配预应力筋的钢管混凝土框架及其施工方法技术领域
本发明涉及土木建筑结构领域中的房屋框架结构，具体涉及配预应力筋的钢管混
凝土框架及其施工方法。
背景技术
常规钢筋混凝土框架结构体系中，框架节点多为钢筋混凝土现浇节点，这类钢筋
混凝土节点与框架梁柱一样需要支模、绑扎钢筋随后浇筑混凝土，构件不但承载力较低、施
工周期偏长，而且在地震作用下节点易发生破坏。随着土木建筑业的迅速发展，钢管混凝土
结构在大跨、重载和超高建筑中得到广泛的应用，配预应力筋的钢管混凝土框架是钢管混
凝土结构的一种新型结构形式，由内置型钢的钢管混凝土组合柱和体内预应力钢管混凝土
工字型组合梁通过整体式节点连接而成，梁柱的外钢管取代了钢筋并对内部混凝土产生连
续的约束作用，混凝土处于三向受压状态，抗压性能得到提高，塑性和韧性性能得到改善，
与传统的钢管混凝土构件相比，内置型钢的钢管混凝土组合柱具有承载力高、抗弯刚度大
和抗震性能好的特性。体内预应力钢管混凝土工字型组合梁是在工字钢梁基础上演变出来
的，大大增加截面的刚度，提高梁的整体稳定性，但是配预应力筋的钢管混凝土新型框架体
系的节点具有一定的复杂性，而且预应力筋在钢管混凝土内如何设置也未有相关文献报道
和实际工程的应用，因此提出一种合理的节点连接方式及预应力筋的设置技术是迫在眉
睫。
发明内容
本发明的一个目的是提供配预应力筋的钢管混凝土框架，这种配预应力筋的钢管
混凝土框架用于解决配预应力筋的钢管混凝土新型框架梁柱连接节点复杂且易破坏的问
题，同时解决了预应力筋在封闭的钢管内难定位的棘手问题，本发明的另一个目的是提供
这种配预应力筋的钢管混凝土框架的施工方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种配预应力筋的钢管混凝土框架
由组合柱和组合梁通过节点连接构成，组合梁水平设置在组合柱之间，节点为内填自密实
混凝土的外套整体式节点；外套整体式节点包括带有上连接环和下连接环的节点外管，上
连接环和下连接环上均设有螺栓孔，节点外管上部有上加强带腔环板，下部有下加强带腔
环板，上加强带腔环板水平向外延伸形成内腔相通的节点端梁的上钢管翼缘，下加强带腔
环板水平向外延伸形成内腔相通的节点端梁的下钢管翼缘，节点端梁上、下钢管翼缘之间
为节点钢管腹板，节点钢管腹板与上下钢管翼缘是相通的，节点端梁上、下钢管翼缘与节点
钢管腹板均设置有端梁连接板，上加强带腔环板内部设置有单孔定位板和开洞的双孔主定
位板，单孔定位板和开洞的双孔主定位板均通过各自底边与下上加强带腔环板固定；组合
柱为节段式内置型钢的钢管混凝土组合柱，组合梁为体内预应力工字型钢管混凝土组合
梁；节点通过上连接环、下连接环与组合柱固定连接，节点通过端梁连接板与组合梁连接，
组合梁中布置的预应力筋从上加强带腔环板内绕过节点外管，预应力筋通过单孔定位板和
开洞的双孔主定位板定位，预应力筋形成对称曲线型，在节点端梁处实现张拉锚固；组合梁
和节点的节点端梁中浇筑自密实细石混凝土，浇筑完自密实细石混凝土后，组合梁的自密
实细石混凝土和节点端梁的自密实细石混凝土是贯通的，养护后与节点外管形成一体。
上述方案中节段式内置型钢的钢管混凝土组合柱由节段式钢管混凝土柱内设置
型钢形成，内置型钢为内置实腹式工字型钢或内置十字型钢，节段式钢管混凝土柱由节段
式外管浇注混凝土后依次连接构成，节段式外管带有连接环，节段式外管与内置型钢的连
