体内预应力组合梁构成的框架及其施工方法与流程

本发明涉及土木建筑结构领域中的房屋框架结构，具体涉及体内预应力组合梁构成的框架及其施工方法。

背景技术：

常规钢筋混凝土框架结构体系中，框架节点多为钢筋混凝土现浇节点，这类钢筋混凝土节点与框架梁柱一样需要支模、绑扎钢筋随后浇筑混凝土，构件不但承载力较低、施工周期偏长，而且在地震作用下节点易发生破坏。随着土木建筑业的迅速发展，钢管混凝土结构得到广泛的应用，中空夹层混凝土结构是基于钢管混凝土结构的一种新型结构形式，中空夹层钢管混凝土是在内外两层同心钢管之间浇筑混凝土形成的组合构件，其内外钢管取代了钢筋并对夹层混凝土产生约束作用，混凝土处于三向受压状态抗压性能得到提高，塑性和韧性性能得到改善，与传统的钢管混凝土构件相比，中空夹层钢管混凝土构件整体具有自重轻、抗弯刚度大、抗震性能好和耐火性好的特性。翼缘为矩形钢管混凝土蜂窝组合梁是在工字钢梁基础上演变出来的，大大增加翼缘的刚度，提高梁的整体稳定性，但是中空夹层钢管混凝土柱-翼缘为矩形钢管混凝土的体内预应力蜂窝组合梁构成的结构体系的节点复杂性却制约了该类体系在实际工程中的应用，因此提出一种合理的节点连接方式迫在眉睫，同时由于采用了翼缘为矩形钢管混凝土的体内预应力蜂窝组合梁，和常规的预应力混凝土梁有所不同，常规梁可以定位绑扎预应力筋，然后浇筑混凝土，而翼缘为矩形钢管混凝土的体内预应力蜂窝组合梁钢管是封闭的，对预应力筋布置定位需提前处理，因此如何解决预应力筋在封闭的内部准确定位也是该发明面临的棘手问题。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供体内预应力组合梁构成的框架，这种体内预应力组合梁构成的框架用于解决翼缘为矩形钢管混凝土的体内预应力工字梁与中空管混凝土组合柱连接节点的复杂性问题，本发明的另一个目的是提供这种体内预应力组合梁构成的框架的施工方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种体内预应力组合梁构成的框架由组合柱和组合梁通过节点连接构成，组合梁水平设置在组合柱之间，节点为内填自密实混凝土的外套整体式节点；外套整体式节点包括带有上连接环和下连接环的节点外管，上连接环和下连接环上均设有螺栓孔，节点外管上部有上加强带腔环板，下部有下加强带腔环板，上加强带腔环板水平向外延伸形成内腔相通的上节点端梁，下加强带腔环板水平向外延伸形成内腔相通的下节点端梁，上节点端梁与下节点端梁之间为节点腹板，节点腹板预留螺栓孔，上节点端梁与下节点端梁均设置有端梁连接板，下加强带腔环板内部设置有单孔定位板和开洞的双孔主定位板，单孔定位板和开洞的双孔主定位板均通过各自底边与下加强带腔环板固定；组合柱为节段式中空管混凝土组合柱，组合梁为翼缘为矩形钢管混凝土的体内预应力蜂窝型工字梁；节点通过上连接环、下连接环与组合柱固定连接，节点通过端梁连接板及节点腹板与组合梁连接，组合梁下翼缘矩形钢管中布置的预应力筋从下加强带腔环板内绕过节点外管，预应力筋通过单孔定位板和开洞的双孔主定位板定位，预应力筋形成对称曲线型，在节点端梁处实现张拉锚固；组合梁和节点的节点端梁中浇筑自密实细石混凝土，浇筑完自密实细石混凝土后，组合梁的自密实细石混凝土和节点端梁的自密实细石混凝土是贯通的，养护后与节点外管形成一体。

上述方案中节段式中空管混凝土组合柱由节段式内管、节段式外管及夹层混凝土构成，节段式内管、节段式外管均带有连接环，在节段式内管外表面上布置抗剪栓钉，在节段式内管的内部隔一定间距布置内衬环，防止节段式内管发生屈曲；节段式内管的连接环与节段式外管的连接环相互错开，避免在同一高度处螺栓连接。首先连接节段式内管，然后连接节段式外管，确保节段式内管始终高于节段式外管，在节段式内管、节段式外管的夹层中浇筑自密实混凝土。

