组合钢/混凝土柱 本发明涉及钢和混凝土组合结构，特别涉及高层柱结构，该高层柱结构设计用来主要承受轴向荷载，该轴向荷载由自重或自重与风力或地震力引起的轴向荷载的合成力产生。该柱基本上用在高层钢结构建筑物中，它具有厂制导致的快速现场装配的优点。
在已有技术中，组合钢/混凝土柱可承受很重的拉力和压力已经为人所知。这样，人们已经知道用混凝土填充钢管梁或H形自由空间钢梁，以增加抗压强度。这种柱在美国专利3051161和4196558中作了描述。
防火的混凝土与钢的构件在已有技术中也公知，它包括用混凝土覆盖的钢梁，以增加钢的防火性。这种已有技术的梁的实例参见美国专利3516213；4571913和4779395。
下列文件是已有技术的钢/混凝土柱的其它实例：美国专利915295；918643；1813118；2618148；2844023；2912849；3147571；3267627；3300912；3590547；3798867；3890750；3916592；3938294；4128980；4407106；4722156；4783940；5012622；5119614和5410847。
公知地高强组合钢/混凝土柱通常具有的缺点是柱的由钢部件形成的钢部分与混凝土部分相比仍很大，导致该柱就价格来说引不起人的兴趣。用于已有技术的组合柱中的这种较重的钢部件带来的缺点是需要很重且很贵的设备，以便在施工现场竖立这些部件。因为钢部件很重，它不容易操作。
本发明的一个目的是提供一种能克服上述缺点的改进的钢混柱。特别是，本发明的一个目的是提出一种高强钢/混凝土柱，它使钢与混凝土的比与已有技术的组合柱相比大大降低，因而大大降低生产成本和柱的尺寸，而且降低安装柱必须的提升设备的尺寸和成本。
根据本发明，实现上述目的的一种组合钢/混凝土柱包括：
一个纵向伸展的H形钢组件，它具有给定的横截面表面积，并包括一对基本平行的翼缘板和一个腹板，该腹板与翼缘板相连并一起限定了两个相对的槽形空间；
在腹板的每一侧沿钢组件布置的许多隔开的横向系杆，每个系杆与翼缘板相连；和
填充进槽形空间的大量混凝土。组合钢/混凝土柱的特征在于钢组件的横截面表面积与组合钢/混凝土柱的总表面积之比小于9％，最好在2％至5％。
本发明还涉及建造一种钢/混凝土柱的方法，该钢/混凝土柱具有给定的横截面表面积，而且，钢的横截面表面积占柱的横截面表面积的不到9％，该方法依次包括下列步骤：
a)竖立一个空的钢柱，该钢柱包括：
一个纵向伸展的钢组件，该钢组件包括一对基本平行的翼缘板和一个腹板，该腹板与翼缘板相连并一起限定了两个相对的槽形空间；和
在腹板的每一侧沿钢组件布置的许多隔开的横向系杆，每个系杆与翼缘板相连；
b)提供一个模板，该模板用来纵向封闭槽形空间；
c)在槽形空间内灌注大量混凝土；和
d)拆除模板。
钢组件由三个较薄的钢板预制成一个基本上“H”形构造。柱的钢部分设计成抵抗所有施工静载和活载以及一部分或所有的永久静载甚至一些活载。剩下是永久静载以及活载由组合钢-混凝土柱承受。
下面参见附图，根据图示的一个优选实施例来描述本发明。
图1是在现场施工期间，在不同的提升阶段，在一种典型的高层建筑物的三层部分中，根据本发明的一个优选实施例的钢/混凝土柱的透视图。
图2是在混凝土灌注和模板拆除之后，图1的沿线II-II截取的组合钢/混凝土柱的横截面顶视图。
图3是在混凝土灌注和模板安装之前，在典型的高层建筑物的楼板之间，沿线III-III截取的图1的柱的钢组件的横截面顶视图。
