一种采用铰制孔螺栓连接的预制装配式钢-混凝土组合梁及其施工方法

1.本发明属于建筑技术领域，特别涉及一种采用铰制孔螺栓连接的预制装配式钢-混凝土组合梁。


背景技术：

2.钢-混凝土组合结构充分利用了钢材抗拉强度高和混凝土抗压强度好的优点，可适应现代结构对“轻型大跨、预制装配、快速施工”的要求，在建筑及桥梁结构等领域具有广阔的应用前景。剪力连接件作为组合结构中的关键性元件，其抗剪性能直接影响组合结构的整体性能。
3.目前钢-混凝土组合梁中抗剪连接件多为栓钉连接件，但栓钉连接件现场施焊作业量大，且焊接质量不易控制，一旦结构某一部分发生破坏，拆卸修复较为复杂，难以满足建筑业可持续发展的要求。此外，现有钢-混凝土组合梁连接件的布置形式多为均布式布置，不利于装配化施工，且混凝土板多为现浇，现场湿作业量大，施工周期较长，施工质量难以保证。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种采用铰制孔螺栓连接的预制装配式钢-混凝土组合梁，其中铰制孔螺栓与钢梁为紧配配合，力学性能良好，无需现场施焊作业，可拆可换；具有施工质量高、施工周期短、装配效率高和后期维护成本低的优点，同时改善了装配式组合梁的受力性能，具有耐久性高、抗震性能优良的特点。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.一种采用铰制孔螺栓连接的预制装配式钢-混凝土组合梁，包括：
7.h型钢梁；
8.安装于h型钢梁上翼缘的铰制孔螺栓连接件；
9.设置于h型钢梁上翼缘顶面的预制混凝土板；
10.设置于预制混凝板的预留孔；
11.以及，浇筑于预制混凝土板预留孔中的填充材料。
12.在一个实施例中，所述h型钢梁由两块钢板和一块钢腹板焊接组成，两块钢板焊接在钢腹板短边的上下两端作为上下翼缘；或者，所述h型钢梁采用热轧h型钢。
13.在一个实施例中，所述h型钢梁上翼缘开有沿钢梁轴线方向中心左右对称的螺栓孔，所述螺栓孔的布置形式为集束式布置，4个螺栓孔构成一组，每个所述螺栓孔的开孔大小与铰制孔螺栓连接件的螺杆直径一致，相应的4个铰制孔螺栓连接件构成一组。
14.在一个实施例中，所述螺栓孔外侧边缘至h型钢梁翼缘边缘之间的距离不小于30mm，至预制混凝土板边缘间的距离不小于100mm。
15.在一个实施例中，所述预留孔与每组铰制孔螺栓连接件的位置相对应，所述预留
孔为圆形孔、方形孔或锥形孔。
16.在一个实施例中，所述铰制孔螺栓连接件包括铰制孔螺栓、垫片和螺母。
17.在一个实施例中，所述铰制孔螺栓性能等级为8.8级或10.9级，材质为45#钢、35vb或ml20mntib，所述预留孔大小与铰制孔螺栓直径的孔径比比值为5～8。
18.在一个实施例中，所述预制混凝土板采用高强混凝土或普通混凝土。
19.在一个实施例中，所述填充材料为超高性能混凝土(uhpc)或无收缩自密实高强灌浆料(cgm)。
20.本发明还提供了所述采用铰制孔螺栓连接的预制装配式钢-混凝土组合梁的施工方法，步骤如下：
21.1)在工厂，将两块高强钢板分别焊接在腹板钢板短边的上下端作为上下翼缘形成h型钢梁，在钢梁上翼缘完成螺栓孔的开孔加工，铰制孔螺栓采用打入法或者压入法穿过螺栓孔，套上垫片和螺母固定在h型钢梁1的上翼缘；
22.2)在工厂，提前支好混凝土模板，在其内部浇筑高强混凝土，待混凝土养护完毕后拆除模板，完成预制混凝土的加工；
23.3)在现场，将h型钢梁与预制混凝土板吊装对位后，在预留孔内浇筑超高性能混凝土(uhpc)，完成h型钢梁与预制混凝板的整体连接。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
