一种预制蜂窝型钢部分包裹再生混凝土柱的制作方法

技术领域

本发明涉及建筑结构领域，尤其涉及一种预制蜂窝型钢部分包裹再生混凝土柱的制作方法。

背景技术

中国是全球最大砂石消费国。目前，我国砂石骨料消耗总量超178亿吨。如此巨大的砂石骨料需求，已导致我国许多地方出现骨料短缺问题。与此同时，每年由于旧城改造、自然灾害等原因又会产生大量建筑垃圾，由此引发了一系列社会环境问题。再生混凝土是将废弃混凝土块破碎、清洗分级后，按一定比例和级配组成再生粗骨料，并将再生粗骨料部分或全部替换天然砂石配制形成的一种新混凝土。再生混凝土将建筑垃圾“变废为宝”，替代天然骨料在工程中进行应用，可产生明显的社会环境效益，是解决上述天然骨料短缺，建筑垃圾污染环境问题的有效手段之一。

近年来，随着《中共中央国务院关于进一步加强城市规范建设管理工作的若干意见》、《建筑产业现代化发展纲要》等文件的先后颁布，装配式建筑在我国工程中得到了大力推广与使用。在这一契机下，型钢部分包裹混凝土柱(Partially encased concrete柱，简称PEC柱)这一施工便捷，可工厂预制、现场装配的组合构件形式在我国工程中得到了快速推广与应用。然而，由于型钢表面较为光滑，在考虑混凝土收缩徐变、环境侵蚀等长期因素影响下，如何保障PEC柱界面性能是此类构件需要关注的重点问题。此外，对于PEC柱而言，由于热轧型钢型号较为固定，这在一定程度上限制了PEC柱截面尺寸选取的灵活性。

蜂窝型钢是指在H型钢或工字钢腹板上按一定弧线或折线进行切割，在错位焊接形成的空腹型钢。相比于原实腹型钢，蜂窝型钢截面刚度及抗弯承载能力均得到有效提升，并且可按设计扩张比进行扩张，使得其截面尺寸选取更加灵活。目前，蜂窝型钢在工程中已得到较为广泛应用，如中钢天津国际广场超高层结构、云南省开发银行行政大楼等。但蜂窝型钢由于腹板上存在孔洞，在孔洞周边容易发生局部屈曲；孔洞部位也易于过火，从而降低其耐火极限。如何防止蜂窝型钢局部屈曲并改善其耐火性能是该类构件需要关注的重点问题。

针对上述背景下如何弥补再生混凝土性能缺陷、如何保障PEC柱界面性能及如何防止蜂窝型钢局部屈曲并提升其耐火性能等关键问题，本发明创新性地提出在蜂窝型钢轮廓范围内填充再生混凝土，并根据性能要求选择布置纵筋、箍筋、系杆等部件，以此形成蜂窝型钢部分包裹再生混凝土柱这一可预制的新型组合构件形式。

蜂窝型钢部分包裹再生混凝土柱在融合再生混凝土绿色环保、蜂窝型钢抗弯刚度大、PEC柱施工便捷等优势之上，还能弥补再生混凝土力学性能差、蜂窝型钢易屈曲、长期作用下PEC柱界面性能不易保障等性能缺陷。由此可见，该新型预制组合柱具有广阔的工程应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可预制蜂窝型钢部分包裹混凝土柱的制作方法，旨在解决如何弥补再生混凝土性能缺陷、如何保障PEC柱界面性能及如何防止蜂窝型钢局部屈曲等关键问题。

本发明是这样实现的：一种可预制蜂窝型钢部分包裹混凝土柱的制作方法，包括以下步骤：

a、蜂窝型钢制作：蜂窝型钢包括腹板和翼缘，腹板上开设有多个圆形通孔，圆形通孔依次排列形成蜂窝孔洞，腹板上端和下端为翼缘，腹板上端的翼缘与腹板下端的翼缘之间焊接有系杆；蜂窝型钢制作包括以下步骤：

s1、腹板切割：取工字钢或H型钢，用数控多头自动切割机在其腹板上按预设弧线进行切割，随后将切割后的腹板错开冷却。

s2、腹板焊接：将切割后腹板上半部的半圆形槽与腹板下半部的半圆形槽相互错开对齐形成圆形通孔，并进行点焊固定，随后用二氧化碳气体保护焊打底，手工焊盖面，焊完一面后将构件翻转，置放平整焊接背面，由此得到蜂窝型钢；

b、钢筋骨架的制作安装：将矩形箍筋穿过腹板上圆形通孔，穿过每个圆形通孔的箍筋数量为1个，设置好箍筋后在矩形箍筋内穿入纵筋并使用铁丝将纵筋绑扎固定在箍筋上，纵筋分布于腹板两侧面，腹板每个侧面的纵筋数量为2～3根；

c、安装模板：在蜂窝型钢上焊接扁钢,扁钢即系杆,使蜂窝型钢得以加固，随后将蜂窝型钢翼缘垂直地面放置,并绑扎一底模,同时在蜂窝型钢两端绑扎侧模；

d、再生混凝土制作：按再生混凝土的设计强度与配合比，先将70％的水与水泥、砂搅拌1min，随后将剩余的水及再生骨料投入搅拌2min；

e、再生混凝土浇筑：将步骤d制作好的再生混凝土浇筑至蜂窝型钢轮廓范围之内，再生混凝土从孔洞处浇至底面，并振捣密实；浇筑完成后养护28天；

f、模板拆卸：再生混凝土浇筑成型并养护一段时间、当强度达到一定要求时，即可拆除模板，其中侧模养护7天即可拆除，底模在达到28天养护时间后拆卸，模板拆除后即得到预制蜂窝型钢部分包裹再生混凝土柱。

