一种城市轨道交通高架车站的型钢混凝土柱及其制备方法

摘要

本发明公开了一种城市轨道交通高架车站的型钢混凝土柱的制备方法，包括以下步骤：准备钢材或钢板用以制备第一型钢部，在第一腹板上开设供贯通用的多个孔位；对第一腹板和第一翼缘板进行定位焊，组立第一型钢部；制备第二型钢部以及第三型钢部；组装第二型钢部以及第三型钢部分别在第一型钢部的第一翼缘板的相对两侧，形成十字形型钢柱；在第一型钢部、第二型钢部以及第三型钢部上分别焊接栓钉。本发明还公开了一种城市轨道交通高架车站的型钢混凝土柱。实施本发明的城市轨道交通高架车站的型钢混凝土柱及其制备方法，型钢混凝土柱具有良好的承压性能，变形能力强，耐疲劳，抗冲击性能好；满足结构安全和工程经济，也涉及现场施工的可行性和工序安排。

说明书

技术领域

本发明涉及工程领域，尤其涉及一种应用于桥建合一的桥梁结构和房建结构上的城市轨道交通高架车站的型钢混凝土柱及其制备方法。

背景技术

由于建筑空间规划需求和外形限制，型钢混凝土组合柱结构作为一种极具魅力的组合结构形式，与同等截面的钢筋混凝土柱结构相比，其承载力和刚度有明显的提高，并具备更好的延性，已经日益广泛地应用于各类建筑结构中，为顺应城市发展需求，确保结构安全，产生了很大的经济、社会和环境效益。

现有的型钢混凝土柱结构在桥建合一的桥梁结构和房建结构上的应用并不多见，且在承压性能、变形能力、耐疲劳以及抗冲击性上仍有很多不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种城市轨道交通高架车站的型钢混凝土柱及其制备方法，型钢混凝土柱具有良好的承压性能，变形能力强，耐疲劳，抗冲击性能好；满足结构安全和工程经济，也涉及现场施工的可行性和工序安排。

为了解决上述技术问题，本发明的实施例提供了一种城市轨道交通高架车站的型钢混凝土柱及其制备方法，包括以下步骤：准备钢材或钢板用以制备第一型钢部，第一型钢部包括第一腹板和分别连接在第一腹板相对两端部的第一翼缘板；在第一腹板上开设供贯通用的多个孔位；对第一腹板和第一翼缘板进行定位焊，控制第一腹板拼接缝和第一翼缘板拼接缝之间的间距，以避免焊缝交叉和焊缝缺陷的集中，组立第一型钢部；制备第二型钢部以及第三型钢部，第二型钢部包括第二腹板和连接在第二腹板一端部的第二翼缘板，第三型钢部包括第三腹板和连接在第三腹板一端部的第三翼缘板；组装第二型钢部以及第三型钢部分别在第一型钢部的第一翼缘板的相对两侧，形成十字形型钢柱；在第一型钢部、第二型钢部以及第三型钢部上分别焊接栓钉。

其中，第一型钢部呈H形，第二型钢部以及第三型钢部由相同的制备第一型钢部的步骤得到的另一第一型钢部经切割而成。

其中，准备钢材或钢板用以制备第一型钢部的步骤包括：清理钢材或钢板上的铁锈和油污、确认钢材的型号规格和质量、对钢板或钢材进行拼接以及对拼接后的钢板或钢材进行切条的步骤。

其中，在第一腹板上开设供贯通用的多个孔位的步骤采用钻模钻孔的方式，其包括：钻模由中碳钢制成经淬火处理镶在模板上，将数块钢板重叠起来，点焊固定，并用夹具夹紧进行同步钻孔，用以提高钻孔效率。

其中，对第一腹板和第一翼缘板进行定位焊的步骤中，使用较大的热输入进行定位焊，以防焊缝开裂；第一腹板拼接缝和第一翼缘板拼接缝之间的间距尺寸至少为200mm，并且焊接高度小于焊缝高度的2/3，用以使第一型钢部在组立、焊接至运送的过程中不超过规定的变形量。

