基于法兰连接可拆可换型钢混凝土柱-柱连接结构及方法
阅读说明：本技术 基于法兰连接可拆可换型钢混凝土柱-柱连接结构及方法 (Detachable and replaceable steel reinforced concrete column-column connection structure and method based on flange connection ) 是由 门进杰 霍文武 兰涛 周琦 史庆轩 张谦 于 2019-10-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于法兰连接可拆可换型钢混凝土柱-柱连接结构及方法,包括上、下段型钢混凝土柱和在两段型钢混凝土柱之间的可拆可换型钢混凝土柱,可拆可换型钢混凝土柱为两端设有法兰盘的型钢混凝土柱,带外伸板的法兰盘设在上、下段型钢混凝土柱两端；通过高强螺栓连接法兰盘和带外伸板的法兰盘将可拆可换型钢混凝土柱连接到上、下段型钢混凝土柱之间。当型钢混凝土柱需要拆换时,在法兰盘外伸板之间支撑千斤顶实现对型钢混凝土柱拆卸和更换。该结构构造形式简洁,加工制作方便,传力路径明确,可快速实现构件的工业化批量制作,提高工程的施工效率,实现了型钢混凝土柱在全生命周期可拆可换,为全生命周期可拆可换结构体系奠定了基础。(The invention discloses a flange connection-based detachable and replaceable section steel concrete column-column connection structure and a flange connection-based detachable and replaceable section steel concrete column-column connection method, wherein the flange connection-based detachable and replaceable section steel concrete column comprises an upper section steel concrete column, a lower section steel concrete column and a detachable and replaceable section steel concrete column between the two sections of section steel concrete columns, the detachable and replaceable section steel concrete column is a section steel concrete column with flanges at two ends, and the flanges with external extension plates are arranged at two ends of the upper section steel concrete column and the lower section steel; the detachable and replaceable section steel concrete column is connected between the upper section steel concrete column and the lower section steel concrete column through a high-strength bolt connecting flange plate and a flange plate with an external extension plate. When the section steel concrete column needs to be disassembled and replaced, the jack is supported between the flange plate extending plates to realize the disassembly and replacement of the section steel concrete column. The structural construction form is simple, the processing and manufacturing