本發(fā)明涉及一種新型的鋼-混凝土組合柱，特別涉及一種新型約束混凝土組合柱。

背景技術(shù)：

柱子是所有建筑結(jié)構(gòu)體系中的不可缺少的關(guān)鍵構(gòu)件，一直是國(guó)內(nèi)外土木工程學(xué)者研究的重點(diǎn)構(gòu)件，目前以鋼筋混凝土柱和鋼管混凝土柱為主要對(duì)象進(jìn)行了大量的研究工作。通過改進(jìn)柱配筋或鋼管性能，提高構(gòu)件承載力，改善柱子力學(xué)性能，成為柱子研究的主要方向之一。近年來，我國(guó)絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)仍采用鋼筋混凝土柱，但研究表明，鋼筋混凝土柱在各種新型配筋方案下，雖然綜合性能有所提高，但綜合抗震性能，剪切破壞嚴(yán)重，僅通過提高箍筋量和配筋形式對(duì)提高連梁延性和抗剪能力是有限的，而且施工復(fù)雜且鋼筋配置較密不利于混凝土的灌注。而對(duì)于鋼管混凝土柱，應(yīng)用范圍有限目前只在橋梁方面應(yīng)用較廣，鋼管管壁較薄時(shí)，內(nèi)部仍需配置鋼筋或型鋼，施工較為復(fù)雜，而對(duì)于管壁較厚的鋼管混凝土，并不能達(dá)到鋼管與混凝土理想的組合作用。同時(shí)鋼管混凝土柱目前的組合形式還比較單一，當(dāng)截面形狀特殊時(shí)難以應(yīng)用，且約束作用發(fā)揮不全面。因此，研制一種新型的約束混凝土組合柱就成為應(yīng)用于建筑中亟待解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種鋼-混凝土組合柱，即約束混凝土組合柱，克服傳統(tǒng)鋼筋混凝土柱延性和耗能能力差的缺點(diǎn)，同時(shí)改善鋼管混凝土截面形式，從而大大提高其應(yīng)用范圍。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種約束混凝土組合柱，包括方形鋼管柱，U形鋼管柱，L形鋼管柱以及混凝土柱，由一根方鋼管柱為一個(gè)基準(zhǔn)柱，沿基準(zhǔn)柱的相鄰邊上依次焊接有U形鋼管柱，沿U形鋼管柱的相鄰邊上依次焊接有L形鋼管柱，構(gòu)成鋼管束，最后由混凝土填充在鋼管束各方形鋼管柱中，形成約束混凝土組合柱。

進(jìn)一步，所述U形鋼管柱包括U形開口、U形開口相鄰邊和U形開口相對(duì)邊；所述L形鋼管柱包括L形鋼管柱邊。

作為優(yōu)選，所述約束混凝土組合柱為矩形柱結(jié)構(gòu)，基準(zhǔn)柱位于約束混凝土組合柱的一個(gè)邊角，沿基準(zhǔn)柱水平方向和豎直方向各焊接若干個(gè)U形鋼管柱構(gòu)成邊柱，然后在焊接后的兩條邊柱內(nèi)側(cè)焊接若干個(gè)呈陣列分布的L形鋼管柱形成最終的鋼管束，最后由混凝土進(jìn)行填充。

進(jìn)一步，所述U形開口與邊角基準(zhǔn)柱相鄰兩條邊焊接，U形開口與U形開口相對(duì)邊依次焊接；所述L形鋼管柱邊分別與兩個(gè)對(duì)接的U形開口相鄰邊、兩個(gè)對(duì)接的U形開口相鄰邊與L形鋼管柱邊或兩個(gè)對(duì)接的L形鋼管柱邊相接。

作為優(yōu)選，所述約束混凝土組合柱為正方形柱結(jié)構(gòu)，基準(zhǔn)柱位于約束混凝土組合柱的中部，沿基準(zhǔn)柱各邊方向各焊接若干個(gè)U形鋼管柱構(gòu)成脊柱，然后在焊接后的脊柱周邊焊接若干個(gè)L形鋼管柱形成最終的鋼管束，最后由混凝土進(jìn)行填充。