其中，对第一腹板和第一翼缘板进行定位焊的步骤中，还包括控制定位焊截面尺寸的步骤，用以使焊缝施焊后能够全部重熔。

其中，制备第一型钢部、第二型钢部或第三型钢部的步骤还包括对钢材或钢板进行矫直、矫平以及坡口开制的步骤。

其中，组装第二型钢部以及第三型钢部分别在第一型钢部的第一翼缘板的相对两侧，形成十字形型钢柱的步骤之前还包括：清除焊接区域内的铁锈、氧化皮、皮溅以及毛边的步骤。

其中，组装第二型钢部以及第三型钢部分别在第一型钢部的第一翼缘板的相对两侧，形成十字形型钢柱的步骤之后还包括以下步骤：检查十字形型钢柱是否产生变形，若发现变形，进行机械矫正或采用火焰矫正；其中：火焰矫正时，加热温度控制在650℃。

其中，还包括：超声波探伤检测的步骤，其中：确定焊缝内部存在超标缺陷时，根据缺陷的位置和深度，使用砂轮打磨或碳弧气刨清除缺陷，焊补时在坡口内起弧，熄弧时填满弧坑，焊缝长度大于100mm。

为解决上述技术问题，本发明还提供了另一种技术方案、一种城市轨道交通高架车站的型钢混凝土柱，应用于桥建合一的桥梁结构和房建结构上，包括：型钢柱、排布在型钢柱外周的构造钢筋和箍筋以及包覆在型钢柱、构造钢筋和箍筋外部的混凝土包覆体；型钢柱包括：第一型钢部、第二型钢部以及第三型钢部，第一型钢部包括第一腹板和分别连接在第一腹板相对两端部的第一翼缘板，第二型钢部包括第二腹板和连接在第二腹板一端部的第二翼缘板，第三型钢部包括第三腹板和连接在第三腹板一端部的第三翼缘板，其中：第二型钢部的第二腹板和第三型钢部的第三腹板分别连接第一型钢部第一翼缘板的相对两侧；在第一型钢部第一翼缘板的外侧、第二型钢部第二翼缘板的外侧以及第三型钢部第三翼缘板的外侧上分别焊接有多个栓钉。

本发明所提供的城市轨道交通高架车站的型钢混凝土柱及其制备方法，具有如下有益效果：

第一、通过第一型钢部、第二型钢部以及第三型钢部组装形成十字形型钢柱，周边配制钢筋和箍筋的框架柱构件，具有良好的承压性能，变形能力强，耐疲劳，抗冲击性能好。

第二、在型钢混凝土组合柱和框架横梁相连接的梁柱节点位置设置连接套筒，以供框架横梁的横向主筋和纵向主筋穿过并能进行紧固，一方面能够保证梁柱节点施工安全，降低施工风险，另一方面能够提升施工效率，节省工期。

第三、型钢混凝土组合柱和承台通过柱脚结构相连接，可以保证型钢混凝土组合柱的准确定位，能有效的承受城市轨道交通高架车站上部结构的自重和列车运动荷载，在抗震方面也有着良好性能。

第四、制备及施工方法合理，既能满足结构安全和工程经济，也涉及现场施工的可行性和工序安排。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例城市轨道交通高架车站的型钢混凝土柱的立面结构示意图。

