CN114622685B - 一种预制uhpc-钢-uhpc管混凝土组合柱及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种预制UHPC‑钢‑UHPC管混凝土组合柱及其施工方法，包括预制UHPC‑钢‑UHPC管节段、UHPC后浇湿接缝和核心现浇混凝土，预制UHPC‑钢‑UHPC管节段内同轴填设有核心现浇混凝土，预制UHPC‑钢‑UHPC管节段上下端部均预埋有螺栓固定组件，并经螺栓固定组件与连接钢板固接上下相邻的预制UHPC‑钢‑UHPC管节段，连接钢板外经UHPC后浇湿接缝填充与上下相邻的UHPC‑钢‑UHPC管节段固连，钢管外壁点焊若干箍筋，同时内壁焊接固定若干短纵筋，且端部预埋若干螺栓固定组件。预制UHPC‑钢‑UHPC管节段的快速拼装定位，通过UHPC套箍层上、下端部分别设置的凹卯和凸榫来实现。预制UHPC‑钢‑UHPC管混凝土组合柱承载力高、新旧界面粘结性能佳、耐久性显著，可有效减小结构截面尺寸、提高结构使用寿命、降低施工成本。
Description
技术领域
本发明涉及应用预制管混凝柱的各工程技术领域，具体涉及一种预制UHPC-钢-UHPC管混凝土组合柱及其施工方法。
背景技术
预制管混凝土柱一般由外层高强混凝土预制管和核心现浇混凝土而组成，其预制管在工厂规模化生产，质量可控，施工现场主要完成预制构件的拼接，无模板的搭建和拆除，是一种满足施工快速化需求的半装配式构件，具有显著的经济和社会效益，呈现良好的应用前景。
预制管充当核心混凝土的浇筑模板又是承载的重要组成部分，对预制管混凝土柱的力学性能具有重要影响。随着材料制备技术的不断提升，核心现浇混凝土性能不断提高，预制管的性能要求也应匹配地有所提高。目前预制管存在脆性显著、耐久性不佳、抗裂缝能力差的缺点，急需发明一种更高性能的预制管。
超高性能混凝土（ultra high performance concrete，简称UHPC）通过优化骨料级配，采用纤维增强、增韧与阻裂，是一种超高强度、高耐久性和高韧性的新型水泥基材料，在建筑与桥梁加固工程中备受关注。但由于UHPC对制备和养护条件比较苛刻，施工现场难以保证质量，使得其大规模的推广应用受到阻碍。
钢管混凝土组合材料，通过钢管的套箍和混凝土的密贴支撑，充分利用了钢材和混凝土的力学性能，其结构具有承载力高、抗震性能佳、耐火性好等优越力学性能，在工业厂房、高层建筑和桥梁工程得到广泛应用。
综合利用UHPC和钢管混凝土的各自性能优势，同时兼顾UHPC施工现场制备存在质量不可控的缺点，提出一种预制UHPC-钢-UHPC管混凝土组合柱，以利解决预制管混凝土不够高性能的问题。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种预制UHPC-钢-UHPC管混凝土组合柱及其施工方法，不仅结构合理，而且承载力高，使用寿命延长。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种预制UHPC-钢-UHPC管混凝土组合柱，包括预制UHPC-钢-UHPC管节段、UHPC后浇湿接缝和核心现浇混凝土，所述预制UHPC-钢-UHPC管节段内同轴填设有核心现浇混凝土，预制UHPC-钢-UHPC管节段上下端部均预埋有螺栓固定组件，并经螺栓固定组件与连接钢板固接上下相邻的预制UHPC-钢-UHPC管节段，所述连接钢板外经UHPC后浇湿接缝填充与上下相邻的UHPC-钢-UHPC管节段固连，通过多个连接钢板和所述UHPC后浇湿接缝实现纵向拼接固定且延长。