are convenient, the force transmission path is clear, the industrialized batch manufacturing of the components can be realized quickly, the construction efficiency of the engineering is improved, the steel reinforced concrete column can be disassembled and replaced in the whole life cycle, and the foundation is laid for the detachable and replaceable structural system in the whole life cycle.)
技术领域
本发明涉及全生命周期可拆可换结构体系中节点连接领域，具体涉及一种基于法兰连接的可拆可换型钢混凝土柱-柱连接结构及方法。
背景技术
全生命周期可拆可换结构体系是一种新型的结构体系，包含了结构在正常服役期间因使用功能的变化对构件进行的拆换，服役完成后对构件进行的拆卸、回收，地震作用后对构件进行的可拆可换。全新的结构体系成为一种受损可快速恢复、功能可持续更新的动态结构体系，新体系契合绿色建筑和可持续发展的抗震设计理念。使结构在服役期满后能够实现构件的回收或重复利用；结构在地震作用破坏后，可对受损可拆可换构件进行拆卸更换，实现震后结构功能的快速恢复；既有建筑结构使用功能发生变化时，对可拆可换构件进行拆卸更新，实现结构使用功能的快速更新。
全生命周期可拆可换结构体系包括结构前期构件的可拆卸及结构体系中构件拆除后可重新安装新构件。国内外学者现在主要是从结构构件的预制装配及服役期满后可以对构件拆除的角度对可拆卸结构进行研究，以实现结构在拆除后不产生或仅产生少量建筑垃圾，并可对拆除后的构件进行再利用。但可拆卸结构的具有一定的局限性：结构只能在结束服役后对结构整体进行按自上而下的顺序拆除，不能在服役期间对结构构件进行局部拆除或更换；结构在地震作用后不能实现快速恢复。
为解决以上问题提出的全生命周期可拆可换结构体系，既实现了结构在正常使用期间因建筑结构使用功能的变化将不满足功能需求的局部构件进行拆卸更换，快速更新建筑结构的使用功能；在结构完成服役后可对结构构件进行拆卸、回收和再利用；还实现了结构在地震作用后，对受损部位可拆可换构件进行拆卸更换，使结构使用功能快速恢复。
由于传统结构柱-柱连接结构不能很好地适用于所提出的全生命周期可拆可换结构体系，为此本发明提出一种基于法兰连接的可拆可换型钢混凝土柱-柱连接结构。本发明是全生命周期可拆可换结构体系的重要组成部分，是实现可拆可换结构体系理念的重要支撑。本发明不仅适用于全生命周期可拆可换结构体系，还可以很好地适用于现有装配式结构体系。
发明内容
针对现有结构柱-柱连接结构不能很好地适用于全生命周期可拆可换结构体系，本发明提出一种基于法兰连接的可拆可换型钢混凝土柱-柱连接结构及方法。本发明结构构造形式简洁，加工制作方便，传力路径明确，实现了型钢混凝土柱在全生命周期可拆可换，为全生命周期可拆可换结构体系奠定了基础。
为解决以上问题，本发明所采用的技术方案是：
一种基于法兰连接可拆可换型钢混凝土柱-柱连接结构，包括上段型钢混凝土柱、下段型钢混凝土柱和在两段型钢混凝土柱之间的可拆可换型钢混凝土柱，可拆可换型钢混凝土柱为两端带有法兰盘的型钢混凝土柱，在上下段型钢混凝土柱两端设带外伸板的法兰盘；通过高强螺栓将法兰盘和带外伸板的法兰盘连接，将可拆可换型钢混凝土柱连接到上段型钢混凝土柱和下段型钢混凝土柱之间；当型钢混凝土柱需要拆换时，在法兰盘外伸板之间支撑千斤顶实现对型钢混凝土柱拆卸和更换。
对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案。
优选的，所述型钢混凝土柱中设型钢柱，型钢柱两端分别与法兰盘焊接。
优选的，所述上段型钢混凝土柱中设型钢柱，型钢柱两端分别与带外伸板的法兰盘焊接。
优选的，所述型钢柱为H形型钢柱、井字形型钢柱、十字形型钢柱、内矩形型钢柱、外矩形型钢柱、内圆钢管柱或外圆钢管柱。
优选的，所述外矩形型钢柱、外圆钢管柱内浇注混凝土形成钢管混凝土柱，所述内圆钢管柱内外浇注混凝土形成型钢混凝土柱，所述H形型钢柱、井字形型钢柱、十字形型钢柱外浇注混凝土形成型钢混凝土柱。
优选的，所述上段型钢混凝土柱、下段型钢混凝土柱与可拆可换型钢混凝土柱的配钢率满足：
