一种格构式折边嵌固冷弯型钢管束剪力墙

1.本发明涉及属于结构工程技术领域，具体涉及一种格构式折边嵌固冷弯型钢管束剪力墙。


背景技术：

2.随着国家加快推进住宅产业化、推动装配式建筑规模化、倡导建筑业向绿色节能方向转型，钢结构因其自重轻、强度高、抗震性好、施工安装方便以及绿色环保等优点，在工业与民用建筑尤其是多高层建筑中得到了广泛的应用。多高层钢结构建筑的侧向刚度小，在水平荷载作用下容易产生较大的侧移，因此需要通过设置剪力墙、支撑等抗侧构件来提高其侧向刚度。目前，以各种新型波形钢板剪力墙为代表的纯钢剪力墙和以钢管束-混凝土组合墙、波形钢板-混凝土组合墙为代表的钢-混凝土组合墙在工程建设中应用最为广泛。
3.但是，现有的各种钢结构剪力墙体系仍存在一些问题亟待解决。以钢管束-混凝土组合墙为例：第一，由于连续多空腔截面的存在，当上下两块组合剪力墙连接时，在其对接位置内部的竖向板件在结构内部，位置隐蔽，难以施加连接，无法上下连续贯通，导致内部的竖向板件不能直接传递轴向力；第二，现有的钢管束-混凝土组合墙，其钢管束一般是由u形钢连接而成，u形钢之间的连接方式为焊接，这大大增加了施工量，延长了施工工期，降低了建筑施工的装配化程度；第三，钢管束中焊缝的存在会使构件产生焊接残余应力和残余变形，对结构的承载力、刚度、使用性能和疲劳性能产生不利影响；第四，建筑室内装修通常需要足够的预留空间来布置各种管线，而钢管束-混凝土组合墙的空腔内部注满了混凝土，且混凝土空腔紧密相连，没有给布置管线预留空间，施工现场开凿较管线通道也存在较大难度；第五，由于空腔内均填充混凝土，剪力墙自重较大，在多高层建筑中轴向荷载由上往下逐层传递，故造成低层剪力墙所受的轴向荷载远大于顶层剪力墙，使低层剪力墙承受过大的结构自重荷载，又容易导致顶层剪力墙的轴压比过小，材料利用率低。上述一些问题在波形钢板-混凝土组合墙中同样存在。对于波形钢板剪力墙，其设置加劲肋、开螺栓孔、制作钢板波形等加工流程，同样使施工过程变得复杂，生产效率降低，不利于施工的装配化。
4.鉴于上述问题，有必要设计一种冷弯型钢轻型钢管柱剪力墙，在保证承载力和延性的同时，充分发挥结构的承载性能，简化施工流程，提高施工的装配化程度，降低建设成本。


技术实现要素：

5.为改善上述问题，本发明提出了一种格构式折边嵌固冷弯型钢管束剪力墙，适用于中低层结构以及高层结构中的较高楼层。所述的格构式折边嵌固冷弯型钢管束剪力墙由多个格构式钢管单元依次连接构成；所述的钢管单元由冷弯型钢拼接构成，具有空腔，相邻两个格构式钢管单元的空腔之间设置有布线凹槽；所述空腔内浇注混凝土。
6.所述冷弯型钢经过加工形成了各种复杂的截面形状，包括：带有特定形状凹槽的平钢板、u形钢、卷边帽形钢、卷边钳形钢、阶梯形钢、弓形钢和矩形钢管；所述截面形状使得
冷弯型钢通过拼接能够形成一个闭口截面(即格构式折边嵌固冷弯型钢管束剪力墙的一个格构式钢管单元)。
7.所述冷弯型钢拼接方式为折边嵌固连接，所述嵌固连接方式包括施加挤压嵌固或布置自攻钉。