接点相互错开，避免在同一高度处螺栓连接。首先连接内置型钢，然后连接节段式外管，确
保内置型钢始终高于节段式外管，在节段式外管中浇筑自密实混凝土。
上述方案中体内预应力钢管混凝土工字型组合梁是在工字型钢管内布置曲线预
应力筋，后填自密实混凝土而形成；工字型钢管两端焊接预留螺栓孔的连接板，工字型钢管
通过连接板连接形成节段式工字型钢梁，到现场后与外套整体式节点端梁通过高强螺栓连
接，然后通过混凝土注浆孔向工字型钢管中浇筑自密实混凝土，确保节点与梁工字型钢管
中混凝土的贯通性；通过工字型钢管中布置的单孔定位板和定位槽定位预应力筋，定位槽
由凸型定位槽和凹型定位槽连接构成，通过凹型定位槽和凸型定位槽的连接，实现预应力
筋在混凝土中的线型，在浇筑混凝土之前对预应力筋伸直张拉，确保预应力筋在混凝土中
保持合理的线型。
上述方案中体内预应力钢管混凝土工字型组合梁中设置的预应力筋是抛物线型
的。
上述方案中体内预应力钢管混凝土工字型组合梁中设置的预应力筋是折线型的。
上述方案中体内预应力钢管混凝土工字型组合梁是对称的。
上述方案中体内预应力钢管混凝土工字型组合梁是非对称的。
上述方案中体内预应力钢管混凝土工字型组合梁的梁端设置有削弱段，削弱段的
横截面为变截面的，自两端向中心横截面逐渐缩小，削弱段的中点处横截面最小，结构体系
在进入弹塑性状态后，促使梁端塑性铰首先发生在削弱部位，实现梁端塑性铰的外移，从而
保证整体节点的完好性。
上述方案中节点端梁上开洞，便于建筑设备和管道的穿越。
上述配预应力筋的钢管混凝土框架的施工方法：
首先在工厂预制好需要的钢构件，包括节段式外管、内置型钢、两端焊好连接板的工字
型钢管、外套整体式节点，外套整体式节点制作时，首先把上加强带腔环板的下部钢板放
平，焊好单孔定位板和开洞的双孔主定位板，将预应力筋引导线布置在单孔定位板和开洞
的双孔主定位板里，然后将上加强带腔环板的上部钢板焊好，形成上加强带腔环板，焊好后
的上加强带腔环板、下加强带腔环板与节点外管焊接，再进行节点腹板焊接，最后将节点外
管端部的连接环及端梁连接板焊好，形成外套整体式节点；两端焊好连接板的工字型钢管
制作时，首先按照设计尺寸对钢板进行下料，然后在指定的位置焊好单孔定位板，在单孔定
位板之间焊好凸型定位槽和凹形定位槽，然后将钢板组装成工字型钢管，两端焊好连接板，
同时将预应力筋引导线布置在单孔定位板里；
将节段式外管和内置型钢与基础实现固接，上部整体高出基础0.5m左右，且内置型钢
比节段式外管高出一定的距离形成组合柱基础段，达到预先设计好的高度，然后向组合柱
基础段中浇筑混凝土，混凝土达到一定强度后，采用常规的方法将柱中内置型钢接长，将节
段式外管下部通过连接环与组合柱基础段的节段式外管连接好，确保内置型钢始终高于节
段式外管，在节点处内置型钢高出节点一段距离，达到预先设计好的高度，待所有节段式外
管连接好达到指定高度后，在外管中浇筑混凝土，形成内置型钢的钢管混凝土组合柱，安装
外套整体式节点，通过节点的下连接环与节段式外管连接，通过高强螺栓将组合梁的工字
型钢管和外套整体式节点连接，同时将预应力筋通过牵引线在组合梁及节点里布置好，陆
续安装完成其他框架节点和梁；对预应力筋进行伸直张拉，临时锚固在边柱节点端梁上；通
过混凝土筑浆孔向组合梁与节点的内部浇筑自密实混凝土，确保梁和节点内填满混凝土，