本发明的进一步技术方案是：步骤e中，再生混凝土与蜂窝型钢进行部分包覆组合，仅在蜂窝型钢轮廓范围内浇筑再生混凝土。

本发明的进一步技术方案是：蜂窝腹板由上半部和下半部组成，腹板上半部与下半部相互对称，腹板上半部和下半部焊接连接在一起形成蜂窝腹板。

本发明的进一步技术方案是：腹板上半部和下半部上分别开有多个半圆形槽，半圆形槽依次排列，腹板上半部与下半部拼接形成蜂窝腹板，蜂窝腹板上半部与下半部上的半圆形槽一一对应形成多个圆形通孔，圆形通孔依次排列呈蜂窝状。

本发明的进一步技术方案是：蜂窝型钢轮廓范围内包覆的混凝土为由再生骨料制作的再生混凝土

本发明的进一步技术方案是：在蜂窝型钢轮廓范围内填充再生混凝土，并根据性能要求选择布置纵筋、箍筋、系杆等部件，以此形成蜂窝型钢部分包裹再生混凝土柱这一新型组合构件形式。

本发明的进一步技术方案是：蜂窝型钢制的制作过程中采用到原实腹型钢，原实腹型钢截面高度为200mm，按1.4扩张比进行扩张，扩张后圆形孔洞间的净距为82.5mm，圆形孔洞半径为90mm。

本发明的进一步技术方案是：步骤b中，钢筋骨架中的箍筋直接从孔洞处穿越，箍筋外轮廓尺寸为90mm×180mm，间距为262mm。

本发明的进一步技术方案是：步骤c中，焊接扁钢的间距为100mm。

本发明的进一步技术方案是：步骤e中，再生混凝土的浇筑直接从孔洞处流淌至构件底面，并振捣密实。

本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，制作出的蜂窝型钢部分包裹再生混凝土柱，能够有效利用再生混凝土，是解决天然骨料短缺与建筑垃圾问题的有效手段；蜂窝型钢截面扩张，使得构件的抗弯刚度与承载能力得到有效提升，同时带圆形通孔的腹板还能节省大量钢材；与实腹型钢混凝土结构相比，蜂窝型钢部分包裹再生混凝土柱的节点连接更加便捷，更有利于现场的施工；再生混凝土的存在，能有效改善蜂窝型钢防火与防腐性能，并能有效抑制蜂窝型钢构件局部屈曲的发生；另外，由于圆形通孔存在，蜂窝型钢部分包裹再生混凝土柱中的型钢与再生混凝土间的咬合力大大增强，减少了型钢栓钉的使用，具有明显的经济效益；同时，在预制浇筑时可借助圆形通孔，使得再生混凝土的浇筑过程一次完成，无需二次翻转浇筑，简化了施工工序，缩短了施工时间。

附图说明

图1是本发明所述蜂窝型钢部分包裹再生混凝土柱的结构示意图；

图2是裁剪腹板上半部与下半部时在板材上的布局示意图；

图3是实施例2所述腹板的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

实施例1：

一种预制蜂窝型钢部分包裹再生混凝土柱的制作方法，包括以下步骤：

a、蜂窝型钢制作：蜂窝型钢包括腹板1和翼缘2，腹板上开设有多个圆形通孔3，圆形通孔依次排列形成蜂窝孔洞，腹板上端和下端为翼缘，腹板上端的翼缘与腹板下端的翼缘之间焊接有系杆4；蜂窝型钢制作包括以下步骤：

s1、腹板切割：取工字钢或H型钢，用数控多头自动切割机在其腹板上按预设弧线进行切割，切割的方式按照图2所示的排布方式进行切割，随后将切割后的腹板错开冷却。

s2、腹板焊接：将切割后腹板上半部的半圆形槽与腹板下半部的半圆形槽相互错开对齐形成圆形通孔，并进行点焊固定，随后用二氧化碳气体保护焊打底，手工焊盖面，焊完一面后将构件翻转，置放平整焊接背面，由此得到蜂窝型钢。

b、钢筋骨架的制作安装：将矩形箍筋5穿过腹板上圆形通孔，穿过每个圆形通孔的箍筋数量为1个，设置好箍筋后在矩形箍筋内穿入纵筋6并使用铁丝将纵筋绑扎固定在箍筋上，纵筋分布于腹板两侧面，腹板每个侧面的纵筋数量为2～3根；

