一种双层配筋的预制混凝土柱及其接头结构

1.本发明涉及建筑领域，尤其涉及一种双层配筋的预制混凝土柱及其接头结构。


背景技术：

2.随着预制装配式混凝土结构从轻荷载、低烈度向中重荷载、高烈度地区的全面推广，通常需要加强常规结构的配筋以适应更高的承载力和抗震延性要求。
3.双层配筋混凝土柱尤其是双层配筋的空心混凝土柱具有自重轻、承载力大、延性好等优点，迫切需要大量推广应用到预制装配式混凝土结构中。该结构形式推广的关键技术就在于预制装配接头技术。
4.常规湿接缝连接、钢筋灌浆套筒或波纹管灌浆套筒连接在接头处易形成收缩裂缝，从而影响耐久性；常规预制装配式混凝土柱间连接在拉压弯矩等一种或多种荷载作用下，接头强度往往可能形成控制性因素，难以满足重荷载、高烈度地区结构的高承载力需求；而有的预制装配式混凝土柱间连接形式一味地提高局部构件尺寸或增加连接接头的构造复杂度，导致各预制构件间的传力路径不畅，结构自应力过高；另外，常规装配式混凝土柱间连接（如钢筋灌浆套筒连接、法兰连接等）要求极高的构件安装精度，稍有偏差将导致无法顺利安装，难以适应现场操作精度需求。


技术实现要素：

5.本发明旨在一定程度上解决上述存在的技术问题，提供一种双层配筋的预制混凝土柱及其接头结构，以解决现有装配式混凝土支承柱之间接头易开裂、耐久性差，接头强度较低、难以满足高承载力需求，接头构造复杂、传力路径不畅，接头精度要求严苛、难以适应现场操作需求等技术问题。
6.本发明为解决其技术问题提供了一种双层配筋的预制混凝土柱接头结构，包括与上预制混凝土柱固定的内套筒以及与下预制混凝土柱固定的外套筒，其中，所述上预制混凝土柱内布设有内层纵向上钢筋和外层纵向上钢筋，所述下预制混凝土柱内布设有内层纵向下钢筋和外层纵向下钢筋；所述内套筒包括第一筒体以及设置于所述第一筒体的外侧壁中部的环形的第一端板，所述第一筒体的位于所述第一端板的上方的第一上筒体浇筑于所述上预制混凝土柱内，所述第一端板与所述上预制混凝土柱的对接底面平齐，所述第一上筒体的直径小于所述内层纵向上钢筋的分布直径，所述第一端板的环宽小于所述外层纵向上钢筋与所述第一筒体外侧壁之间的间距，所述内层纵向上钢筋在所述对接底面处截断且与所述第一端板焊接，所述外层纵向上钢筋凸伸出所述对接底面且凸伸长度小于所述第一筒体的位于所述第一端板的下方的第一下筒体的高度，所述第一筒体内部填充有与所述上预制混凝土柱同等强度的混凝土；所述外套筒包括第二筒体以及设置于所述第二筒体的内侧壁中部的环形的第二端板，所述第二筒体的位于所述第二端板的下方的第二下筒体与所述下预制混凝土柱固定
连接，所述第二端板与所述下预制混凝土柱的对接顶面平齐，所述第二下筒体的直径大于所述外层纵向下钢筋的分布直径，所述第二端板的环宽小于所述内层纵向下钢筋与所述第二筒体的内侧壁之间的间距，所述外层纵向下钢筋在所述对接底面处截断且与所述第二端板焊接，所述内层纵向下钢筋凸伸出所述对接顶面且凸伸长度小于所述第二筒体的位于所述第二端板的上方的第二上筒体的高度，所述第二下筒体的内部填充有与所述下预制混凝土柱同等强度的混凝土；所述第一下筒体的外径小于所述内层纵向下钢筋的分布内径，所述第二上筒体的内径大于所述外层纵向上钢筋的分布外径，所述第一下筒体和所述第二上筒体的高度匹配，所述第一下筒体、所述第二上筒体、所述对接底面以及所述对接顶面之间形成环形灌浆对接槽；所述环形灌浆对接槽的顶部设置有出浆口，所述环形灌浆对接槽的底部设置有压浆口；超高性能混凝土填充在所述环形灌浆对接槽内形成灌浆层。
7.优选的，所述第一筒体内填充的混凝土底面与所述第二下筒体填充的混凝土顶面上分别设置有相互配对的定位凸块和定位凹槽。
8.优选的，所述第一筒体内填充的混凝土底面与所述第二下筒体填充的混凝土顶面之间还垫设有调整垫块，所述调整垫块的形状与所述相互配对的定位凸块和定位凹槽的形状和分布相配合。
9.优选的，所述第一筒体的内侧面和外侧面、所述第二筒体的内侧面均设置有水平环向剪力键和竖向剪力键。