进一步的，所述预制UHPC-钢-UHPC管节段为所述核心现浇混凝土的永久柱模板，所述核心现浇混凝土的工作性能满足施工浇筑和结构设计要求。
进一步的，所述预制UHPC-钢-UHPC管节段包括钢管及分别固设在钢管内外端面的UHPC套箍层和UHPC保护层。
进一步的，所述UHPC套箍层位于钢管与核心现浇混凝土之间，UHPC套箍层上、下端部分别设有凹卯和凸榫以利上下相邻的预制UHPC-钢-UHPC管节段拼装插接限位，所述凹卯和凸榫的形状、尺寸与上、下相邻所述预制UHPC-钢-UHPC管节段的快速拼装定位要求相匹配，所述UHPC套箍层的材料强度和厚度与改善核心现浇混凝土的性能要求相匹配；所述UHPC保护层呈管状浇筑在钢管外周并固连为一体，UHPC保护层的厚度则与有效隔绝钢管和外界环境的物质交换而匹配。
进一步的，所述钢管外周沿其长度方向间隔均布有若干箍筋，所述箍筋均套箍并焊接在钢管外表面，所述若干箍筋的直径与和间距与提高所述钢管套箍效率、改善钢管和UHPC保护层的界面性能相匹配。
进一步的，所述钢管内表面延其长度方向间隔均布有若干短纵筋组，每个短纵筋组均包括沿钢管中轴中心对称焊接在钢管内壁的若干短纵筋，所述若干短纵筋在钢管内壁的排列参数与改善钢管与UHPC套箍层的界面性能相匹配。
进一步的，所述螺栓固定组件包括螺纹钢筋、垫片及螺帽，所述钢管上下端均沿其周部间隔开设有内管贯通的预留孔洞，螺纹钢筋均径向穿入预留孔洞，且位于钢管内的螺纹钢筋经垫片与螺帽预紧，位于钢管外的螺纹钢筋经连接钢板盖设后经垫片与螺帽固紧，所述螺栓固定组件的直径和排列参数与预制UHPC-钢-UHPC管节段的拼接性能要求相匹配。
进一步的，所述连接钢板均呈弧形并罩设在上下相邻钢管对接处，即连接钢板的内轮廓与上、下相邻所述钢管的外轮廓相贴合，所述连接钢板沿钢管外周设置若干以利紧固上下相邻钢管。
进一步的，所述UHPC套箍层内层沿其长度方向呈类锯齿状以利与核心现浇混凝土黏结。
进一步的，所述连接钢板上开设有供螺纹钢筋径向穿出的孔洞群，所述孔洞群的数量和排列方式与螺栓固定组件的数量和排列方式一致，所述孔洞群的直径略大于螺栓固定组件的螺纹钢筋的直径。
进一步的，上、下相邻所述预制UHPC-钢-UHPC管节段的快速拼接固定采用多个连接钢板配合螺栓固定组件而实现，螺栓固定组件的螺纹钢筋一一穿过连接钢板的孔洞群，螺栓固定组件的垫片和螺帽一一对拧。
进一步的，上、下相邻所述预制UHPC-钢-UHPC管节段拼接固定后，上下相邻的UHPC保护层之间设有以利连接钢板放置的间隔，并在该间隔处外包一层UHPC后浇湿接缝，以保证上、下相邻所述预制UHPC-钢-UHPC管节段拼接的耐久性。
一种预制UHPC-钢-UHPC管混凝土组合柱的施工方法，按以下步骤进行：步骤S1：首先准备钢管，并在钢管外周上点焊箍筋；步骤S2：在钢管内周焊接短纵筋组，并在钢管上下端开设供螺栓穿过的预留孔洞；步骤S3：在预留孔洞处安装上螺栓固定组件，并旋紧螺帽；步骤S4：浇筑UHPC保护层和UHPC套箍层；步骤S5：拆除螺栓固定组件在钢管外侧的垫片和螺帽；步骤S6：将上下相邻的预制UHPC-钢-UHPC管节段拼接定位，凸榫对接相邻预制UHPC-钢-UHPC管节段的凹卯，并在对接处安装连接钢板；步骤S7：复位拆除的垫片和螺帽，固紧连接钢板；步骤S8：浇筑UHPC湿接缝；步骤S9：浇筑核心现浇混凝土，完成拼装。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：预制UHPC-钢-UHPC管混凝土组合柱是一种半装配式高性能钢管混凝土组合柱，具备高承载力、高耐久性、强新旧界面黏结、高抗震性能和高施工效率的优点，具体内容包括：