图2是本发明实施例城市轨道交通高架车站的型钢混凝土柱的侧面结构示意图。

图3是本发明实施例城市轨道交通高架车站的型钢混凝土柱的型钢柱的放大结构示意图。

图4是本发明实施例城市轨道交通高架车站的型钢混凝土柱的配筋的断面结构示意图。

图5是本发明实施例城市轨道交通高架车站的型钢混凝土柱的梁柱节点的配筋构造示意图。

图6是本发明实施例城市轨道交通高架车站的型钢混凝土柱如图5所示A-A的截面结构示意图。

图7是本发明实施例城市轨道交通高架车站的型钢混凝土柱如图5所示B-B的截面结构示意图。

图8是本发明实施例城市轨道交通高架车站的型钢混凝土柱的柱脚结构的放大结构示意图。

图9是本发明实施例城市轨道交通高架车站的型钢混凝土柱如图8所示C-C的截面结构示意图。

图10是本发明实施例城市轨道交通高架车站的型钢混凝土柱如图8所示D-D的截面结构示意图。

图11是本发明实施例城市轨道交通高架车站的型钢混凝土柱如图8所示E-E的截面结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种城市轨道交通高架车站的型钢混凝土柱的制备方法，用以制备应用于桥建合一结构上的型钢混凝土柱，包括以下步骤：

步骤S10，准备钢材或钢板用以制备第一型钢部，第一型钢部包括第一腹板和分别连接在第一腹板相对两端部的第一翼缘板；

本实施例中，第一型钢部呈H形，准备钢材或钢板用以制备第一型钢部的步骤包括：清理钢材或钢板上的铁锈和油污、确认钢材的型号规格和质量、对钢板或钢材进行拼接以及对拼接后的钢板或钢材进行切条的步骤。此外，对设计长度超出实际进料长度，须在下料前进行焊接的板材，一般不允许单条拼接，拼接钢板必须整张钢板按拼接长度拼接之后再切条。为了避免焊缝交叉和焊缝缺陷的集中，第一型钢部的第一翼缘板拼接缝和第一腹板拼接缝的间距不应小于200mm。

步骤S20，在第一腹板上开设供贯通用的多个孔位；

本实施例中，型钢混凝土组合柱和框架横梁相连接的梁柱节点位置及型钢混凝土组合柱和承台相连接的柱脚结构部分的主筋和第一型钢部的第一腹板位置冲突，需在第一腹板上开设孔径以满足钢筋的贯通要求。由于设计要求第一型钢部上孔径较大，孔位较多，精度要求高，制作过程中采用钻模钻孔的方式，其包括：钻模由中碳钢制成经淬火处理镶在模板上，将数块钢板重叠起来，点焊固定，并用夹具夹紧进行同步钻孔，用以提高钻孔效率。

步骤S30，对第一腹板和第一翼缘板进行定位焊，控制第一腹板拼接缝和第一翼缘板拼接缝之间的间距，以避免焊缝交叉和焊缝缺陷的集中，组立第一型钢部；

具体实施时，第一型钢部组立时应注意第一翼缘板和第一腹板的相互位置，其第一翼缘板拼接缝和第一腹板拼接缝的间距不应小于200mm。第一型钢部定位焊时，焊接高度不得超过焊缝高度2/3，组对有坡口的焊缝焊高不应超过坡口的尺寸。定位焊的强度要求是从第一型钢部组立到焊接运送过程不能开焊和有超过规定的变形，定位焊的位置和尺寸应以不影响焊接质量为原则，因此定位焊截面尺寸不宜过大，并应严格控制质量，以便焊缝施焊后能将其全部重熔。定位焊条应与焊接焊条相同。定位焊由于焊缝长度短、截面小、冷却速度快、焊缝容易开裂，应该选择较大的热输入进行定位焊，以防焊缝开。

