一种组合异形柱、含有该柱的结构体系及其施工方法技术领域
本发明涉及一种组合异形柱、含有该柱的结构体系及其施工方法，适用
于建筑工程的技术领域。
背景技术
国际建筑业的发展趋势告诉我们，中国已到了加快推进建筑工业化的重
要历史时期。十四年转型升级的实践经验告诉我们，建筑工业化是克服传统
生产方式缺陷、促进建筑业又好又快发展的主要途径。而要实现建筑工业首
先要实现设计标准化，这是建筑工业化的前提；实现设计标准化需要有标准
化的结构体系。
目前，在钢结构建筑中常用的结构体系有钢框架结构体系、钢框架支撑
结构体系、钢框架剪力墙结构体系和钢框架核心筒结构体系等，钢框架部分
需要同时承受重力荷载和侧向荷载。重力荷载在构件内产生的内力随着结构
高度增加成线性增长，侧向荷载(风荷载、地震作用)在构件内产生的内力随
结构高度增加成非线性增长，在钢框架结构中，由于框架柱需要同时承受重
力荷载和侧向荷载，很难实现结构体系的标准化。
因此，如何有效地实现竖向承重与水平抗侧功能的解耦，开发出竖向承
重与水平抗侧向力分离的结构体系成为本领域技术人员亟需解决的技术难
题。
为此，申请人在公开号为CN105064612A的发明专利申请中提出了一种
钢-混凝土的组合异形柱，包括蜂窝组合截面、保温材料、纵筋、箍筋和混凝
土；其中，蜂窝组合截面由若干个设置有孔洞的T型钢和圆钢管焊接而成，
保温材料敷设在蜂窝组合截面的外侧，纵筋架设在蜂窝组合截面周向的外侧，
箍筋环箍于纵筋外侧，混凝土浇筑外包于蜂窝组合截面、保温材料、纵筋和
箍筋的外侧，并填充在圆钢管内，最终构成钢-混凝土组合异形柱。
公开号为CN204126127U的实用新型专利提出了一种钢管混凝土组合型
柱，包括有钢管，钢管的外侧设有若干T型钢或槽型钢，所述型钢与钢管平
行布置，型钢的腹板与钢管焊接；所述钢管内壁延高度方向设置有抗剪栓钉，
同时钢管内浇注有混凝土，所述抗剪栓钉和钢管通过所述混凝土连成一体。
公开号为CN202401666U的实用新型专利提出了一种压弯分离式组合
柱，旨在有效地解决柱的压弯组合承载力问题，避免现有结构所带来的缺陷，
在保证安全、经济、实用及美观的前提下，可实现结构的最大综合效应。它
包括由钢管和灌注于其内的核心混凝土所形成的钢管混凝土构件，钢管混凝
土构件外对称设置有沿钢管长度方向延伸的T型钢构件，型钢构件与钢管形
成固定连接。
从上述现有技术中公开的压弯分离式组合柱可见，其都是通过将T型钢
或槽型钢连接到钢管的外侧形成，此时起到抗侧向力作用的部件是T型钢或
槽型钢的顶部平钢板，很显然其承受侧向力的能力比较差。因此，现有技术
中需要一种承受侧向力性能更好的组合柱的结构形式。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的上述问题，提供了一种组合异形柱、
含有该柱的结构体系及其施工方法。根据本发明的组合异形柱以及含有该柱
的结构体系能够极大地提高抗侧向力水平，并且其施工步骤简单、组装快捷，
能够很好地适应建筑标准化的要求。
本发明的第一方面涉及一种组合异形柱，包括一个H型钢和至少一个钢
管，钢管中浇筑有混凝土，钢管和H型钢之间通过连接件连接。优选地，钢
管的截面形状是圆形或多边形；钢管通过连接件连接到H型钢的腹板和/或翼
缘，连接件与H型钢的腹板和/或翼缘垂直或不垂直；连接件是平直形和/或
弯折形的连接件。
本发明的第二方面涉及一种含有上述组合异形柱的结构体系，包括组合
异形柱、主梁和次梁；
至少一部分组合异形柱中的钢管肢与第一方向的主梁构成沿第一方向
的框架，H型钢肢与第二方向的主梁构成沿第二方向的框架；另外一部分组
合异形柱中的钢管肢与第二方向的主梁构成沿第二方向的框架，H型钢肢与
第一方向的主梁构成沿第一方向的框架；或者
全部的组合异形柱中的钢管肢与第一方向的主梁构成沿第一方向的框
架，H型钢肢与第二方向的主梁构成沿第二方向的框架。
优选地，组合异形柱可以包括角柱、第一边柱、第二边柱和中间柱。更
