專利名稱：鋼管約束鋼筋高強混凝土柱的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于一種建筑結構構件，特別涉及一種高強混凝土柱。
背景技術：
高強混凝土具有強度高、變形小和耐久性好等優(yōu)點，能適應現代工程結構向大跨、重載、高聳發(fā)展和承受惡劣環(huán)境條件的需要，混凝土的高強化是現代混凝土結構發(fā)展的重要趨勢。在高層結構中采用高強混凝土框架柱，可以有效的減小柱子截面，增加房屋的使用面積；同時，框架柱截面尺寸減小使得柱子的長細比增加，框架柱的破壞模式由剪切破壞逐漸轉化為彎曲破壞，增加了柱子的變形能力和延性，從而提高了框架柱的抗震性能。
優(yōu)越的性能使得高強混凝土的應用范圍不斷擴大；在國外，混凝土強度等級已經應用到C100，最高達到C130。但高強混凝土也有其致命的弱點，那就是高強混凝土的延性很差，容易產生脆性破壞，素混凝土的延性隨混凝土強度的提高而顯著降低。國外大量采用高強混凝土的結構都是在非地震區(qū)，而我國80％的國土面積屬于抗震設防區(qū)(6度以上)，特別是高層建筑集中的城市絕大多數處于抗震設防區(qū)，部分處于高烈度地區(qū)，不宜采用高強混凝土結構。我國的《混凝土結構設計規(guī)范GB 50010-2002》規(guī)定當設防烈度為9度時，混凝土強度等級不宜超過C60，當設防烈度為8度時，混凝土強度等級不宜超過C70。這些規(guī)定限制了高強混凝土在地震區(qū)高層建筑中的應用，因此研究防止高強混凝土脆性破壞的方法，充分利用高強混凝土的優(yōu)點，具有重要的理論意義和實用價值。
目前工程中通常采用密排箍筋混凝土柱和鋼管混凝土柱的結構形式以增加混凝土柱的抗震性能；但對于高強混凝土柱，這兩種結構形式各有其缺點和不足。
密排箍筋混凝土柱的缺點和不足1.軸壓比限值低。對于密排箍筋高強混凝土柱，隨著箍筋加密，抗震性能增加，軸壓比限制值有所增大，但我國的抗震設計規(guī)范中給出了混凝土強度為C60以下時鋼筋混凝土框架柱的軸壓比限值當結構的抗震等級為一級時，對于框架結構和框架—剪力墻結構，鋼筋混凝土框架柱的軸壓比限值分別為0.7和0.75。當混凝土強度高于C60時鋼筋混凝土框架柱的軸壓比限值將更低，但規(guī)范中還未給出混凝土強度高于C60時的混凝土框架柱的軸壓比限值。軸壓比限制較低導致混凝土柱的截面不能有效的減小，柱子長細比增大不明顯，抗震性能的提高不顯著。
2.地震荷載作用下易產生保護層脫落和縱筋失穩(wěn)，承載力降低，震后難修復。研究結果表明，對于箍筋約束混凝土柱，由于保護層混凝土無任何約束作用，因此在構件達到峰值承載力前保護層已經剝落，導致試件的截面削弱，承載力降低；峰值承載力后，箍筋屈服，縱筋失穩(wěn)，導致試件抗震性能下降；在地震荷載作用下，框架柱的保護層脫落和縱筋失穩(wěn)將導致試件的抗震性能下降，試件的最終破壞基本都是由于縱筋失穩(wěn)造成。因此箍筋不能防止保護層脫落和縱筋失穩(wěn)，對高強混凝土柱的抗震性能改善不理想。遭受強震荷載作用后，框架柱的保護層脫落，縱筋失穩(wěn)并在柱端形成燈籠狀外鼓，從而使得結構的層高降低，導致結構震后無法修復。
3.抗剪承載力低，不能保證柱子的破壞模式為“強剪弱彎”。對于密排箍筋混凝土柱，當箍筋配筋率達到一定限值時，繼續(xù)增加箍筋配筋率不能繼續(xù)提高柱子的抗剪強度，因為當箍筋配置較多時，柱子在剪力作用下會發(fā)生“斜壓破壞”，即在箍筋屈服前混凝土已被壓碎，不能充分利用箍筋的強度。因此對于密排箍筋混凝土柱不能隨意達到柱子的“強剪弱彎”要求。
