装配式双耗能可复位圆钢管混凝土组合柱及其安装方法

摘要

本发明涉及一种装配式双耗能可复位圆钢管混凝土组合柱及其安装方法，属于结构工程技术领域。本发明用以解决现有技术中较大地震作用时，钢管混凝土组合柱整体性不足，组合柱施工空间小，实现双耗能以及提高震后恢复能力的问题。本发明包括Ⅰ类柱、Ⅱ类柱、耗能铰接钢板。Ⅰ类柱圆形加劲钢管和约束支座拼接而成，圆形加劲钢管两端和约束支座两端设置对应的约束板并预留八个螺栓孔，圆钢管与约束支座通过高强螺栓固定。本发明所有构件均可在工厂加工完成，现场全部通过高强螺栓连接，实现了完全装配化施工，可避免现场焊接可能带来的质量问题，并加快施工进度、提高劳动生产率，地震过后，任意破坏的构件均可精准拆卸并实现快速更换。

说明书

技术领域

本发明涉及一种装配式双耗能可复位圆钢管混凝土组合柱及其安装方法，属于结构工程技术领域。

背景技术

随着技术的发展，建筑结构的高度和跨度不断变大，在高耸、大跨建筑物中柱子承受很高的轴力，而建筑物承重柱的设计是保证建筑物在大震下是否会正常工作的关键，这就要求柱子不但要有足够的强度而且应有较好的延性。当遇到较大荷载时，一根柱的承载能力远达不到受力要求，而当柱的截面较大时又会浪费建筑空间，而钢管混凝土组合柱具有较高的承载能力和良好的延性，由于钢管对混凝土的连续约束作用，显著地改善了混凝土特别是高强混凝土延性差的特性。但是当较大地震作用时，组合柱的整体性及耗能能力仍然经受较大的考验，地震后结构的恢复能力也有待提高。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种装配式双耗能可复位圆钢管混凝土组合柱及安装方法，用以解决现有技术中较大地震作用时，钢管混凝土组合柱整体性不足，组合柱施工空间小，实现双耗能以及提高震后恢复能力的问题。

本发明所述装配式双耗能可复位圆钢管混凝土组合柱，包括独立基础、Ⅰ类柱、Ⅱ类柱和耗能铰接钢板，位于底部的独立基础上固定安装有Ⅰ类柱、Ⅱ类柱和耗能铰接钢板；

Ⅰ类柱圆形加劲钢管和约束支座拼接而成，圆形加劲钢管两端和约束支座两端设置对应的约束板并预留八个螺栓孔，圆形加劲钢管与约束支座通过高强螺栓固定；圆形加劲钢管设有加劲铰接板，加劲铰接板上设有螺栓孔；

Ⅱ类柱包括上段圆钢管、中心插接钢管、下段圆钢管、预应力钢筋、拼接支座、上套筒连接件、下套筒连接件；拼接支座与下端预应力钢筋通过紧固件固定；上套筒连接件包括圆钢管、端板和插板，圆钢管的直径小于上段圆钢管的直径，圆钢管中间位置设有端板，插板固定在端板下方，与圆钢管、端板均垂直连接；下套筒连接件的结构与上套筒连接件对称，插板固定在端板上方；中心插接钢管上端及下端均设置有与插板相匹配的凹槽；上段圆钢管与中心插接钢管、下段钢管与中心插接钢管插接，之间的缝隙里填充有橡胶材料，用以防止混凝土溢出；上段圆钢管的上端和下段钢管柱的下端均固定有钢筋固定板，钢筋固定板中心设置有通孔，通孔四周设置有钢筋孔；预应力钢筋依次穿过上段圆钢管上端的钢筋固定板、圆钢管柱和下段钢管柱下端的钢筋固定板，钢筋下端与拼接支座通过紧固件固定；上段圆钢管和下段圆钢管与耗能铰接钢板相连侧设有铰接板，板上设有铰接轴插槽；

耗能铰接钢板与Ⅰ类柱连接侧设有与加劲铰接板相应的螺栓孔，与Ⅱ类柱相连侧设有铰接轴，腹板部分开设矩形孔洞；耗能铰接钢板在Ⅰ类柱和Ⅱ类柱平面外通过铰接轴与Ⅱ类柱连接，然后以铰接轴为转轴转入Ⅰ类柱和Ⅱ类柱平面内，通过拼接板和高强螺栓与加劲铰接板相连；

H型钢梁的凸板插入到上套筒连接件的插板和下套筒连接件的插板之间，插板和凸板两侧通过腹板连接板搭接，H型钢梁的上翼缘与上套筒连接件的端板、H型钢梁的下翼缘与下套筒连接件的端板分别通过翼缘连接板搭接；