（1）UHPC抗压性能显著，可显著提高预制UHPC-钢-UHPC管混凝土组合柱的承载能力，对减小结构截面尺寸和结构自重具有重要意义。
（2）UHPC-钢-UHPC管为预制管件，性能稳定、质量可控，同时可为核心现浇混凝土提供浇筑模板，省去了柱模板搭建与拆除的工作，施工成本低且更为简便；
（3）预制UHPC-钢-UHPC管外包一层UHPC保护层，由于UHPC内部结构密实，抗裂缝、抗渗和抗冲刷能力强，可有效阻止钢管与外界环境的物质交换，对防止钢管锈蚀或外力碰撞损伤具有重要作用，使得预制UHPC-钢-UHPC管混凝土组合柱呈现显著的耐久性能。
（4）预制UHPC-钢-UHPC管采用钢管作为了预制管的劲性骨架，代替了预制管的钢筋绑扎，且有利于明显提高预制管的受压延性及其对核心现浇混凝土的套箍作用，使得预制UHPC-钢-UHPC管组合柱呈现良好的抗震性能；
（5）预制UHPC-钢-UHPC管内附着一层类锯齿形的UHPC套箍层，可有效改善新旧混凝土的界面黏结性能，使得预制UHPC-钢-UHPC管混凝土组合柱的整体性能更佳；同时利用UHPC比核心混凝土更小的横向变形系数，核心混凝土将处于钢管和UHPC的双重套箍作用，其极限强度和塑性变形能力提高；
（6）预制UHPC-钢-UHPC管的UHPC套箍层上设置凹卯和凸榫，可快速实现上、下相邻预制UHPC-钢-UHPC管节段的拼装定位，加快施工速率，缩短施工周期。
（7）上、下相邻预制UHPC-钢-UHPC管节段的拼接采用螺栓固定组件和连接钢板固定，同时配合UHPC湿接缝保护，拼接速率快且拼接节点性能可靠。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
附图说明
图1为本发明实施例的构造示意图；
图2为图1中A-A的剖视图凹卯位置示意图；
图3为本发明实施例中预制UHPC-钢-UHPC管节段的构造示意图；
图4为图3中B-B的剖视图及；
图5为本发明实施例中钢管的构造示意图；
图6为图5中C-C的剖视图；
图7为本发明实施例中连接钢板的俯视图；
图8为本发明实施例中连接钢板的主视图；
图9为本发明实施例步骤1中钢管的结构示意图；
图10为本发明实施例步骤1中箍筋的安装示意图；
图11为本发明实施例步骤2的状态示意图；
图12为本发明实施例步骤3的状态示意图；
图13为本发明实施例步骤4的状态示意图；
图14为本发明实施例步骤5的状态示意图；
图15为本发明实施例步骤6的状态示意图；
图16为本发明实施例步骤7的状态示意图；
图17为本发明实施例步骤8的状态示意图；
图18为本发明实施例步骤9的状态示意图。
图中：1—核心现浇混凝土；2—UHPC后浇湿接缝；3—连接钢板；4—钢管；5—UHPC保护层；6—UHPC套箍层；7—箍筋；8—短纵筋；9—螺纹钢筋；10—垫片；11—螺帽；12—凸榫，13—凹卯；14—预制UHPC-钢-UHPC管节段;15—孔洞群。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。
如图1~18所示，一种预制UHPC-钢-UHPC管混凝土组合柱，一种预制UHPC-钢-UHPC管混凝土组合柱，包括预制UHPC-钢-UHPC管节段14、UHPC后浇湿接缝2和核心现浇混凝土1与连接钢板3。
具体地，预制UHPC-钢-UHPC管节段在工厂预先制作，包括钢管4、UHPC保护层5和UHPC套箍层6。
在本发明实施例中，所述预制UHPC-钢-UHPC管节段为所述核心现浇混凝土的永久柱模板，所述核心现浇混凝土的工作性能满足施工浇筑和结构设计要求。
