内置复合约束的矩形钢管混凝土柱及其施工方法与流程

1.本发明涉及全寿期建筑结构安全保障、综合性能和抗灾韧性提升的技术领域，具体是一种内置复合约束的矩形钢管混凝土柱及其施工方法。


背景技术：

2.众所周知，钢管混凝土柱具有良好的受力性能和施工性能，近年来被广泛用于建设工程中，有着良好的应用前景。目前，实际中钢管混凝土柱采用较多的截面形式主要包括圆形、矩形和多边形三种。矩形钢管混凝土柱具有稳定性好，建筑空间布置灵活和梁柱节点连接构造相对简单等优势，广泛应用于多、高层钢结构住宅或高层建筑、超高层建筑结构中。然而由于矩形钢管长、短边约束核心混凝土的作用不均匀、且约束效果相比圆形截面的钢管混凝土柱的更差，限制了矩形钢管混凝土的工程实际使用。为提升综合性能和抗灾韧性，国内外学者提出了一系列措施以增强矩形钢管混凝土柱的力学性能，具体包括在钢管内部焊接加劲肋、栓钉、钢筋加劲肋、设置约束对拉杆和内设箍筋等。
3.目前，对于内设箍筋的这一措施，申请号为201921921547.x的中国专利提出了一种双腔式矩形钢管混凝土柱、申请号为202011397979.2的中国专利提出了一种矩形钢管混凝土柱和制备方法并申请了发明专利、硕士论文《内配椭圆箍筋矩形钢管混凝土短柱轴压及偏压力学性能研究》中提出内配椭圆箍筋的方法，但上述钢管混凝土柱存在以下缺点：
4.1、申请号为201921921547.x的矩形钢管混凝土柱，其采用了中腹钢板进行分隔，即将中腹钢板两端焊接于矩形钢管的内壁上，这种方式钢材用量较多，且中腹钢板与矩形钢管的内壁的焊接麻烦。另外当发出火灾时，由于钢材导热系数大，矩形钢管的热量非常容易通过中腹钢板传递至矩形钢管混凝土柱内部，使得内部混凝土的性能退化严重，进而可能劣化矩形钢管混凝土柱的抗火性能。
5.2、申请号为202011397979.2的矩形钢管混凝土柱，其采用了多层约束箍筋，上、下层的约束箍筋并不连续，其对矩形钢管混凝土柱的性能提升并不明显。且约束箍筋为“u形+弧形”的组合形式，加工会非常麻烦，对设备要求更高且耗费的人力更多。内配椭圆箍筋的缺点也与此专利类似。
6.此外，火灾发生的规模和频次与日俱增，全世界因火灾产生的经济损失约2000亿元。钢管自身防火的耐火极限不是很高，为满足耐火极限要求，多数情况下钢管表面还需设置防火涂料。在结构的全寿命服役过程中，防火涂料不可避免地会遭受环境侵蚀、材料老化等复杂因素的影响，可能出现严重粉化、开裂甚至脱落等病态现象，导致防火涂料长期耐火性能的可靠性受到质疑，存在重大安全隐患且定期维护保养等成本很高。
7.综上，寻找一种施工方便，又能提升矩形钢管混凝土柱结构自身的抗火性能、可实现免防火保护、少维护，确保防火与结构同寿期的防火技术显得非常重要。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种内置复合约束的矩形钢管混凝土柱及其施工方法。
9.一方面，本发明内置的复合约束的加工及施工方便，对核心混凝土的约束作用效果好。在与传统矩形钢管混凝土柱的总用钢量保持不变的情况下，通过减薄矩形钢管的壁厚并在矩形钢管内部设置复合约束，改善矩形钢管的长、短边约束不均匀和约束弱的现状，延缓矩形钢管的侧边局部鼓曲并加强对核心混凝土的约束，使矩形钢管混凝土柱的常温力学性能明显改善。