且保证混凝土的贯通性，同时向组合柱钢管内浇筑混凝土，养护达到一定强度后形成底层
组合框架体系；如上完成二层的钢构件的连接，对底层预应力钢筋进行二次张拉，陆续施工
至顶层。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明提出的这种外套整体式节点传力明确，工厂预制，各部位连接精密且质量好，
能对布置在封闭内部的预应力筋准确定位，浇筑混凝土后整体式节点不易发生破坏。
2、本发明采用的节段式内置型钢的钢管混凝土组合柱抗弯刚度大、抗震性能好，
该类构件使钢材或者FRP材料与混凝土融合在一起，充分发挥不同材料的力学性能。而且组
合柱中的外管可以在工厂预制，现场安装，施工方便；同时外管还可兼作模板，避免了现场
大量模板的使用。
3、本发明的体内预应力钢管混凝土组合梁截面刚度较大且稳定性高，可实现的跨
度大。
4、本发明采用体内预应力组合梁，预应力筋在混凝土内部，被混凝土包裹着，不易
受到破坏和腐蚀，耐久性长，长时间提高组合梁的刚度，大大减小梁的变形。
5、本发明采用体内预应力组合梁，预应力筋在梁内曲线布置，产生的等效分布荷
载可有效抵消结构上的部分外荷载，从而减小混凝土内部裂缝的开展。
6、本发明中外套整体式节点端梁上可开洞，便于建筑设备和管道的穿越。
7、本发明采用的带削弱端的工字型钢管混凝土组合梁可改变梁塑性铰的出铰位
置，在罕遇地震作用下结构体系进入弹塑性状态后，促使梁端塑性铰首先发生在削弱部位，
实现梁端塑性铰的外移，从而保证整体节点的完好性。
8、本发明采用的体内预应力组合梁，通过设置定位板和定位槽来定位钢管内部设
置的预应力筋，从而确保梁里预应力筋始终保持合理的线型。
9、在外套整体式节点的设置有单孔定位板和开洞的双孔主定位板，用于定位通过
节点的预应力筋，确保预应力筋在上加强带腔环板内绕过节点外管，在节点端梁处实现张
拉锚固，避免了预应力筋穿越节点，造成节点截面的削弱。
10、节点制作时上加强带腔环板内部预应力筋定位板仅下部与钢管焊接，上部和
左右形成自由端，便于混凝土的流动，这样既实现预应力筋的定位，又可确保节点内混凝土
的流动性，避免出现死角。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的平面布置图；
图3是外套整体式节点示意图；
图4是节点端梁可开洞的外套整体式节点示意图；
图5是内置型钢的钢管混凝土组合柱截面形式；
图6是体内预应力工字型钢管混凝土组合梁截面形式；
图7是安装外套整体式节点之前内置型钢突出示意图；
图8是体内预应力工字型钢管混凝土组合梁与节点的连接；
图9是带削弱端的体内预应力工字型钢管混凝土组合梁；
图10是外套整体式节点体内预应力筋布置层次图；
图11是节点处上部预应力筋线型图；
图12是节点处下部预应力筋线型图；
图13是开洞的双孔主定位板示意图；
图14是工字型钢管混凝土组合梁中双曲线预应力筋布置图；
图15是工字型钢管混凝土组合梁中双曲线预应力筋定位装置布置图。
图中：1组合柱 2组合梁 3节点 4上连接环 5下连接环 6节点外管 7上加
强带腔环板 8下加强带腔环板 9节点端梁 10端梁连接板 11节点钢管腹板 12螺栓
孔 13自密实混凝土 14矩形钢管 15内置型钢 16节段式外管 17注浆孔 18削弱段
19洞 20上部预应力筋 21下部预应力筋 22单孔定位板 23开洞的双孔主定位板 24
