一种钢结构混凝土组合结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及建筑工程技术领域，特别涉及一种钢结构混凝土组合结构及其施工方法。

背景技术

在超高层核心筒结构中，在外框架柱与核心筒之间设置伸臂桁架，其主要目的是减小结构侧移，它的机理是提高水平荷载作用下的外框架柱的轴力，从而增加框架承担的倾覆力矩，同时减小了内核心筒的倾覆力矩。它对结构形成的反弯作用可以有效的增大结构的抗侧刚度，减小结构侧移动，一般情况下也会减小外框架的剪力分担比。对于框架核心筒结构，设置伸臂桁架后减小侧移显著，而对于筒中筒结构而言，减小侧移的效果很小。为保证抗弯、抗压性能，伸臂桁架的常见结构形式为钢结构及其内浇筑的常规混凝土形成的混凝土钢结构组合结构，其缺点在于，由于其钢结构内部空间有限，内部混凝土浇筑的质量难以把控，易产生空腔等情况，较难保证整体施工质量。此外，在混凝土施工中，混凝土由于水化热作用以及在硬化过程中体积减小，容易产生温度裂缝和收缩裂缝。当钢结构腔内混凝土产生裂缝时，其承载力会严重下降，从而影响了其抗压性能。为解决产生空腔和裂缝的问题，常见的方法是通过调整混凝土的配合比，采用高流淌细石自密实混凝土或者自密实微膨胀细石混凝土等。但这些方法对配合比要求较高，受到现场环境等施工因素影响，很难保证混凝土的成型质量。此外，钢管混凝土柱构成的钢结构混凝土组合结构也存在上述问题。

发明内容

本发明的目的是，提供一种钢结构混凝土组合结构及其施工方法，以解决传统钢结构混凝土组合结构内浇筑的混凝土易出现空腔、裂缝等质量问题及难以保证混凝土的成型质量的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种钢结构混凝土组合结构，包括具有中空的空腔的钢结构，以及浇筑在钢结构的空腔内的掺入有形状记忆合金纤维骨料的混凝土。

为了解决上述技术问题，本发明还提供一种钢结构混凝土组合结构的施工方法，将掺入有形状记忆合金纤维骨料的混凝土浇筑在钢结构的空腔内形成钢结构混凝土组合结构。

进一步地，本发明提供的钢结构混凝土组合结构的施工方法，还包括：掺入有形状记忆合金纤维骨料的混凝土的制备方法，所述掺入有形状记忆合金纤维骨料的混凝土的制备方法包括在混凝土拌合料中掺入形状记忆合金纤维骨料，使其均匀混合在混凝土中形成掺入有形状记忆合金纤维骨料的混凝土。

进一步地，本发明提供的钢结构混凝土组合结构的施工方法，还包括：在钢结构混凝土组合结构内具有形状记忆合金纤维骨料的混凝土内预埋有温度传感器，将所述温度传感器通过导线延伸出钢结构混凝土组合结构之外并与测温仪器相连接。

进一步地，本发明提供的钢结构混凝土组合结构的施工方法，所述形状记忆合金为镍钛铜形状记忆合金。

进一步地，本发明提供的钢结构混凝土组合结构的施工方法，所述钢结构混凝土组合结构为伸臂桁架或者钢管混凝土柱。

为了解决上述技术问题，本发明还提供一种钢结构混凝土组合结构的施工方法，包括：

对待施工的钢结构混凝土组合结构建立建筑模型，通过建筑模型分析其内的温度分布和应力分布；

根据温度分布确定形状记忆合金纤维骨料的尺寸，将确定尺寸的形状记忆合金纤维骨料掺入在混凝土拌和料中形成掺入有形状记忆合金纤维骨料的混凝土；其中掺入有形状记忆合金纤维骨料的混凝土最高水化热温度需达到形状记忆合金纤维骨料的预应力逆相变温度要求；

根据应力分布和温度分布在待施工的钢结构混凝土组合结构内确定测温点；

将掺入有形状记忆合金纤维骨料的混凝土浇筑在钢结构的空腔内形成钢结构混凝土组合结构，在浇筑时需保证形状记忆合金纤维骨料的预应力逆相变温度高于作业环境温度，并且在掺入有形状记忆合金纤维骨料的混凝土内的测温点位置预埋温度传感器，将所述温度传感器通过导线延伸出钢结构混凝土组合结构之外并与测温仪器相连接。