步骤S40，制备第二型钢部以及第三型钢部，第二型钢部包括第二腹板和连接在第二腹板一端部的第二翼缘板，第三型钢部包括第三腹板和连接在第三腹板一端部的第三翼缘板。

本实施例中，第二型钢部和第三型钢部分别呈T形。第二型钢部以及第三型钢部可由切割所述第一型钢部得到。具体地，第一型钢部可以选用宽翼缘热轧H型钢或焊接H型钢；第二型钢部以及第三型钢部可以把第一型钢部从第一腹板中间剖分而成，也可以直接采用钢板焊接成T型。本实施例中，首先制备形状结构相同的两块第一型钢部，把钢板焊接成H型钢，然后把其中一块H型钢切割成两块T型钢，形成第二型钢部和第三型钢部。切割时，为防止变形、方便钻孔，在中间和两端各预留100mm不割断，待冷却后再行切割。切割后的T型钢进行矫直，矫平及坡口的开制，工艺同第一型钢部。

步骤S50，组装第二型钢部以及第三型钢部分别在第一型钢部的第一翼缘板的相对两侧，形成十字形型钢柱；

把第二型钢部和第三型钢部与第一型钢部的第一腹板焊接起来，从而得到呈十字形的型钢柱。本实施例中，型钢柱采用Q345B级钢，如此能够减少误差，降低成本，使装配更为便捷。

具体实施时，首先检查需装配用的第一型钢部、第二型钢部以及第三型钢部是否矫正合格，其外形尺寸是否达到要求经检查复核合格，并将焊接区域内的所有铁锈、氧化皮、皮溅、毛边等杂物清除干净后，便可以开始组装十字柱。

焊接完成后，检查十字柱是否产生变形。如发现变形，利用压力机进行机械矫正或采用火焰矫正，火焰矫正时，加热温度控制在650℃。扭曲变形矫正时，一端固定，另一端采用千斤顶进行矫正，第一型钢部、第二型钢部以及第三型钢部采用相同的矫正方式。

步骤S60，在第一型钢部、第二型钢部以及第三型钢部上分别焊接栓钉。

具体实施时，在第一型钢部第一翼缘板的外侧、第二型钢部第二翼缘板的外侧以及第三型钢部第三翼缘板的外侧上分别焊接有栓钉，本实施例中，每块翼缘板自上而下设有两排栓钉，且其上下之间均匀等距设置。也就是说，每个型钢柱的断面上设置8个栓钉，并与翼缘板焊牢。栓钉的作用是为了保证型钢柱与外部混凝土包覆体间的传力可靠和共同工作而设置的抗剪切件，为了将型钢柱承担的节点荷载顺利的传递给型钢构件。

优选的，本实施例中，经抗剪切计算确定，相邻两栓钉T之间的纵向(沿型钢柱11的延伸方向)间距按不大于150mm进行设置，以最大限度的发挥其抗剪性能。

优选的，为了保证施焊接电压稳定性，熔焊栓钉机的电源应单独布设。第一型钢部、第二型钢部以及第三型钢部上表面的油渍应清除，没有露水、雨水、油及其他影响焊缝质量的污渍。要求空气相对湿度不超过85％。

进一步的，还包括：超声波探伤检测的步骤，其中：对经无损探伤确定焊缝内部存在超标缺陷时应进行返修，同一部位返修次数不超过两次。确定焊缝内部存在超标缺陷时，根据缺陷的位置和深度，使用砂轮打磨或碳弧气刨清除缺陷，焊补时在坡口内起弧，熄弧时填满弧坑，焊缝长度大于100mm。

进一步的，还包括：在第一型钢部、第二型钢部以及第三型钢部上标注构件的原编号，标记可用标签或油漆直接写，必要时可标明重量，重心位置和定位标记。出厂前对钢构件进行验收，并在工厂内进行预拼装，检查是否符合设计尺寸和整体质量情况。

结合参见图1-图11所示，为通过上述制备方法得到的城市轨道交通高架车站的型钢混凝土柱结构的实施例一。

本实施例中的城市轨道交通高架车站的型钢混凝土柱应用于桥建合一的桥梁结构和房建结构上。其中：桥建合一结构是指：桥梁和房建结构结合，桥梁的盖梁、墩柱、基础为桥梁结构和房建结构共有，桥梁的横向框架通过纵向房建结构梁板整体浇筑所形成的空间框架体系，如图1-图2所示。

