專利名稱：高強螺旋箍約束高強寬翼緣十字型鋼八邊形混凝土柱的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種型鋼混凝土柱。
背景技術：
型鋼混凝土柱是指在混凝土中配置型鋼，并配有一定橫向箍筋及縱向受力鋼筋的結構，柱中型鋼主要有エ字型鋼、H型鋼和十字型鋼。型鋼混凝土柱具有承載カ高、剛度大及抗震性能好等優點，已普遍應用于大跨結構和地震區的高層建筑。型鋼混凝土柱中，型鋼與混凝土這兩種性能不同的材料能夠共同工作是由于它們之間存在粘結作用，由于型鋼表面光滑，故而型鋼與混凝土粘結強度相當于光圓鋼筋與混凝土粘結強度的60%和螺紋鋼筋與混凝土粘結強度的30%，為了使得型鋼能與混凝土協調 工作，《型鋼混凝土組合結構技術規程》和《鋼骨混凝土結構設計規程》分別規定型鋼混凝土柱保護層厚度不小于120毫米和150毫米，在實際工程設計中保護層厚度比規范規定的數值還要大，由于保護層過厚型鋼往往位于截面的偏中位置，造成實際上型鋼主要發揮了抗壓作用，抗彎作用沒完全發揮出來，盡管計算公式中假定型鋼是完全發揮抗彎作用的。在地震力作用下，型鋼外面混凝土保護層可能會脫落，所以型鋼翼緣的寬厚比要符合一定的要求，以避免混凝土保護層脫落后型鋼翼緣發生局部壓屈，這樣就限制了高強度型鋼的應用，因為屈服強度高的型鋼翼緣厚度薄所以比低強度型鋼更容易發生壓屈。由于型鋼混凝土柱是由縱向受カ鋼筋、型鋼、橫向鋼筋組成，施工時要同時進行鋼結構施工和鋼筋混凝土結構施工，所以施工復雜，比単獨鋼結構施工或者單獨鋼筋混凝土結構施工麻煩。由于普通箍強度低，對混凝土的約束不完全。混凝土受壓膨脹或剪切滑移吋，箍筋易屈服，從而失去對混凝土的約束力。普通箍筋末端存在135°彎鉤，在地震カ反復作用下，外部混凝土破碎，箍筋彎鉤容易出現松扣現象，從而失去對內部混凝土和縱向鋼筋的約束，進一步加重柱子的震害。在高層建筑設計時候，從控制軸壓比的角度，要求柱子截面尺寸要足夠大，從控制剪跨比角度，要求柱斷面不能過大。兩種控制往往會發生矛盾。高層建筑底部若干層柱斷面尺寸往往較大而同時難以滿足達到長柱的要求。解決這ー矛盾的辦法之一就是采用高強度等級混凝土，但高強混凝土較低強度等級混凝土更脆，不利于抗震。
發明內容
本發明的目的是克服工程中常用的十字型鋼混凝土柱的缺點，提供一種高強螺旋箍約束高強寬翼緣十字型鋼八邊形混凝土柱。本發明要解決現有的十字型鋼混凝土柱施工不便、混凝土保護層厚造成柱中型鋼不能完全發揮抗彎作用、箍筋強度低且末端有135°彎鉤地震時候容易松扣造成對混凝土及型鋼約束效果不理想、高強度型鋼容易壓屈不便應用于工程等一系列缺點。本發明的目的是通過如下措施達到的
柱子截面為八邊形，高強螺旋箍為八邊形螺旋箍，約束高強型鋼翼緣的高強螺旋箍的內側緊貼在型鋼翼緣的表面，高強型鋼的混凝土保護層厚度為30-40毫米，柱中沒有縱向受カ鋼筋，通過增加高強型鋼翼緣的面積代替被取消的縱向受カ鋼筋。其特征在干箍筋采用螺旋箍，箍筋的屈服強度標準值不能小于1100兆帕，且最大力總伸長率不能小于4%，箍筋要用機械加工，以保證加工質量，尺寸誤差不能超過±1毫米，以保證箍筋內表面能與型鋼翼緣表面緊緊相貼；當箍筋直徑小于IOmm時，型鋼的混凝土保護層為30mm,當箍筋直徑大于IOmm時，型鋼的混凝土保護層為40mm;取消型鋼混凝土柱中的縱向受カ鋼筋，將型鋼翼緣加厚加長取代縱向受カ鋼筋，型鋼翼緣的寬度不能小于0. 