c、安装模板：在蜂窝型钢上焊接扁钢,扁钢即系杆,使蜂窝型钢得以加固，随后将蜂窝型钢翼缘垂直地面放置,并绑扎一底模,同时在蜂窝型钢两端绑扎侧模；

d、再生混凝土制作：按再生混凝土的设计强度与配合比，先将70％的水与水泥、砂搅拌1min，随后将剩余的水及再生骨料投入搅拌2min；

e、再生混凝土浇筑：将步骤d制作好的再生混凝土7浇筑至蜂窝型钢轮廓范围之内，再生混凝土从孔洞处浇至底面，并振捣密实；浇筑完成后养护28天。

f、模板拆卸：再生混凝土浇筑成型并养护一段时间、当强度达到一定要求时，即可拆除模板，其中侧模养护7天即可拆除，底模在达到28天养护时间后拆卸，模板拆除后即得到预制蜂窝型钢部分包裹再生混凝土柱。

按照上述技术方案制作出的混凝土柱如图1所示。

优选的，蜂窝型钢制的制作过程中采用到原实腹型钢，原实腹型钢采用H型钢，能够保障柱体在强轴与弱轴两个方向的受弯性能。

优选的，腹板上半部和下半部分别开有多个半圆形槽，半圆形槽依次排列，腹板上半部与下半部错开拼接后形成蜂窝腹板，蜂窝腹板上半部与下半部上的半圆形槽一一对应形成多个圆形通孔，圆形通孔依次排列呈蜂窝状，能够提升再生混凝土与型钢的咬合力。

优选的，腹板的厚度为8mm，以最佳的厚度选择达到良好的性能，板材过厚会导致成本过高，厚度不够会影响柱体的承载能力。

优选的，蜂窝型钢外部包裹的再生混凝土为由全再生骨料制作的全再生混凝土，能够充分利用建筑垃圾，绿色环保。

优选的，原实腹型钢截面高度为200mm,蜂窝孔洞之间的净距为82.5mm，圆形孔洞半径为90mm。此时构件截面扩张比为1.4，能够充分发挥蜂窝型钢的力学性能，并节约造价。

优选的，步骤b中，钢筋骨架中的箍筋直接从孔洞处穿越，箍筋外轮廓尺寸为90mm×180mm，间距为262mm。

优选的，步骤c中，焊接扁钢的间距为100mm。

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，所不同的是：如图3所示，所述蜂窝型钢由翼缘和蜂窝腹板焊接而成，其中翼缘尺寸根据实际需要灵活选取，蜂窝腹板则为多块依次排列的腹板,每块腹板与腹板的端部相互焊接固定，腹板采用多块拼接的方式，在进行腹板裁剪时，能够充分利用板材，避免浪费，同时能够根据实际需要选用一定数量的腹板进行焊接，例如，选用2块或多块腹板相互拼接后焊接牢固，腹板的长度便能根据实际需要灵活调整，翼缘宽度与长度也可根据实际需要进行灵活选用，使得蜂窝型钢截面尺寸选取更为灵活。

实施例3：

本实施例与实施例1基本相同，所不同的是：蜂窝型钢部分包裹的混凝土为由再生骨料部分替代天然骨料制成的再生混凝土，一方面，相较于全再生混凝土，由于存在天然骨料，其力学性能会有所提升，另一方面，相较于普通混凝土，采用再生骨料部分替代天然骨料，能将建筑垃圾“变废为宝”，从而带来一定的社会效益与环境效益。

实施例4：

本实施例与实施例1基本相同，所不同的是：蜂窝型钢部分包裹再生混凝土柱系杆采用钢筋进行连接，采用钢筋作为系杆，使得系杆的切割较为便捷，现场施工较为方便，同时钢筋系杆也可对其内部再生混凝土产生良好的约束作用，从而提升柱体的力学性能。

除上所述外，通过试验研究发现，相比于蜂窝型钢柱，蜂窝型钢部分包裹普通混凝土柱、50％取代率蜂窝型钢部分包裹再生混凝土柱及蜂窝型钢部分包裹全再生混凝土柱这三种柱的极限承载能力分别提升了25％、24％及20％，说明将混凝土填充于蜂窝型钢轮廓范围内可有效改善蜂窝钢柱的力学性能，并且对于蜂窝型钢部分包裹再生混凝土柱而言，不同取代率的影响并不是很大，说明蜂窝型钢能够有效抑制再生混凝土的性能缺陷。此外，对于蜂窝型钢部分包裹再生混凝土柱，在屈服荷载之前，其轴向应变要远小于蜂窝钢柱的轴向应变，在达到破坏时，蜂窝型钢部分包裹再生混凝土柱的延性系数达到了3.04～4.42，表现出了良好的变形性能。综上说明，本发明提出的蜂窝型钢部分包裹再生混凝土柱具有良好的力学性能，可在实际工程中进行推广与使用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。