10.另一方面，火灾下，当外面的矩形钢管的力学性能退化严重时，内置的复合约束可约束核心混凝土，提升核心混凝土高温性能，从而能大幅提升矩形钢管混凝土柱在全寿期的抗火性能，进而可实现矩形钢管表面免除防火保护又能满足耐火极限要求的目标。
11.本发明通过下述技术方案实现：
12.一种内置复合约束的矩形钢管混凝土柱，其特征在于：包括复合约束、核心混凝土、矩形钢管和固定用钢筋；复合约束置于矩形钢管的内部并沿矩形钢管混凝土柱的高度方向连续设置；核心混凝土填充于矩形钢管的内部，复合约束埋于核心混凝土内；
13.复合约束包括一个矩形螺旋箍筋、至少两个圆形螺旋箍筋和至少一个一笔箍组件；一笔箍组件由两个呈交叉布置的一笔箍组成；一笔箍组件将矩形螺旋箍筋的两个长边拉结形成整体，并将矩形螺旋箍筋的内部分隔成至少两个空腔，每个空腔内部分别设置一个圆形螺旋箍筋；一笔箍从矩形螺旋箍筋的节距之间嵌入；一笔箍的同一侧的相邻两个折弯部之间的距离为矩形螺旋箍筋的节距的两倍；矩形螺旋箍筋的外侧与矩形钢管的内壁之间设有距离；固定用钢筋用于固定矩形螺旋箍筋，且在沿矩形钢管混凝土柱的高度方向可断开、不连续设置。
14.进一步地，一笔箍由一根完整的钢筋来回折弯而成，在一笔箍的两侧分别形成多个折弯部，一笔箍组件的两个一笔箍的折弯部交替拉结矩形螺旋箍筋的长边。
15.进一步地，圆形螺旋箍筋外侧与矩形螺旋箍筋的内侧之间紧靠在一起。
16.进一步地，矩形螺旋箍筋与一笔箍组件之间、矩形螺旋箍筋和圆形螺旋箍筋之间、以及矩形螺旋箍筋与固定用钢筋之间通过点焊或绑扎连接成一体，再以一体的形式置入矩形钢管内。
17.进一步地，矩形钢管为普通强度或者高强度钢管，圆形螺旋箍筋、一笔箍和矩形螺旋箍筋采用普通强度或者高强度的直径为6～12mm的钢筋。
18.进一步地，矩形螺旋箍筋的外侧与矩形钢管的内壁之间设置的距离为25～50mm。
19.进一步地，固定用钢筋采用hpb 300级、直径6～12mm的钢筋。
20.进一步地，核心混凝土为天然骨料混凝土、再生骨料混凝土、再生块体混凝土或再生块体/骨料混凝土。
21.所述的内置复合约束的矩形钢管混凝土柱的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：
22.步骤一：进行矩形钢管的制作加工；
23.步骤二：按预设的纵向中心间距分别加工制作圆形螺旋箍筋一笔箍和矩形螺旋箍筋；将一笔箍嵌于矩形螺旋箍筋上，并在空腔内置入圆形螺旋箍筋；将圆形螺旋箍筋、一笔箍、矩形螺旋箍筋和固定用钢筋通过点焊或绑扎连接成一体，然后置于矩形钢管的内部并固定，确保矩形螺旋箍筋与矩形钢管的中心轴重合，且矩形螺旋箍筋的外侧与矩形钢管的内壁之间留有距离；
24.步骤三：进行矩形钢管的现场吊装与拼接，随后从矩形钢管顶部灌入混凝土，充分振捣至密实。
25.本发明相对于现有技术，具有如下优点及效果：
26.(1)内置的圆形螺旋箍筋、矩形螺旋箍筋和一笔箍以及矩形钢管均可在工厂加工装配，施工方便、装配化程度高，且现场不再额外增加矩形钢管混凝土柱的施工工序。
27.(2)在矩形钢管内置复合约束，改善矩形钢管长短边约束和约束弱的问题，延缓矩形钢管的长边局部屈曲并加强对核心混凝土的约束，进一步改善矩形钢管混凝土柱的综合性能和抗灾韧性。
