一种钢结构混凝土柱及其施工方法与流程

本发明涉及一种钢结构混凝土柱及其施工方法，特别是涉及一种用于建筑结构上的钢结构混凝土柱及其施工方法。

背景技术：

在装配式建筑中的框架柱对装配式建筑的实施起着决定性的作用，目前的预制钢筋混凝土柱在加工、安装及施工过程中存在如下问题：

目前钢结构建筑是理想的装配式建筑，但由于成本较高，适用性受到很多的限制。如h型钢柱虽较钢筋混凝土柱有更优的抗震性能，但由于钢结构的截面特性及标准h型钢的尺寸限制，再加上建筑成本制约的情况下未能得到充分的应用。

由于标准h型钢的横截面尺寸有限，使得钢结构柱的横截面尺寸受限，以至于钢结构柱的承载能力有限，强度不足。从以往国内外的震害分析显示，钢筋混凝土柱的最小配筋率和配箍率偏小，在大震下极易出现“弱柱强梁”的层屈服，造成局部或整层楼层倒塌。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种钢结构混凝土柱及其施工方法，能够提高钢结构柱的承载能力和强度，结构简单，施工方便。

为实现上述目的，本发明提供一种钢结构混凝土柱，包括由h型钢沿其腹板纵向剖切而形成的左t形钢和右t形钢，左t形钢包括左翼板和左半腹板，所述左半腹板的边缘由多个交替设置的左凹口和左凸齿构成；右t形钢包括右翼板和右半腹板，所述右半腹板的边缘由多个交替设置的右凹口和右凸齿构成；所述左半腹板上的各左凸齿和右半腹板上的各右凸齿焊接在一起而使左t形钢和右t形钢拼合成一根横截面呈h形的主体h形钢结构柱，所述左半腹板和右半腹板拼合成一块主腹板，主腹板两侧为混凝土浇注槽，所述左凹口和右凹口相对拼合而在主腹板上形成贯通口，所述贯通口连通主腹板两侧的混凝土浇注槽，所述主腹板两侧的混凝土浇注槽中浇注有混凝土，混凝土充满所述贯通口。

优选地，所述左凸齿的顶部、右凸齿的顶部、左凹口的底部、右凹口的底部均为沿主体h形钢结构柱纵向延伸的直线形状。

优选地，所述主腹板的两侧面焊接有多根垂直于主腹板表面的栓钉。

优选地，所述主腹板两侧的混凝土浇注槽中设有多根钢筋，钢筋的两端分别连接在左翼板和右翼板的外边缘附近。

更为优选地，上下相邻的两根钢筋之间的间距为主腹板宽度的一半且小于等于200毫米。

优选地，所述贯通口呈矩形或者六边形。

优选地，所述左凹口的形状与右凸齿的形状匹配。

优选地，所述混凝土为微膨胀混凝土。

与本发明的一种钢结构混凝土柱相应地，本发明还提供一种钢结构混凝土柱的施工方法，用于制作上述技术方案或其任一优选的技术方案所述的钢结构混凝土柱，包括如下步骤：

1)将一根完整的h型钢原材料柱的腹板纵向切开而使h型钢原材料柱分成横截面成t形的所述左t形钢和右t形钢；

2)将左半腹板上的各左凸齿和右半腹板上的各右凸齿对接在一起并焊接连接，从而使左t形钢和右t形钢拼合成一根横截面呈h形的主体h形钢结构柱；

3)在主腹板的两侧面焊接多根垂直于主腹板表面的栓钉；在左翼板和右翼板之间焊接钢筋，钢筋的两端分别焊接在左翼板和右翼板的外边缘附近；

4)向主腹板两侧的混凝土浇注槽中浇注混凝土而使混凝土填充满所述混凝土浇注槽。

优选地，在所述步骤1)中，h型钢原材料柱的腹板上的切割轨迹包括分别设置于腹板中心线左右两侧的左侧直线段组和右侧直线段组，左侧直线段组和右侧直线段组中的各直线段均沿腹板纵向延伸，所述左侧直线段组中的各直线段与右侧直线段组中的各直线段左右交错设置；腹板中心线两侧还位于腹板中心线两侧且上下相邻的两条直线段首尾之间通过切割连接线相连。