10.优选的，所述第一筒体和所述第一端板之间通过焊接固定或者一体铸造成型；所述第二筒体和所述第二端板之间通过焊接固定或者一体铸造成型。
11.优选的，所述内套筒的第一筒体的外侧壁与所述第一端板的连接处设置有扶壁式剪力键或者剪力键；所述外套筒的第二筒体的内侧壁与所述第二端板的连接处设置有扶壁式剪力键或者剪力键。
12.优选的，所述下预制混凝土柱的所述对接顶面的尺寸大于或者等于所述上预制混凝土柱的所述对接底面的尺寸。
13.优选的，所述上预制混凝土柱的下端靠近所述对接底面处的外侧壁上开凿有调整槽，所述调整槽的尺寸与所述第二上筒体的尺寸相匹配。
14.优选的，所述第二上筒体的内径尺寸大于或等于所述上预制混凝土柱的尺寸。
15.优选的，还包括出浆管道，所述出浆管道连通所述出浆口且所述出浆管道的自由端部的出浆孔的水平高度高于所述调整槽的上端的水平高度。
16.本发明还提供一种一种双层配筋的预制混凝土柱，包括上预制混凝土柱和下预制混凝土柱，其中，所述上预制混凝土柱和所述下预制混凝土柱的衔接处采用如上任一项所述的双层配筋的预制混凝土柱接头结构。
17.本发明的技术方案中的双层配筋的预制混凝土柱及其接头结构中，所述上预制混凝土柱内布设有内层纵向上钢筋和外层纵向上钢筋，所述下预制混凝土柱内布设有内层纵向下钢筋和外层纵向下钢筋。所述上预制混凝土柱与所述下预制混凝土柱对接安装，双层纵向钢筋包括外层纵向钢筋和内层纵向钢筋；所述上预制混凝土柱的内层纵向上钢筋在所述对接底面处截断且与所述第一端板焊接，所述外层纵向上钢筋凸伸出所述对接底面一定长度，用以接头锚固；所述下预制混凝土柱的外层纵向下钢筋在所述对接底面处截断且与
所述第二端板焊接，所述内层纵向下钢筋凸伸出所述对接顶面一定长度，用以接头锚固；所述下预制混凝土柱与所述外套筒一同预制就位后，将所述上预制混凝土柱及所述内套筒一同安装于所述下预制混凝土柱上方，在内外套筒形成的相对封闭空间内通过灌浆或座浆形式，使该封闭空间填满补偿收缩的超高性能混凝土浆液，恒温养护至混凝土设计强度后即可投入使用。本发明的技术方案中的双层配筋的预制混凝土柱及其接头结构具有强节点、连续配筋、可调高度、自动对中的优点，填芯可传递一期荷载中的轴力，减小接头的轴压比，可适用于柱柱连接、承台与柱连接、柱与盖梁连接等。
附图说明
18.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.附图中：图1为本发明一实施例中的双层配筋的预制混凝土柱接头结构的分体状态下的纵向剖视图；图2为本发明一实施例中的双层配筋的预制混凝土柱接头结构的合体状态下的纵向剖视图；图3为具有剪力键的外套筒与外侧纵向下钢筋的部分装配结构示意图；图4为内套筒与内侧纵向上钢筋的部分装配结构示意图；图5为本发明一实施例中的双层配筋的预制混凝土柱接头结构的具体结构放大图；图6为另一具体实施例中的变直径的双层配筋的预制混凝土柱接头结构的合体状态下的纵向剖视图。
具体实施方式
21.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。以下描述中，需要理解的是，“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“纵”、“横”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“头”、“尾”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系、以特定的方位构造和操作，仅是为了便于描述本技术方案，而不是指示所指的装置或元件必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的限制。
22.还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。当一个元件被称为在另一元件“上”或“下”时，该元件能够“直接地”或“间接地”位于另一元件之上，或者也可能存在一个或更多个居间元件。术语“第一”、“第二”、“第三”等仅是为了便于描述本技术方案，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