在Ⅰ类柱圆形加劲钢管和Ⅱ类柱圆钢管内浇筑纤维混凝土，使连接部位通过咬合作用紧固连接形成整体。

进一步地，所述Ⅰ类柱圆钢管外设有加劲铰接板，加劲铰接板上设有螺栓孔。

进一步地，所述Ⅰ类柱与Ⅱ类柱之间采用耗能铰接钢板进行组合。

进一步地，所述Ⅱ类柱圆钢管外设有铰接板，板上设有铰接轴插槽。

进一步地，所述耗能铰接钢板通过螺栓和拼接板与Ⅰ类柱连接。

进一步地，所述耗能铰接钢板通过铰接轴和铰接板与Ⅱ类柱连接。

进一步地，所述耗能铰接钢板腹板处设有矩形孔洞。

本发明所述的装配式双耗能可复位方钢管混凝土组合柱的安装方法，包括以下步骤：

第一步：将圆形加劲钢管和约束支座通过高强螺栓连接；

第二步：将拼接支座与下端钢筋通过紧固件固定；

第三步：将上段圆钢管与上套筒连接件连接，下段钢管柱与下套筒连接件连接；

第四步：预应力钢筋依次穿过上段圆钢管上端的钢筋固定板、圆钢管柱和下段钢管柱下端的钢筋固定板，钢筋下端与拼接支座通过紧固件固定；

第五步：耗能铰接钢板在Ⅰ类柱和Ⅱ类柱平面外通过铰接轴与Ⅱ类柱连接，然后以铰接轴为转轴转入Ⅰ类柱和Ⅱ类柱平面内，通过拼接板和高强螺栓与加劲铰接板相连；

第六步：H型钢梁的凸板插入到上套筒连接件的插板和下套筒连接件的插板之间，插板和凸板两侧通过腹板连接板搭接，H型钢梁的上翼缘与上套筒连接件的端板、H型钢梁的下翼缘与下套筒连接件的端板分别通过翼缘连接板搭接；

第七步：在Ⅰ类柱圆钢管和Ⅱ类柱圆钢管内浇筑纤维混凝土，使连接部位通过咬合作用紧固连接形成整体。

本发明具有以下有益效果：

(1)耗能铰接钢板采用铰接的方式与Ⅱ类柱连接，可以在Ⅰ类柱和Ⅱ类柱平面外安装后转入平面内再与Ⅰ类柱进行螺栓连接。这种方式极大地简化了施工流程，有利于提高施工安装效率。

(2)本发明使用耗能铰接钢板作为组合柱间连接构件，并在钢板的腹板处开设多个矩形孔洞，用来减弱耗能铰接钢板的强度，使其在地震作用首先产生撕裂破坏，消耗地震能量，避免了主要承重柱直接遭受地震作用，实现了建筑结构遭受地震作用时的初次耗能，提高结构的抗震性能，同时又能保证组合柱之间连接性能及整体性。

(3)本发明使用装配式约束钢管混凝土柱作为组合柱的Ⅰ类柱，充分保证了组合柱主要承重构件的强度，使组合柱在承担竖向荷载方面有保证；Ⅰ类柱的直径大于Ⅱ类柱，实际使用时往往Ⅱ类柱容易损坏，仅需要将损坏的Ⅱ类柱进行维修或者更换即可，可精准拆卸并实现快速更换。

(4)本发明采用装配式可复位圆形钢管混凝土柱作为组合柱Ⅱ类柱，能在耗能铰接钢板初次耗能之后实现二次耗能，同时装配式可复位圆形钢管混凝土柱内的预应力钢筋受拉始终处于弹性状态，地震时柱子变形后可迅速复位，保证组合柱整体性，使结构继续发挥功能。

(5)本发明将两类不同构造的钢管混凝土柱组合，利用较小的截面空间能够承受更大的荷载，实现了承受荷载与节省空间的结合，也避免了梁柱节点过大的浪费，充分节省了建筑空间与建筑成本。

(6)本发明组合柱的所有构件均可在工厂加工完成，现场全部通过高强螺栓连接，实现了完全装配化施工，可避免现场焊接可能带来的质量问题，并加快施工进度、提高劳动生产率，地震过后，任意破坏的构件均可精准拆卸并实现快速更换。