如上所述，本发明涉及的一种钢结构混凝土柱及其施工方法，具有以下有益效果：在本发明的一种钢结构混凝土柱中，左t形钢和右t形钢由完整的h型钢沿纵向剖切而成，将h型钢切割开之后，将左t形钢上左半腹板的各左凸齿和右t形钢上右半腹板的各右凸齿相对拼合并焊接在一起从而形成一根横截面呈h形的主体h形钢结构柱，该主体h形钢结构柱的截面尺寸较原h型钢的截面尺寸更大，因此所能承受的负载也更大，而且，左t形钢上的左凹口和右t形钢上的右凹口相对拼合而在主腹板上形成贯通口，所述贯通口连通主腹板两侧的混凝土浇注槽，在主腹板两侧的混凝土浇注槽中浇注混凝土之后，主腹板两侧的混凝土能够从贯通口结合在一起，从而提高混凝土与主体h形钢结构柱表面的结合强度，提高该钢结构混凝土柱的整体力学性能。

附图说明

图1显示为本发明的一种钢结构混凝土柱的主视图。

图2显示为图1中a-a处的剖视图。

图3显示为h型钢及切割轨迹的示意图。

图4显示为h型钢切割开之后形成的左t形钢及右t形钢的结构示意图。

图5显示为沿图4中f方向观察的结构示意图。

图6显示为左t形钢和右t形钢焊接在一起的结构示意图。

元件标号说明

1左t形钢

2右t形钢

3左翼板

4左半腹板

5左凹口

6左凸齿

7右翼板

8右半腹板

9右凹口

10右凸齿

11主体h形钢结构柱

12主腹板

13混凝土浇注槽

14贯通口

15混凝土

16栓钉

17钢筋

18中心线

19切割轨迹

20左侧直线段组

21右侧直线段组

22切割连接线

23h型钢

24腹板

25横梁

26加强板

27底板

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1和图2所示，本发明提供一种钢结构混凝土柱，包括由h型钢23沿其腹板24纵向剖切而形成的左t形钢1和右t形钢2，左t形钢1包括左翼板3和左半腹板4，所述左半腹板4的边缘由多个交替设置的左凹口5和左凸齿6构成；右t形钢2包括右翼板7和右半腹板8，所述右半腹板8的边缘由多个交替设置的右凹口9和右凸齿10构成；所述左半腹板4上的各左凸齿6和右半腹板8上的各右凸齿10焊接在一起而使左t形钢1和右t形钢2拼合成一根横截面呈h形的主体h形钢结构柱11，所述左半腹板4和右半腹板8拼合成一块主腹板12，主腹板12两侧为混凝土浇注槽13，所述左凹口5和右凹口9相对拼合而在主腹板12上形成贯通口14，所述贯通口14连通主腹板12两侧的混凝土浇注槽13，所述主腹板12两侧的混凝土浇注槽13中浇注有混凝土15，混凝土15充满所述贯通口14。

请参考图1和图2，在本发明的一种钢结构混凝土柱中，左t形钢1和右t形钢2由完整的h型钢23沿纵向剖切而成，将h型钢23切割开之后，将左t形钢1上左半腹板4的各左凸齿6和右t形钢2上右半腹板8的各右凸齿10相对拼合并焊接在一起从而形成一根横截面呈h形的主体h形钢结构柱11，该主体h形钢结构柱11的截面尺寸较原h型钢23的截面尺寸更大，截面的惯性矩、抵抗矩均有所增大，利于提高钢结构混凝土柱的承载力，因此所能承受的负载也更大，而且，左t形钢1上的左凹口5和右t形钢2上的右凹口9相对拼合而在主腹板12上形成贯通口14，所述贯通口14连通主腹板12两侧的混凝土浇注槽13，在主腹板12两侧的混凝土浇注槽13中浇注混凝土15之后，主腹板12两侧的混凝土15能够从贯通口14结合在一起而形成一个整体，贯通口14内的混凝土15与主体h形钢结构柱11之间产生很好的抗剪作用，弥补混凝土与主体h形钢结构柱11表面之间粘结力的不足，保证主体h形钢结构柱11与混凝土15的共同受力，提高混凝土与主体h形钢结构柱11表面的结合强度，提高该钢结构混凝土柱的整体力学性能。本发明的一种钢结构混凝土柱中，将标准h型钢23切割加工后焊接成横截面呈h形的主体h形钢结构柱11，并未增加原钢材的重量，但却提高了主体h形钢结构柱11的截面力学特性，降低了材料成本。