其中，L0为结构层高，L1为可拆可换型钢混凝土柱长，A0为型钢截面面积，AS0为上、下段混凝土柱型钢截面面积；A1为中段截面面积，AS1为可拆可换型钢混凝土柱型钢截面面积。
优选的，型钢混凝土柱采用C40混凝土；型钢柱材料采用Q420钢材；法兰盘、带外伸板的法兰盘采用Q420钢材。
优选的，所述型钢混凝土柱上端法兰盘到上段型钢混凝土柱梁底的距离不大于800mm，下端法兰盘到下段型钢混凝土柱楼板距离不大于800mm。
本发明相应地给出了一种基于法兰连接可拆可换型钢混凝土柱-柱连接方法，包括如下步骤：
1)将所有构件均在工厂进行加工，将法兰盘对焊在型钢柱上，立模浇筑C40混凝土，形成两端带法兰盘的可拆可换型钢混凝土柱；
2)将带外伸板的法兰盘对焊在型钢柱上，立模浇筑C40混凝土，形成两端具有带外伸板法兰盘的上段型钢混凝土柱和下段型钢混凝土柱；
3)通过高强螺栓将带外伸板的法兰盘和法兰盘连接，将两端带法兰盘的可拆可换型钢混凝土柱连接到上段型钢混凝土柱和下段型钢混凝土柱之间；
4)需要拆换型钢混凝土柱时，通过将千斤顶支撑于法兰盘的外伸板，实现对型钢混凝土柱的拆卸和更换。
本发明在既有建筑结构使用功能发生变化时，将不满足结构新功能需求的型钢混凝土柱拆换为满足功能需求的型钢混凝土柱，实现结构使用功能的快速更新；在地震作用后可将受损型钢混凝土柱进行拆换，实现结构使用功能的快速恢复。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
型钢混凝土柱通过法兰盘使用高强螺栓连接，在型钢混凝土柱上下法兰盘外伸板之间使用千斤顶可对型钢混凝土柱进行拆卸，并对新的型钢混凝土柱进行安装，即通过法兰连接使型钢混凝土柱成为可拆可换构件，并可在全生命周期内对型钢混凝土柱进行拆换。通过合理布置上、中、下型钢混凝土柱配钢率，使结构在预期荷载作用下塑性铰出现在型钢混凝土柱柱身中部，法兰盘连接处在预期荷载作用下不发生变形或仅产生较小变形。
地震作用后，在上下法兰盘外伸板之间使用千斤顶对受损型钢混凝土柱进行拆卸，并对新的型钢混凝土柱进行安装，实现震后结构功能的快速恢复；当既有建筑结构使用功能发生变化时，使用千斤顶将不满足新使用功能需求的型钢混凝土柱拆换为满足结构功能需求的型钢混凝土柱，实现结构使用功能的快速更新。
基于法兰连接的可拆可换型钢混凝土柱-柱连接实现了型钢混凝土柱在全生命周期可拆可换，且连接结构形式简洁，加工制作方便，可迅速实现结构构件工业化制作，快速提高工程施工效率。本发明不仅适用于全生命周期可拆可换结构体系，还可以很好地适用于现有的装配式结构体系，具有极大的工程应用范围和应用前景。
附图说明
图1为基于法兰连接的可拆可换型钢混凝土柱-柱连接结构整体示意图；
图2为可拆可换型钢混凝土柱构件示意图；
图3为可拆可换型钢混凝土柱构件内部构造示意图；
图4为可拆可换型钢混凝土柱-柱连接结构俯视图；
图5为井字形型钢混凝土柱连接结构示意图；
图6为型钢柱截面为H形的型钢混凝土柱连接结构示意图；
图7为型钢柱截面为内矩形的型钢混凝土柱连接结构示意图；
图8为型钢柱截面为外矩形的型钢混凝土柱连接结构示意图；
图9为型钢柱截面为内圆形的型钢混凝土柱连接结构示意图；
图10为型钢柱截面为外圆形的型钢混凝土柱连接结构示意图；
图11为可拆可换型钢混凝土柱在千斤顶装置辅助下拆换示意图。
其中，图中所示：1为上段型钢混凝土柱、2为带外伸板的法兰盘、3为法兰盘、4为型钢混凝土柱、5为井字形型钢柱、6为高强螺栓、7为下段型钢混凝土柱，8为千斤顶，9为H形型钢柱，10为内矩形型钢柱，11为外矩形型钢柱，12为混凝土柱，13为内圆钢管柱，14为外圆钢管柱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。
本实施例一种基于法兰连接的可拆可换型钢混凝土柱-柱连接结构，如图1-2所示，包括上段型钢混凝土柱1、下段型钢混凝土柱7和在两段型钢混凝土柱之间的可拆可换型钢混凝土柱，可拆可换型钢混凝土柱包括型钢混凝土柱4、法兰盘3和高强螺栓6，法兰盘3设在型钢混凝土柱4两端，带外伸板的法兰盘2设在上段型钢混凝土柱1和下段型钢混凝土柱7两端；通过法兰盘3和带外伸板的法兰盘2使用高强螺栓6将可拆可换型钢混凝土柱连接到上段型钢混凝土柱1和下段型钢混凝土柱7之间，当型钢混凝土柱需要拆换时，通过将千斤顶8支撑于带外伸板的法兰盘2之间，实现对型钢混凝土柱的拆卸和更换。
本发明可在地震作用后可对受损型钢混凝土柱进行拆换，实现结构使用功能的快速恢复；在原有结构使用功能发生变化时，将不满足新功能需求的型钢混凝土柱拆换为满足结构功能需求的型钢混凝土柱，实现结构使用功能的快速更新。