凸型定位槽 25凹型定位槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图13所示，这种配预应力筋的钢管混凝
土框架由组合柱1和组合梁2通过节点3连接构成，组合梁2水平设置在组合柱1之间，节点3
为内填自密实混凝土13的外套整体式节点；外套整体式节点包括带有上连接环4和下连接
环5的节点外管，上连接环4和下连接环5上均设有螺栓孔12，节点外管6上部有上加强带腔
环板7，下部有下加强带腔环板8，上加强带腔环板7水平向外延伸形成内腔相通的节点端梁
9的上钢管翼缘，上钢管为矩形钢管14，下加强带腔环板8水平向外延伸形成内腔相通的节
点端梁9的下钢管翼缘，节点端梁9上下钢管翼缘之间为节点钢管腹板11，节点钢管腹板11
与上下钢管翼缘是相通的，节点端梁9上下钢管翼缘与节点钢管腹板11均设置有端梁连接
板10，上加强带腔环板7内部设置有单孔定位板22和开洞的双孔主定位板23，单孔定位板22
和开洞的双孔主定位板23均通过各自底边与上加强带腔环板7固定，用于定位上加强带腔
环板7中布置的预应力筋，确保预应力筋在上加强带腔环板7内绕过节点外管6；组合柱1为
节段式内置型钢15的钢管混凝土组合柱，组合梁2为体内预应力工字型钢管混凝土组合梁；
节点通过上连接环4、下连接环5与组合柱1固定连接，节点3通过端梁连接板10与组合梁2连
接，组合梁2中布置的预应力筋从上加强带腔环板7内绕过节点外管6，预应力筋通过单孔定
位板22和开洞的双孔主定位板23定位，预应力筋形成对称曲线型，在节点端梁9处实现张拉
锚固；参阅图10、图11、图12，当有纵横两个方向连接组合梁2时，两条预应力筋需要上下交
错穿过上加强带腔环板，其中一个方向为上部预应力筋20，则另一个方向为下部预应力筋
21。制作时单孔定位板22和开洞的双孔主定位板23定位仅下部与钢管焊接，上部和左右形
成自由端，便于混凝土的流动，这样既实现预应力筋的定位，又可确保混凝土自由的流动，
避免出现死角。组合梁2和节点3的节点端梁9中浇筑自密实细石混凝土13，浇筑完自密实细
石混凝土13后，组合梁2的自密实细石混凝土和节点端梁9的自密实细石混凝土是贯通的，
养护后与节点外管6形成一体。
节段式内置型钢15的钢管混凝土组合柱由节段式钢管混凝土柱内设置型钢形成，
内置型钢15为内置实腹式工字型钢或内置十字型钢，节段式钢管混凝土柱由节段式外管16
浇注混凝土后依次连接构成，节段式外管16带有连接环，节段式外管16与内置型钢15的连
接点相互错开，避免在同一高度处螺栓连接。首先连接内置型钢15，然后连接节段式外管
16，确保内置型钢15始终高于节段式外管16，在节段式外管16中浇筑自密实混凝土13。
结合图14、图15所示，体内预应力钢管混凝土工字型组合梁是在工字型钢管内布
置曲线预应力筋，后填自密实混凝土13而形成；工字型钢管两端焊接预留螺栓孔12的连接
板，工字型钢管通过连接板连接形成节段式工字型钢梁，到现场后与外套整体式节点端梁9
通过高强螺栓连接，然后通过混凝土注浆孔17向工字型钢管中浇筑自密实混凝土13，确保
节点3与梁工字型钢管中混凝土的贯通性；通过工字型钢管中布置的单孔定位板22和定位
槽定位预应力筋，定位槽由凸型定位槽24和凹型定位槽25连接构成，通过凸型定位槽24和