8.所述的折边嵌固连接包括：
9.设置在所述冷弯型钢上的折边嵌固凹槽；
10.两个相拼接冷弯型钢上设置有相配合的折弯插槽和折弯插件；
11.拼接时，所述的折弯插件插入所述折弯插槽后施加挤压折弯压入所述折边嵌固凹槽中嵌固。
12.所述格构式钢管单元的冷弯型钢采用一块大的带有凹槽的平钢板和若干u形钢。
13.所述冷弯型钢经过加工形成了各种复杂的截面形状，所述截面形状使得冷弯型钢通过拼接能够形成一个闭口截面，即冷弯型钢轻型钢管柱剪力墙的一个格构式钢管单元。
14.或则，所述格构式钢管单元的冷弯型钢采用腹板带有凹槽的卷边帽形钢。
15.或则，所述格构式钢管单元的冷弯型钢采用腹板带有凹槽的卷边钳形钢、卷边平钢板和槽钢。
16.或则，所述格构式钢管单元的冷弯型钢采用腹板带有凹槽的阶梯形钢。
17.或则，所述格构式钢管单元的冷弯型钢采用翼缘带有凹槽的弓形钢。
18.或则，所述格构式钢管单元的冷弯型钢采用腹板带有凹槽的矩形钢管和平钢板。
19.第一种形式，所述格构式钢管单元可采用第一种形式：所述格构式钢管单元的冷弯型钢采用带有凹槽的平钢板和u形钢；
20.第二种形式，所述格构式钢管单元由腹板带有凹槽的卷边帽形钢拼接而成，所述卷边帽形钢的左右卷边分别为第一卷边和第二卷边；腹板上凹向所述卷边帽形钢内侧的左右凹槽分别为第一凹槽和第二凹槽；翼缘上与第一凹槽和第二凹槽紧邻的凹槽分别为第三凹槽和第四凹槽，其凹向帽形钢外侧；所述卷边帽形钢拼接时，相邻两个卷边帽形钢的开口方向相反，即开口分别朝上和朝下，然后将每个帽形钢的第一卷边插入上一个帽形钢的第二凹槽，将每个帽形钢的第一凹槽箍住上一个帽形钢的第二卷边，再分别将第一凹槽和第二凹槽顺时针或逆时针弯折90
°
嵌入第三凹槽和第四凹槽，再在折边处布置自攻钉或施加挤压工艺，从而使得两个卷边帽形钢之间形成可靠的嵌固连接。
21.第三种形式，所述格构式钢管单元由腹板带有凹槽的卷边钳形钢和卷边平钢板、槽钢拼接而成，所述卷边平钢板的左右卷边分别为第三卷边和第四卷边，所述槽钢的左右卷边分别为第五卷边和第六卷边；所述卷边钳形钢左右两腹板上靠近卷边处且凹向卷边钳形钢外侧的凹槽分别为第五凹槽和第六凹槽；所述卷边钳形钢左右两腹板上紧邻第五凹槽和第六凹槽的凹槽分别为第七凹槽和第八凹槽。所述卷边钳形钢和卷边平钢板、槽钢拼接时，先将卷边平钢板的第三卷边和第四卷边分别放入卷边钳形钢的第五凹槽和第六凹槽，再将位于卷边钳形钢左侧的槽钢的第六卷边和位于卷边钳形钢右侧的槽钢的第五卷边分别放入卷边钳形钢的第五凹槽和第六凹槽，然后先将卷边钳形钢的卷边顺时针或逆时针弯折90
°
，使第五凹槽和第六凹槽箍住卷边平钢板和槽钢的卷边，再分别将第五凹槽和第六凹槽顺时针或逆时针弯折90
°
使其嵌入第七凹槽和第八凹槽，再在折边处布置自攻钉或施加挤压工艺，从而使得卷边钳形钢和卷边平钢板、槽钢之间形成可靠的嵌固连接。