28.(3)火灾下，当外面的矩形钢管的力学性能退化严重时，内置的复合约束可约束核心混凝土，提升核心混凝土高温性能，从而大幅提升矩形钢管混凝土柱在全寿期的抗火性能，进而可实现矩形钢管表面免除防火保护又能满足耐火极限要求的目标，绿色低碳环保节能。
附图说明
29.图1是本发明实施例1的矩形钢管混凝土柱的结构示意图；
30.图2是本发明实施例1的圆形螺旋箍筋的结构示意图；
31.图3是本发明实施例1的一笔箍组件的结构示意图；
32.图4是本发明实施例1的矩形螺旋箍筋的结构示意图。
33.图中附图标记含义：
34.1-圆形螺旋箍筋；2-一笔箍；3-矩形螺旋箍筋；4-核心混凝土；5-矩形钢管；6-固定用钢筋；7-折弯部。
具体实施方式
35.下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
36.实施例1：
37.如图1～图4所示，一种内置复合约束的矩形钢管混凝土柱，包括复合约束、核心混凝土4、矩形钢管5和固定用钢筋6。复合约束包括一个矩形螺旋箍筋3、两个圆形螺旋箍筋1和一个一笔箍组件，一笔箍组件由两个呈交叉布置的一笔箍2组成。
38.复合约束置于矩形钢管5的内部并沿矩形钢管混凝土柱的高度方向连续设置，矩形螺旋箍筋3的外侧与矩形钢管5的内壁之间留有40mm的距离。两个一笔箍2将矩形螺旋箍筋3的两个长边拉结形成整体，并将矩形螺旋箍筋3的内部分隔成两个空腔，每个空腔内部分别设置一个圆形螺旋箍筋1，圆形螺旋箍筋1的外侧与矩形螺旋箍筋3的内侧之间紧靠在一起。固定用钢筋6仅用于固定矩形螺旋箍筋3，沿矩形钢管混凝土柱的高度方向可断开、不连续设置，即固定用钢筋6沿矩形螺旋箍筋3的高度方向上可以断开设置为多段，分开成多段的固定用钢筋6使内部复合约束更容易施工。
39.其中，矩形螺旋箍筋3和圆形螺旋箍筋1的钢筋均按螺旋形式延伸。矩形螺旋箍筋3与圆形螺旋箍筋1的节距可选择相同也可选择不同。
40.一笔箍2由一条完整的钢筋来回折弯而成，在一笔箍2的两侧分别形成多个折弯部
7，一笔箍2的同一侧的相邻两个折弯部7之间的距离为矩形螺旋箍筋3的节距的两倍，两个一笔箍2相互紧靠在一起呈交叉布置，一笔箍组件的两个一笔箍2的折弯部交替布置，一笔箍2两侧的折弯部7从矩形螺旋箍筋3节距之间嵌入，并将矩形螺旋箍筋3的两个长边拉结。
41.本实施例中，矩形钢管5采用两块冷弯的型钢拼焊而成，矩形钢管5的横截面尺寸为350mm
×
580mm，壁厚为10mm，高度为5000mm，钢材选用q345b钢板，实测屈服强度为390mpa。
42.本实施例中，圆形螺旋箍筋1采用直径10mm的hrb 400级钢筋，实测屈服强度为490mpa；圆形螺旋箍筋1的节距为80mm。
43.本实施例中，两个圆形螺旋箍筋1的直径均为220mm。
44.本实施例中，一笔箍2采用直径10mm的hrb 400级钢筋，实测屈服强度为490mpa；交叉布置的两个一笔箍2设置于矩形螺旋箍筋3的长边一半位置处；一笔箍2的同一侧的相邻两个折弯部7之间的距离为160mm。
45.本实施例中，矩形螺旋箍筋3采用直径10mm的hrb 400级钢筋，实测屈服强度为490mpa；矩形螺旋箍筋3的节距为80mm。