附图说明

图1是本发明的立体图。

图2是本发明的主视图。

图3是本发明的俯视图。

图4是约束支座示意图。

图5是Ⅰ类柱圆形加劲钢管示意图。

图6是Ⅰ类柱组装示意图。

图7是上下套筒连接件示意图。

图8是Ⅱ类柱节点处示意图。

图9是Ⅱ类柱组装示意图。

图10是耗能铰接钢板示意图。

图11是耗能铰接钢板与Ⅱ类柱组装示意图。

图12是耗能铰接钢板与Ⅰ类柱组装示意图。

图13是本发明边柱组合柱结构示意图。

图14是本发明边柱组合柱结构水平投影图。

图15是本发明角柱组合柱结构示意图。

图16是本发明角柱组合柱结构水平投影图。

其中，上述附图包括以下附图标记：1、独立基础；2、Ⅰ类柱；3、Ⅱ类柱；4、耗能铰接钢板；5、拼接支座；6、约束支座；7、H型钢梁；8、圆形加劲钢管；9、加劲铰接板；10、约束板；11、端板；12、插板；13、圆钢管；14、上套筒连接件；15、下套筒连接件；16、凹槽；17、铰接板；18、上段圆钢管；19、中心插接钢管；20、下端圆钢管21、预应力钢筋；22、铰接轴；23、铰接轴插槽；24、翼缘连接板；25、腹板连接板；26、矩形孔洞。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1、2和3所示，本发明的一种装配式双耗能可复位圆钢管混凝土组合柱，包括独立基础1、Ⅰ类柱2(装配式约束钢管混凝土柱)、Ⅱ类柱3(装配式可复位圆形钢管混凝土柱)和耗能铰接钢板4，位于底部的独立基础1上固定安装有Ⅰ类柱2、Ⅱ类柱3和耗能铰接钢板4。Ⅰ类柱2圆形加劲钢管8和约束支座6拼接而成，圆形加劲钢管8两端和约束支座6两端设置对应的约束板10并预留八个螺栓孔，圆形加劲钢管8与约束支座6通过高强螺栓固定；圆形加劲钢管8设有加劲铰接板9，板上设有螺栓孔。将两类不同构造的钢管混凝土柱组合，利用较小的截面空间能够承受更大的荷载，实现了承受荷载与节省空间的结合，也避免了梁柱节点过大的浪费，充分节省了建筑空间与建筑成本。

如图4、5和6所示，Ⅰ类柱2圆形加劲钢管8和约束支座6拼接而成，圆形加劲钢管8两端和约束支座6两端设置对应的约束板10并预留八个螺栓孔，圆形加劲钢管8与约束支座6通过高强螺栓固定；圆形加劲钢管8设有加劲铰接板9，加劲铰接板9上设有螺栓孔。使用装配式约束钢管混凝土柱作为组合柱的Ⅰ类柱，充分保证了组合柱主要承重构件的强度，使组合柱在承担竖向荷载方面有保证。

如图7、8和9所示，Ⅱ类柱3包括上段圆钢管18、中心插接钢管19、下段圆钢管13、预应力钢筋21、拼接支座5、上套筒连接件14、下套筒连接件15；拼接支座5与下端预应力钢筋21通过紧固件固定；上套筒连接件14包括圆钢管13、端板11和插板12，圆钢管13的直径小于上段圆钢管18的直径，圆钢管13中间位置设有端板11，插板12固定在端板11下方，与圆钢管13、端板11均垂直连接；下套筒连接件15的结构与上套筒连接件14对称，插板12固定在端板11上方；中心插接钢管19上端及下端均设置有与插板12相匹配的凹槽16；上段圆钢管18与中心插接钢管19、下段钢管与中心插接钢管19插接，之间的缝隙里填充有橡胶材料，用以防止混凝土溢出；上段圆钢管18的上端和下段钢管柱的下端均固定有钢筋固定板，钢筋固定板中心设置有通孔，通孔四周设置有钢筋孔；预应力钢筋21依次穿过上段圆钢管18上端的钢筋固定板、圆钢管13柱和下段钢管柱下端的钢筋固定板，钢筋下端与拼接支座5通过紧固件固定；上段圆钢管18和下段圆钢管20与耗能铰接钢板4相连侧设有铰接板17，板上设有铰接轴插槽23。采用装配式可复位圆形钢管混凝土柱作为组合柱Ⅱ类柱，能在耗能铰接钢板初次耗能之后实现二次耗能，同时装配式可复位圆形钢管混凝土柱内的预应力钢筋受拉始终处于弹性状态，地震时柱子变形后可迅速复位，保证组合柱整体性，使结构继续发挥功能。