22.第四种形式，所述格构式钢管单元由腹板带有凹槽的阶梯形钢拼接而成，所述阶梯形钢的首尾两端分别为第一连接端和第二连接端；左右两竖向腹板上的凹槽分别为第九凹槽和第十凹槽；中间横向腹板上的左右两凹槽分别为第十一凹槽和第十二凹槽；所述阶梯形钢拼接时，每个阶梯形钢的第一连接端插入上一阶梯形钢的第十凹槽，每个阶梯形钢的第九凹槽箍住上一阶梯形钢的第二连接端，然后分别将第九凹槽和第十凹槽顺时针弯折90
°
嵌入第十一凹槽和第十二凹槽，再在折边处布置自攻钉或施加挤压工艺，从而使得两个阶梯形钢之间形成可靠的嵌固连接。
23.第五种形式，所述格构式钢管单元由翼缘带有凹槽的弓形钢拼接而成，所述阶梯形钢的首尾两端分别为第三连接端和第四连接端；左右两翼缘上凹向弓形钢外侧的凹槽分别为第十三凹槽和第十四凹槽；左右两翼缘上紧邻第十三凹槽和第十四凹槽的凹槽分别为第十五凹槽和第十六凹槽；所述弓形钢拼接时，相邻两个弓形钢的开口方向相反，即开口分别朝上和朝下，每个弓形钢的第三连接端插入上一个弓形钢的第十四凹槽，每个弓形钢的第十三凹槽箍住上一个弓形钢的第四连接端，再分别将第十三凹槽和第十四凹槽顺时针或逆时针弯折90
°
嵌入第十五凹槽和第十六凹槽，再在折边处布置自攻钉或施加挤压工艺，从而使得两个弓形钢之间形成可靠的嵌固连接。
24.第六种形式，所述格构式钢管单元由腹板带有凹槽的矩形钢管和平钢板拼接而成；所述矩形钢管及其腹板上的凹槽由平钢板经过冷弯成型而得，故矩形钢管上存在断开处；所述矩形钢管一侧的腹板上凹向钢管内侧的凹槽为第十七凹槽，所述矩形钢管的断开处可置于第十七凹槽中；腹板上与第十七凹槽紧邻的凹槽为第十八凹槽，其凹向矩形钢管外侧；所述矩形钢管和平钢板拼接时，每个平钢板插入矩形钢管的第十七凹槽，然后将第十七凹槽逆时针或顺时针弯折90
°
嵌入第十八凹槽，再在折边处布置自攻钉或施加挤压工艺，从而使得矩形钢管和平钢板之间形成可靠的嵌固连接，并使得矩形钢管的断开处紧密闭合。
25.本发明提出的冷弯型钢轻型钢管束剪力墙，通过冷弯型钢拼接构成带空腔的钢管单元，具备以下优点：
26.(1)传力路径明确。整个剪力墙为采用柱-板-柱的格构形式，不会形成连续的空腔截面，此时上下剪力墙对接时所有截面板件均在施工可达范围之内，不会产生隐蔽工程，故所有截面板件均可直接连接，不存在由于空腔内部的竖向板件所处位置隐蔽而无法连接所产生的轴力传递问题。
27.(2)装配化程度高。构件在工厂加工，加工过程实现标准化、流水化作业，施工现场可直接拼装，一次可实现多层的建造。冷弯型钢之间的连接方式为施加挤压力的机械锚固连接，便捷高效，大量缩短了建设工期，提高了施工的装配化程度，便于产业化。
28.(3)建设成本低。内填混凝土的空腔不紧密相邻，通过钢板连接，大大降低了构件自重，不仅便于构件运输和安装，同时降低了建设成本，提高了材料利用率。建筑自重降低同时还间接减小了土石方地基施工的成本。此外由于施工速度快，使得人工成本降低，建筑提早投入运营，还能增加经济效益。
29.(4)承载性能好。钢结构本就具备良好的延性，加上冷弯型钢之间的连接方式是折边嵌固连接，避免了焊接产生残余应力和残余变形，保证了结构在地震作用下的承载能力和疲劳性能不会受到影响。冷弯型钢拼接形成的空腔以及空腔内填充的混凝土承受竖向荷