4.抗火性能差。在火災作用下，鋼筋高強混凝土柱的混凝土受火爆落而傷人，易造成各種次生災害；同時保護層脫落后，縱筋和箍筋直接與火接觸，箍筋和縱筋的溫度將急劇升高,從而導致縱筋和箍筋的彈性模量及屈服強度降低，箍筋對核心混凝土和縱筋的約束效果降低；且縱筋彈性模量的降低可能導致縱筋的失穩(wěn)；這些都會加快結構的破壞。
5.施工麻煩，模板用量大。普通密排箍筋混凝土柱在施工過程中的箍筋綁扎工作量很大；在混凝土的澆注過程中由于箍筋很密，混凝土的振搗難度很大；同時混凝土澆注前需安裝設置模板，施工量較大。
鋼管混凝土柱的缺點和不足
1.鋼管易屈曲，震后修復困難。鋼管混凝土柱在地震荷載作用下會發(fā)生鋼管屈曲外鼓現象，同時由于鋼管鼓曲，核心混凝土被壓潰，導致柱子長度縮短，這為結構的震后修復帶來了很大困難。
2.用鋼量大，造價高。在鋼管混凝土柱中，由于鋼管與混凝土同時承擔縱向荷載，因此鋼管對核心混凝土的約束效果不顯著；同時由于高強混凝土的橫向變形小，導致鋼管對高強混凝土的約束效應進一步降低。因此要對高強混凝土產生有效的約束，必須增加鋼管混凝土柱中的鋼管厚度，從而提高了造價。
3.抗火性能差。鋼管混凝土柱中鋼管處于最外層，且鋼管直接承擔縱向荷載。在火災作用下，鋼管的強度和彈性模量急劇降低，導致柱子承載力迅速降低，抗火性能差。為提高鋼管混凝土柱的抗火性能，需在鋼管外面噴涂防火保護層，增加了造價。
4.與鋼筋混凝土梁連接復雜，施工難度大。鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁的連接一般采用鋼筋與鋼管混凝土柱上設置的環(huán)板焊接或者將鋼筋直接穿過鋼管的方法；這兩種連接方式都比較復雜，施工量大，施工難度大。因此鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁的連接至今為止仍然是工程施工中的難題。

發(fā)明內容
為了克服現有高強混凝土柱的上述缺點和不足，解決以往高強混凝土柱抗震性能差、抗火性能差、震后不易修復、施工量大、混凝土震搗困難、用鋼量大、軸壓比限值低、鋼管高強混凝土柱與鋼筋混凝土梁連接麻煩的問題，本發(fā)明提出了一種鋼管約束鋼筋高強混凝土柱。
本發(fā)明由縱筋、箍筋、混凝土和鋼管組成，縱筋豎向排列，在縱筋的高度方向上套設有起架立縱筋作用的箍筋，箍筋外套設有鋼管，鋼管內澆筑有混凝土，鋼管在兩端的接近端末處斷開。
本發(fā)明的核心是鋼管約束鋼筋高強混凝土柱外包鋼管不承受豎向荷載，即不承受軸力和彎矩，只對核心鋼筋高強混凝土柱提供橫向的約束作用并承受水平剪力。
本發(fā)明的鋼管約束鋼筋高強混凝土柱所帶來的效果是1.提高高強混凝土柱的抗震性能，使高強混凝土柱能夠在高烈度地震區(qū)的高層建筑中應用。
2.提高鋼筋高強混凝土柱的軸壓比限值，使高強混凝土柱在應用中不限制軸壓比，即在高軸壓比條件下鋼筋高強混凝土柱仍然具有良好的抗震性能。
3.提高鋼筋高強混凝土柱的抗火性能，降低次生災害。
4.提高鋼筋高強混凝土柱的抗剪性能，使鋼筋高強混凝土柱能夠隨意達到“強剪弱彎”的要求。
5.使鋼筋高強混凝土柱震后容易修復。
6.保護鋼筋高強混凝土柱的保護層，防止高強混凝土受火崩落產生次生災害。
7.解決鋼筋高強混凝土柱中箍筋設置太多導致的施工量大、混凝土震搗困難和模板用量大等問題。
8.解決鋼管高強混凝土柱用鋼量大，抗火性能差，與鋼筋混凝土梁連接麻煩的問題。