如图10、11和12所示，耗能铰接钢板4与Ⅰ类柱2连接侧设有与加劲铰接板9相应的螺栓孔，与Ⅱ类柱3相连侧设有铰接轴22，腹板部分开设矩形孔洞26；耗能铰接钢板4在Ⅰ类柱2和Ⅱ类柱3平面外通过铰接轴22与Ⅱ类柱3连接，然后以铰接轴22为转轴转入Ⅰ类柱2和Ⅱ类柱3平面内，通过拼接板和高强螺栓与加劲铰接板9相连.耗能铰接钢板采用铰接的方式与Ⅱ类柱连接，可以在Ⅰ类柱和Ⅱ类柱平面外安装后转入平面内再与Ⅰ类柱进行螺栓连接。这种方式极大地简化了施工流程，有利于提高施工安装效率。

H型钢梁7的凸板插入到上套筒连接件14的插板12和下套筒连接件15的插板12之间，插板12和凸板两侧通过腹板连接板25搭接，H型钢梁7的上翼缘与上套筒连接件14的端板11、H型钢梁7的下翼缘与下套筒连接件15的端板11分别通过翼缘连接板24搭接；

在Ⅰ类柱2圆形加劲钢管8和Ⅱ类柱3圆钢管13内浇筑纤维混凝土，使连接部位通过咬合作用紧固连接形成整体。

所述Ⅰ类柱2圆钢管13外设有加劲铰接板9，加劲铰接板9上设有螺栓孔。

所述Ⅰ类柱2与Ⅱ类柱3之间采用耗能铰接钢板4进行组合。

所述Ⅱ类柱3圆钢管13外设有铰接板17，板上设有铰接轴插槽23。

所述耗能铰接钢板4通过螺栓和拼接板与Ⅰ类柱2连接。

所述耗能铰接钢板4通过铰接轴22和铰接板17与Ⅱ类柱3连接。

所述耗能铰接钢板4腹板处设有矩形孔洞26。使用耗能铰接钢板作为组合柱柱间连接构件，并在钢板的腹板处开设多个矩形孔洞，用来减弱耗能铰接钢板的强度，使其在地震作用首先产生撕裂破坏，消耗地震能量，避免了主要承重柱直接遭受地震作用，实现了建筑结构遭受地震作用时的初次耗能，提高结构的抗震性能，同时又能保证组合柱之间连接性能及整体性。

实施例2：

上述实施例1中，一根所述Ⅰ类柱2与四根Ⅱ类柱3采用耗能铰接钢板4进行组合。本实施例2需要说明的是，Ⅰ类柱2与Ⅱ类柱3的组合方式是多种多样的，不限于本实施例所提及的组合方式。

如图13和14所示，一根所述Ⅰ类柱2与三根Ⅱ类柱3采用耗能铰接钢板4进行组合，形成边柱组合柱结构。

如图15和16所示，一根所述Ⅰ类柱2与两根Ⅱ类柱3采用耗能铰接钢板4进行组合，形成角柱组合柱结构。

实施例3：

本发明所述装配式双耗能可复位圆钢管混凝土组合柱的安装方法，包括以下步骤：

第一步：将圆形加劲钢管8和约束支座6通过高强螺栓连接；

第二步：将拼接支座5与下端钢筋通过紧固件固定；

第三步：将上段圆钢管18与上套筒连接件14连接，下段钢管柱与下套筒连接件15连接；

第四步：预应力钢筋21依次穿过上段圆钢管18上端的钢筋固定板、圆钢管13柱和下段钢管柱下端的钢筋固定板，钢筋下端与拼接支座5通过紧固件固定；

第五步：耗能铰接钢板4在Ⅰ类柱2和Ⅱ类柱3平面外通过铰接轴22与Ⅱ类柱3连接，然后以铰接轴22为转轴转入Ⅰ类柱2和Ⅱ类柱3平面内，通过拼接板和高强螺栓与加劲铰接板9相连；

第六步：H型钢梁7的凸板插入到上套筒连接件14的插板12和下套筒连接件15的插板12之间，插板12和凸板两侧通过腹板连接板25搭接，H型钢梁7的上翼缘与上套筒连接件14的端板11、H型钢梁7的下翼缘与下套筒连接件15的端板11分别通过翼缘连接板24搭接；

第七步：在Ⅰ类柱2圆钢管13和Ⅱ类柱3圆钢管13内浇筑纤维混凝土，使连接部位通过咬合作用紧固连接形成整体。

本发明组合柱的所有构件均可在工厂加工完成，现场全部通过高强螺栓连接，实现了完全装配化施工，可避免现场焊接可能带来的质量问题，并加快施工进度、提高劳动生产率，地震过后，任意破坏的构件均可精准拆卸并实现快速更换。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。