專利名稱：組合鋼/混凝土柱的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及鋼和混凝土組合結(jié)構，特別涉及高層柱結(jié)構，該高層柱結(jié)構設計用來主要承受軸向荷載，該軸向荷載由自重或自重與風力或地震力引起的軸向荷載的合成力產(chǎn)生。該柱基本上用在高層鋼結(jié)構建筑物中，它具有廠制導致的快速現(xiàn)場裝配的優(yōu)點。
在已有技術中，組合鋼/混凝土柱可承受很重的拉力和壓力已經(jīng)為人所知。這樣，人們已經(jīng)知道用混凝土填充鋼管梁或H形自由空間鋼梁，以增加抗壓強度。這種柱在美國專利3051161和4196558中作了描述。
防火的混凝土與鋼的構件在已有技術中也公知，它包括用混凝土覆蓋的鋼梁，以增加鋼的防火性。這種已有技術的梁的實例參見美國專利3516213；4571913和4779395。
下列文件是已有技術的鋼/混凝土柱的其它實例美國專利915295；918643；1813118；2618148；2844023；2912849；3147571；3267627；3300912；3590547；3798867；3890750；3916592；3938294；4128980；4407106；4722156；4783940；5012622；5119614和5410847。
公知的高強組合鋼/混凝土柱通常具有的缺點是柱的由鋼部件形成的鋼部分與混凝土部分相比仍很大，導致該柱就價格來說引不起人的興趣。用于已有技術的組合柱中的這種較重的鋼部件帶來的缺點是需要很重且很貴的設備，以便在施工現(xiàn)場豎立這些部件。因為鋼部件很重，它不容易操作。
本發(fā)明的一個目的是提供一種能克服上述缺點的改進的鋼混柱。特別是，本發(fā)明的一個目的是提出一種高強鋼/混凝土柱，它使鋼與混凝土的比與已有技術的組合柱相比大大降低，因而大大降低生產(chǎn)成本和柱的尺寸，而且降低安裝柱必須的提升設備的尺寸和成本。
根據(jù)本發(fā)明，實現(xiàn)上述目的的一種組合鋼/混凝土柱包括一個縱向伸展的H形鋼組件，它具有給定的橫截面表面積，并包括一對基本平行的翼緣板和一個腹板，該腹板與翼緣板相連并一起限定了兩個相對的槽形空間；在腹板的每一側(cè)沿鋼組件布置的許多隔開的橫向系桿，每個系桿與翼緣板相連；和填充進槽形空間的大量混凝土。組合鋼/混凝土柱的特征在于鋼組件的橫截面表面積與組合鋼/混凝土柱的總表面積之比小于9％，最好在2％至5％。
本發(fā)明還涉及建造一種鋼/混凝土柱的方法，該鋼/混凝土柱具有給定的橫截面表面積，而且，鋼的橫截面表面積占柱的橫截面表面積的不到9％，該方法依次包括下列步驟a)豎立一個空的鋼柱，該鋼柱包括一個縱向伸展的鋼組件，該鋼組件包括一對基本平行的翼緣板和一個腹板，該腹板與翼緣板相連并一起限定了兩個相對的槽形空間；和在腹板的每一側(cè)沿鋼組件布置的許多隔開的橫向系桿，每個系桿與翼緣板相連；b)提供一個模板，該模板用來縱向封閉槽形空間；c)在槽形空間內(nèi)灌注大量混凝土；和d)拆除模板。
鋼組件由三個較薄的鋼板預制成一個基本上“H”形構造。柱的鋼部分設計成抵抗所有施工靜載和活載以及一部分或所有的永久靜載甚至一些活載。剩下是永久靜載以及活載由組合鋼-混凝土柱承受。
下面參見附圖，根據(jù)圖示的一個優(yōu)選實施例來描述本發(fā)明。


圖1是在現(xiàn)場施工期間，在不同的提升階段，在一種典型的高層建筑物的三層部分中，根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的鋼/混凝土柱的透視圖。
圖2是在混凝土灌注和模板拆除之后，圖1的沿線II-II截取的組合鋼/混凝土柱的橫截面頂視圖。
圖3是在混凝土灌注和模板安裝之前，在典型的高層建筑物的樓板之間，沿線III-III截取的圖1的柱的鋼組件的橫截面頂視圖。