进一步地，本发明提供的钢结构混凝土组合结构的施工方法，在将掺入有形状记忆合金纤维骨料的混凝土浇筑在钢结构的空腔内形成钢结构混凝土组合结构之前，通过土木工程实验模型浇筑掺入有形状记忆合金纤维骨料的混凝土，以确定掺入有形状记忆合金纤维骨料混凝土能够灌注密实，温度达到形状记忆合金纤维骨料的预应力逆相变温度值；当密实灌注和温度至少其一不能达标时，调整掺入有形状记忆合金纤维骨料的尺寸和/或混凝土的配合比，再次进行土木工程实验模型。

进一步地，本发明提供的钢结构混凝土组合结构的施工方法，还包括混凝土养护的方法，所述混凝土养护方法包括通过测温仪器及其连接的温度传感器实时监测钢结构混凝土组合结构内的混凝土的内部温度，当混凝土水化热温度上升缓慢且无法达到形状记忆合金纤维骨料的逆相变温度时，在混凝土水化热温度峰值之前对钢结构混凝土组合结构进行保温或者加温处理以确定混凝土水化热温度达到形状记忆合金纤维骨料的逆相变温度。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明提供的钢结构混凝土组合结构及其施工方法，通过在钢结构的空腔内浇筑掺入形状记忆合金纤维骨料的混凝土，通过混凝土的水化热激励形状记忆合金纤维骨料产生预应力，以抵抗混凝土成型过程中因温度、收缩等因素产生的应力变化，平衡混凝土结构内部的应力，提高混凝土结构的抗裂和抗收缩性能，避免裂缝生成以及因混凝土收缩引起的内部腔体空鼓，从而提高钢结构混凝土组合结构的成型质量以及其整体的承载力和耐久性。

附图说明

图1是伸臂桁架节点的立面结构示意图；

图2是在伸臂构架内温度传感器分布及其连接的测温仪器的结构示意图；

图中所示：

1、劲性柱，2、劲性梁，3、连接架，31、注浆孔，4、伸臂桁架，41、钢结构，42、掺入有形状记忆合金纤维骨料的混凝土，5、导线，6、测温仪器，7、温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述：根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图1至图2，本发明实施例提供一种钢结构混凝土组合结构4，包括具有中空的空腔的钢结构41，以及浇筑在钢结构41的空腔内的掺入有形状记忆合金纤维骨料的混凝土42。图中示例的钢结构混凝土组合结构4为伸臂桁架，也可以是钢管混凝土柱等其它钢结构混凝土组合结构4。其中伸臂桁架的节点构造包括劲性柱1、劲性梁2、连接架3和伸臂桁架。

请参考图1至图2，本发明实施例还提供一种钢结构混凝土组合结构4的施工方法，将掺入有形状记忆合金纤维骨料的混凝土42浇筑在钢结构41的空腔内形成钢结构混凝土组合结构4。

为了获得掺入有形状记忆合金纤维骨料的混凝土42，本发明实施例提供的钢结构混凝土组合结构4的施工方法，还包括：掺入有形状记忆合金纤维骨料的混凝土42的制备方法，所述掺入有形状记忆合金纤维骨料的混凝土42的制备方法包括在混凝土拌合料中掺入形状记忆合金纤维骨料，使其均匀混合在混凝土中形成掺入有形状记忆合金纤维骨料的混凝土42。

请参考图1至图2，为了监测钢结构混凝土组合结构4内的混凝土的温度，本发明实施例提供的钢结构混凝土组合结构4的施工方法，还包括：在钢结构混凝土组合结构4内具有形状记忆合金纤维骨料的混凝土42内预埋有温度传感器7，将所述温度传感器7通过导线延伸出钢结构混凝土组合结构4之外并与测温仪器6相连接。其中测温仪器6至少包括微处理器和显示器。

为了提高应力强度，本发明实施例提供的钢结构混凝土组合结构4的施工方法，所述形状记忆合金为镍钛铜形状记忆合金。具体可以为：Ti-45Ni-5Cu(原子分数，％)形状记忆合金制成，且退火温度控制在350～550℃。

本发明实施例还提供一种钢结构混凝土组合结构4的施工方法，包括：

步骤101，对待施工的钢结构混凝土组合结构4建立建筑模型，通过建筑模型分析其内的温度分布和应力分布。

步骤102，根据温度分布确定形状记忆合金纤维骨料的尺寸，将确定尺寸的形状记忆合金纤维骨料掺入在混凝土拌和料中形成掺入有形状记忆合金纤维骨料的混凝土42；其中掺入有形状记忆合金纤维骨料的混凝土42最高水化热温度需达到形状记忆合金纤维骨料的预应力逆相变温度要求。其中每立方米掺入有形状记忆合金纤维骨料的混凝土42的质量配合比，可以如下表1：