为了使得混凝土与主体h形钢结构柱11的表面结合更为牢固，防止混凝土因重力及热胀冷缩等原因与主体h形钢结构柱11的表面之间出现分离情况，如图1所示，所述主腹板12的两侧面焊接有多根垂直于主腹板12表面的栓钉16，各栓钉16嵌入到混凝土中，使得一方面增加了与混凝土的结合面积，另一方面栓钉16嵌入到混凝土中，能够承载混凝土的重力，从而使得混凝土与主体h形钢结构柱11牢固结合。如图1和图2所示，所述主腹板12两侧的混凝土浇注槽13中设有多根钢筋17，钢筋17的两端分别连接在左翼板3和右翼板7的外边缘附近，钢筋17一方面能够防止左翼板3和右翼板7变形而与混凝土之间出现分离，另一方面，钢筋17嵌入到混凝土15中也能够使防止混凝土主体h形钢结构分离。混凝土15将钢筋17包覆住，混凝土15包覆钢筋17的保护层厚度视所处的环境类别，满足相应规范要求即可。为了使得钢筋17的布置密度较为合理，上下相邻的两根钢筋17之间的间距为主腹板12宽度的一半且小于等于200毫米。混凝土采用微膨胀混凝土，混凝土的包裹作用限制主腹板12、左翼板3和右翼板7的变形，提高钢结构混凝土柱的承载力。填充混凝土后钢材裸露的外表面积减少了2/3，减少了用于钢结构防腐和防火的处理面积。

在本发明的一种钢结构混凝土柱中，制作主体h形钢结构柱11所用的标准h型钢23的材料要求为：h型钢23材料宜采用牌号q235-b.c.d级的碳素结构钢，以及牌号q355-b.c.d.e的低合金高强度结构钢，其质量标准应分别符合现行国家标准《碳素结构钢》gb700和《低合金高强度结构钢》gb/t1951的规定。主体h形钢结构柱11的主腹板12上形成的连通口的面接总和控制在腹板24面积的25％～40％。栓钉16材料宜采用钢号q235，应符合现行国家标准《圆柱头焊钉》gb10433的规定。钢筋17宜采用hrb400级热轧钢筋，应符合国家标准《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》gb1499.2的规定。型钢混凝土组合柱中的混凝土强度等级不宜小于c30。

利用本发明的一种钢结构混凝土柱制作建筑物的承载混凝土柱时，承载混凝土柱可部分或者全部采用本发明的一种钢结构混凝土柱的结构进行施工，此两类结构宜用于框架结构、框架-剪力墙结构、底部大空间剪力墙结构、框架-核心筒结构等结构体系。实验表明，本发明的一种钢结构混凝土柱具有良好的变形性能和耗能能力，适用于地震区采用。如图1所示，为一种常见的应用情形，本发明的一种钢结构混凝土柱作为主体承载柱，在钢结构混凝土柱的底部设有埋设于地基中的底板27，在钢结构混凝土柱的上端连接有横梁25，横梁25连接部位的附近设有加强板26。