本实施例中的城市轨道交通高架车站采用横向单跨三层钢筋混凝土框架结构型式，车站的总长为186m，宽18.2m。其中：地面一层设为设备用房，地上二层为站厅层，地上三层为站台层，站厅层设有立柱、框架横梁，纵向框架梁以及电缆夹层等结构，站台层设有行车道层框架横梁、轨道梁以及纵向框架梁等结构，实际应用时，可进行调整。同时，上述结构中中受列车荷载影响较大的轨道梁及其支承结构可以按现行铁路桥涵规范进行设计，受列车荷载影响较小以至不受影响的一般建筑结构构件可以按现行建筑规范进行设计。

进一步的，本实施例中的城市轨道交通高架车站的型钢混凝土柱，包括：承台2、紧固在承台2上的型钢混凝土组合柱1以及紧固在型钢混凝土组合柱1上的框架横梁3。

其中，如图3所示，型钢混凝土组合柱1包括：型钢柱11、排布在型钢柱11外周的构造钢筋和箍筋以及包覆在型钢柱11、构造钢筋和箍筋外部的混凝土包覆体14.

型钢柱11包括：第一型钢部111、第二型钢部112以及第三型钢部113，第一型钢部111包括第一腹板111a和分别连接在第一腹板111a相对两端部的第一翼缘板111b，第二型钢部112包括第二腹板112a和连接在第二腹板112a一端部的第二翼缘板112b，第三型钢部113包括第三腹板113a和连接在第三腹板113a一端部的第三翼缘板113b，其中：

第二型钢部112的第二腹板112a和第三型钢部113的第三腹板113a分别连接第一型钢部111第一腹板111a的相对两侧。

本实施例中，第一型钢部111呈H形，第二型钢部112和第三型钢部113分别呈T形。在具体实施时，第二型钢部112以及第三型钢部113可由切割所述第一型钢部111得到。具体地，第一型钢部111可以选用宽翼缘热轧H型钢或焊接H型钢；第二型钢部112以及第三型钢部113可以把第一型钢部111从第一腹板111a中间剖分而成，也可以直接采用钢板焊接成T型。

本实施中，首先制备形状结构相同的两块第一型钢部111，把钢板焊接成H型钢，然后把其中一块H型钢切割成两块T型钢，形成第二型钢部112和第三型钢部113，最后把第二型钢部112和第三型钢部113与第一型钢部111的第一腹板111a焊接起来，从而得到呈十字形的型钢柱。本实施例中，型钢柱11采用Q345B级钢，如此能够减少误差，降低成本，使装配更为便捷。

进一步的，在第一型钢部111第一翼缘板111b的外侧、第二型钢部112第二翼缘板112b的外侧以及第三型钢部113第三翼缘板113b的外侧上分别焊接有栓钉T，本实施例中，每块翼缘板自上而下设有两排栓钉T，且其上下之间均匀等距设置。也就是说，每个型钢柱11的断面上设置8个栓钉T，并与翼缘板焊牢。栓钉T的作用是为了保证型钢柱11与外部混凝土包覆体14间的传力可靠和共同工作而设置的抗剪切件，为了将型钢柱1承担的节点荷载顺利的传递给型钢构件。

优选的，本实施例中，经抗剪切计算确定，相邻两栓钉T之间的纵向(沿型钢柱11的延伸方向)间距按不大于150mm进行设置，以最大限度的发挥其抗剪性能。

如图4所示，排布在型钢柱11外周的构造钢筋沿型钢混凝土柱1的延伸方向设置，其包括：均匀排布在型钢柱11的四端角位置上的第一构造钢筋121和均匀排布在栓钉T外侧对应位置上的第二构造钢筋122。本实施例中，第一构造钢筋121的直径尺寸为28mm，其截面连线呈角状，第二构造钢筋122的直径尺寸为22mm，其截面连线呈直线。设置构造钢筋，并将第一构造钢筋121的直径尺寸设置大于第二构造钢筋122的直径尺寸的作用是：约束混凝土包覆体14，保证构造钢筋与型钢柱11能较好地共同作用，防止混凝土包覆体14在破坏阶段严重剥落，保证型钢柱11的塑性变形能力。