优选地，角柱包括一个钢管，钢管通过一个连接件与H型钢的腹板在非中间
位置处垂直连接，钢管的直径、H型钢的高度和连接件的长度的比值为
1∶0.5-5∶0.2-2，连接件与H型钢的腹板的连接位置将H型钢的高度分为1∶2-3
的两部分；第一边柱包括关于H型钢对称布置的两个钢管，两个钢管分别通
过一个连接件与H型钢的腹板在非中间位置处垂直连接，钢管的直径、H型
钢的高度和连接件的长度的比值为1∶0.5-5∶0.1-1，连接件与H型钢的腹板的
连接位置将H型钢的高度分为1∶2-3的两部分；第二边柱包括一个钢管，钢
管通过一个连接件与H型钢的腹板在中间位置处垂直连接，钢管的直径、H
型钢的高度和连接件的长度的比值为1∶0.5-5∶0.2-2；中间柱包括关于H型钢
对称布置的两个钢管，两个钢管分别通过一个连接件与H型钢的腹板在中间
位置处垂直连接，钢管的直径、H型钢的高度和连接件的长度的比值为
1∶0.5-5∶0.1-1。
优选地，钢管中的混凝土为自密实混凝土，由硅酸盐水泥、粉煤灰、粒
径为5-10mm的卵石、粒径为3-5mm的砂砾石、减水剂、直径为0.5-1mm的
钢纤维、消气剂和水按照质量比为1∶0.32-0.37∶0.21-0.25∶0.15-0.17∶0.08-0.1∶
0.1-0.15∶0.03-0.05∶0.23-0.26混合均匀制成。
本发明的第三方面涉及一种如上所述的结构体系的施工方法，包括以下
步骤：
(1)、在工厂内通过连接板将钢管与H型钢连接得到不同类型的组合
柱，然后在现场安装完成；
(2)、吊装主梁和次梁，并与组合柱连接形成框架结构；
(3)、在组合柱的钢管内浇筑混凝土，养护硬化后得到含有组合异形
柱的结构体系。
优选地，还包括在H型钢、钢管和连接件表面外包防火混凝土的步骤。
本申请的技术方案中充分利用了钢管混凝土和H型钢的优势，在结构体
系和构件层面实现了竖向承重和抗侧向力的分离，具有受力合理、加工制作
简便、布置灵活、标准化程度高等诸多优势，具有较好的推广应用前景。
附图说明
图1是本发明的组合异形柱的第一种实施方式的示意图。
图2是本发明的组合异形柱的第二种实施方式的示意图。
图3是本发明的组合异形柱的第三种实施方式的示意图。
图4是本发明的组合异形柱的第四种实施方式的示意图。
图5是本发明的组合异形柱的第五种实施方式的示意图。
图6是本发明的组合异形柱的第六种实施方式的示意图。
图7是含有本发明的组合异形柱的结构体系的第一种实施方式的示意
图。
图8是含有本发明的组合异形柱的结构体系的第二种实施方式的示意
图。
图9是含有本发明的组合异形柱的结构体系的第三种实施方式的示意
图。
图10是含有本发明的组合异形柱的结构体系中的角柱的一种实施方式
的示意图。
图11是含有本发明的组合异形柱的结构体系中的第一边柱的一种实施
方式的示意图。
图12是含有本发明的组合异形柱的结构体系中的第二边柱的一种实施
方式的示意图。
图13是含有本发明的组合异形柱的结构体系中的中间柱的一种实施方
式的示意图。
图14是本发明的连接件的可能实施方式的示意图，分别为连续钢板、带
孔钢板、角钢拼接板和弯折钢板。
图15是包括有3个钢管的组合异形柱的示意图。
图16是包括有4个钢管的组合异形柱的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图
对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申
请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
根据本发明的组合异形柱，包括一个H型钢2和至少一个钢管1，钢管
1中浇筑有混凝土，钢管1和H型钢2之间通过连接件3连接。根据需要，
钢管的截面形状可以是圆形、多边形；钢管可以通过连接件连接到H型钢的
腹板和/或翼缘，连接件与H型钢的腹板和/或翼缘可以垂直或不垂直；连接
件可以是平直形和/或弯折形，还可以形成例如Y形支架的形式，每个钢管与