在本发明实施例中，钢管4为了预制管的劲性骨架，为管内混凝土提供套箍作用，是预制UHPC-钢-UHPC管混凝土组合柱实现良好抗震性能和延性性能的关键。钢管4外壁和内壁分别附着若干箍筋7和若干短纵筋8，上下端部预埋若干螺栓固定组件。若干箍筋7沿轴向按一定间距点焊在钢管4的外壁上，若干短纵筋8则沿轴向和环向按一定间距焊接固定在钢管4的内壁上。箍筋7用于增强UHPC保护层5与钢管4外壁的界面性能，同时提高钢管4对内填混凝土的套箍作用；短纵筋8则用于增强UHPC套箍层6与空钢管4内壁的界面性能。预埋的若干螺栓固定组件中，单个螺栓固定组件包括螺纹钢筋9、2个垫片10和2个螺帽11。钢管4在端部沿轴向和环向按一定间距预留孔洞，螺纹钢筋9的直径略小于所述预留孔洞的直径，垫片10和螺帽11与螺纹钢筋9相匹配。若干螺栓固定组件预埋定位时，螺纹钢筋9一一穿过钢管4端部预留的孔洞并按要求突出钢管4两侧一定高度后，于钢管4两侧各穿过1个垫片10和1个螺帽11，通过对拧钢管4两侧螺帽11而实现螺纹钢筋9的固定。
在本发明实施例中，钢管外壁的UHPC保护层5，其目的在于防止钢管锈蚀；钢管内壁的UHPC套箍层6，其目的则在于利用不同强度核心混凝土的横向变形系数差以提高钢管对核心混凝土的组合作用，优化管内混凝土填充材料，同时UHPC套箍层内采用类锯齿形内界面，且端部设有定位的凸榫12，并通过顶端的凹卯13与上方预制UHPC-钢-UHPC管节段的凸榫配合，可改善新旧混凝土的界面黏结性能，并实现预制UHPC-钢-UHPC管节段的快速拼装定位。
在本发明实施例中，上、下相邻预制UHPC-钢-UHPC管节段的快速拼接固定采用多个纵向连接钢板3配合若干螺栓固定组件而实现，该拼接方式省去了钢管对接的焊接工作，施工速率高。纵向连接钢板3内壁与钢管4的外壁相贴合，纵向连接钢板3内周长可取钢管4外周长的1/4。纵向连接钢板3沿轴向和环向按一定间距预留孔洞群15，孔洞群的数量和排列方式与钢管4端部预留的若干螺栓固定组件的数量和排列方式一致，且预留孔洞的直径略大于螺纹钢筋9的直径。预制UHPC-钢-UHPC管节段拼装固定时，首先将螺栓固定组件于钢管4外侧的垫片10和螺帽11拆除，而后若干螺栓固定组件的螺纹钢筋9一一穿过多个纵向连接钢板的孔洞群，通过重新拧回拆除下的垫片10和螺帽11来固定纵向连接钢板3。
在本发明实施例中，预制UHPC-钢-UHPC管内灌入核心现浇混凝土3，即形成预制UHPC-钢-UHPC管混凝土组合柱。预制UHPC-钢-UHPC管节段作为核心现浇混凝土3的永久柱模板，继承了以往预制管混凝土柱无柱模板搭建和拆除工作的优点。核心现浇混凝土3的工作性能和力学性能分别与施工要求和结构设计要求相匹配，具有高流动性和可泵送性。
在本发明实施例中，预制UHPC-钢-UHPC管节段上、下端部预埋螺栓固定组件中螺纹钢筋9的直径、螺纹钢筋9突出钢管4两侧的高度以及钢管4预留的孔洞间距均与预制UHPC-钢-UHPC管节段的拼接要求相匹配。
本实施例提供的UHPC，抗压强度达150MPa以上，组成材料主要包括水泥、高效减水剂、级配良好的细砂、磨细石英砂粉以及硅灰等矿物掺合料，掺入微细钢纤维增强、增韧与阻裂，自密实性好，是一种高强度、高韧性、低孔隙率的超高性能水泥基材料，抗渗、抗裂、抗冲刷、抗腐蚀和抗冻融能力强。钢管外侧的UHPC保护层4利用耐久性好的优点，作为预制UHPC-钢-UHPC管混凝土组合柱的保护层，可有效延长结构使用寿命，从全生命周期的成本看，经济和社会效益显著。钢管内侧的UHPC套箍层5则利用超高抗压强度的优点，对减小构件截面，减轻结构自重和优化钢混组合效应具有重要作用。