圖4是在混凝土灌注之前，在一種典型的高層鋼結(jié)構建筑物的樓板層，沿線IV-IV截取的圖1的鋼組件的橫截面頂視圖。
圖5是在混凝土灌注之前，在模板已就位的典型的高層建筑物的樓板之間，沿圖1的線V-V截取的鋼組件的橫截面端視圖。
參見圖1和2，根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，一種鋼/混凝土組合柱(2)包括一個縱向伸展的H形鋼組件(4)，該H形鋼組件包括一對基本平行的翼緣板(6)和一個腹板(8)，該腹板(8)與該翼緣板(6)相連并限定了兩個相對的槽形空間(10)。每個翼緣板(6)最好焊接到腹板(8)的各端(9)上。許多隔開的橫向系桿(12)沿鋼組件(4)布置在腹板(8)的每一側(cè)。每個系桿(12)與翼緣板(6)相連并支承該翼緣板(6)。最好，每個系桿(12)在靠近翼緣板(6)的外側(cè)邊與所述板(6)相連。如圖1最佳所示，系桿(12)最好沿柱(2)有規(guī)則的隔開。
大量混凝土(14)填充進槽形空間(10)內(nèi)。鋼組件(4)的橫截面表面積與鋼/混凝土組合柱(2)的總表面積之比小于9％，最好在2％至5％之間。傳統(tǒng)的組合柱不具有如此低的鋼含有率，這種傳統(tǒng)的組合柱包括由單根型鋼產(chǎn)生并形成的H形鋼部件，而且其中的翼緣和腹板相互成整體。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使用由獨立的薄板部件，即翼緣板(6)和腹板(8)，制成的鋼組件(4)，有可能得到如此低的比例，與此同時不會太降低鋼組件(4)的軸向強度。特別是，如圖2所示，鋼組件(4)包括工廠焊接的三個板部件，并且由較薄的翼緣板(6)和較薄的腹板(8)制成。系桿(12)在靠近翼緣板的外側(cè)端支承該翼緣板(6)，系桿(12)沿柱的高度焊接到柱翼緣板(6)上并以幾乎相等的間距隔開。系桿(12)可由圓或扁平的條形的加強條鋼制成。
除了組合截面的特性和變化過程顯著不同外，組合截面的形狀與傳統(tǒng)的熱軋形狀類似。翼緣(6)和腹板(8)的寬厚比顯然大于正常標準，對于熱軋形狀或者甚至對于三種板組合截面來說，該寬厚比超過正常極限值的1.5至5倍。在美國鋼結(jié)構研究所的“鋼結(jié)構建筑物規(guī)范”和“鋼結(jié)構建筑物的荷載和阻力系數(shù)設計規(guī)范”中，翼緣的這種極限范圍定義為95/(Fy)0.5，這里Fy指鋼的屈服強度。腹板的極限尺寸根據(jù)相同的規(guī)范分別是257(Fy)0.5/和253/(Fy)0.5。由于翼緣在很低的應力作用下過早彎曲，因此正常結(jié)構的寬厚比的大小使截面不實用。系桿(12)沿柱的長度添加在翼緣(6)之間，并靠近翼緣(6)的邊緣布置，以增加截面的抗彎強度。這些新的柱截面設計成使得由鋼截面包圍的總面積只包含百分之二至百分之五的鋼面積。因此組合柱的混凝土與鋼之比定為19至49。鋼面積占傳統(tǒng)的高層建筑物熱軋柱所包圍的面積的百分比在9％至54％之間，該百分比通常大于三個板組合的高層建筑物柱。本發(fā)明的目的是在利用鋼/混凝土柱建造鋼結(jié)構高層建筑物的時候，使用含盡可能小面積鋼的柱。
如上所述，在灌注混凝土(14)之前，系桿(12)用作鋼截面的翼緣支承系桿。這樣防止薄翼緣板(6)橫向彎曲，并大大改進空的鋼柱(4)的荷載承載力。
系桿(12)還用作混凝土(14)的橫向系桿，混凝土(14)在另外三側(cè)由鋼組件(4)的翼緣(6)和腹板(8)完全封閉，與此同時，在一開口側(cè)面，混凝土(14)由系桿(12)限制。這種限制增加組合柱(2)的混凝土部分(14)的所述軸向能力。系桿(12)可由標準扁鋼或圓鋼或鋼筋制成。系桿(12)的端可直接焊接到柱翼緣(6)的內(nèi)側(cè)面。或者，如圖2和3所示，桿端可彎曲成與系桿(12)保持90度夾角，該端指向柱(2)的腹板(8)，并垂直于柱的軸，而且這些桿端焊接到柱翼緣(6)內(nèi)側(cè)面。