凹型定位槽25的连接，实现预应力筋在混凝土中的线型，在浇筑混凝土之前对预应力筋伸
直张拉，确保预应力筋在混凝土中保持合理的线型。体内预应力筋可以是抛物线型和折线
型的，工字型组合梁可以是对称的，也可以是非对称的。
本发明中体内预应力钢管混凝土工字型组合梁的梁端设置有削弱段18，削弱段18
的横截面为变截面的，自两端向中心横截面逐渐缩小，削弱段18的中点处横截面最小，结构
体系在进入弹塑性状态后，促使梁端塑性铰首先发生在削弱部位，实现梁端塑性铰的外移，
从而保证整体节点3的完好性。尽管削弱处截面减小，但不影响预应力筋的布置。
梁和外套整体式节点的钢管中采用自密实细石混凝土，浇筑完混凝土后，组合梁2
和整体式节点的加强腔板中混凝土是全部贯通的，养护后与钢管形成一体，而外套整体式
节点外管6内的混凝土是独立的，与组合柱1的混凝土保持一致，可以是超高性能的混凝土
或者超高强混凝土，与组合梁2和整体式节点的加强腔板中混凝土是不相通的。
本发明外套整体式节点的节点端梁9上可开洞19，便于建筑设备和管道的穿越。
本发明组合柱外管、外套整体式节点及组合梁2工字型钢管可采用钢材或者FRP材
料。
上述配预应力筋的钢管混凝土框架的施工方法：
首先按设计在工厂下料，焊接预制好所有需要的钢构件，包括两端焊好连接环的节段
式组合柱外管和内置型钢，两端焊好连接板的工字型钢管混凝土组合梁的钢管及外套整体
式节点。外套整体式节点制作时，首先把上加强带腔环板7的下部钢板放平，在准确位置焊
好单孔定位板22和开洞的双孔主定位板23，将预应力筋引导线布置在定位板里，然后将上
加强带腔环板7的其它钢板焊好，形成上加强带腔环板7。上下加强带腔环板焊好后与节点
外管6焊接，然后进行节点带腔腹板焊接，最后将外管端部的连接环及端梁连接板10焊好，
形成外套整体式节点。两端焊好连接板的工字型钢管混凝土组合梁的钢管制作时，首先按
照设计尺寸对钢板进行下料，然后在指定的位置焊好单孔定位板22，在单孔定位板之间焊
好凸型预应力筋定位槽和凹形预应力筋定位槽，用于对梁内布置的曲线预应力筋进行准确
定位，然后将钢板组装成工字型钢管，两端焊好连接板，同时将预应力筋引导线布置在定位
板里，现场安装时通过预应力筋引导线将预应力筋牵引到梁里，代替预应力筋引导线。
将框架体系所有焊好连接环的节段式外管16和内置型钢15与基础实现固接，上部
整体高出基础0.5m左右，且内置型钢15比外管高出一定的距离，达到预先设计好的高度。然
后向组合柱中浇筑混凝土。混凝土达到一定强度后，采用常规的方法将柱中内置型钢接长，
将两端焊好连接环的节段式外管下部通过连接环与整体高于地面的组合柱外管连接好，上
部达到一层节点底部指定的位置，确保内置型钢始终高于外管，并且在梁柱节3点处内置型
钢15高出节点3一段距离，达到预先设计好的高度。待所有节段式外管16连接好达到指定高
度后，在外管中浇筑混凝土，形成内置型钢15的钢管混凝土组合柱。安装外套整体式节点，
通过节点3的下连接环5与底层柱外管实现可靠连接，通过高强螺栓将节段式组合梁工字型
钢管和外套整体式节点连接，同时将预应力筋通过牵引线在梁及节点3里布置好，连接之后
对连接处进行适当的焊接，陆续安装完成其他框架节点和梁。对预应力筋进行伸直张拉，临
时锚固在边柱节点端梁上。通过混凝土筑浆孔17向梁与节点3的内部浇筑自密实混凝土13，