25.1.力学性能优越。预制装配式钢-混凝土组合梁采用铰制孔螺栓作为抗剪连接件，铰制孔螺栓螺杆的光杆部分直径与螺栓孔径一致，属于过渡配合，螺杆与钢梁连接紧密，当被连接件间有相对滑动时，依靠螺栓本身的抗剪作用防止其运动，抗剪刚度较大，可减小组合梁正常使用时的挠度变形。采用集束式布置的大直径铰制孔螺栓连接件组不仅能有效地避免群钉效应，而且利于装配。此外，超高性能混凝土(uhpc)与铰制孔螺栓之间存在较大的粘结力，使得铰制孔螺栓具有良好的抵抗水平剪力和拉拔力的性能，提高了结构的整体性和抗震性能。
26.2.耐久性能提升。同均布式布置的连接件相比，集束式布置的铰制孔螺栓连接件不仅能很好解决预制混凝土板与钢梁之间的装配连接问题，而且能减小因混凝土收缩而引起的混凝土板开裂，结构耐久性得到提高。
27.3.施工简便，质量优良。h型钢梁在工厂焊接，同时在工厂预制混凝土板可以采用更标准的养护方式，免受气候因素影响，并保证混凝土的力学性能，现场只需装配连接，极大地减少了现场施焊作业和湿作业量，施工周期缩短，工程质量得以提升。
28.4.维护成本降低。利用工厂化预制h型钢梁和混凝土板，采用集束式铰制孔螺栓灌浆装配连接，后期维护更为便利，损坏的构件可以及时更换，降低了组合梁的维护成本和生命周期成本。并且该组合梁易于拆除，拆除阶段的能耗及对环境的影响都较小，实现桥梁建设的可持续性。
29.总体来讲，采用铰制孔螺栓连接的预制装配式钢-混凝土组合梁，提高了其整体性、稳定性以及耐久性，简化了施工工序和施工难度，加快了施工进度，提高了构件的施工质量，后期易于维护，经济效益高，能有效解决长期制约预制装配式钢-混凝土组合梁推广应用的关键难题，并且能充分发挥和有效提升装配式组合梁在受力性能、耐久性能和经济性能等方面的显著优势，可以广泛应用于各类结构中。
附图说明
30.图1是本发明的预制混凝土板剖切三维示意图；
31.图2是本发明的整体结构三维示意图；
32.图3是本发明的整体俯视示意图；
33.图4是本发明的整体侧视示意图；
34.图5为本发明的h型钢梁三维示意图；
35.图6为本发明的铰制孔螺栓连接件三维示意图；
36.图7为本发明圆形孔预制混凝土板的三维示意图；
37.图8为本发明方形孔预制混凝土板的三维示意图。
38.图标：1-h型钢梁；2-铰制孔螺栓连接件；201-铰制孔螺栓；202-垫片；203-螺母；3-预制混凝土板；4-预留孔；5-填充材料；6-螺栓孔。。
具体实施方式
39.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
40.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
41.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
42.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
43.如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8所示，本发明为一种采用铰制孔螺栓连接的预制装配式钢-混凝土组合梁，主要包括：h型钢梁1、铰制孔螺栓连接件2、预制混凝土板3、预留孔4和填充材料5。其中，铰制孔螺栓连接件2安装于h型钢梁1上翼缘，预制混凝土板3设置于h型钢梁1上翼缘顶面，预留孔4设置于预制混凝板3，填充材料5浇筑于预留孔4中。