图4是在混凝土灌注之前，在一种典型的高层钢结构建筑物的楼板层，沿线IV-IV截取的图1的钢组件的横截面顶视图。
图5是在混凝土灌注之前，在模板已就位的典型的高层建筑物的楼板之间，沿图1的线V-V截取的钢组件的横截面端视图。
参见图1和2，根据本发明的一个优选实施例，一种钢/混凝土组合柱(2)包括一个纵向伸展的H形钢组件(4)，该H形钢组件包括一对基本平行的翼缘板(6)和一个腹板(8)，该腹板(8)与该翼缘板(6)相连并限定了两个相对的槽形空间(10)。每个翼缘板(6)最好焊接到腹板(8)的各端(9)上。许多隔开的横向系杆(12)沿钢组件(4)布置在腹板(8)的每一侧。每个系杆(12)与翼缘板(6)相连并支承该翼缘板(6)。最好，每个系杆(12)在靠近翼缘板(6)的外侧边与所述板(6)相连。如图1最佳所示，系杆(12)最好沿柱(2)有规则的隔开。
大量混凝土(14)填充进槽形空间(10)内。钢组件(4)的横截面表面积与钢/混凝土组合柱(2)的总表面积之比小于9％，最好在2％至5％之间。传统的组合柱不具有如此低的钢含有率，这种传统的组合柱包括由单根型钢产生并形成的H形钢部件，而且其中的翼缘和腹板相互成整体。
已经发现使用由独立的薄板部件，即翼缘板(6)和腹板(8)，制成的钢组件(4)，有可能得到如此低的比例，与此同时不会太降低钢组件(4)的轴向强度。特别是，如图2所示，钢组件(4)包括工厂焊接的三个板部件，并且由较薄的翼缘板(6)和较薄的腹板(8)制成。系杆(12)在靠近翼缘板的外侧端支承该翼缘板(6)，系杆(12)沿柱的高度焊接到柱翼缘板(6)上并以几乎相等的间距隔开。系杆(12)可由圆或扁平的条形的加强条钢制成。
除了组合截面的特性和变化过程显著不同外，组合截面的形状与传统的热轧形状类似。翼缘(6)和腹板(8)的宽厚比显然大于正常标准，对于热轧形状或者甚至对于三种板组合截面来说，该宽厚比超过正常极限值的1.5至5倍。在美国钢结构研究所的“钢结构建筑物规范”和“钢结构建筑物的荷载和阻力系数设计规范”中，翼缘的这种极限范围定义为95/(Fy)0.5，这里Fy指钢的屈服强度。腹板的极限尺寸根据相同的规范分别是257(Fy)0.5/和253/(Fy)0.5。由于翼缘在很低的应力作用下过早弯曲，因此正常结构的宽厚比的大小使截面不实用。系杆(12)沿柱的长度添加在翼缘(6)之间，并靠近翼缘(6)的边缘布置，以增加截面的抗弯强度。这些新的柱截面设计成使得由钢截面包围的总面积只包含百分之二至百分之五的钢面积。因此组合柱的混凝土与钢之比定为19至49。钢面积占传统的高层建筑物热轧柱所包围的面积的百分比在9％至54％之间，该百分比通常大于三个板组合的高层建筑物柱。本发明的目的是在利用钢/混凝土柱建造钢结构高层建筑物的时候，使用含尽可能小面积钢的柱。
如上所述，在灌注混凝土(14)之前，系杆(12)用作钢截面的翼缘支承系杆。这样防止薄翼缘板(6)横向弯曲，并大大改进空的钢柱(4)的荷载承载力。
系杆(12)还用作混凝土(14)的横向系杆，混凝土(14)在另外三侧由钢组件(4)的翼缘(6)和腹板(8)完全封闭，与此同时，在一开口侧面，混凝土(14)由系杆(12)限制。这种限制增加组合柱(2)的混凝土部分(14)的所述轴向能力。系杆(12)可由标准扁钢或圆钢或钢筋制成。系杆(12)的端可直接焊接到柱翼缘(6)的内侧面。或者，如图2和3所示，杆端可弯曲成与系杆(12)保持90度夹角，该端指向柱(2)的腹板(8)，并垂直于柱的轴，而且这些杆端焊接到柱翼缘(6)内侧面。