载，空腔间的连接钢板承受水平荷载，使得构件受力明确。
30.(5)工程质量优。钢管束构件在工厂里由现代化设备生产加工，以毫米计算误差，质量稳定；施工过程中，钢构件外露，隐蔽工程少，便于检查以控制施工质量。
31.(6)管线布置方便。相邻两空腔与连接钢板形成的凹槽有大量空间剩余，可以用来灵活布置给排水和机电网线，避免另外开辟空间布置网线，或用于室内装修，增大室内使用面积。
32.(7)绿色环保，节约能源。施工过程噪音小、粉尘少；钢管束剪力墙所用钢构件便于拆除回收再利用；混凝土用量降低，节约资源，减少了建筑垃圾、建筑能耗和二氧化碳排放量。
附图说明
33.图1-1为钢管单元的截面分解示意图：采用形式一；
34.图1-2为格构式冷弯型钢管束剪力墙拼接时的截面示意图：采用形式一；
35.图1-3为格构式冷弯型钢管束剪力墙拼接完成后的截面示意图：采用形式一；
36.图1-4为格构式冷弯型钢管束剪力墙的整体结构示意图：截面采用形式一；
37.图1-5为格构式冷弯型钢管束剪力墙结构与混凝土结构建筑能耗的比较；
38.图1-6为格构式冷弯型钢管束剪力墙结构与混凝土结构碳排放量的比较；
39.图2-1为钢管单元的截面分解示意图：采用形式二；
40.图2-2为格构式冷弯型钢管束剪力墙拼接时的截面示意图：采用形式二；
41.图2-3为格构式冷弯型钢管束剪力墙拼接完成后的截面示意图：采用形式二；
42.图3-1为钢管单元的截面分解示意图：采用形式三；
43.图3-2为单个钢管单元拼接时的截面示意图：采用形式三；
44.图3-3为格构式冷弯型钢管束剪力墙拼接时的截面示意图：采用形式三；
45.图3-4为格构式冷弯型钢管束剪力墙拼接完成后的截面示意图：采用形式三；
46.图4-1为钢管单元的截面分解示意图：采用形式四；
47.图4-2为格构式冷弯型钢管束剪力墙拼接时的截面示意图：采用形式四；
48.图4-3为格构式冷弯型钢管束剪力墙拼接完成后的截面示意图：采用形式四；
49.图5-1为钢管单元的截面分解示意图：采用形式五；
50.图5-2为格构式冷弯型钢管束剪力墙拼接时的截面示意图：采用形式五；
51.图5-3为格构式冷弯型钢管束剪力墙拼接完成后的截面示意图：采用形式五；
52.图6-1为钢管单元的截面分解示意图：采用形式六；
53.图6-2为格构式冷弯型钢管束剪力墙拼接时的截面示意图：采用形式六；
54.图6-3为格构式冷弯型钢管束剪力墙拼接完成后的截面示意图：采用形式六。
具体实施方式
55.下面结合附图，详细说明本发明的实施方式。
56.如图1-1、1-2及1-3所示，钢管单元形式一由一块大的带有凹槽的平钢板和若干u形钢拼接而成；所述带有凹槽的大平钢板为所述钢管单元的一侧翼缘，其上规律地布置有向外和向内的凹槽，且内外凹槽紧密相邻；所述u型钢为钢管单元的腹板和另一侧翼缘，它
和所述平钢板一道共同形成一个闭口截面的钢管单元；所述平钢板和u形钢拼接时，每个u形钢的两端同时插入卷边平钢板的外凹槽，然后分别将左右两外凹槽顺时针和逆时针弯折90