46.本实施例中，矩形螺旋箍筋3的长边(中心距)为480mm、短边(中心距)为240mm。
47.本实施例中，固定用钢筋6采用直径为10mm的hpb 300钢筋，其长度为4870mm。
48.本实施例中，矩形螺旋箍筋3与固定用钢筋6采用绑扎连成整体，在矩形螺旋箍筋3的角部处布置四根固定用钢筋6，用于固定矩形螺旋箍筋3的形状，固定用钢筋6竖向设置。
49.本实施例中，复合约束点焊连成整体，并通过上、中、下三个位置设置的短钢筋棒进行固定，以确保矩形螺旋箍筋3的外侧与矩形钢管5的内壁之间的距离。
50.本实施例中，核心混凝土4采用天然骨料混凝土，天然骨料混凝土的150mm立方体抗压强度为45mpa。
51.本实施例中，矩形钢管2拼焊、复合约束之间的焊接焊条采用e50形，焊剂f4a0，焊缝质量等级为一级。
52.本实施例的内置复合约束的矩形钢管混凝土柱的施工方法，包括如下步骤：
53.步骤一：进行矩形钢管5的制作加工；
54.步骤二：按预设的纵向中心间距分别加工制作好圆形螺旋箍筋1、一笔箍2和矩形螺旋箍筋3；随后将一笔箍2交叉布置于矩形螺旋箍筋3上，并在空腔内置入圆形螺旋箍筋1；将圆形螺旋箍筋1、一笔箍2、矩形螺旋箍筋3和固定用钢筋6通过点焊或绑扎连接成一体，然后以一体的形式置于矩形钢管5的内部并固定，可以通过短钢筋棒进行焊接固定，确保矩形螺旋箍筋3与矩形钢管5的中心轴重合，且矩形螺旋箍筋3的外侧与矩形钢管5的内壁之间留有40mm的距离；
55.步骤三：进行矩形钢管5的现场吊装与拼接，随后从矩形钢管5顶部灌入混凝土，充分振捣至密实。
56.实施例2：
57.一种内置复合约束的矩形钢管混凝土柱，包括复合约束、核心混凝土4、矩形钢管5和固定用钢筋6。复合约束包括一个矩形螺旋箍筋3、三个圆形螺旋箍筋1和两组一笔箍组件，一笔箍组件由两个呈交叉布置的一笔箍2组成。
58.复合约束置于矩形钢管5的内部并沿矩形钢管混凝土柱的高度方向连续设置，矩
形螺旋箍筋3的外侧与矩形钢管5的内壁之间留有40mm的距离。两组一笔箍组件将矩形螺旋箍筋3的两个长边拉结形成整体，并将矩形螺旋箍筋3的内部分隔成三个空腔，每个空腔内部设置一个圆形螺旋箍筋1，圆形螺旋箍筋1的外侧与矩形螺旋箍筋3的内侧之间紧靠在一起。固定用钢筋6仅用于固定矩形螺旋箍筋3，沿矩形钢管混凝土柱的高度方向可断开、不连续。
59.本实施例中，矩形钢管5采用两块冷弯的型钢拼焊而成，矩形钢管5的横截面尺寸为350mm
×
810mm，壁厚为10mm，高度为4000mm，钢材选用q345b钢板，实测屈服强度为390mpa。
60.本实施例中，圆形螺旋箍筋1采用直径10mm的hrb 400级钢筋，实测屈服强度为490mpa；圆形螺旋箍筋1的节距为75mm。
61.本实施例中，圆形螺旋箍筋1的直径均为220mm。
62.本实施例中，一笔箍2采用直径10mm的hrb 400级钢筋，实测屈服强度为490mpa；一笔箍2的同一侧的相邻两个折弯部7之间的距离为150mm。
63.本实施例中，矩形螺旋箍筋3采用直径10mm的hrb 400级钢筋，实测屈服强度为490mpa；矩形螺旋箍筋3的节距为75mm。
64.本实施例中，矩形螺旋箍筋3的长边(中心距)为700mm、短边(中心距)为240mm。