進(jìn)一步，所述U形開口與中部基準(zhǔn)柱四條邊焊接，U形開口與U形開口相對(duì)邊依次焊接；所述L形鋼管柱邊分別與兩個(gè)對(duì)接的U形開口相鄰邊、兩個(gè)對(duì)接的U形開口相鄰邊與L形鋼管柱邊或兩個(gè)對(duì)接的L形鋼管柱邊相接。

作為優(yōu)選，所述約束混凝土組合柱為異形柱結(jié)構(gòu)，基準(zhǔn)柱位于約束混凝土組合柱的一個(gè)邊角，沿基準(zhǔn)柱水平方向和豎直方向各焊接U形鋼管柱形成最終的鋼管束，最后由混凝土進(jìn)行填充。

進(jìn)一步，所述方形鋼管柱，U形鋼管柱和L形鋼管柱均為冷彎薄壁鋼管，且單個(gè)鋼管柱的邊長(zhǎng)不應(yīng)小于100mm，不應(yīng)大于300mm。

進(jìn)一步，所述方形鋼管柱為正方形或長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)；所述方形鋼管柱管壁上設(shè)有開孔。

進(jìn)一步，所述鋼管之間的連接均采用三邊圍焊焊接。

本發(fā)明的有益效果是：

新型約束混凝土組合柱主要是由約束混凝土與鋼板共同提供承載力，利用鋼管約束混凝土良好的承載能力與塑性變形能力進(jìn)行抗剪，柱子內(nèi)有多塊內(nèi)填鋼板，以實(shí)現(xiàn)承載力與抗震性能的提高，同時(shí)增強(qiáng)了兩者之間的粘結(jié)，增大鋼板與混凝土的接觸面積，從而保證鋼板和混凝土的共同作用提高混凝土受到的約束作用，可以顯著提高柱子的抗剪承載力和延性耗能能力，從而大大改善普通柱子的抗震性能。

新型約束混凝土組合柱構(gòu)造簡(jiǎn)單，鋼管束在工廠直接預(yù)制完成，在現(xiàn)在安裝完成后現(xiàn)澆混凝土，大大方便了施工，消除了普通鋼筋混凝土柱的構(gòu)造困難和施工復(fù)雜等缺點(diǎn)；且由于鋼管束中的每一根鋼管相當(dāng)于一個(gè)混凝土輸送管，因此混凝土不容易離析。因此相較于普通鋼管混凝土，鋼管束混凝土采用拼接制作，整體截面形式多樣，而每個(gè)腔內(nèi)混凝土截面較小，核心區(qū)混凝土受到更好的約束作用，可以更好地發(fā)揮混凝土的作用。同時(shí)每個(gè)腔體為薄壁鋼管，當(dāng)柱子截面較大時(shí)，不需要考慮厚壁鋼管的焊接問題，鋼管束的制作也較為簡(jiǎn)便。

在大震作用下，混凝土對(duì)多層內(nèi)置鋼管的約束作用大大減弱了單層鋼管在反復(fù)荷載作用下更容易發(fā)生屈曲和失穩(wěn)及高強(qiáng)混凝土使用受限等問題。同時(shí)由于新型約束混凝土組合柱是由多根鋼管混凝土組合而成，在柱子受到偏心荷載以及不均勻荷載時(shí)，受力明確，受力分析簡(jiǎn)單。

本發(fā)明吸收了鋼管混凝土柱的優(yōu)點(diǎn)，承載力大大提高，具有更高的塑性和抗震性能，經(jīng)濟(jì)效果顯著施工簡(jiǎn)單，可大大縮短工期，鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用更加明顯，大大改善混凝土力學(xué)性能，且由于部分鋼管嵌入混凝土內(nèi)部，可更加有效防止鋼板的平面外失穩(wěn)問題。同時(shí)在受力分析方面，鋼管束混凝土的受力更加明確，分析更加簡(jiǎn)潔。能夠在各種形狀截面柱中應(yīng)用，且在高層建筑以及高地震烈度地區(qū)的建筑中得以推廣應(yīng)用。