如图3所示，具体地，在一个实施例中，型钢混凝土柱4端部焊接的法兰盘3，上段型钢混凝土柱1与下段型钢混凝土柱7端部焊接带外伸板的法兰盘2，通过法兰盘3和带外伸板的法兰盘2使用高强螺栓将型钢混凝土柱4连接到上段型钢混凝土柱1和上段型钢混凝土柱7之间。本实施例中型钢混凝土柱4的型钢为十字形型钢柱。
如图4、图5所示，在另一个实施例中，在上、中、下段型钢混凝土柱中的型钢为井字形型钢柱5。
如图6所示，在另一个实施例中，在上、中、下段型钢混凝土柱中的型钢为H形型钢柱9。
如图7所示，在另一个实施例中，在上、中、下段型钢混凝土柱中的型钢为内矩形型钢柱10。
如图8所示，在另一个实施例中，在上、中、下段型钢混凝土柱中的型钢为外矩形型钢柱11，外矩形型钢柱11内浇注混凝土形成矩形钢管混凝土柱。
如图9所示，在另一个实施例中，在上、中、下段型钢混凝土柱中的型钢为内圆钢管柱13，内圆钢管柱13内外浇注混凝土形成型钢混凝土柱。
如图10所示，在另一个实施例中，在上、中、下段型钢混凝土柱中的型钢为外圆钢管柱14，外圆钢管柱14内浇注混凝土形成圆钢管混凝土柱。
在可拆可换型钢混凝土中预埋H形型钢柱9、十字形型钢柱、井字形型钢柱5、内矩形型钢柱10、外矩形型钢柱11、内圆钢管柱13或外圆钢管柱14，形成不同的H形型钢柱、十字形型钢柱、井字形型钢柱、内矩形型钢柱、外矩形型钢柱、内圆钢管柱或外圆钢管柱，能够满足对不同结构形式的框架柱进行配型连接。
并且，上段型钢混凝土柱1、下段型钢混凝土柱7与可拆可换型钢混凝土柱的配钢率关系满足以下关系：
其中，L0为结构层高，L1为可拆可换型钢混凝土柱长，A0为型钢截面面积，AS0为上、下段混凝土柱型钢截面面积；A1为中段截面面积，AS1为可拆可换型钢混凝土柱型钢截面面积。
通过控制上、中、下型钢混凝土柱的刚度比(配钢率)，在地震作用下塑性铰出现在型钢混凝土柱身中部，型钢混凝土柱4集中损伤耗能，保护结构其他部件不发生损伤。地震作用后，将受损的型钢混凝土柱4更换为新的型钢混凝土柱，从而实现结构功能的快速恢复。
图11为可拆可换型钢混凝土柱在千斤顶装置辅助下拆换示意图，需要更换可拆可换型钢混凝土柱时，将千斤顶8放在带外伸板的法兰盘2之间支撑，进行拆卸更换。
下面通过本发明的可拆可换型钢混凝土柱具体实例来进一步说明。
在一个实施例中，型钢混凝土柱4截面尺寸为400×400，高度为2000mm，材料采用C40混凝土；井字形型钢柱5截面正方形外轮廓尺寸为200×200，钢板厚20mm，两侧距边缘距离50mm，中部间距60mm，高度为2000mm，材料采用Q420钢材；法兰盘3带有12个螺栓连接孔，截面尺寸为600×600，厚度为20mm，材料采用Q420钢材；带外伸板的法兰盘2截面尺寸为600×1000，厚度为20mm，外伸板截面尺寸为600×200，厚度为20mm，材料采用Q420钢材；高强螺栓采用M27高强螺栓。型钢混凝土柱4上端法兰盘3到上段型钢混凝土柱1梁底的距离不大于800mm，下端法兰盘到下段型钢混凝土柱7楼板距离不大于800mm。
上述实例中，所有构件均在工厂进行加工，法兰盘3具有12个螺栓连接孔，带外伸板的法兰盘2是一矩形钢板，按整体尺寸裁剪加工。法兰盘3对焊在型钢柱5上，然后立模浇筑C40混凝土，形成两端带法兰盘的可拆可换型钢混凝土柱。与可拆可换型钢混凝土柱相连的上下段型钢混凝土柱的法兰盘带有外伸板，用于后期使用千斤顶对型钢混凝土柱构件进行拆换。
可拆可换中段型钢混凝土柱4与上段型钢混凝土柱1、下段型钢混凝土柱7分别通过法兰盘使用高强螺栓连接。在既有建筑结构使用功能发生变化，原有型钢混凝土柱4不能满足结构新功能需求时，可使用千斤顶7将型钢混凝土柱4拆卸更换为满足结构功能需求的型钢混凝土柱，实现整体结构使用功能的快速更新。型钢混凝土柱4在预期荷载作用后，可将受损型钢混凝土柱拆卸更换为新的型钢混凝土柱，实现整体结构使用功能的快速恢复。
地震作用后，在上下法兰盘外伸板之间使用千斤顶对受损型钢混凝土柱进行拆卸，并对新的型钢混凝土柱进行安装，实现震后结构功能的快速恢复；当既有建筑结构使用功能发生变化时，使用千斤顶将不满足新使用功能需求的型钢混凝土柱拆换为满足结构功能需求的型钢混凝土柱，实现结构使用功能的快速更新。
以上所述，可较好的实现本发明，仅为本发明一种较佳的具体实施方式，并非用来限定本发明的实施范围，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，或依据本发明所做的变化与修饰，都为本发明权利要求保护的范围所涵盖。