專利名稱：高強螺旋箍約束高強寬翼緣h型鋼混凝土柱的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種型鋼混凝土柱。
背景技術(shù)：
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(jié)構(gòu)，柱中型鋼主要有工字型鋼、H型鋼和十字型鋼。型鋼混凝土柱具有承載力高、剛度大及抗震性能好等優(yōu)點，已普遍應(yīng)用于大跨結(jié)構(gòu)和地震區(qū)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(jié)作用，由于型鋼表面光滑，故而型鋼與混凝土粘結(jié)強度相當于光圓鋼筋與混凝土粘結(jié)強度的60%和螺紋鋼筋與混凝土粘結(jié)強度的30%，為了使得型鋼能與混凝土協(xié)調(diào) 工作，《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》和《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》分別規(guī)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(shè)計中保護層厚度比規(guī)范規(guī)定的數(shù)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(fā)揮了抗壓作用，抗彎作用沒完全發(fā)揮出來，盡管計算公式中假定型鋼是完全發(fā)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(fā)生局部壓屈，這樣就限制了高強度型鋼的應(yīng)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(fā)生壓屈。由于型鋼混凝土柱是由縱向受力鋼筋、型鋼、橫向鋼筋組成，施工時要同時進行鋼結(jié)構(gòu)施工和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工，所以施工復(fù)雜，比單獨鋼結(jié)構(gòu)施工或者單獨鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工麻煩。由于普通箍強度低，對混凝土的約束不完全?；炷潦軌号蛎浕蚣羟谢茣r，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，在地震力反復(fù)作用下，外部混凝土破碎，箍筋彎鉤容易出現(xiàn)松扣現(xiàn)象，從而失去對內(nèi)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(shè)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(fā)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。解決這一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(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服工程中常用的工字、H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H型鋼混凝土柱。本發(fā)明要解決常用的工字、H型鋼混凝土柱(I I <高寬< 2 :1)施工不便、混凝土保護層厚造成柱中型鋼不能完全發(fā)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(yīng)用于工程等一系列缺點。本發(fā)明的目的是通過如下措施達到
將型鋼混凝土柱中的工字、H型鋼改為高強寬翼緣H型鋼，鋼材屈服強度不小于500兆帕，不大于700兆帕。取消型鋼混凝土柱中的縱向受力鋼筋，將型鋼翼緣加厚加長取代縱向受力鋼筋，型鋼翼緣的寬度等于柱寬減去70毫米，采用高強螺旋箍。其特征在于采用寬翼緣的H型鋼，約束高強型鋼翼緣的高強螺旋箍的內(nèi)側(cè)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，柱中沒有縱向受力鋼筋，通過增加高強型鋼翼緣的面積代替被取消的縱向受力鋼筋。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(zhì)量，尺寸誤差不能超過正負I毫米，以保證箍筋內(nèi)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。采用數(shù)控彎箍機加工高強度螺旋箍，螺旋箍尺寸誤差為正負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，一邊自由的計算模型變成三邊簡支，一邊近似簡支的計算模型，根據(jù)彈性穩(wěn)定理論，矩形薄板失穩(wěn)臨界應(yīng)力計算公式如下gc/. = A- jl E, (- Y
12(1 -v~ ) n在四邊簡支板時K =4，三邊簡支、一邊自由板時？c =0.425+ 0)2 ^ 0425
a由此大大提聞了型鋼翼緣的失穩(wěn)臨界應(yīng)力，從而可以將型鋼翼緣的寬厚比提聞，可以使用高強度的型鋼，節(jié)約了鋼材?？梢韵胂舐菪康穆菥酁?時型鋼翼緣不存在失穩(wěn)問題，所以在彎矩大的地方螺旋箍的螺距為0-30mm，在彎矩小的地方螺旋箍螺距為30_60mm。由于螺旋箍緊緊套在型鋼外表面，和型鋼形成一個整體，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(xié)同工作，對整體受力非
常有利。為了使型鋼和混凝土更好協(xié)調(diào)工作，在型鋼翼緣上設(shè)置圓洞，圓洞直徑30mm ;每個翼緣設(shè)置兩排圓洞，兩排圓洞三等分翼緣，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洞，兩排圓洞三等分腹板，圓洞垂直間距500mm，兩排圓洞錯開布置?？紤]到鋼材的塑性，在型鋼上面開直徑30mm洞不影響型鋼承載力。使用強度高于C50的混凝土。這種新型型鋼混凝土柱的含鋼率為10% -30%。本發(fā)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(xué)概念清晰，便于結(jié)構(gòu)設(shè)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(fā)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(jié)構(gòu)抗震非常有利。