在本发明的一种钢结构混凝土柱中，所述主体h形钢结构柱11由标准的h型钢23沿腹板24纵向切割而成，为了使得切割后形成的左t形钢1和右t形钢2能够方便地焊接在一起，作为一种优选的实施方式，请参考图3和图4，所述左凸齿6的顶部、右凸齿10的顶部、左凹口5的底部、右凹口9的底部均为沿主体h形钢结构柱11纵向延伸的直线形状。为了便于切割加工，一般地，可以在标准h型钢23的腹板24上切割出左右交替的具有矩形齿状结构的轨迹线或者具有梯形齿状结构的切割轨迹19。如图3至图4所示的为左右交替的具有梯形齿状结构的切割轨迹19，将h型钢23切割成如图4和图5所示的左t形钢1和右t形钢2之后，将左t形钢1和右t形钢2沿纵向错开一个齿的距离即可使得左半腹板4上的各左凸齿6和右半腹板8上的各右凸齿10对准，将左半腹板4上的各左凸齿6和右半腹板8上的各右凸齿10焊接在一起就拼合成所述主体h形钢结构柱11，必要时，将主体h形钢结构柱11的上下两端加工平齐。如图3和图4所示，所述左凹口5的形状与右凸齿10的形状匹配，各左凸齿6以及各左凹口5的形状是一致的，各右凸齿10以及各右凹口9的形状也是一致的。如图5所示，图4和图5所示的左t形钢1和右t形钢2拼合成的主体h形钢结构柱11中，贯通口14呈六边形。如果在标准h型钢23的腹板24上切割出左右交替的具有矩形齿状结构的轨迹线，即切割轨迹19中的切割连接线22垂直于左侧直线段组20和右侧直线段组21中的直线段，则贯通口14会呈矩形。

与本发明的一种钢结构混凝土柱相应地，本发明还提供一种钢结构混凝土柱的施工方法，用于制作上述技术方案或其任一优选的技术方案所述的钢结构混凝土柱，包括如下步骤：

1)将一根完整的h型钢23原材料柱的腹板24纵向切开而使h型钢23原材料柱分成横截面成t形的所述左t形钢1和右t形钢2；

2)将左半腹板4上的各左凸齿6和右半腹板8上的各右凸齿10对接在一起并焊接连接，从而使左t形钢1和右t形钢2拼合成一根横截面呈h形的主体h形钢结构柱11；

3)在主腹板12的两侧面焊接多根垂直于主腹板12表面的栓钉16；在左翼板3和右翼板7之间焊接钢筋17，钢筋17的两端分别焊接在左翼板3和右翼板7的外边缘附近；

4)向主腹板12两侧的混凝土浇注槽13中浇注混凝土而使混凝土填充满所述混凝土浇注槽13。

如前面提到过，左t形钢1和右t形钢2上的左凸齿6的顶部、右凸齿10的顶部、左凹口5的底部、右凹口9的底部均为沿主体h形钢结构柱11纵向延伸的直线形状，因此，在所述步骤1)中，h型钢23原材料柱的腹板24上的切割轨迹19包括分别设置于腹板24中心线18左右两侧的左侧直线段组20和右侧直线段组21，左侧直线段组20和右侧直线段组21中的各直线段均沿腹板24纵向延伸，所述左侧直线段组20中的各直线段与右侧直线段组21中的各直线段左右交错设置；腹板24中心线18两侧还位于腹板24中心线18两侧且上下相邻的两条直线段首尾之间通过切割连接线22相连。这样切割出来的左t形钢1和右t形钢2上的左凸齿6的顶部、右凸齿10的顶部、左凹口5的底部、右凹口9的底部均为沿主体h形钢结构柱11纵向延伸的直线形状。

在制作钢结构混凝土柱预制件时，将主体h形钢结构柱11水平横放即可浇注混凝土，无需模板，构件经一次浇注即可完成。无需绑扎钢丝和支护模板，便于施工，降低成本。柱脚与基础采用铰接、刚接连接均可。钢结构混凝土柱的上下柱现场连接可采用焊接或高强螺栓等强连接，上下柱之间的施工预留空间用微膨胀细石混凝土二次浇注，连接可靠、施工简单。梁柱节点一定范围内的主腹板12不开洞，并且在主腹板12上焊接抗剪栓钉16，增强两种材料相互粘结，保证受力的变形一致性。构件可用于钢筋17混凝土梁的结构体系中或型钢混凝土梁结构体系中，也可用于钢梁结构体系中，梁柱节点焊接或螺栓连接均可采用，工厂加工后现场安装，应用范围十分广泛。本发明的一种钢结构混凝土柱工业标准化生产程度高，易于实现设计、生产、施工一体化，提高装配式建筑工业化水平。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。