H型钢之间的连接件的数量可以是一个以上；当连接件的数量多于一个时，
其可以关于H型钢对称和/或非对称布置；钢管可以位于H型钢翼缘的外部
或者H型钢的两个翼缘之间；当钢管的数量为两个以上时，其可以关于H型
钢对称或非对称布置。如图14所示，其中连接件可以采用连续钢板、带孔钢
板、角钢拼接板或弯折钢板的形式。连接件与钢管和H型钢之间的连接方式
可以为焊接和/或螺栓连接。
图1-6、10-13、15-16中显示了钢管和H型钢之间通过连接件连接的几
种可能的实施方式。具体地，图1中的圆形钢管和方形钢管分别通过一个连
接件3与H型钢2的腹板在中间位置处垂直连接。图2中的两个方形钢管1
相对于H型钢2的腹板对称地置于其两侧，并且每个方形钢管1均通过两个
连接件3与H型钢2的腹板对称地连接，其中的连接件3与H型钢2的腹板
不垂直。图3中圆形钢管1放置在H型钢2的翼缘的外部，通过三个连接件
3与H型钢2的翼缘相连接。图4中的正六边形钢管1与H型钢2的腹板通
过弯折连接件3连接，其中一个连接件为L形，另一个为Y形支架。图5中
的两个方形钢管1相对于H型钢2的腹板对称地置于其两侧，并且每个方形
钢管1均通过两个连接件3与H型钢2的两个翼缘分别对称地连接，其中的
连接件3与H型钢2的翼缘垂直。图6中的两个正八边形钢管1相对于H型
钢2的腹板不对称地置于其两侧，并且每个正八边形钢管1均通过三个连接
件3分别与H型钢2的两个翼缘和腹板连接，其中每个正八边形钢管1的连
接件3与H型钢2的腹板和其中一个翼缘垂直，而与另外一个翼缘不垂直。
图10中的圆形钢管1通过一个连接件3与H型钢2的腹板在非中间位置处
垂直连接。图11中的两个圆形钢管1通过连接件3与H型钢2的腹板在非
中间位置处垂直连接，两个圆形钢管1相对于H型钢的腹板对称地布置于其
两侧。图12中的圆形钢管1通过一个连接件3与H型钢2的腹板在中间位
置处垂直连接。图13中的两个圆形钢管1分别通过一个连接件3与H型钢2
的腹板在中间位置处垂直连接，两个圆形钢管1关于H型钢2的腹板对称地
布置于其两侧。图15中的三个圆形钢管分别通过一个连接件与H型钢的腹
板垂直连接，其中的两个圆形钢管关于H型钢的腹板对称地布置于其两侧。
图16中的四个圆形钢管分别通过一个连接件与H型钢的腹板垂直连接，其
中的四个圆形钢管关于H型钢的腹板两两对称地布置于其两侧。
优选地，钢管中浇筑的混凝土为自密实混凝土，其由硅酸盐水泥、粉煤
灰、粒径为5-10mm的卵石、粒径为3-5mm的砂砾石、减水剂、直径为0.5-1mm
的钢纤维、消气剂和水按照质量比为1∶0.32-0.37∶0.21-0.25∶0.15-0.17∶0.08-0.1∶
0.1-0.15∶0.03-0.05∶0.23-0.26混合均匀制成。施工时，先将硅酸盐水泥、粉煤
灰、卵石、砂砾石、钢纤维和水按照上述质量比加入混凝土搅拌车中搅拌，
然后在浇筑现场加入相应质量的减水剂和消气剂搅拌均匀后即可浇筑到钢管
中。
自密实混凝土的实施例1，其由硅酸盐水泥、粉煤灰、粒径为5-10mm
的卵石、粒径为3-5mm的砂砾石、减水剂、直径为0.5-1mm的钢纤维、消
气剂和水按照质量比为1∶0.33∶0.21∶0.15∶0.1∶0.15∶0.04∶0.25混合均匀制成。
自密实混凝土的实施例2，其由硅酸盐水泥、粉煤灰、粒径为5-10mm
的卵石、粒径为3-5mm的砂砾石、减水剂、直径为0.8-1mm的钢纤维、消
气剂和水按照质量比为1∶0.35∶0.25∶0.15∶0.1∶0.13∶0.03∶0.26混合均匀制成。
自密实混凝土的实施例3，其由硅酸盐水泥、粉煤灰、粒径为5-10mm
的卵石、粒径为3-5mm的砂砾石、减水剂、直径为0.7-1mm的钢纤维、消
气剂和水按照质量比为1∶0.37∶0.24∶0.15∶0.1∶0.14∶0.05∶0.24混合均匀制成。
自密实混凝土的实施例4，其由硅酸盐水泥、粉煤灰、粒径为5-10mm