23.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
24.如图1-5所示，为本发明一实施例中提供的一种双层配筋的预制混凝土柱100，包括上预制混凝土柱10、下预制混凝土柱20、内套筒（图未标号）以及外套筒（图未标号）。所述内套筒与所述上预制混凝土柱10固定，所述外套筒与所述下预制混凝土柱20固定。
25.所述上预制混凝土柱10和下预制混凝土柱20均为双层配筋，所述上预制混凝土柱10内布设有内层纵向上钢筋101和外层纵向上钢筋102，所述下预制混凝土柱20内布设有内层纵向下钢筋201和外层纵向下钢筋202。
26.所述上预制混凝土柱10与所述下预制混凝土柱20通过本实施例设计的对接结构对接安装。
27.请一并结合图1-2以及图4，所述内套筒包括第一筒体111以及设置于所述第一筒体111外侧壁的中部的环形的第一端板112，所述第一筒体111的位于所述第一端板112的上方的第一上筒体1111浇筑于所述上预制混凝土柱10内，所述第一端板112与所述上预制混凝土柱10的对接底面31平齐，所述第一上筒体1111的直径小于所述内层纵向上钢筋101的分布直径，所述第一端板112的环宽小于所述外层纵向上钢筋102与所述第一筒体111外侧壁之间的间距，所述内层纵向上钢筋101在所述对接底面31处截断且与所述第一端板112焊接，所述外层纵向上钢筋102凸伸出所述对接底面31且凸伸长度小于所述第一筒体111的位于所述第一端板112的下方的第一下筒体1112的高度，所述第一筒体111内部填充有与所述上预制混凝土柱10同等强度的混凝土。
28.其中，所述内层纵向上钢筋101的分布直径指的是内层纵向上钢筋101沿所述上预制混凝土柱10环向分布的尺寸，一般来说如果上预制混凝土柱10采用圆柱结构，内层纵向上钢筋101也是环型分布，分布直径指的就是内层纵向上钢筋101环绕形成的圆环的直径；如果上预制混凝土柱10为方型柱，分布直径指的就是内层纵向上钢筋101环绕形成的方形的边长。同理，本实施例中下文所述的外层纵向上钢筋102、内层纵向下钢筋201、外层纵向下钢筋202的分布直径与上述释义相同，后续不再赘述。
29.所述外套筒包括第二筒体211以及设置于所述第二筒体211外侧壁的中部的环形的第二端板212，所述第二筒体211的位于所述第二端板212的下方的第二下筒体2111与所述下预制混凝土柱20固定连接，所述第二端板212与所述下预制混凝土柱20的对接顶面32平齐，所述第二下筒体2111的直径大于所述外层纵向下钢筋202的分布直径，所述第二端板212的环宽小于所述内层纵向下钢筋201与所述第二筒体211的内侧壁之间的间距，所述外层纵向下钢筋202在所述对接底面32处截断且与所述第二端板212焊接，所述内层纵向下钢筋201凸伸出所述对接顶面32且凸伸长度小于所述第二筒体211的位于所述第二端板212的上方的第二上筒体2112的高度，所述第二下筒体2111的内部填充有与所述下预制混凝土柱20同等强度的混凝土。
30.其中，所述第二下筒体2111与所述下预制混凝土柱20的固定连接方式可以是所述
第二下筒体2111浇筑在所述下预制混凝土柱20的端部，也可以是所述第二下筒体2111焊接、栓接、铆接等方式固定在所述下预制混凝土柱20的端部。
31.其中，所述第一筒体111内部填充有与所述上预制混凝土柱10同等强度的混凝土，所述第二下筒体2111的内部填充有与所述下预制混凝土柱20同等强度的混凝土。填芯可传递一期荷载中的轴力，减小接头的轴压比。
32.所述第一下筒体1112的外径小于所述内层纵向下钢筋201的分布内径，所述第二上筒体2112的内径大于所述外层纵向上钢筋102的分布外径，所述第一下筒体1112和所述第二上筒体2112的高度匹配，所述第一下筒体1112、所述第二上筒体2112、所述对接底面31以及所述对接顶面32之间形成环形灌浆对接槽40。