6倍的八邊形柱最大寬度，不能大于0. 7倍的八邊形柱最大寬度。采用數控彎箍機加工高強度螺旋箍，螺旋箍尺寸誤差為土 1mm，螺旋箍緊緊套在型·鋼表面，起到了約束作用，使得型鋼翼緣邊界條件得到改善，使得本來三邊簡支，ー邊自由的計算模型變成三邊簡支，ー邊近似簡支的計算模型，根據彈性穩定理論，矩形薄板失穩臨界應カ計算公式如下
,n2E J ぐC,, = k—~廠
12(1 - V ) b在四邊簡支板時K =4三邊簡支、ー邊自由板時K = 0.425 + (-): * 0.425由此大大提高了型鋼翼緣的失穩臨界應力，從而可以將型鋼翼緣的寬厚比提高，可以使用高強度的型鋼，鋼材屈服強度不小于500兆帕，不大于700兆帕，故而節約了鋼材，可以想象螺旋箍的螺距為0時型鋼翼緣不存在失穩問題，所以在彎矩大的地方螺旋箍螺距為0-30mm，在彎矩小的地方螺旋箍螺距為30_80mm。由于螺旋箍緊緊套在型鋼外表面，和型鋼形成ー個整體，螺旋箍能阻擋混凝土和型鋼之間的錯動，作用相當于栓釘，可以使得型鋼和保護層混凝土協同工作，對整體受カ非
常有利。為了使型鋼和混凝土更好協調工作，在型鋼翼緣和腹板上設置圓洞，圓洞直徑均為30mm。每個翼緣設置兩排圓洞，這兩排圓洞三等分翼緣，圓洞垂直間距500mm，兩排圓洞錯開布置。每個腹板上布置兩排圓洞，這兩排圓洞三等分腹板，圓洞垂直間距500mm，兩排圓洞錯開布置，考慮到鋼材的塑性，在型鋼上面開直徑30_洞不影響型鋼承載力。由于這種型鋼混凝土柱截面為八邊形，面積減少約8%左右，所以要使用強度高于C50的混凝土以彌補截面面積的減少帶來的抗壓承載カ的損失。這種新型型鋼混凝土柱的含鋼率為10%_30%。本發明有益效果是由于取消了縱向鋼筋，將縱向鋼筋面積折算到型鋼翼緣上，方便了施工，力學概念清晰，便于結構設計。由于混凝土保護層厚度只有30_40mm，型鋼翼緣遠離截面中心，充分發揮了抗彎作用，對抗震也非常有利，同時30-40_的混凝土保護層足以滿足防火的要求。由于采用了屈服強度1100兆帕以上的箍筋，大大提高了柱子的抗震性能。
由于采用了 C50以上的混凝土可以降低柱子的軸壓比，對結構抗震非常有利。由于型鋼翼緣得到約束，能放寬翼緣寬厚比的限制，使用高強度型鋼。由于數控彎箍機加工高精度的螺旋箍，螺旋箍能緊緊套在型鋼上，螺旋箍的作用相當于栓釘，使得型鋼和混凝土保護層能整體受カ。理論研究和震害經驗都表明，地震是復雜的多維多點運動。多維指的是地震動包括三個平動和三個轉動分量，所以型鋼翼緣寬且遠離截面的中心能提高柱的抗震性能。我們通過實驗研究表明高強度螺旋箍約束高強寬翼緣十字型鋼混凝土柱的型鋼和混凝土能夠協同工作至極限承載カ狀態，截面應變基本符合平截面假定，當實驗軸壓比為0. 7時，滯回曲線仍比較飽滿，試驗構件耗能能力強，剛度、強度退化不明顯。下表給出相同含鋼面積的兩種型鋼混凝土柱的抗震性能對比
試件極限承載カ 極限變形延性 か_____數
H Tf230. IkN31.65mm3. I0. 31
_枉_____
木發■ H月型#!