套接在构造钢筋上的箍筋沿型钢混凝土柱1的延伸方向排布设置，其包括：套接在第一构造钢筋121和第二构造钢筋122外周的第一箍筋131和设置在第一箍筋131内侧的第二箍筋132，第一箍筋131和第二箍筋132在型钢混凝土组合柱的顶部和底部的一定截面高度范围内设置加密区域。

设置箍筋的作用是：约束混凝土包覆体14，保证构造钢筋与型钢柱11能较好地共同作用，防止混凝土包覆体14在破坏阶段严重剥落，保证型钢柱11的塑性变形能力。

优选的，加密区域中第一箍筋131和第二箍筋132之间的间距大于第一箍筋131和第二箍筋132在其它区域中的间距。本实施例中，第一箍筋131和第二箍筋132的直径分别为14mm，第一箍筋131和第二箍筋132之间间距为100mm-200mm；型钢柱11顶部和底部距离端部1.5倍截面高度的范围内实施箍筋加密，加密部分第一箍筋131和第二箍筋132之间的间距为200mm/300mm，其作用是考虑抗震的需要，增强刚度。

进一步的，在型钢混凝土组合柱1和框架横梁3相连接的梁柱节点位置设置用以供框架横梁的横向主筋31和纵向主筋32穿过且进行紧固的第一连接套筒4。如图5-7所示。第一连接套筒4的作用是在保证型钢柱11强度的基础上，兼顾减少型钢截面损失，且便于施工。

优选的，在第一连接套筒4的周围分别设置横向的水平加劲肋和/或纵向的水平加劲肋5，其能够增强梁柱节点的刚度。

进一步的，型钢混凝土组合柱1和承台2通过柱脚结构相连接，如图8-11所示。其中，柱脚结构包括：分别连接在第一型钢部111、第二型钢部112以及第三型钢部113同一侧端部的底板61，锚栓垫板62以及柱脚锚栓63，其中：锚栓垫板62焊连在底板61的四端角，柱脚锚栓63穿过锚栓垫板62和底板61锁紧。

优选的，柱脚结构还包括：用以供与所述第一翼缘板111b、第二翼缘板112b以及第三翼缘板113b相交的横向主筋和/或纵向主筋穿过且进行紧固的第二连接套筒64。第二连接套筒64的作用是在保证柱脚结构强度的基础上，兼顾减少型钢截面损失，且便于施工。

优选的，在第二连接套筒64的周围分别设置横向的水平加劲肋和/或纵向的水平加劲肋65，其能够增强柱脚结构的刚度。

本发明所提供的城市轨道交通高架车站的型钢混凝土柱及其制备方法，具有如下有益效果：

第一、通过第一型钢部、第二型钢部以及第三型钢部组装形成十字形型钢柱，周边配制钢筋和箍筋的框架柱构件，具有良好的承压性能，变形能力强，耐疲劳，抗冲击性能好。

第二、在型钢混凝土组合柱和框架横梁相连接的梁柱节点位置设置连接套筒，以供框架横梁的横向主筋和纵向主筋穿过并能进行紧固，一方面能够保证梁柱节点施工安全，降低施工风险，另一方面能够提升施工效率，节省工期。

第三、型钢混凝土组合柱和承台通过柱脚结构相连接，可以保证型钢混凝土组合柱的准确定位，能有效的承受城市轨道交通高架车站上部结构的自重和列车运动荷载，在抗震方面也有着良好性能。

第四、制备及施工方法合理，既能满足结构安全和工程经济，也涉及现场施工的可行性和工序安排。