65.本实施例中，固定用钢筋6采用直径为10mm的hpb 300钢筋，其长度为3850mm。
66.本实施例中，矩形螺旋箍筋3与固定用钢筋6采用绑扎连成整体。
67.本实施例中，复合约束点焊连成整体，并通过上、中、下三个位置设置的短钢筋棒进行固定，以确保矩形螺旋箍筋3的外侧与矩形钢管5的内壁之间的距离。
68.本实施例中，核心混凝土4采用再生块体混凝土，再生块体混凝土的150mm立方体抗压强度为50mpa。
69.本实施例中，矩形钢管2拼焊、复合约束之间的焊接焊条采用e50形，焊剂f4a0，焊缝质量等级为一级。
70.本实施例的内置复合约束的矩形钢管混凝土柱的施工方法，包括如下步骤：
71.步骤一：进行矩形钢管5的制作加工；
72.步骤二：按预设的纵向中心间距分别加工制作好的圆形螺旋箍筋1、一笔箍2和矩形螺旋箍筋3；随后将一笔箍2交叉布置于矩形螺旋箍筋3上，并在空腔内置入圆形螺旋箍筋1；将圆形螺旋箍筋1、一笔箍2、矩形螺旋箍筋3和固定用钢筋6通过点焊或绑扎形成一体，然后以一体的形式置于矩形钢管5的内部并固定，确保矩形螺旋箍筋3与矩形钢管5的中心轴重合，且矩形螺旋箍筋3的外侧与矩形钢管5的内壁之间留有40mm的距离；
73.步骤三：进行矩形钢管5的现场吊装与拼接，随后从矩形钢管5顶部灌入混凝土，充分振捣至密实。
74.根据本发明的方法，还可以开发一系列的实施例子，并非对本发明作任何形式上的限制，故依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何简单的修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围。

技术特征：
1.一种内置复合约束的矩形钢管混凝土柱，其特征在于：包括复合约束、核心混凝土(4)、矩形钢管(5)和固定用钢筋(6)；所述复合约束置于所述矩形钢管(5)的内部并沿矩形钢管混凝土柱的高度方向连续设置；所述核心混凝土(4)填充于所述矩形钢管(5)的内部，所述复合约束埋于所述核心混凝土(4)内；所述复合约束包括一个矩形螺旋箍筋(3)、至少两个圆形螺旋箍筋(1)和至少一个一笔箍组件；所述一笔箍组件由两个呈交叉布置的所述一笔箍(2)组成；所述一笔箍组件将所述矩形螺旋箍筋(3)的两个长边拉结形成整体，并将所述矩形螺旋箍筋(3)的内部分隔成至少两个空腔，每个所述空腔内部分别设置一个所述圆形螺旋箍筋(1)；所述一笔箍(2)从所述矩形螺旋箍筋(3)的节距(节距为螺旋箍筋螺旋延伸一圈所推进的高度)之间嵌入；所述一笔箍(2)的同一侧的相邻两个折弯部(7)之间的距离为所述矩形螺旋箍筋(3)的节距的两倍；所述矩形螺旋箍筋(3)的外侧与所述矩形钢管(5)的内壁之间设有距离；所述固定用钢筋(6)用于固定所述矩形螺旋箍筋(3)，且在沿所述矩形钢管混凝土柱的高度方向可断开、不连续设置。2.根据权利要求1所述的内置复合约束的矩形钢管混凝土柱，其特征在于：所述一笔箍(2)由一根完整的钢筋来回折弯而成，在所述一笔箍(2)的两侧分别形成多个折弯部(7)，所述一笔箍组件的两个所述一笔箍(2)的折弯部(7)交替拉结所述矩形螺旋箍筋(3)的长边。3.