如前所述，本發(fā)明還涉及建造上述鋼/混凝土柱(2)的方法。該方法依次包括下列步驟a)豎立一個空的鋼柱，該鋼柱由上述一個縱向伸展的鋼組件(4)組成；
b)提供一個模板(16)，該模板用來縱向封閉槽形空間(10)；c)在槽形空間(10)內(nèi)灌注大量混凝土(14)；和d)拆除模板(16)。
特別參見圖1，在三層視圖的下層(A)，組合鋼/混凝土柱(2)表示成混凝土(14)已灌注，且模板(16)已拆除。在中層(B)，圖中表示了帶膠合板模板(16)的鋼組件(4)處于在槽形空間或柱空腔內(nèi)灌注混凝土(14)之前的狀態(tài)，該空間或空腔在鋼組件(4)的翼緣(6)與腹板(8)和模板(16)之間形成，這如圖5所示。在上層(C)，圖中表示的鋼組件(4)處于廠制狀態(tài)，這如圖3所示。典型的樓板橫梁(18)裝配在鋼柱組件(4)的翼緣(6)上構成框架。為清楚起見，標準的樓板橫梁與柱翼緣的連接沒有圖示出。裝配進柱組件(4)的腹板側(cè)面(8)上的典型的樓板橫梁(19)或其它類型的樓板支承構件例如桁梁或托梁(未表示)與鋼連接板(20)連接。為清楚起見，沒有表示梁(19)和連接板(20)之間的標準連接。圖中所示的一種典型的鋼樓板承臺(22)支承著混凝土樓板的面板(24)，該面板(24)用作中層(B)的成品樓板。系桿(12)可在上層(C)的鋼組件(4)內(nèi)看到。
參見圖4，鋼連接板(20)廠焊到柱翼緣(6)的坡腳或邊緣，以便于在樓板層樓板構件(19)裝配在柱組件(4)的腹板(8)上的連接。如圖1最佳所示，連接板(20)最好突出到樓板框架構件(19)的下翼緣(26)之下，以便設置和拆卸模板(16)。
參見圖5，在該圖中由膠合擋板構成的模板(16)可采用能承受混凝土澆注荷載的任意材料。捆帶條(28)或任意適當?shù)墓潭ㄎ镉脕砭偷刂С心z合板(16)，并且使其很容易拆掉。最好增加垂直加強鋼筋(30)以進一步限制混凝土并承受附加的垂直荷載。
如圖1所示，鋼板連接件(20)焊接到柱翼緣(6)的坡腳，因此為了將樓板構件(19)直接裝配進柱組件(4)內(nèi)，采用傳統(tǒng)的鋼連接件。在現(xiàn)場灌注混凝土以建造組合柱(2)期間，該板連接件(20)變成永久模板。
為了封閉由柱組件(4)的腹板(8)和柱翼緣(6)的坡腳所圍繞的區(qū)域，需要簡單的膠合板或類似的模板(16)。如圖1所示，模板(16)的高度只需要覆蓋從成品樓板面板(24)下方到相鄰的上層樓板的鋼連接板(20)的下側(cè)。
在柱(2)內(nèi)的混凝土(14)從樓板上方經(jīng)過槽形空間(10)灌注，換句話說，該空間是指在鋼板連接件(20)或模板(16)與一區(qū)域之間形成的開口，該區(qū)域位于鋼柱組件(4)的腹板(8)和翼緣(6)的尖端之間?；炷?14)以與柱正上方的樓板的混凝土相同的順序灌注。
可以理解，混凝土(14)在失火時起吸熱的作用，并防止柱(2)的鋼部分過早彎曲，因此不需要附加防火措施即可達到防火等級。
剪力結(jié)合器可布置在翼緣(6)和鋼連接板(20)以及鋼柱組件(4)的腹板(8)的內(nèi)側(cè)面上，以便在混凝土(14)和組合柱(2)的鋼部分(4)之間分配軸向荷載。最佳的，本發(fā)明的一種鋼/混凝土組合柱允許以較低的成本快速的建造高層結(jié)構建筑物。高層建筑物的豎立說明柱能夠抵抗很大的軸向荷載。
在建筑物豎立階段，預制鋼組件主要用來承受軸向荷載。由于與已有技術的組合柱相比，鋼部分大大減少，因此豎立鋼組件所需要的提升裝置的尺寸大大縮小，可以使用更小和更快的起重機。這樣，可快速建立許多樓板層。通過在鋼組件的槽形空間內(nèi)灌注混凝土，增加了柱的軸向強度。