r/l346kN55.38mm4.6U
石仝枉 i_i_LJ可以看出，在柱中含鋼面積一祥的情況下，本發明的型鋼混凝土柱各項指標有大巾畐提尚。
圖I目前工程中常用的十字型鋼混凝土柱的橫截面目前結構設計規程規定圖I所示的型鋼保護層厚度不小于120毫米，實際設計中大于120毫米，造成型鋼靠近截面中心，發揮的抗壓作用大于發揮的抗彎作用。圖2高強螺旋箍約束高強寬翼緣十字型鋼八邊形高強混凝土柱的橫截面圖2中，I為型鋼，2為型鋼翼緣，3為八邊形螺旋箍，4為型鋼腹板型鋼翼緣2長度大于0. 6倍的八邊形柱最大寬度，小于0. 7倍的八邊形柱最大寬度。八邊形螺旋箍3約束型鋼翼緣2的那段螺旋箍內側要緊貼型鋼翼緣表面。
具體實施例方式型鋼柱I由專業的鋼結構公司制作，型鋼翼緣2寬度不小于0. 6倍八邊形柱最大寬度，不大于0. 7倍八邊形柱最大寬度，在加工型鋼翼緣和腹板時，上面均設置圓洞。由數控彎箍機加工八邊形螺旋箍3，加工精度為±1毫米，將制作好的八邊形螺旋箍3套在型鋼上，約束型鋼翼緣2的螺旋箍的內表面要與型鋼翼緣外表面相貼，一段型鋼柱對應若干圈螺旋箍，螺旋箍起始端要圍繞型鋼I圈，末端要圍繞型鋼I圈，箍筋搭接焊接要求雙面焊不小于5d，d為箍筋直徑，單面焊不小于10d，焊條強度不小于500兆帕，焊縫要飽滿。
權利要求
1.高強螺旋箍約束高強寬翼緣十字型鋼八邊形混凝土柱，由高強型鋼I和套在高強型鋼 外面的高強螺旋箍3通過混凝土澆注成一體，其特征是柱子截面為八邊形，高強螺旋箍3為八邊形螺旋箍，約束高強型鋼翼緣2的高強螺旋箍3的內側緊貼在型鋼翼緣2的表面，高強型鋼I的混凝土保護層厚度為30-40毫米，柱中沒有縱向受力鋼筋，通過增加高強型鋼翼緣2的面積代替被取消的縱向受力鋼筋，高強型鋼含鋼率為10%-30%。
2.根據權利要求I所述的高強螺旋箍約束高強寬翼緣十字型鋼八邊形混凝土柱，其特征在于高強螺旋箍其屈服強度大于1100兆帕，最大力下總伸長率大于4%，螺旋箍鋼材選用高強熱處理鋼筋。
3.根據權利要求I所述的高強螺旋箍約束高強寬翼緣十字型鋼八邊形混凝土柱，其特征在于高強型鋼I屈服強度不小于500兆帕，不大于700兆帕，柱中混凝土強度高于C50。
4.根據權利要求I所述的高強螺旋箍約束高強寬翼緣十字型鋼八邊形混凝土柱，其特征在于八變形是由正方形削去4個三角形得到的，每個三角形邊長大于正方形邊長的0.15倍，小于正方形邊長的0. 2倍，四個三角形面積和不超過正方形總面積的8%，型鋼I的翼緣寬度大于0. 6倍的八邊形柱最大寬度，小于0. 7倍的八邊形柱最大寬度。
5.根據權利要求I所述的高強螺旋箍約束高強寬翼緣十字型鋼八邊形混凝土柱，其特征在于八邊形螺旋箍的螺距在彎矩大時，為0-30毫米，在彎矩小時為30-80毫米。
6.根據權利要求I所述的高強螺旋箍約束高強寬翼緣十字型鋼八邊形混凝土柱，其特征在于為了使型鋼和混凝土更好協調工作，在型鋼翼緣和腹板上設置圓洞，圓洞直徑30mm ;每個翼緣設置兩排圓洞，兩排圓洞把翼緣三等分，圓洞垂直間距500mm，兩排圓洞錯開布置；每個腹板上布置兩排圓洞，兩排圓洞把腹板三等分，圓洞垂直間距500mm，兩排圓洞錯開布置。
7.根據權利要求I所述的高強螺旋箍約束高強寬翼緣十字型鋼八邊形混凝土柱，其特征在于當箍筋直徑小于10毫米時，型鋼的混凝土保護層為30毫米，當箍筋直徑大于10毫米時，型鋼的混凝土保護層為40毫米。
8.根據權利要求I所述的高強螺旋箍約束高強寬翼緣十字型鋼八邊形混凝土柱，其特征在于八邊形螺旋箍起始端要圍繞型鋼I圈，末端要圍繞型鋼I圈，箍筋搭接焊接要求雙面焊不小于5d，d為箍筋直徑，單面焊不小于10d，焊條強度不小于500兆帕，焊縫要飽滿。
全文摘要
高強螺旋箍約束高強寬翼緣十字型鋼八邊形混凝土柱，涉及型鋼混凝土柱，克服現有十字型鋼混凝土柱施工難、混凝土保護層厚造成型鋼抗彎作用發揮不完全、高強型鋼易壓屈等缺點。取消縱向鋼筋，將鋼筋面積折算到型鋼翼緣中，方便型鋼混凝土柱的施工和設計；螺旋箍為高強八邊形螺旋箍，約束型鋼翼緣的螺旋箍其內側緊貼型鋼翼緣表面，通過約束型鋼翼緣的自由邊提高型鋼翼緣失穩臨界應力，同時螺旋箍緊密結合翼緣，起到了栓釘的作用，使得混凝土能更好地和型鋼協調工作；型鋼的混凝土保護層厚30-40毫米，滿足防火需要，同時使得型鋼充分發揮抗彎作用。八邊形型鋼混凝土柱削去的面積不到8%，可通過提高混凝土強度彌補。本發明用于型鋼混凝土結構。
文檔編號E04C3/34GK102758501SQ201210256940
公開日2012年10月31日 申請日期2012年7月23日 優先權日2012年7月23日
發明者姚賢華, 張建偉, 張翌娜, 白衛峰, 管俊峰, 郝穎 申請人:華北水利水電學院