本發(fā)明與密排箍筋約束高強混凝土柱比有以下優(yōu)點1.鋼管約束鋼筋高強混凝土柱可不限制軸壓比。圖6為普通密排箍筋約束高強混凝土柱的抗震反應曲線，圖7為鋼管約束鋼筋高強混凝土柱的抗震反應曲線。試驗結果表明，由于鋼管對高強混凝土的有效約束作用，鋼筋高強混凝土柱在高軸壓比條件下的破壞模式發(fā)生了質的改變，由脆性破壞轉化為延性破壞，顯著提高了鋼筋高強混凝土柱的抗震性能。研究結果表明，鋼管約束鋼筋高強混凝土柱即使在軸壓比超過現有設計規(guī)范的情況下，柱子的延性仍然很好，具有優(yōu)越的抗震性能，因此對于鋼管約束鋼筋高強混凝土柱在地震區(qū)應用時可不限制軸壓比。
2.鋼管的約束能夠有效的防止混凝土保護層脫落和縱筋失穩(wěn)，震后修復方便。
3.抗剪承載力高。由于鋼管在柱子的最外層連續(xù)布置，因此鋼管可作為鋼結構柱的腹板以抵抗水平剪力；因此當縱筋配筋率增大時，鋼管可隨意加厚以保證柱子“強剪弱彎”的要求，因此即使柱的縱筋配筋率已達到規(guī)范容許的最大配筋率，構件的抗剪設計也能得到滿足。
4.抗火性能好。對于鋼管約束鋼筋高強混凝土柱，由于外包鋼管的存在，防止了保護層的崩裂，降低了次生災害；同時由于混凝土保護層不會崩落，使得縱筋和箍筋的溫度不會急劇升高，從而提高了結構的耐火極限。
5.施工方便，降低模板用量。在鋼管約束鋼筋高強混凝土構件中，箍筋只需要按照構造措施設立架立鋼筋即可，降低了箍筋綁扎的現場工作量，箍筋的間距很大也利于混凝土的振搗。鋼管同時可作為混凝土施工的永久模板，降低了模板的用量和施工量。
本發(fā)明與鋼管高強混凝土柱比有以下優(yōu)點1.防止鋼管屈曲，震后易修復。對于鋼管約束鋼筋高強混凝土構件，由于鋼管不承受縱向荷載，避免了鋼管的屈曲問題。鋼管不發(fā)生屈曲，核心混凝土的壓潰及外鼓現象就會相對較輕，而柱子的長度降低也會較輕，有利于結構的震后修復。
2.抗火性能好，降低造價。鋼管約束鋼筋高強混凝土柱相當于將鋼管混凝土柱的鋼管一部分變?yōu)榭v筋置于混凝土中，而將剩余部分作為橫向約束包在混凝土柱子外面。在火災作用下，由于縱筋不直接與火接觸，提高了構件的耐火極限，而外包鋼管在火災作用下不承擔任何縱向荷載；因此如果設計合理，鋼管約束鋼筋高強混凝土柱不需要防火保護層，從而降低了造價。
3.用鋼量低，造價低。達到相同的抗震效果，鋼管約束鋼筋高強混凝土柱的用鋼量低于鋼管高強混凝土柱，因此鋼管約束鋼筋高強混凝土柱的用鋼量更省，造價更低。
4.與鋼筋混凝土梁連接方便，降低施工難度。鋼管約束鋼筋高強混凝土柱仍可看作為鋼筋混凝土結構，因此普通混凝土結構的連接節(jié)點的設計和施工方法不需進行明顯的修改就可直接應用于鋼管約束鋼筋高強混凝土柱中，降低了施工難度，也有利于這一結構形式的推廣。


圖1是本發(fā)明的結構示意圖，圖2是具體實施方式
二的骨架的結構示意圖，圖3是具體實施方式
二的結構示意圖，圖4是具體實施方式
三的骨架的結構示意圖，圖5是具體實施方式
三的結構示意圖，圖6是普通密排箍筋約束高強混凝土柱的抗震反應曲線，圖7是鋼管約束鋼筋高強混凝土柱的抗震反應曲線。
具體實施例方式
具體實施方式
一下面結合圖1-圖5具體說明本實施方式，本實施方式由縱筋1、箍筋2、混凝土3和鋼管4組成，縱筋1豎向排列，在縱筋1的高度方向上套設有起架立縱筋作用的箍筋2，箍筋2外套設有鋼管4，鋼管4內澆筑有混凝土3，鋼管4在兩端的接近端末處斷開。箍筋起架立縱筋的作用，因此箍筋只需按構造配筋。鋼管在兩端的接近端末處斷開，即在柱兩端接近梁或基礎的地方斷開，因此鋼管不承擔豎向荷載，只能對核心高強混凝土起橫向約束作用。
具體實施方式