權利要求
1.一種組合鋼/混凝土柱(2)包括一個縱向伸展的H形鋼組件(4)，它具有給定的橫截面表面積，并包括一對基本平行的翼緣板(6)和一個腹板(8)，該腹板(8)與翼緣板(6)相連并一起限定了兩個相對的槽形空間(10)；在腹板(8)的每一側(cè)沿鋼組件(4)布置的許多隔開的橫向系桿(12)，每個系桿(12)與翼緣板(6)相連；填充進槽形空間(10)內(nèi)的大量混凝土(14)；且組合鋼/混凝土柱(2)的特征在于鋼組件(4)的橫截面表面積與組合鋼/混凝土柱(2)的總表面積之比小于9％。
2.如權利要求1所述的組合鋼/混凝土柱(2)，其特征在于鋼組件(4)的橫截面表面積與組合鋼/混凝土柱(2)的總表面積之比在2％至5％之間。
3.如權利要求1或2所述的組合鋼/混凝土柱(2)，其特征在于每個翼緣板(6)焊接到腹板(8)的各端(9)。
4.如權利要求1至3中任一所述的組合鋼/混凝土柱(2)，其特征在于每個系桿(12)在靠近所述翼緣板(6)的外側(cè)邊與翼緣板(6)相連。
5.如權利要求1至4中任一所述的組合鋼/混凝土柱(2)，其特征在于每個系桿(12)焊接到翼緣板(6)上。
6.如權利要求1至5中任一所述的組合鋼/混凝土柱(2)，其特征在于系桿(12)沿柱(2)基本上縱向有規(guī)則的隔開。
7.如權利要求1至6中任一所述的組合鋼/混凝土柱(2)，其特征在于鋼組件(4)的翼緣板(6)的寬厚比超過正常極限值的1.5至5倍，翼緣的這種極限范圍定義為95/(Fy)0.5，這里Fy指鋼的屈服強度。
8.如權利要求1至7中任一所述的組合鋼/混凝土柱(2)，其特征在于鋼組件(4)的腹板(8)的寬厚比大于257/(Fy)0.5。
9.如權利要求1至8中任一所述的組合鋼/混凝土柱(2)，其特征在于它還包括埋置在混凝土體(14)中的縱向伸展的鋼筋(30)。
10.一種建造鋼/混凝土柱(2)的方法，該鋼/混凝土柱(2)具有給定的橫截面表面積，而且，柱(2)的特征在于鋼的橫截面表面積占柱(2)的橫截面表面積的不到9％，該方法的特征在于，它依次包括下列步驟a)豎立一個空的鋼柱，該鋼柱包括一個縱向伸展的鋼組件(4)，該鋼組件包括一對基本平行的翼緣板(6)和一個腹板(8)，該腹板與翼緣板(6)相連，并一起限定了兩個相對的槽形空間(10)；和在腹板(8)的每一側(cè)沿鋼組件(4)布置的許多橫向系桿(12)，每個系桿(12)與翼緣板(6)相連；b)提供一個模板(16)，該模板用來縱向封閉槽形空間(10)；c)在槽形空間(10)內(nèi)灌注大量混凝土(14)；和d)拆除模板(16)。
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于鋼組件(4)的橫截面表面積與鋼/混凝土柱(2)的總表面積之比在2％至5％之間。
全文摘要
組合鋼/混凝土柱(2)包括一個縱向伸展的H形鋼組件(4),該鋼組件(4)具有一對基本平行的翼緣板(6)和一個腹板(8),該腹板(8)與翼緣板(6)相連并一起限定了兩個相對的槽形空間(10)。在腹板(8)的每一側(cè)沿鋼組件布置有許多隔開的橫向系桿(12)以便與翼緣板(6)相連。大量混凝土(14)填充進槽形空間內(nèi)的。組合鋼/混凝土柱的特征在于鋼組件的橫截面表面積與組合鋼/混凝土柱的總表面積之比小于9%,最好在2%至5%之間。該柱基本上用在鋼結(jié)構的高層建筑物中,它具有廠預制帶來的快速現(xiàn)場施工的優(yōu)點。該柱的鋼與混凝土之比與已有技術的組合柱相比大大降低,因此大大降低了生產(chǎn)成本和柱的尺寸,而且大大降低了工期。
文檔編號E04C3/30GK1256735SQ98805134
公開日2000年6月14日 申請日期1998年5月14日 優(yōu)先權日1997年5月15日
發(fā)明者理查德·文森特 申請人:卡納姆曼納克集團公司