的卵石、粒径为3-5mm的砂砾石、减水剂、直径为0.7-1mm的钢纤维、消
气剂和水按照质量比为1∶0.32∶0.22∶0.16∶0.1∶0.14∶0.04∶0.26混合均匀制成。
图7是含有本发明的组合异形柱的结构体系的第一种优选实施方式的示
意图。如图7所示，该结构体系包括组合异形柱、主梁100和次梁200，其
中次梁的布置方向为纵向，主梁分为纵向布置的主梁和横向布置的主梁。需
要说明的是，本发明中的横向和纵向只是为了清楚地说明技术方案而引入的
可以互换的相对概念。然而为了本发明描述的需要，在此将图7-9中水平方
向称为纵向，竖直方向称为横向。当然，这种限定不应被理解为是对其保护
范围的限定，而仅是为了描述的需要。其中的主梁可以是H型钢梁或钢桁架，
主梁与组合异形柱的连接可以是通过螺栓或焊接的铰接或固定连接。次梁也
可以是与主梁通过螺栓或焊接连接的H型钢梁或钢桁架。
在该实施方式中，组合异形柱的钢管肢与第一方向(横向方向)的主梁
构成横向框架，组合异形柱中的H型钢肢与第二方向(纵向方向)的主梁形
成纵向框架。该种结构形式适用于在结构的纵向方向上侧向载荷比较大的情
形。其中，组合异形柱的钢管肢主要承受竖向载荷，H型钢肢主要承受侧向
载荷。两者的协调工作使得该结构体系的承载性能更加优化，能够承受更大
的侧向载荷。
在该结构体系中，组合异形柱根据其设置位置的不同包括四种不同的结
构形式，分别如图10-13中所示。图10-13分别显示了角柱10、第一边柱20、
第二边柱30和中间柱40的可能实施方式的示意图。需要说明的是，该结构
体系中的组合异形柱并不限于图10-13中的情形。如上所述并如图1-6、10-13
和15-16中所示，各种类型和布置方式的组合异形柱均可根据实际需要被用
于本发明的结构体系中。
如图10所示的角柱10，其中的一个圆形的钢管1通过一个连接件3与
H型钢2的腹板在非中间位置处垂直连接，钢管1中浇筑有混凝土12。优选
地，钢管的直径、H型钢的高度(腹板加两个翼缘的总高度，下同)和连接
件的长度的比值为1∶0.5-5∶0.2-2，连接件3与H型钢2的腹板的连接位置将
H型钢的高度分为1∶2-3的两部分。更优地，钢管的直径、H型钢的高度和
连接件的长度的比值为1∶3∶1，连接件3与H型钢2的腹板的连接位置将H
型钢的高度分为1∶2.5的两部分。
如图11中所示的第一边柱20，其中关于H型钢对称布置的两个圆形的
钢管1分别通过一个连接件3与H型钢2的腹板在非中间位置处垂直连接，
钢管1中浇筑有混凝土12。优选地，钢管的直径、H型钢的高度和连接件的
长度的比值为1∶0.5-5∶0.1-1，连接件3与H型钢2的腹板的连接位置将H型
钢的高度分为1∶2-3的两部分。更优地，钢管的直径、H型钢的高度和连接
件的长度的比值为1∶3∶0.5，连接件3与H型钢2的腹板的连接位置将H型钢
的高度分为1∶2.5的两部分。
如图12中所示的第二边柱30，其中的一个圆形的钢管1通过一个连接
件3与H型钢2的腹板在中间位置处垂直连接，钢管1中浇筑有混凝土12。
优选地，钢管的直径、H型钢的高度和连接件的长度的比值为1∶0.5-5∶0.2-2，
连接件3与H型钢2的腹板的连接位置将H型钢的高度分为1∶1的两部分。
更优地，钢管的直径、H型钢的高度和连接件的长度的比值为1∶3∶1。
如图13中所示的中间柱40，其中关于H型钢对称布置的两个圆形的钢
管1分别通过一个连接件3与H型钢2的腹板在中间位置处垂直连接，钢管
1中浇筑有混凝土12。优选地，钢管的直径、H型钢的高度和连接件的长度
的比值为1∶0.5-5∶0.1-1，连接件3与H型钢2的腹板的连接位置将H型钢的
高度分为1∶1的两部分。更优地，钢管的直径、H型钢的高度和连接件的长
度的比值为1∶3∶0.5。
在如图7所示的实施方式中，经无数次的结构试验和计算机数值模拟的
计算结果可知，角柱的钢管的直径、H型钢的高度和连接件的长度的比值为
1∶3∶1，连接件与H型钢的腹板的连接位置将H型钢的高度分为1∶2.5的两部