表1

其中粗骨料可以为碎石，细骨料为砂，单位为kg，此配合比的混凝土42设计强度等级为C70，混凝土收缩应力为0.468MPa～0.436MPa，形状记忆合金逆相变应力约为150MPa，形状记忆合金纤维骨料逆相变应力需抵消混凝土收缩应力，掺量根据混凝土收缩应力计算为7.488kg～6.976kg，形状记忆合金纤维骨料的长度为20～30mm，直径0.2-0.3mm。

步骤103，根据应力分布和温度分布在待施工的钢结构混凝土组合结构4内确定测温点。

步骤105，将掺入有形状记忆合金纤维骨料的混凝土42浇筑在钢结构41的空腔内形成钢结构混凝土组合结构4，在浇筑时需保证形状记忆合金纤维骨料的预应力逆相变温度高于作业环境温度，并且在掺入有形状记忆合金纤维骨料的混凝土42内的测温点位置预埋温度传感器7，将所述温度传感器7通过导线5延伸出钢结构混凝土组合结构4之外并与测温仪器6相连接。其中在浇筑时需保证形状记忆合金纤维骨料的预应力逆相变温度高于作业环境温度的目的是为了保证形状记忆合金纤维骨料受温度变化能够产生预应力。其中温度传感器7可以采用低温锡焊与导线5连接，防止形状记忆合金纤维骨料的预应力提前产生逆相变。为防止形状记忆合金纤维骨料的预应力提前产生逆相变，需严格控制施工过程的温度，必要时需在浇筑前对混凝土进行降温处理，降低其进入钢结构41内的温度。其中对钢结构41的浇筑，可以在其上部的连接架3上开设注浆孔31，将注浆管道通过注浆孔31伸入至钢结构41内。

为了保证浇筑质量，本发明实施例提供的钢结构混凝土组合结构4的施工方法，还可以包括：

步骤104，在将掺入有形状记忆合金纤维骨料的混凝土42浇筑在钢结构41的空腔内形成钢结构混凝土组合结构4之前，通过土木工程实验模型浇筑掺入有形状记忆合金纤维骨料的混凝土42，以确定掺入有形状记忆合金纤维骨料混凝土能够灌注密实，温度达到形状记忆合金纤维骨料的预应力逆相变温度值；当密实灌注和温度至少其一不能达标时，调整掺入有形状记忆合金纤维骨料的尺寸和/或混凝土的配合比，再次进行土木工程实验模型。其中调整混凝土的配合比，还能够保证形状记忆合金纤维骨料能够均匀混合分布在混凝土中，保障整体的流动性。

为了提高钢结构混凝土组合结构4的养护效果，本发明实施例提供的钢结构混凝土组合结构4的施工方法，还可以包括：

步骤106，混凝土养护的方法，所述混凝土养护方法包括通过测温仪器6及其连接的温度传感器7实时监测钢结构混凝土组合结构4内的混凝土的内部温度，当混凝土水化热温度上升缓慢且无法达到形状记忆合金纤维骨料的逆相变温度时，在混凝土水化热温度峰值之前对钢结构混凝土组合结构4进行保温或者加温处理以确定混凝土水化热温度达到形状记忆合金纤维骨料的逆相变温度。

本发明实施例提供的钢结构混凝土组合结构4及其施工方法，通过在钢结构41的空腔内浇筑掺入有形状记忆合金纤维骨料的混凝土42，通过混凝土的水化热激励形状记忆合金纤维骨料产生预应力，以抵抗混凝土成型过程中因温度、收缩等因素产生的应力变化，平衡混凝土结构内部的应力，提高混凝土结构的抗裂和抗收缩性能，避免裂缝生成以及因混凝土收缩引起的内部腔体空鼓，从而提高钢结构混凝土组合结构4的成型质量以及其整体的承载力和耐久性。

本发明实施例提供的钢结构混凝土组合结构4及其施工方法，通过控制好施工作业温度及混凝土养护温度，即可确保抵消混凝土内部应力；具有操作方便，工序简单，施工质量容易控制的优点。

本发明实施例提供的钢结构混凝土组合结构4及其施工方法，掺入有形状记忆合金纤维骨料的混凝土42与钢结构41连接密实，减少了外露面积，钢结构41耐腐蚀性能提高。使钢结构混凝土组合结构4抗火性能提高，当温度较高时，内部混凝土产生预应力，提高了整体结构的抗弯能力和承载能力，防止结构坍塌。

本发明不限于上述具体实施方式，显然，上述所描述的实施例是本发明实施例的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本领域的技术人员可以对本发明进行其他层次的修改和变动。如此，若本发明的这些修改和变动属于本发明权利要求书的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变动在内。