如前所述，本发明还涉及建造上述钢/混凝土柱(2)的方法。该方法依次包括下列步骤：
a)竖立一个空的钢柱，该钢柱由上述一个纵向伸展的钢组件(4)组成；
b)提供一个模板(16)，该模板用来纵向封闭槽形空间(10)；
c)在槽形空间(10)内灌注大量混凝土(14)；和
d)拆除模板(16)。
特别参见图1，在三层视图的下层(A)，组合钢/混凝土柱(2)表示成混凝土(14)已灌注，且模板(16)已拆除。在中层(B)，图中表示了带胶合板模板(16)的钢组件(4)处于在槽形空间或柱空腔内灌注混凝土(14)之前的状态，该空间或空腔在钢组件(4)的翼缘(6)与腹板(8)和模板(16)之间形成，这如图5所示。在上层(C)，图中表示的钢组件(4)处于厂制状态，这如图3所示。典型的楼板横梁(18)装配在钢柱组件(4)的翼缘(6)上构成框架。为清楚起见，标准的楼板横梁与柱翼缘的连接没有图示出。装配进柱组件(4)的腹板侧面(8)上的典型的楼板横梁(19)或其它类型的楼板支承构件例如桁梁或托梁(未表示)与钢连接板(20)连接。为清楚起见，没有表示梁(19)和连接板(20)之间的标准连接。图中所示的一种典型的钢楼板承台(22)支承着混凝土楼板的面板(24)，该面板(24)用作中层(B)的成品楼板。系杆(12)可在上层(C)的钢组件(4)内看到。
参见图4，钢连接板(20)厂焊到柱翼缘(6)的坡脚或边缘，以便于在楼板层楼板构件(19)装配在柱组件(4)的腹板(8)上的连接。如图1最佳所示，连接板(20)最好突出到楼板框架构件(19)的下翼缘(26)之下，以便设置和拆卸模板(16)。
参见图5，在该图中由胶合挡板构成的模板(16)可采用能承受混凝土浇注荷载的任意材料。捆带条(28)或任意适当的固定物用来就地支承胶合板(16)，并且使其很容易拆掉。最好增加垂直加强钢筋(30)以进一步限制混凝土并承受附加的垂直荷载。
如图1所示，钢板连接件(20)焊接到柱翼缘(6)的坡脚，因此为了将楼板构件(19)直接装配进柱组件(4)内，采用传统的钢连接件。在现场灌注混凝土以建造组合柱(2)期间，该板连接件(20)变成永久模板。
为了封闭由柱组件(4)的腹板(8)和柱翼缘(6)的坡脚所围绕的区域，需要简单的胶合板或类似的模板(16)。如图1所示，模板(16)的高度只需要覆盖从成品楼板面板(24)下方到相邻的上层楼板的钢连接板(20)的下侧。
在柱(2)内的混凝土(14)从楼板上方经过槽形空间(10)灌注，换句话说，该空间是指在钢板连接件(20)或模板(16)与一区域之间形成的开口，该区域位于钢柱组件(4)的腹板(8)和翼缘(6)的尖端之间。混凝土(14)以与柱正上方的楼板的混凝土相同的顺序灌注。
可以理解，混凝土(14)在失火时起吸热的作用，并防止柱(2)的钢部分过早弯曲，因此不需要附加防火措施即可达到防火等级。
剪力结合器可布置在翼缘(6)和钢连接板(20)以及钢柱组件(4)的腹板(8)的内侧面上，以便在混凝土(14)和组合柱(2)的钢部分(4)之间分配轴向荷载。最佳的，本发明的一种钢/混凝土组合柱允许以较低的成本快速的建造高层结构建筑物。高层建筑物的竖立说明柱能够抵抗很大的轴向荷载。
在建筑物竖立阶段，预制钢组件主要用来承受轴向荷载。由于与已有技术的组合柱相比，钢部分大大减少，因此竖立钢组件所需要的提升装置的尺寸大大缩小，可以使用更小和更快的起重机。这样，可快速建立许多楼板层。通过在钢组件的槽形空间内灌注混凝土，增加了柱的轴向强度。