上述方案中翼缘为矩形钢管混凝土的体内预应力蜂窝型工字梁是将翼缘做成矩形钢管的形式，在蜂窝型工字梁两端翼缘钢管上焊接预留螺栓孔的连接板，形成翼缘为矩形钢管的节段式蜂窝型工字梁，到现场后与节点通过高强螺栓和节点腹板固定连接，然后向翼缘矩形钢管中浇筑自密实混凝土；节段式蜂窝型工字梁在下翼缘矩形钢管中布置体内预应力筋。

上述方案中节段式蜂窝型工字梁中的蜂窝型孔是圆形，工字型腹板是平板。

上述方案中蜂窝型工字梁的工字型腹板上布置横向加劲肋，可增加梁腹板的稳定性。

上述方案中翼缘为矩形钢管混凝土的蜂窝型工字梁将梁端设置有削弱段，削弱段是翼缘为钢管混凝土的工字型蜂窝梁，削弱段的横截面为变截面的，自两端向中心横截面逐渐缩小，削弱段的中点处横截面最小，结构体系在进入弹塑性状态后，促使梁端塑性铰首先发生在削弱部位，实现梁端塑性铰的外移，从而保证整体节点的完好性。

上述方案中节点端梁上开洞，便于建筑设备和管道的穿越。

上述方案中节段式蜂窝型工字梁中的蜂窝型孔是六边形，工字型腹板腹板是折板。

上述方案中节段式蜂窝型工字梁中的蜂窝型孔是多边形，工字型腹板腹板是正弦曲线型板。

上述体内预应力组合梁构成的框架的施工方法：

首先在工厂预制好需要的钢构件，包括节段式外管、节段式内管、节段式蜂窝型工字梁、外套整体式节点，外套整体式节点制作时，首先把下加强带腔环板的下部钢板放平，焊好单孔定位板和开洞的双孔主定位板，将预应力筋引导线布置在单孔定位板和开洞的双孔主定位板里，然后将下加强带腔环板的上部钢板焊好，形成下加强带腔环板，焊好后的上加强带腔环板、下加强带腔环板与节点外管焊接，再进行节点腹板焊接，最后将节点外管端部的连接环及端梁连接板焊好，形成外套整体式节点；将节段式外管和节段式内管与基础实现固接，二者上部整体高出基础0.5m左右，且节段式内管比节段式外管高一定的距离，达到预先设计好的高度，然后向节段式外管和节段式内管的夹层中浇筑自密实混凝土，混凝土达到一定强度后，形成组合柱基础段；

将第二段节段式内管下部与组合柱基础段的节段式内管连接好，接着再将第二段节段式外管与组合柱基础段的节段式外管连接好，确保节段式内管始终高于节段式外管，并且在节点处节段式内管高出节点一段距离，达到预先设计好的高度；待所有节段式中空混凝土组合柱连接好后，在节段式内管比节段式外管的夹层中浇筑自密实混凝土，形成中空管混凝土组合柱；

安装外套整体式节点，通过外套整体式节点的下连接环与底层组合柱节段式外管实现可靠连接，通过高强螺栓将节段式蜂窝型工字梁和外套整体式节点连接，连接之后对连接处进行焊接，同时通过牵引线在节段式蜂窝型工字梁及外套整体式节点里布置预应力筋，对预应力筋进行伸直张拉，临时锚固在节点端梁上；通过混凝土筑浆孔浇筑自密实混凝土，保证混凝土的贯通性，养护达到一定强度后形成底层组合框架体系；然后同底层一样完成二层的钢构件的连接，对预应力钢筋进行二次张拉，达到张拉控制应力；然后陆续施工第二层至顶层。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提出的这种外套整体式节点传力明确，工厂预制，各部位连接精密且质量好，能对布置在封闭内部的预应力筋准确定位，浇筑混凝土后整体式节点不易发生破坏。

2、本发明采用的节段式中空管混凝土组合柱抗弯刚度大、抗震性能好，该类构件使钢材或者frp材料与混凝土融合在一起，充分发挥两种材料的力学性能。而且组合柱中的内管与外管可以在工厂预制，现场安装，施工方便；同时内外管还可兼作模板，避免了现场大量模板的使用。