44.其中，如图1至图5所示，h型钢梁1由两块钢板和一块钢腹板组成，两块钢板焊接在钢腹板短边的上下两端作为上下翼缘；也可直接采用热轧h型钢。在h型钢梁1上翼缘，沿钢梁轴线方向中心左右对称开有若干螺栓孔6，螺栓孔6为集束式布置形式，4个螺栓孔6构成一组，示例地，其设置于矩形的四个顶点上。螺栓孔6的开孔大小与铰制孔螺栓连接件2螺杆直径一致，以供铰制孔螺栓连接件2穿过，相应的4个铰制孔螺栓连接件2也构成一组。
45.铰制孔螺栓连接件2包括铰制孔螺栓201、垫片202和螺母203。示例地，在本发明中，铰制孔螺栓201性能等级为8.8级或10.9级，材质可为45#钢、35vb或ml20mntib，前述铰制孔螺栓连接件2螺杆即铰制孔螺栓201的主体部分，采用打入法或者压入法将铰制孔螺栓
201穿过螺栓孔6，套上垫片202和螺母203固定在h型钢梁1的上翼缘。
46.如图1至图4、图7和图8所示，本实施例的预留孔4为圆形孔，但根据需要，也可设置为方形孔或锥形孔。预留孔4与每组铰制孔螺栓连接件2的位置相对应，即每个预留孔4供一组铰制孔螺栓连接件2置入。
47.本发明中，预制混凝土板3所用混凝土可为高强混凝土或普通混凝土，填充材料5则可为超高性能混凝土(uhpc)或者无收缩自密实高强灌浆料(cgm)。
48.其中：
49.1.铰制孔螺栓201的螺杆部分直径和螺栓孔6的基本尺寸一致，是紧配配合，当被连接件间有相对滑动时，依靠螺栓本身的抗剪作用防止其运动，力学性能良好，无需现场施焊作业。铰制孔螺栓201常采用打入法安装，可拆可换。
50.2.采用集束式布置的大直径铰制孔螺栓连接件组不仅能有效地避免群钉效应，利于装配，而且能很好解决预制混凝土板与钢梁之间的装配连接问题，减小因混凝土收缩而引起的混凝土板开裂，结构耐久性得到提高。
51.3.螺栓孔6外侧边缘至h型钢梁1翼缘边缘之间的距离不小于30mm，至预制混凝土板3边缘间的距离不小于100mm。
52.4.预留孔4大小与铰制孔螺栓201直径的孔径比比值为5～8。
53.本发明具体施工方法为：
54.1.在工厂，预先选取三块高强钢板作为钢梁的腹板和上下翼缘，然后在将上下翼缘钢板焊接在腹板短边的上下端，形成h型钢梁1，在h型钢梁1上翼缘定出开孔位置，利用机床铰刀进行钻孔，加工成沿钢梁轴线方向中心左右对称的集束式螺栓孔6，最后用专用设备采取打入法或者压入法将铰制孔螺栓201打入螺栓孔6，套上垫片202和螺母203，用电动扳手拧紧，固定在h型钢梁1的上翼缘。
55.2.在工厂，混凝土板支模时设有与h型钢梁1上翼缘集束式布置的铰制孔螺栓连接组位置对应的预留孔4，然后浇筑高强混凝土或普通混凝土，待混凝土养护完毕后拆除模板完成预制混凝土板3的加工。
56.3.在现场，将h型钢梁1与预制混凝土板3吊装对位后，在预留孔4内浇筑超高性能混凝土(uhpc)，完成h型钢梁1与预制混凝板3的整体连接。
57.综上，本发明在传统预制装配式钢-混凝土组合梁基础上，采用灌浆装配技术，解决了现浇钢-混凝土组合梁现场湿作业量大，施工周期较长的问题；采用集束式布置的大直径铰制孔螺栓连接件组不仅能有效地避免群钉效应，利于装配，而且能很好解决预制混凝土板与钢梁之间的装配连接问题，减小因混凝土收缩而引起的混凝土板开裂，结构耐久性得到提高；同时超高性能混凝土(uhpc)与铰制孔螺栓之间存在较大的粘结力，使得铰制孔螺栓具有良好的抵抗水平剪力和拉拔力的性能，提高了结构的整体性和抗震性能。总之，根据本发明提出的设计方法，可以进一步优化集束式布置的铰制孔螺栓的直径、个数及组数，预制板预留孔洞的大小及形状，预留孔中填充材料的强度，以满足不同实际工程的需求，可以应用到高层建筑、超高层建筑以及桥梁结构中，具有广泛的应用前景和工程实践意义。
58.以上仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。