°
嵌入其相邻的内凹槽，再在折边处布置自攻钉或施加挤压工艺，从而使得平钢板和u形钢之间形成可靠的嵌固连接。
57.以钢管单元形式一为例，说明格构式折边嵌固冷弯型钢管束剪力墙的结构构造和建筑功能优势。如图1-4所示，一种格构式折边嵌固冷弯型钢管束剪力墙，包含冷弯型钢和核心混凝土；所述的格构式折边嵌固冷弯型钢管束剪力墙由多个钢管单元1-1依次连接构成；所述的钢管单元1-1由冷弯型钢拼接而成，具有空腔，所述的空腔内浇注混凝土1-2，所述核心混凝土可以是普通混凝土、高强混凝土、轻骨料混凝土或自密实混凝土。冷弯型钢拼接形成的空腔以及空腔内填充的混凝土承受竖向荷载，空腔间的连接钢板承受水平荷载，构件受力明确。相邻空腔通过钢板连接，不再紧密相邻，减少了混凝土的使用，使构件自重降低，进而降低了低层剪力墙收到的竖向荷载，同时使得顶层剪力墙能够在一定的轴压比下工作，提高了材料利用率。此外，相邻两空腔与连接钢板形成的凹槽有大量空间剩余，可用于布置给排水和机电网线，避免另外开辟空间布置网线，或用于室内装修，增大室内使用面积。
58.如图1-4所示，所述冷弯型钢拼接时采用折边嵌固工艺1-3连接，所述折边嵌固工艺包括施加挤压嵌固或布置自攻钉。该连接方式的好处在于：避免了焊接产生的较大残余变形，同时提高了建筑装配化施工程度。
59.图1-5和图1-6分别是格构式冷弯型钢管束剪力墙结构及混凝土结构的建筑能耗和碳排放量的比较。由图可知，与混凝土结构相比，格构式冷弯型钢管束剪力墙结构的建筑能耗可降低36.5％，碳排放量可降低56.3％。这表明格构式钢管束剪力墙具有绿色环保、节约能源的优势，可用于发展低碳建筑。
60.如图2-1、2-2及2-3所示，钢管单元形式二由腹板带有凹槽的卷边帽形钢拼接而成，所述卷边帽形钢的左右卷边分别为第一卷边2-1和第二卷边2-2；腹板上凹向所述卷边帽形钢内侧的左右凹槽分别为第一凹槽2-3和第二凹槽2-4；翼缘上与第一凹槽2-3和第二凹槽2-4紧邻的凹槽分别为第三凹槽2-5和第四凹槽2-6，其凹向帽形钢外侧；所述卷边帽形钢拼接时，相邻两个卷边帽形钢的开口方向相反，即开口分别朝上和朝下，然后将每个帽形钢的第一卷边2-1插入上一个帽形钢的第二凹槽2-4，将每个帽形钢的第一凹槽2-3箍住上一个帽形钢的第二卷边2-2，再分别将第一凹槽2-3和第二凹槽2-4顺时针或逆时针弯折90
°
嵌入第三凹槽2-5和第四凹槽2-6，再在折边处布置自攻钉或施加挤压工艺，从而使得两个卷边帽形钢之间形成可靠的嵌固连接。
61.如图3-1、3-2、3-3及3-4所示，钢管单元形式三由腹板带有凹槽的卷边钳形钢1和卷边平钢板2、槽钢3拼接而成，所述卷边平钢板2的左右卷边分别为第三卷边3-1和第四卷边3-2，槽钢3的左右卷边分别为第五卷边3-3和第六卷边3-4；卷边钳形钢1左右两腹板上靠近卷边处且凹向卷边钳形钢1外侧的凹槽分别为第五凹槽3-5和第六凹槽3-6；卷边钳形钢1左右两腹板上紧邻第五凹槽3-5和第六凹槽3-6的凹槽分别为第七凹槽3-7和第八凹槽3-8。卷边钳形钢1和卷边平钢板2、槽钢3拼接时，先将卷边平钢板2的第三卷边3-1和第四卷边3-2分别放入卷边钳形钢1的第五凹槽3-5和第六凹槽3-6，再将位于卷边钳形钢1左侧的槽钢的第六卷边3-4和位于卷边钳形钢1右侧的槽钢的第五卷边3-3分别放入卷边钳形钢1的第