一种预制UHPC-钢-UHPC管混凝土组合柱的施工方法，并按以下步骤进行：步骤S1：首先准备钢管，并在钢管外周上点焊箍筋；步骤S2：在钢管内周焊接短纵筋组，并在钢管上下端开设供螺栓穿过的预留孔洞；步骤S3：在预留孔洞处安装上螺栓固定组件，并旋紧螺帽；步骤S4：浇筑UHPC保护层和UHPC套箍层；步骤S5：拆除螺栓固定组件在钢管外侧的垫片和螺帽；步骤S6：将上下相邻的预制UHPC-钢-UHPC管节段拼接定位，凸榫对接相邻预制UHPC-钢-UHPC管节段的凹卯，并在对接处安装连接钢板；步骤S7：复位拆除的垫片和螺帽，固紧连接钢板；步骤S8：浇筑UHPC湿接缝；步骤S9：浇筑核心现浇混凝土，完成拼装。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可以得出其他各种形式的预制UHPC-钢-UHPC管混凝土组合柱及其施工方法。凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (4)
1.一种预制UHPC-钢-UHPC管混凝土组合柱，其特征在于：包括预制UHPC-钢-UHPC管节段、UHPC后浇湿接缝和核心现浇混凝土，所述预制UHPC-钢-UHPC管节段内同轴填设有核心现浇混凝土，预制UHPC-钢-UHPC管节段上下端部均预埋有螺栓固定组件，并经螺栓固定组件与连接钢板固接上下相邻的预制UHPC-钢-UHPC管节段，所述连接钢板外经UHPC后浇湿接缝填充从而与上下相邻的UHPC-钢-UHPC管节段固连；
所述预制UHPC-钢-UHPC管节段包括钢管及分别固设在钢管内外端面的UHPC套箍层和UHPC保护层；
所述UHPC套箍层位于钢管与核心现浇混凝土之间，UHPC套箍层上、下端部分别设有凹卯和凸榫以利上下相邻的预制UHPC-钢-UHPC管节段拼装插接限位；所述UHPC保护层呈管状浇筑在钢管外周并固连为一体；
所述钢管外周沿其长度方向间隔均布有若干箍筋，所述箍筋均套箍并焊接在钢管外表面；
所述钢管内表面延其长度方向间隔均布有若干短纵筋组，每个短纵筋组均包括沿钢管中轴中心对称焊接在钢管内壁的若干短纵筋；
所述连接钢板均呈弧形并罩设在上下相邻钢管对接处，所述连接钢板沿钢管外周设置若干以利紧固上下相邻钢管；
所述UHPC套箍层内层沿其长度方向呈类锯齿状以利与核心现浇混凝土黏结。
2.根据权利要求1所述的一种预制UHPC-钢-UHPC管混凝土组合柱，其特征在于：所述螺栓固定组件包括螺纹钢筋、垫片及螺帽，所述钢管上下端均沿其周部间隔开设有内管贯通的预留孔洞，螺纹钢筋均径向穿入预留孔洞，且位于钢管内的螺纹钢筋经垫片与螺帽预紧，位于钢管外的螺纹钢筋经连接钢板盖设后经垫片与螺帽固紧。
3.根据权利要求2所述的一种预制UHPC-钢-UHPC管混凝土组合柱，其特征在于：所述连接钢板上开设有供螺纹钢筋径向穿出的孔洞群。
4.一种预制UHPC-钢-UHPC管混凝土组合柱的施工方法，其特征在于，采用如权利要求1-3任一项所述的预制UHPC-钢-UHPC管混凝土组合柱，并按以下步骤进行：步骤S1：首先准备钢管，并在钢管外周上点焊箍筋；步骤S2：在钢管内周焊接短纵筋组，并在钢管上下端开设供螺栓穿过的预留孔洞；步骤S3：在预留孔洞处安装上螺栓固定组件，并旋紧螺帽；步骤S4：浇筑UHPC保护层和UHPC套箍层；步骤S5：拆除螺栓固定组件在钢管外侧的垫片和螺帽；步骤S6：将上下相邻的预制UHPC-钢-UHPC管节段拼接定位，凸榫对接相邻预制UHPC-钢-UHPC管节段的凹卯，并在对接处安装连接钢板；步骤S7：复位拆除的垫片和螺帽，固紧连接钢板；步骤S8：浇筑UHPC后浇湿接缝；步骤S9：浇筑核心现浇混凝土，完成拼装。
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