分；第一边柱的钢管的直径、H型钢的高度和连接件的长度的比值为1∶3∶0.5，
连接件与H型钢的腹板的连接位置将H型钢的高度分为1∶2.5的两部分；第
二边柱的钢管的直径、H型钢的高度和连接件的长度的比值为1∶3∶1；中间柱
的钢管的直径、H型钢的高度和连接件的长度的比值为1∶3∶0.5。当处于上述
数据的组合时，整体结构的承力性能达到最优。
然而，根据本发明的含有组合异形柱的结构体系并不限于图7中所示的
布置形式。图8和9分别显示了含有本发明的组合异形柱的结构体系的第二
和第三种实施方式的示意图。在图8中，沿结构框架的同一方向上，组合异
形柱的钢管肢和H型钢肢依次交错布置，该种结构形式适用于侧向载荷沿结
构的纵向和横向均有较大分布时的情形。在图9中，沿结构框架的同一方向
上，组合异形柱的钢管肢和H型钢肢无序布置，该种结构形式可以是针对特
定需求而设计，可以在局部结构承受侧向载荷较大的方向上布置H型钢肢。
根据本发明的组合异形柱还可以与支撑、剪力墙或核心筒组合使用，以
形成框架支撑结构体系、框架剪力墙结构体系或框架核心筒结构体系。
在使用本发明的组合异形柱形成结构体系时，由于钢的耐热性能不佳，
还可以在H型钢、钢管和连接件表面涂抹防火剂或者外包防火混凝土。根据
本发明的防火剂可以由聚醋酸乙烯乳液、云母粉、氢氧化铝、硼砂、碳化硅、
氧化镁按照质量比1∶0.6-0.8∶0.2-0.3∶0.15-0.2∶0.1-0.12∶0.06-0.09混合均
匀制成。该防火剂能够很好地提高钢结构构件的耐热性能，并且其固化后能
够显著提高钢结构构件的外观性能，使其更加美观。使用时，直接将上述防
火剂涂抹在钢结构的表面上固化即可。
防火剂的实施例1，其由聚醋酸乙烯乳液、云母粉、氢氧化铝、硼砂、
碳化硅、氧化镁按照质量比1∶0.64∶0.22∶0.18∶0.1∶0.06混合均匀制成。
防火剂的实施例2，其由聚醋酸乙烯乳液、云母粉、氢氧化铝、硼砂、
碳化硅、氧化镁按照质量比1∶0.7∶0.25∶0.15∶0.1∶0.08混合均匀制成。
防火剂的实施例3，其由聚醋酸乙烯乳液、云母粉、氢氧化铝、硼砂、
碳化硅、氧化镁按照质量比1∶0.73∶0.28∶0.17∶0.12∶0.09混合均匀制成。
防火剂的实施例4，其由聚醋酸乙烯乳液、云母粉、氢氧化铝、硼砂、
碳化硅、氧化镁按照质量比1∶0.8∶0.2∶0.2∶0.12∶0.07混合均匀制成。
根据本发明的含有组合异形柱的结构体系的施工方法，其包括以下步骤：
(1)、在工厂内通过连接板将钢管与H型钢连接得到不同类型的组合
柱，然后在现场安装完成；
(2)、吊装主梁和次梁，并与组合异形柱连接形成框架结构；
(3)、在组合异形柱的钢管内浇筑混凝土，养护硬化后得到含有组合异
形柱的结构体系。
如上所述，优选地，其中浇筑的混凝土优选为上文中提到的自密实混凝
土。更优选地，在混凝土浇筑完毕后，可以在钢结构的表面涂抹防火剂或者
外包防火混凝土，以提高结构的耐热性能。
本发明中的含有组合异形柱的结构体系充分利用了钢管混凝土抗压、抗
拉强度高的优势，竖向荷载传递至组合柱中的钢管混凝土肢，由钢管混凝土
肢承担；组合异形柱中H型钢肢主要承受侧向荷载。本申请结构体系充分利
用了钢管混凝土和H型钢的优势，在结构体系和构件层面实现了竖向承重和
抗侧向力的分离，具有受力合理、加工制作简便、布置灵活、标准化程度高
等诸多优势，具有较好的推广应用前景。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本
发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内
的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的
形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所
附的权利要求书所界定的范围为准。