五凹槽3-5和第六凹槽3-6，然后先将卷边钳形钢1的卷边顺时针或逆时针弯折90
°
，使第五凹槽3-5和第六凹槽3-6箍住卷边平钢板2和槽钢3的卷边，再分别将第五凹槽3-5和第六凹槽3-6顺时针或逆时针弯折90
°
使其嵌入第七凹槽3-7和第八凹槽3-8，再在折边处布置自攻钉或施加挤压工艺，从而使得卷边钳形钢和卷边平钢板、槽钢之间形成可靠的嵌固连接。
62.如图4-1、4-2及4-3所示，钢管单元形式四由腹板带有凹槽的阶梯形钢拼接而成，所述阶梯形钢的首尾两端分别为第一连接端4-1和第二连接端4-2；左右两竖向腹板上的凹槽分别为第九凹槽4-3和第十凹槽4-4；中间横向腹板上的左右两凹槽分别为第十一凹槽4-5和第十二凹槽4-6；所述阶梯形钢拼接时，每个阶梯形钢的第一连接端4-1插入上一阶梯形钢的第十凹槽4-4，每个阶梯形钢的第九凹槽4-3箍住上一阶梯形钢的第二连接端4-2，然后分别将第九凹槽4-3和第十凹槽4-4顺时针弯折90
°
嵌入第十一凹槽4-5和第十二凹槽4-6，再在折边处布置自攻钉或施加挤压工艺，从而使得两个阶梯形钢之间形成可靠的嵌固连接。
63.如图5-1、5-2及5-3所示，钢管单元形式五由翼缘带有凹槽的弓形钢拼接而成，所述阶梯形钢的首尾两端分别为第三连接端5-1和第四连接端5-2；左右两翼缘上凹向弓形钢外侧的凹槽分别为第十三凹槽5-3和第十四凹槽5-4；左右两翼缘上紧邻第十三凹槽5-3和第十四凹槽5-4的凹槽分别为第十五凹槽5-5和第十六凹槽5-6；弓形钢拼接时，相邻两个弓形钢的开口方向相反，即开口分别朝上和朝下，每个弓形钢的第三连接端5-1插入上一个弓形钢的第十四凹槽5-4，每个弓形钢的第十三凹槽5-3箍住上一个弓形钢的第四连接端5-2，再分别将第十三凹槽5-3和第十四凹槽5-4顺时针或逆时针弯折90
°
嵌入第十五凹槽5-5和第十六凹槽5-6，再在折边处布置自攻钉或施加挤压工艺，从而使得两个弓形钢之间形成可靠的嵌固连接。
64.如图6-1、6-2及6-3所示，钢管单元形式六由腹板带有凹槽的矩形钢管和平钢板拼接而成；所述矩形钢管及其腹板上的凹槽由平钢板经过冷弯成型而得，故矩形钢管上存在断开处；所述矩形钢管一侧的腹板上凹向钢管内侧的凹槽为第十七凹槽6-1，所述矩形钢管的断开处可置于第十七凹槽6-1中；腹板上与第十七凹槽6-1紧邻的凹槽为第十八凹槽6-2，其凹向矩形钢管外侧；所述矩形钢管和平钢板拼接时，每个平钢板插入矩形钢管的第十七凹槽6-1，然后将第十七凹槽6-1逆时针或顺时针弯折90
°
嵌入第十八凹槽6-2，再在折边处布置自攻钉或施加挤压工艺，从而使得矩形钢管和平钢板之间形成可靠的嵌固连接，并使得矩形钢管的断开处紧密闭合。