附圖說明

圖1為正方形截面鋼管混凝土束柱截面示意圖；

圖2為矩形截面鋼管混凝土束柱截面示意圖；

圖3為基準(zhǔn)柱在中部的正方形截面鋼管混凝土束柱截面示意圖；

圖4為一種異形截面新型約束混凝土組合柱截面示意圖；

圖5(a)-(c)為方形鋼管柱，U形鋼管柱與L形截面鋼管柱示意圖；

圖6為(a)-(c)對(duì)普通方鋼管進(jìn)行有限元分析后的應(yīng)力云圖；

圖7為對(duì)普通方鋼管進(jìn)行有限元分析后的荷載-位移曲線；

圖8為(a)-(c)對(duì)新型約束混凝土組合柱進(jìn)行有限元分析后的應(yīng)力云圖；

圖9為對(duì)本發(fā)明約束混凝土組合柱進(jìn)行有限元分析后的荷載-位移曲線。

圖中：1為方形鋼管柱，2為U形鋼管柱，2-1為U形開口，2-2為U形開口相鄰邊，2-3為U形開口相對(duì)邊，3為L(zhǎng)形鋼管柱，3-1為L(zhǎng)形鋼管柱邊；4為內(nèi)填混凝土柱。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)例及附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。需要說明的是，下述實(shí)施例僅限于對(duì)本發(fā)明的解釋，但不限制本發(fā)明的實(shí)施范圍。凡是在本方案基礎(chǔ)上作出的結(jié)構(gòu)的增加或以同樣內(nèi)容的替換，均應(yīng)屬本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖1、圖5(a)-(c)所示，該約束混凝土組合柱的一種實(shí)施方式為鋼管束混凝土方柱結(jié)構(gòu)，包括方形鋼管柱1、U形鋼管柱2、L形鋼管柱3和內(nèi)填混凝土柱4。其中，方形鋼管柱1為正方形結(jié)構(gòu)，采用一個(gè)基準(zhǔn)柱，沿基準(zhǔn)柱水平方向和豎直方向各焊接兩個(gè)U形鋼管柱2構(gòu)成邊柱，然后在焊接后的兩條邊柱右下方焊接四個(gè)L形鋼管柱3形成最終的鋼管束，最后由混凝土進(jìn)行填充。

其中：方形鋼管柱1為左上角柱的基準(zhǔn)柱，沿方形鋼管柱1相鄰兩條邊上依次焊接有U形鋼管柱2，U形鋼管柱2的U形開口2-1依次與所述形鋼管柱1的正方形邊和相鄰U形鋼管柱2的U形開口相對(duì)邊2-3相對(duì)接；沿U形鋼管柱2的U形開口相鄰邊2-2上依次焊接有L形鋼管柱3，L形鋼管柱3的L形鋼管柱邊3-1分別與兩個(gè)對(duì)接的U形開口相鄰邊2-2相接、與相對(duì)接的U形開口相鄰邊2-2和L形鋼管柱邊3-1相接、或與兩個(gè)對(duì)接的L形鋼管柱邊3-1相接；構(gòu)成鋼管束，最后由混凝土進(jìn)行填充在鋼管束各方形鋼管柱1中，形成約束混凝土組合柱。

如圖2所示，該約束混凝土組合柱的第二種實(shí)施方式為鋼管束混凝土矩形柱結(jié)構(gòu)，同樣包括方形鋼管柱1，U形鋼管柱2，L形鋼管柱3，內(nèi)填混凝土柱4。其中：方形鋼管柱1為左上角柱的基準(zhǔn)柱，再用U形鋼管柱2沿垂直于方鋼管相鄰兩條邊的方向進(jìn)行焊接，形成矩形柱中的兩條邊柱，之后剩余部分由L形鋼管柱3對(duì)內(nèi)部與其余兩條邊柱進(jìn)行焊接形成最終的鋼管束，最后由混凝土進(jìn)行填充。

如圖3所示，該約束混凝土組合柱的第三種實(shí)施方式為鋼管束混凝土正方形柱結(jié)構(gòu)，方形鋼管柱1的基準(zhǔn)柱在約束混凝土組合柱的中部，在沿方形鋼管柱1相鄰四條邊上依次焊接有U形鋼管柱2構(gòu)成脊柱，然后在焊接后的脊柱周邊焊接若干個(gè)L形鋼管柱(3)形成最終的鋼管束。U形鋼管柱2的U形開口2-1依次與形鋼管柱1的正方形邊相對(duì)接；沿U形鋼管柱2的U形開口相鄰邊2-2上依次焊接有L形鋼管柱3，L形鋼管柱3的L形鋼管柱邊3-1分別與兩個(gè)對(duì)接的U形開口相鄰邊2-2相接、相對(duì)接的U形開口相鄰邊2-2和L形鋼管柱邊3-1或兩個(gè)對(duì)接的L形鋼管柱邊3-1相接；構(gòu)成鋼管束，最后由混凝土進(jìn)行填充在鋼管束各方形鋼管柱1中，形成約束混凝土組合柱。

