用高强螺栓连接或栓焊连接；任意两个预制装配件的节点连接后，再在现场对各个连接节点处的未包覆区31、32、33进行施工，补上外包覆保护层2。

请参阅图1~4，一种半组合预制装配式柱的设计方法，包括以下步骤：

（1）根据钢柱1的防护需求（如防火等级、防火极限等需求）和受力性能，选择外包覆保护层2的材料，并确定厚度；

（2）在计算结构基本周期时，考虑钢柱1和外包覆保护层2组合截面的整体刚度；

（3）在竖向荷载、风载和多遇地震组合（即设计荷载）作用下，考虑钢柱1和外包覆保护层2组合截面的整体刚度，即考虑外包覆保护层2对预制装配式柱刚度的贡献，应保证外包覆保护层2与钢柱1的变形协调，不应出现外包覆保护层2与钢柱1发生剪切滑移（错动）或外包覆保护层2开裂的情况；

（4）在中震和罕遇地震作用下，允许外包覆保护层2开裂失效，不考虑外包覆保护层2对预制装配式柱刚度的贡献，即只考虑钢柱1的作用。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，任何熟悉本领域的技术人员但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做任何简单的修改、均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。