二下面結合圖2和圖3具體說明本實施方式，本實施方式中所述的鋼管4為圓鋼管，其它組成及連接關系同具體實施方式
一。
具體實施方式
三下面結合圖4和圖5具體說明本實施方式，本實施方式中所述的鋼管4為方鋼管，其它組成及連接關系同具體實施方式
一。
本發(fā)明的鋼管約束鋼筋高強混凝土柱中的縱向受力鋼筋可根據設計抗彎承載力配置，縱筋的配筋率在滿足相關設計規(guī)范的要求范圍內可隨意變化；混凝土宜采用標號大于C60的高強混凝土；鋼管可采用圓鋼管、方鋼管或其它多邊形鋼管，圓鋼管的直徑或方鋼管的邊長與鋼管厚度之比宜大于50。使用時為保證鋼管端部焊縫不受拉開裂，應在鋼管兩端設置封閉的環(huán)向(圓鋼管)或橫向(方鋼管)的鋼加強環(huán)。鋼加強環(huán)宜采用厚度為鋼管厚度一倍以上的鋼板；加強環(huán)與鋼管可采用點焊連接或其它牢固可靠的連接方式；鋼加強環(huán)的自身接頭處應可靠焊接。鋼加強環(huán)的高度應大于鋼管厚度的5倍以上。在鋼管端部可設置多道加強環(huán)，且加強環(huán)可采用其它形式，如封閉的鋼筋、小角鋼等。
本發(fā)明的工作原理是由于鋼管在兩端端部斷開，因此軸力和彎矩只作用在核心鋼筋高強混凝土上，鋼管不承擔縱向力。在軸力和彎矩作用下，混凝土受壓而產生橫向的膨脹變形，而外包鋼管會限制混凝土的橫向膨脹，因此鋼管中產生橫向拉力，從而對橫向膨脹的核心高強混凝土產生有效的約束，增加了高強混凝土的強度和延性，提高了核心高強混凝土的抗震性能。同時，在水平地震荷載作用下，柱子要抵抗水平剪力，因此外包鋼管與核心高強混凝土柱共同承擔水平剪力。鋼管只承受橫向拉力和剪力，不承受豎向力，這與傳統的鋼管混凝土不同；因為鋼管混凝土中的鋼管還承擔豎向力，導致鋼管的橫向拉力減小，對核心混凝土的約束效果不明顯。
本發(fā)明的鋼管約束鋼筋高強混凝土柱與鋼筋混凝土梁或其它結構形式的梁的連接采用已有規(guī)范規(guī)定的連接方式。
權利要求
1.鋼管約束鋼筋高強混凝土柱，其特征在于它由縱筋(1)、箍筋(2)、混凝土(3)和鋼管(4)組成，縱筋(1)豎向排列，在縱筋(1)的高度方向上套設有起架立縱筋作用的箍筋(2)，箍筋(2)外套設有鋼管(4)，鋼管(4)內澆筑有混凝土(3)，鋼管(4)在兩端的接近端末處斷開。
2.根據權利要求1所述的鋼管約束鋼筋高強混凝土柱，其特征在于所述的鋼管(4)為圓鋼管。
3.根據權利要求1所述的鋼管約束鋼筋高強混凝土柱，其特征在于所述的鋼管(4)為方鋼管。
全文摘要
鋼管約束鋼筋高強混凝土柱，它屬于一種建筑結構構件，特別涉及一種高強混凝土柱，為了解決以往高強混凝土柱抗震性能差、抗火性能差、震后不易修復、施工量大、混凝土震搗困難、用鋼量大、軸壓比限值低、鋼管高強混凝土柱與鋼筋混凝土梁連接麻煩的問題。本發(fā)明由縱筋、箍筋、混凝土和鋼管組成，縱筋豎向排列，在縱筋的高度方向上套設有起架立縱筋作用的箍筋，箍筋外套設有鋼管，鋼管內澆筑有混凝土，鋼管在兩端的接近端末處斷開。本發(fā)明提高了高強混凝土柱的抗震性能，使高強混凝土柱能夠在高烈度地震區(qū)的高層建筑中應用；解決了鋼筋高強混凝土柱中箍筋設置太多導致的施工量大等問題；解決了鋼管高強混凝土柱用鋼量大，與鋼筋混凝土梁連接麻煩的問題。
文檔編號E04C3/30GK1987013SQ200610151190
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月22日 優(yōu)先權日2006年12月22日
發(fā)明者張素梅, 劉界鵬, 王玉銀, 郭蘭慧, 楊華 申請人:哈爾濱工業(yè)大學