如圖4所示，約束混凝土組合柱的第四種實(shí)施方式為鋼管束混凝土異形柱結(jié)構(gòu)，包括方形鋼管柱1，U形鋼管柱2，內(nèi)填混凝土柱4。其中：方形鋼管柱1為一個(gè)邊角基準(zhǔn)柱，再用U形鋼管柱2沿垂直于方鋼管相鄰兩條邊的方向進(jìn)行焊接，最后由混凝土進(jìn)行填充。

本發(fā)明的基準(zhǔn)柱不單單為正方形，可以為矩形，也可以改變L形和U形柱的邊長(zhǎng)，以滿足不同尺寸的組合。鋼管束混凝土由小截面鋼管混凝土柱組合而成，可組成多種截面多種尺寸柱。上述方形鋼管柱1，U形鋼管柱2和L形鋼管柱3均為冷彎薄壁鋼管；鋼管之間的連接均采用三面圍焊焊接。

本發(fā)明的新型約束混凝土組合柱設(shè)計(jì)為一體結(jié)構(gòu)，方柱為基準(zhǔn)柱，U形柱為邊柱，L形柱為補(bǔ)充柱，最后再由混凝土填充。除了本實(shí)施例的幾種新型約束混凝土組合柱，由幾種單柱的還可以組成其他種類的異形柱。

本發(fā)明通過由上述多種鋼管混凝土組合而成，利用有限元方法模擬相同尺寸與配鋼率的普通鋼管混凝土柱和新型約束混凝土組合柱，如分析結(jié)果圖6(a)-(c)-8(a)-(c)。通過圖6(a)-(c)以及圖8(a)-(c)的應(yīng)力云圖對(duì)比，表明鋼管束與普通方鋼管的變形情況類似，都為中間段變形，而對(duì)于所填充的混凝土而言，鋼管束中的混凝土，被保護(hù)情況好，并未出現(xiàn)很大的變形破壞。同時(shí)，對(duì)比圖7與圖9，結(jié)果表明新型約束混凝土組合柱的延性是普通鋼管混凝土的十幾倍，其具有很好的變形能力和延性系數(shù)，具有很強(qiáng)的抗震性能。

本發(fā)明通過由上述多個(gè)鋼管混凝土柱單元組合而成，在復(fù)雜應(yīng)力情況下受力明確，便于受力分析，尤其是在對(duì)異形柱的受力分析中更加簡(jiǎn)單。相較于普通鋼管混凝土柱，無論柱子截面積多大，厚壁鋼管不會(huì)出現(xiàn)，同時(shí)在整體內(nèi)部也內(nèi)嵌鋼管，因此其在吸收鋼管混凝土的優(yōu)異性能的同時(shí)，表現(xiàn)出更好的抗震性能，施工性能和適用性。

為了保證足夠的承載能力和施工性能，鋼管束混凝土中的鋼管為冷彎薄壁鋼管，且單個(gè)鋼管柱的邊長(zhǎng)不應(yīng)小于90mm，不應(yīng)大于300mm。為了能更好地確保鋼板與混凝土協(xié)同工作，可以在新型約束混凝土組合柱的內(nèi)鋼管柱中進(jìn)行開孔。

本發(fā)明所述新型約束混凝土組合柱的施工工藝：

新型約束混凝土組合柱的冷彎薄壁鋼管以及鋼管之間的焊接，均可在專業(yè)化的鋼構(gòu)公司制作，然后運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)，無需進(jìn)行支模，進(jìn)一步澆筑混凝土。

采用新型約束混凝土組合柱結(jié)構(gòu)時(shí)，可以在其組合內(nèi)柱的管壁上開洞，確保鋼與混凝土之間的有效連接，在鋼管束整體組合完成后，最后進(jìn)行整體澆注。通過本發(fā)明設(shè)計(jì)的新型約束混凝土組合柱，提高了柱子的耗能能力，改善了抗震性能，且施工方便快捷，創(chuàng)造一定的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。