33.所述环形灌浆对接槽40的顶部设置有出浆口41，所述环形灌浆对接槽40的底部设置有压浆口42；超高性能混凝土填充在所述环形灌浆对接槽40内形成灌浆层。
34.在本实施方式中，所述上预制混凝土柱10的内层纵向上钢筋101在所述对接底面31处截断且与所述第一端板112焊接，所述外层纵向上钢筋102凸伸出所述对接底面31一定长度，用以接头锚固；所述下预制混凝土柱20的外层纵向下钢筋202在所述对接底面32处截断且与所述第二端板212焊接，所述内层纵向下钢筋201凸伸出所述对接顶面32一定长度，用以接头锚固；所述下预制混凝土柱10与所述外套筒一同预制就位后，将所述上预制混凝土柱10及所述内套筒组成的预制体一同安装于所述下预制混凝土柱20的上方，在内外套筒形成的相对封闭空间内通过灌浆或座浆形式，使该封闭空间填满补偿收缩的超高性能混凝土浆液，恒温养护至混凝土设计强度后即可投入使用。
35.进一步地，在一可选地实施方式中，所述第一筒体111内填充的混凝土底面与所述第二下筒体2111填充的混凝土顶面上分别设置有相互配对的定位凸块61和定位凹槽62。具体来说，通过相互配对的定位凸块61和定位凹槽62可以方便上预制混凝土柱10与下预制混凝土柱20对接时的定位，使得定位更简单准确。
36.进一步地，在一可选地实施方式中，所述第一筒体111内填充的混凝土底面与所述第二下筒体2111填充的混凝土顶面之间还垫设有调整垫块50，所述调整垫块50的形状与所述相互配对的定位凸块和定位凹槽的形状和分分布相配合。通过调整垫块50的设置可以调整接头结构的高度。
37.进一步地，在一可选地实施方式中，所述外层纵向上钢筋102、内层纵向上钢筋101、外层纵向下钢筋202、内层纵向下钢筋201均通过箍筋捆扎。
38.请一并结合图3和图5，进一步地，在一可选地实施方式中，所述第一筒体111和第二筒体211的内侧面和外侧面均设置有水平环向剪力键71和竖向剪力键72。剪力键可以增加混凝土与套筒在各个方向的握裹力，提供拉压承载力和抗扭承载力。
39.进一步地，在一可选地实施方式中，所述第一筒体111和所述第一端板112之间通过焊接固定或者一体铸造成型；所述第二筒体211和所述第二端板212之间通过焊接固定或者一体铸造成型。
40.进一步地，请一并结合图图2和图5，在一可选地实施方式中，所述上预制混凝土柱10的下端靠近所述对接底面31处的外侧壁上开凿有调整槽90，所述调整槽处的尺寸与所述第二上筒体2112的尺寸相匹配。
41.在本实施例中，采用设置出浆管道400的方式来出浆，所述出浆管道400连通所述
出浆口41且所述出浆管道400的自由端部的出浆孔的水平高度高于所述调整槽90的上端的水平高度。可以理解的是，所述压浆口42同样连接有入浆管道（图未标号）。
42.请一并结合图6，进一步地，在一可选地实施方式中，所述下预制混凝土柱20的所述对接顶面32的尺寸大于或者等于所述上预制混凝土柱10的所述对接底面31的尺寸。
43.进一步地，在一可选地实施方式中，所述第二上筒体2112的尺寸大于所述上预制混凝土柱10的尺寸。
44.具体的，所述上、下预制混凝土柱的端部构造尺寸及形式可以相同或者不同，可以任意形状相等、也可以任意相同形状大包小、也可以任意不同形状大包小（含圆包方、方包圆等）。
45.本实施例中还提供，双层配筋的预制混凝土柱接头结构的各项设计参数的计算机验证方法，以辅助说明本实施例的技术效果。
46.（1）套筒等效抗剪厚度：（1）套筒等效抗剪厚度：——套筒等效抗剪厚度（单位：mm)；t——套筒壁厚度（单位：mm)；ar——水平剪力键断面面积（单位：mm2)；lr——水平剪力键在单个标准水平剪力键间距内的长度（单位：mm2)；a
ex
——单个标准水平剪力键间距内的套筒展开面积（单位：mm2)；（2）套筒等效拉压厚度：筒等效拉压厚度：——套筒等效拉压厚度（单位：mm)；t——套筒壁厚度（单位：mm)；a
se