根据权利要求1所述的内置复合约束的矩形钢管混凝土柱，其特征在于：所述圆形螺旋箍筋(1)外侧与所述矩形螺旋箍筋(3)的内侧之间紧靠在一起。4.根据权利要求1所述的内置复合约束的矩形钢管混凝土柱，其特征在于：所述矩形螺旋箍筋(3)与所述一笔箍组件之间、所述矩形螺旋箍筋(3)和所述圆形螺旋箍筋(1)之间、以及所述矩形螺旋箍筋(3)与所述固定用钢筋(6)之间通过点焊或绑扎连接成一体，再以一体的形式置入所述矩形钢管(5)内。5.根据权利要求1所述的内置复合约束的矩形钢管混凝土柱，其特征在于：所述矩形钢管(5)为普通强度或者高强度钢管，所述圆形螺旋箍筋(1)、所述一笔箍(2)和所述矩形螺旋箍筋(3)采用普通强度或者高强度的直径为6～12mm的钢筋。6.根据权利要求1所述的内置复合约束的矩形钢管混凝土柱，其特征在于：所述矩形螺旋箍筋(3)的外侧与所述矩形钢管(5)的内壁之间设置的距离为25～50mm。7.根据权利要求1所述的内置复合约束的矩形钢管混凝土柱，其特征在于：所述固定用钢筋(6)采用hpb 300级、直径6～12mm的钢筋。8.根据权利要求1所述的内置复合约束的矩形钢管混凝土柱，其特征在于：所述核心混凝土(4)为天然骨料混凝土、再生骨料混凝土、再生块体混凝土或再生块体/骨料混凝土。9.权利要求1～权利要求8中任一项所述的内置复合约束的矩形钢管混凝土柱的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：进行所述矩形钢管(5)的制作加工；步骤二：按预设的纵向中心间距分别加工制作所述圆形螺旋箍筋(1)、所述一笔箍(2)和所述矩形螺旋箍筋(3)；将所述一笔箍(2)嵌于所述矩形螺旋箍筋(3)上，并在空腔内置入所述圆形螺旋箍筋(1)；将所述圆形螺旋箍筋(1)、所述一笔箍(2)、所述矩形螺旋箍筋(3)和所述固定用钢筋(6)通过点焊或绑扎连接成一体，然后置于所述矩形钢管(5)的内部并固定，确保所述矩形螺旋箍筋(3)与所述矩形钢管(5)的中心轴重合，且所述矩形螺旋箍筋(3)
的外侧与所述矩形钢管(5)的内壁之间留有距离；步骤三：进行所述矩形钢管(5)的现场吊装与拼接，随后从所述矩形钢管(5)顶部灌入混凝土，充分振捣至密实。

技术总结
本发明公开了一种内置复合约束的矩形钢管混凝土柱，复合约束包括矩形螺旋箍筋、圆形螺旋箍筋和一笔箍组件，一笔箍组件由两个呈交叉布置的一笔箍组成，其将矩形螺旋箍筋的两个长边拉结形成整体，并将矩形螺旋箍筋的内部分隔成多个空腔，每个空腔内部设置一个圆形螺旋箍筋，矩形螺旋箍筋的外侧与矩形钢管的内壁之间设有距离。本发明还提供了内置复合约束的矩形钢管混凝土柱的施工方法。本发明改善了矩形钢管的长、短边约束不均匀和约束弱的情况，延缓矩形钢管的侧边局部鼓曲并加强对核心混凝土的约束，明显改善常温力学性能，并大幅提升全寿期的抗火性能，进而可实现矩形钢管表面免除防火保护又能满足耐火极限要求的目标。除防火保护又能满足耐火极限要求的目标。除防火保护又能满足耐火极限要求的目标。


技术研发人员：臧建波 赵斌 余凝芬 宋佳 高金墙 范浩雄 马烨红 刘轩 王新祥 李明 王元光
受保护的技术使用者：广东省建筑科学研究院集团股份有限公司
技术研发日：2023.07.07
技术公布日：2023/10/5