由于型鋼翼緣自由邊得到約束，能放寬翼緣寬厚比的限制，使用高強度型鋼，能大大節(jié)省鋼材。由數(shù)控彎箍機加工高精度的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力。理論研究和震害經(jīng)驗都表明，地震是復(fù)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(zhuǎn)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H型鋼混凝土柱的型鋼和混凝土能夠協(xié)同工作至極限承載力狀態(tài)，截面應(yīng)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(gòu)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· 試件極限承載力極限變形延性_____數(shù)
I15 IkN23.41 ran3.20.33
枉
本發(fā)叨型鋼,
220kN 35.37mm 5 0.49 砼柱 ____可以看出，本發(fā)明的型鋼混凝土柱各項指標有大幅度提高。


圖I目前工程中常用的工字、H型鋼混凝土柱的橫截面目前結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程規(guī)定圖I所示的型鋼保護層厚度不小于120毫米，實際設(shè)計中大于120毫米，造成型鋼靠近截面中心，發(fā)揮的抗壓作用大于發(fā)揮的抗彎作用。圖2高強螺旋箍約束高強寬翼緣H型鋼混凝土柱的橫截面圖2中，I為型鋼，2為型鋼翼緣，3為矩形螺旋箍型鋼翼緣2的寬度等于柱寬度減去70mm，型鋼I的保護層厚度為30_40mm。矩形螺旋箍3約束型鋼翼緣2的那段螺旋箍內(nèi)側(cè)要緊貼型鋼翼緣表面。
具體實施例方式型鋼柱I由專業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)公司制作，型鋼翼緣2寬度等于柱寬度減去70mm，在加工型鋼翼緣和腹板時，上面均設(shè)置圓洞。由數(shù)控彎箍機加工矩形螺旋箍，加工精度為±1毫米，將制作好的矩形螺旋箍3套在型鋼上，約束型鋼翼緣2的螺旋箍的內(nèi)表面要與型鋼翼緣外表面相貼，一段型鋼柱對應(yīng)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(quán)利要求
1.一種高強螺旋箍約束高強寬翼緣H型鋼混凝土柱，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，其特征在于高強型鋼I為寬翼緣H型鋼，約束高強型鋼翼緣2的高強螺旋箍3的內(nèi)側(cè)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(jù)權(quán)利要求I所述的高強螺旋箍約束高強寬翼緣H型鋼混凝土柱，其特征在于高強螺旋箍為矩形螺旋箍，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(jù)權(quán)利要求I所述的高強螺旋箍約束高強寬翼緣H型鋼混凝土柱，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(jù)權(quán)利要求I所述的高強螺旋箍約束高強寬翼緣H型鋼混凝土柱，其特征在于型鋼I的翼緣寬度等于柱子截面寬度減去70毫米。·
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高強螺旋箍約束高強寬翼緣H型鋼混凝土柱，其特征在于矩形螺旋箍的螺距在彎矩大時，為0-30毫米，在彎矩小時為30-60毫米。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高強螺旋箍約束高強寬翼緣H型鋼混凝土柱，其特征在于為了使型鋼和混凝土更好協(xié)調(diào)工作，在型鋼翼緣和腹板上設(shè)置圓洞，圓洞直徑30mm;每個翼緣設(shè)置兩排圓洞，圓洞垂直間距500mm，兩排圓洞三等分翼緣，兩排圓洞錯開布置；每個腹板上布置兩排圓洞，圓洞垂直間距500mm，兩排圓洞三等分腹板，兩排圓洞錯開布置。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高強螺旋箍約束高強寬翼緣H型鋼混凝土柱，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(jù)權(quán)利要求I所述的高強螺旋箍約束高強寬翼緣H型鋼混凝土柱，其特征在于矩形螺旋箍3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。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高強螺旋箍約束高強寬翼緣H型鋼混凝土柱，其特征在于型鋼混凝土柱的高寬比應(yīng)滿足I :1 <高寬< 2 :1。
全文摘要
高強螺旋箍約束高強寬翼緣H型鋼混凝土柱涉及型鋼混凝土柱，克服現(xiàn)有工字、H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(fā)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(shè)計；螺旋箍為高強矩形螺旋箍，約束型鋼翼緣的螺旋箍其內(nèi)側(cè)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的失穩(wěn)臨界應(yīng)力。螺旋箍緊密結(jié)合翼緣，起到了栓釘?shù)淖饔?，使得混凝土能更好地和型鋼協(xié)調(diào)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(fā)揮抗彎作用。矩形螺旋箍的螺距為0-60毫米，能明顯改善型鋼翼緣自由邊的約束條件。本發(fā)明用于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。
文檔編號E04C3/34GK102747810SQ201210257648
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月24日
發(fā)明者姚賢華, 張建偉, 張翌娜, 白衛(wèi)峰, 管俊峰 申請人:華北水利水電學(xué)院