3、本发明的组合梁翼缘钢管被混凝土填充后不易屈曲，刚度较大且稳定性高，可实现的跨度大；在梁上设置横向加劲肋，提高梁的整体抗屈曲能力。

4、本发明中外套整体式节点端梁上可开洞，便于建筑设备和管道的穿越。

5、本发明采用体内预应力组合梁，预应力筋在混凝土内部，被混凝土包裹着，不易受到破坏和腐蚀，耐久性长，长时间提高组合梁的刚度，大大减小梁的变形。

6、本发明采用的翼缘为矩形钢管蜂窝型工字梁腹板可以是平板、折板和正弦曲线型板，可以增大腹板与翼缘的接触面积，进一步提高构件的承载力。

7、本发明采用的带削弱端的翼缘为矩形钢管蜂窝型工字梁使得结构体系在进入弹塑性状态后，促使梁端塑性铰首先发生在削弱部位，实现梁端塑性铰的外移，从而保证整体节点的完好性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的平面布置图；

图3是外套整体式节点示意图；

图4是节点端梁可开洞的外套整体式节点示意图；

图5是中空管混凝土组合柱截面形式；

图6是翼缘为矩形钢管的蜂窝型工字梁截面形式；

图7是安装外套整体式节点之前节段式内管突出示意图；

图8是翼缘为矩形钢管削弱的蜂窝型工字梁与节点的连接；

图9是带削弱端的翼缘为矩形钢管的体外预应力蜂窝型工字梁；

图10是外套整体式节点体内预应力筋布置层次图；

图11是节点处节点端梁中的预应力筋布置图；

图12是节点处上部预应力筋线型图；

图13是节点处下部预应力筋线型图；

图14是腹板采用正弦曲线型板的工字梁；

图15是开洞的双孔主定位板示意图。

图中：1组合柱2组合梁3节点4上连接环5下连接环6节点外管7上加强带腔环板8下加强带腔环板9节点端梁10端梁连接板11节点腹板12螺栓孔13自密实混凝土14矩形钢管15节段式内管16节段式外管17抗剪栓钉18横向加劲肋19削弱段20洞22上部预应力筋23单孔定位板24开洞的双孔主定位板25工字型腹板26内衬环27下部预应力筋28注浆孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图14、图15所示，这种体内预应力组合梁构成的框架由组合柱1和组合梁2通过节点3连接构成，组合梁2水平设置在组合柱1之间，节点3为内填自密实混凝土13的外套整体式节点；外套整体式节点包括带有上连接环4和下连接环5的节点外管6，上连接环4和下连接环5上均设有螺栓孔12，节点外管6上部有上加强带腔环板7，下部有下加强带腔环板8，上加强带腔环板7水平向外延伸形成内腔相通的上节点端梁，下加强带腔环板水平向外延伸形成内腔相通的下节点端梁，上节点端梁与下节点端梁之间为节点腹板11，上节点端梁与下节点端梁均设置有端梁连接板10，下加强带腔环板8内部设置有单孔定位板23和开洞的双孔主定位板24，单孔定位板23和开洞的双孔主定位板24均通过各自底边与下加强带腔环板8固定，用于定位梁里下翼缘矩形钢管14中布置的预应力筋，确保预应力筋在下加强带腔环板8内绕过节点外管6，节点腹板11也预留螺栓孔12；组合柱1为节段式中空管混凝土组合柱，组合梁2为翼缘为矩形钢管混凝土的体内预应力蜂窝型工字梁；节点3通过上连接环4、下连接环5与组合柱1固定连接，节点3通过端梁连接板10及节点腹板11与组合梁2连接，组合梁2下翼缘矩形钢管14中布置的预应力筋从下加强带腔环板8内绕过节点外管6，预应力筋通过单孔定位板23和开洞的双孔主定位板24定位，预应力筋形成对称曲线型，在节点端梁9处实现张拉锚固；参阅图10、图11、图12、图13，当有纵横两个方向连接组合梁2时，两条预应力筋需要上下交错穿过下加强带腔环板8，其中一个方向的上部预应力筋22，则另一个方向为下部预应力筋27。制作时单孔定位板23和开洞的双孔主定位板24定位仅下部与钢管焊接，上部和左右形成自由端，便于混凝土的流动，这样既实现预应力筋的定位，又可确保混凝土自由的流动，避免出现死角。组合梁2和节点3的节点端梁9中浇筑自密实细石混凝土，浇筑完自密实细石混凝土后，组合梁2的自密实细石混凝土和节点端梁9的自密实细石混凝土是贯通的，养护后与节点外管6形成一体。