——套筒壁的断面面积（单位：mm2)；aa——竖向剪力键断面面积（单位：mm2)；n——断面内竖向剪力键个数；所述内外套筒厚度计算方法：（1）方法一：等效配箍法：1）标准段面积配箍率：p
sv
——标准段面积配箍率（%)；a
su
——配置在单个标准箍筋间距内的箍筋总截面面积（单位：mm2)；sv——标准箍筋间距（单位：mm)；b——截面宽度（单位：mm)；根据等效配箍法，在单个标准箍筋间距内钢套筒与箍筋约束能力相等即可，即套筒壁折算厚度：
——套筒等效抗剪厚度（单位：mm)；p
sv
——标准段面积配箍率（%）；b——截面宽度（单位：mm)；f
sd
——箍筋的设计抗拉压强度（单位：mpa)；f
ttd
——套筒壁的设计抗拉压强度（单位：mpa)；2）标准段体积配箍率：pv——标准段体积配箍率（%)；a
sv
——配置在单个标准箍筋间距内的箍筋总截面面积（单位：mm2)；a
cor
——核心区混凝土截面面积（单位：mm2)；l
sv
——箍筋在单个标准间距内的长度（单位：mm)；sv——标准箍筋间距（单位：mm)；根据等效配箍法，在单个标准箍筋间距内钢套筒与箍筋的体积相等即可，即套筒壁折算厚度：壁折算厚度：——套筒等效抗剪厚度（单位：mm)；pv——标准段体积配箍率（%）；a
cor
——核心区混凝土截面面积（单位：mm2)；综上，等效配箍法计算所得套筒等效厚度可取为：（2）方法二：等效纵筋法确定标准段纵筋配筋率：ps——标准段纵筋配筋率（%）；as——断面中纵筋总截面面积（单位：mm2)；a0——断面有效截面面积（单位：mm2)；根据等效纵筋法，钢套筒与纵筋的抗拉压能力相等即可，即套筒壁折算厚度：
——套筒等效拉压厚度（单位：mm)；ps——标准段纵向配筋率（%）；la——套筒周长（单位：mm)；f
sd
——纵筋的设计抗拉压强度（单位：mpa)；f
ttd
——套筒壁的设计抗拉压强度（单位：mpa)；（3）套筒壁厚及横、竖向剪力键设计计算方法由上述内容可知，因横、竖向剪力键的存在，套筒壁厚在抗剪与抗拉压两个方向分别存在不同的等效厚度，考虑经济性，可设置合适的基础壁厚，再通过不同的横、竖向剪力键的设置以匹配不同的壁厚要求。
47.实际应用过程中，t（单位：mm)可向上取整，且不小于2mm。
48.所述内外套筒竖向长度计算方法：套筒、钢筋抗拔出效果确定，可配合调整水平向剪力键与竖向剪力键构造尺寸及布置间距。
49.所述端部钢筋伸出混凝土柱上（下）表面的最小长度计算方法：1）内圈钢筋伸出下混凝土柱上表面的最小长度为：l
i min
——内圈钢筋伸出下混凝土柱上表面的最小长度（mm）；l
ia
——内圈钢筋在灌浆料中的最小锚固长度，镦头钢筋取15d
is
，直钢筋取20 d
is
（mm）；——接头可调值，详见图示（单位：mm)；d
is
——内圈钢筋直径（单位：mm)。
50.2）外圈钢筋伸出上混凝土柱下表面的最小长度为：l
o min
——外圈钢筋伸出上混凝土柱下表面的最小长度（mm）；l
oa
——外圈钢筋在灌浆料中的最小锚固长度，镦头钢筋取15d
os
，直钢筋取20 d
os
（mm）；d
os
——外圈钢筋直径（单位：mm)。
51.所述（下混凝土柱的）外套筒端板以上外露高度最小值的计算方法为：l
smin
——下混凝土柱的外套筒端板以上外露高度最小值（mm）；l
i min
——内圈钢筋伸出下混凝土柱上表面的最小长度（mm）；l
o min
——外圈钢筋伸出上混凝土柱下表面的最小长度（mm）；——接头可调值。
52.所述（上混凝土柱的）内套筒端板以下外露高度最小值的计算方法为：
l
i min
——上混凝土柱的内套筒端板以下外露高度最小值（mm）；l
i min
——内圈钢筋伸出下混凝土柱上表面的最小长度（mm）；l
o min
——外圈钢筋伸出上混凝土柱下表面的最小长度（mm）。
53.所有伸入灌浆密闭空间的纵向钢筋均采用镦头钢筋，该做法可显著减少钢筋的锚固长度。
54.可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。