确保梁和节点3内填满混凝土，且保证混凝土的贯通性，同时向组合柱1钢管内浇筑混凝土，
养护达到一定强度后形成底层组合框架体系。然后同底层一样完成二层的钢构件的连接，
对底层预应力钢筋进行二次张拉，达到张拉控制应力。然后陆续施工第二层至顶层，在张拉
下层预应力钢筋时要确保本层钢结构已经可靠连接且下层节点混凝土达到一定强度，确保
体系在张拉预应力钢筋过程中不发生较大的变形。这种施工方法的钢构件全部为工厂预
制，大大减少劳动力，缩短了施工周期，现场浇筑混凝土，整体贯通性好。该种施工方法中工
字型钢管混凝土组合梁可采用梁端削弱型的，其他施工过程不变。
上述配预应力筋的钢管混凝土框架的施工方法还可以采用如下方法：
首先按设计在工厂下料，焊接预制好所有需要的钢构件，包括两端焊好连接环的节段
式组合柱外管和内置型钢15，两端焊好连接板的工字型钢管混凝土组合梁的钢管及外套整
体式节点。外套整体式节点制作时，首先把上加强带腔环板的下部钢板放平，在准确位置焊
好单孔定位板22和开洞的双孔主定位板23，将预应力筋引导线布置在定位板里，然后将上
加强带腔环板7的其它钢板焊好，形成上加强带腔环板7。上下加强带腔环板焊好后与节点
外管6焊接，然后进行节点带腔腹板焊接，最后将外管端部的连接环及端梁连接板10焊好，
形成外套整体式节点。两端焊好连接板的工字型钢管混凝土组合梁的钢管制作时，首先按
照设计尺寸对钢板进行下料，然后在指定的位置焊好单孔定位板22，用于对梁内布置的折
线预应力筋进行准确定位，然后将钢板组装成工字型钢管，两端焊好连接板，同时将预应力
筋引导线布置在定位板里，现场安装时通过预应力筋引导线将预应力筋牵引到梁里，代替
预应力筋引导线。
将框架体系所有焊好连接环的节段式外管16和内置型钢15与基础实现固接，上部
整体高出基础0.5m左右，且内置型钢15比外管高出一定的距离，达到预先设计好的高度。然
后向组合柱中浇筑混凝土。混凝土达到一定强度后，采用常规的方法将柱中内置型钢15接
长，将两端焊好连接环的节段式外管16下部通过连接环与整体高于地面的组合柱外管连接
好，上部达到一层节点底部指定的位置，确保内置型钢15始终高于外管，并且在梁柱节点处
内置型钢15高出节点3一段距离，达到预先设计好的高度。待所有节段式外管16连接好达到
指定高度后，在外管中浇筑混凝土，形成内置型钢15的钢管混凝土组合柱。安装外套整体式
节点，通过节点3的下连接环5与底层柱外管实现可靠连接，通过高强螺栓将节段式组合梁
工字型钢管和外套整体式节点连接，同时将预应力筋通过牵引线在梁及节点里布置好，连
接之后对连接处进行适当的焊接，陆续安装完成其他框架节点和梁。对预应力筋进行伸直
张拉，临时锚固在边柱节点端梁上。通过混凝土筑浆孔17向梁与节点3的内部浇筑自密实混
凝土13，确保梁和节点3内填满混凝土，且保证混凝土的贯通性，同时向组合柱钢管内浇筑
混凝土，养护达到一定强度后形成底层组合框架体系。然后陆续施工第二层至顶层，待所有
楼层全部施工完毕，自底向上依次二次张拉每层的预应力筋达到张拉控制应力，实现可靠
锚固，完成整体框架的预应力施工。优点在于框架形成后张拉预应力筋，和常规的预应力混
凝土框架一样，确保整体受力。而且框架体系可逐层不间断施工，预应力筋可实现集中张
拉，预应力技术人员现场作业时间短，整体工程造价较低。该种施工方法中工字型钢管混凝
土组合梁可采用梁端削弱型的，其他施工过程不变。