节段式中空管混凝土组合柱由节段式内管15、节段式外管16及夹层混凝土构成，节段式内管15、节段式外管16均带有连接环，在节段式内管15外表面上布置抗剪栓钉17，在节段式内管15的内部隔一定间距布置内衬环26，防止节段式内管15发生屈曲。节段式内管15的连接环与节段式外管16的连接环相互错开，避免在同一高度处螺栓连接。首先连接节段式内管15，然后连接节段式外管16，确保节段式内管15始终高于节段式外管16，在节段式内管15、节段式外管16的夹层中浇筑自密实混凝土13。

翼缘为矩形钢管混凝土的蜂窝型工字梁将翼缘做成矩形钢管14的形式，在梁两端翼缘钢管上焊接预留螺栓孔12的连接板，形成翼缘为矩形钢管14的节段式蜂窝型工字梁，到现场后与外套整体式节点端梁通过高强螺栓和腹板连接板实现可靠连接，然后通过混凝土注浆孔28向翼缘矩形钢管中浇筑自密实混凝土13，确保节点3与翼缘矩形钢管中混凝土的贯通性。为增加梁腹板的稳定性，在腹板上布置横向加劲肋18。为增加梁的刚度，减小变形，在矩形钢管混凝土工字梁下部翼缘中布置体内预应力筋，通过节点3中布置的定位板定位预应力筋，在浇筑混凝土之前对预应力筋伸直张拉，确保预应力筋在混凝土中保持合理的线型。蜂窝型孔可以是圆形、六边形和多边形的，梁腹板（工字型腹板25）可以是平板，也可以是折板或者正弦曲线型板。

本发明蜂窝型工字梁的工字型腹板25上布置横向加劲肋18，可增加梁腹板的稳定性。

本发明中翼缘为矩形钢管混凝土的蜂窝型工字梁将梁端还设置有削弱段19，削弱段19是翼缘为钢管混凝土的工字型蜂窝梁，削弱段19的横截面为变截面的，自两端向中心横截面逐渐缩小，削弱段19的中点处横截面最小，结构体系在进入弹塑性状态后，促使梁端塑性铰首先发生在削弱部位，实现梁端塑性铰的外移，从而保证整体节点的完好性。尽管削弱处截面逐渐减小，但不影响预应力筋的布置。

梁和整体式节点的钢管翼缘中采用自密实细石混凝土或者高性能混凝土，浇筑完混凝土后，组合梁2和整体式节点的加强腔板中混凝土是全部贯通的，养护后与钢管形成一体，而整体式节点内外管夹层的混凝土是独立的，二者不相通。梁和整体式节点的翼缘钢管之间通过高强螺栓将连接板连接，腹板通过腹板连接板连接或者焊接。

本发明外套整体式节点的节点端梁9上可开洞20，便于建筑设备和管道的穿越。

本发明组合柱内外管、外套整体式节点及梁可采用钢材或者frp材料。

上述体内预应力组合梁构成的框架的施工方法：

首先在工厂预制好需要的钢构件，包括节段式外管16、节段式内管15、节段式蜂窝型工字梁、外套整体式节点，外套整体式节点制作时，首先把下加强带腔环板8的下部钢板放平，焊好单孔定位板23和开洞的双孔主定位板24，将预应力筋引导线布置在单孔定位板23和开洞的双孔主定位板24里，然后将下加强带腔环板8的上部钢板焊好，形成下加强带腔环板8，焊好后的上加强带腔环板7、下加强带腔环板8与节点外管6焊接，再进行节点腹板11焊接，最后将节点外管6端部的连接环及端梁连接板焊好，形成外套整体式节点；将节段式外管16和节段式内管15与基础实现固接，二者上部整体高出基础0.5m左右，且节段式内管15比节段式外管16高一定的距离，达到预先设计好的高度，然后向节段式外管16和节段式内管15的夹层中浇筑自密实混凝土13，混凝土达到一定强度后，形成组合柱基础段；

将第二段节段式内管下部与组合柱基础段的节段式内管连接好，接着再将第二段节段式外管与组合柱基础段的节段式外管连接好，确保节段式内管15始终高于节段式外管16，并且在节点处节段式内管15高出节点一段距离，达到预先设计好的高度；待所有节段式中空混凝土组合柱连接好后，在节段式内管15与节段式外管16的夹层中浇筑自密实混凝土13，形成中空管混凝土组合柱；

安装外套整体式节点，通过外套整体式节点的下连接环5与底层组合柱节段式外管16实现可靠连接，通过高强螺栓将节段式蜂窝型工字梁和外套整体式节点连接，连接之后对连接处进行焊接，同时通过牵引线在节段式蜂窝型工字梁及外套整体式节点里布置预应力筋，对预应力筋进行伸直张拉，临时锚固在节点端梁9上；通过混凝土注浆孔28浇筑自密实混凝土13，保证混凝土的贯通性，养护达到一定强度后形成底层组合框架体系；然后同底层一样完成二层的钢构件的连接，对预应力钢筋进行二次张拉，达到张拉控制应力；然后陆续施工第二层至顶层。

上述体内预应力组合梁构成的框架的施工方法还可以采用如下方法：

首先按设计在工厂下料，焊接预制好所有需要的钢构件，包括两端焊好连接环的节段式外管16与节段式内管15，两端焊好端梁连接板10的翼缘为矩形钢管蜂窝型工字梁及外套整体式节点。外套整体式节点制作时，首先把下加强带腔环板8的下部钢板放平，在准确位置焊好单孔定位板23和开洞的双孔主定位板24，将预应力筋引导线布置在定位板里，为方便现场安装时将预应力筋从封闭的节点3内部牵引出来。然后将下加强带腔环板8的上部钢板焊好，形成下加强带腔环板8。上下加强带腔环板焊好后与节点外管6焊接，然后进行节点腹板11焊接，最后将外管端部的连接环及端梁连接板10焊好，形成外套整体式节点。将框架体系所有焊好连接环的节段式外管16和节段式内管15与基础实现固接，上部整体高出基础0.5m左右，且内管比外管高一定的距离，达到预先设计好的高度。然后向夹层中浇筑自密实混凝土13。混凝土达到一定强度后，将两端焊好连接环的节段式内管下部通过连接环与整体高于地面的组合柱内管连接好，接着再将两端焊好连接环的节段式外管16下部通过连接环与整体高于地面的组合柱外管连接好，确保内管始终高于外管，并且在梁柱节点处内管高出节点一段距离，达到预先设计好的高度。待所有节段式中空混凝土组合柱连接好后，在内外管夹层中浇筑自密实混凝土13，形成中空管混凝土组合柱。安装外套整体式节点，通过节点3的下连接环5与底层柱外管实现可靠连接，通过高强螺栓将翼缘为矩形钢管14的蜂窝型工字梁和外套整体式节点连接，连接之后对连接处进行适当的焊接，同时将预应力筋通过牵引线在梁及节点3里布置好，陆续安装完成其他框架节点和梁。对预应力筋进行伸直张拉，临时锚固在边柱节点端梁9上。通过混凝土注浆孔28向梁与节点的翼缘钢管及节点的内外夹层中浇筑自密实混凝土13，确保梁和节点内填满混凝土，且保证混凝土的贯通性，养护达到一定强度后形成底层组合框架体系。然后陆续施工第二层至顶层，待所有楼层全部施工完毕，自底向上依次二次张拉每层的预应力筋达到张拉控制应力，实现可靠锚固，完成整体框架的预应力施工。优点在于框架形成后张拉预应力筋，和常规的预应力混凝土框架一样，确保整体受力。而且框架体系可逐层不间断施工，预应力筋可实现集中张拉，预应力技术人员现场作业时间短，整体工程造价较低。该种施工方法中翼缘为矩形钢管混凝土的蜂窝型工字梁可采用梁端削弱型的，其他施工过程不变。