斜扭柱抗剪環(huán)梁在高層建筑中的應(yīng)用

張 蘭

(四川廣播電視臺(tái)，四川成都610021)

鋼管混凝土柱抗剪環(huán)—環(huán)梁節(jié)點(diǎn)是近幾年在實(shí)際工程中應(yīng)用不多的一種新型鋼管混凝土柱與混凝土梁相連接的節(jié)點(diǎn)形式，經(jīng)過一定數(shù)量試件的試驗(yàn)研究及近30幢高層建筑工程實(shí)踐，目前取得了一定的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

在四川廣播電視臺(tái)的設(shè)計(jì)中，為了滿足建筑造型的要求，結(jié)構(gòu)中需要有一部分由地下室頂面延伸至結(jié)構(gòu)頂部、最大傾斜75°的鋼管混凝土斜柱，這樣便在結(jié)構(gòu)各層形成了鋼筋混凝土梁板與鋼管混凝土斜柱相交的節(jié)點(diǎn)，經(jīng)設(shè)計(jì)方—西南建筑設(shè)計(jì)院研究擬采用抗剪環(huán)—環(huán)梁節(jié)點(diǎn)形式，現(xiàn)將工程中的應(yīng)用情況總結(jié)如下。

1 項(xiàng)目情況介紹

四川廣播電視臺(tái)廣電大樓位于成都市天府大道世紀(jì)城路66號(hào)。該工程主樓地上31層,地下二層,采用框架——核心筒體結(jié)構(gòu),建筑高度為134.80 m,主要功能為四川廣播電視臺(tái)廣播、電視節(jié)目的制作、播出和臺(tái)綜合辦公(圖1)。

圖1 四川廣播電視臺(tái)廣電大樓

該工程主樓核心筒體外圍四周1至5軸與J至Y軸，共設(shè)置有28根直徑700 mm,壁厚為14 mm的鋼管圓柱,與核心筒體框架梁連接,東西兩側(cè)1至5軸線鋼管圓柱各為5根,分別以KZ3柱-75°、Kza柱-78.4°、KZb柱-80.6°、KZc柱-80.9°、KZd柱-79.1°傾斜成為扭曲狀態(tài),其余全為90°直立式鋼管圓柱。鋼管柱內(nèi)澆筑C60高強(qiáng)混凝土,突出了圓鋼管對(duì)核心混凝土的套箍約束,各樓層鋼管柱與框架梁連接點(diǎn)設(shè)置結(jié)構(gòu)復(fù)雜的抗剪環(huán)形梁,環(huán)形抗剪梁與鋼管柱緊密箍抱?？蚣芰憾瞬康目v筋錨固于環(huán)梁內(nèi),借環(huán)梁傳遞彎距和剪力,對(duì)樓蓋梁端剪力起擴(kuò)散作用。

2 施工技術(shù)難點(diǎn)

(1)鋼管斜柱抗剪環(huán)形斜梁設(shè)計(jì)全國應(yīng)用較少，主要是傳遞彎矩和剪力。項(xiàng)目特邀請(qǐng)重慶大學(xué)通過7個(gè)按實(shí)際工程2/3比例縮尺、以75°傾斜的鋼管混凝土斜柱抗剪環(huán)—環(huán)梁節(jié)點(diǎn)單調(diào)及低周反復(fù)加載試驗(yàn)，對(duì)斜柱抗剪環(huán)—環(huán)梁節(jié)點(diǎn)的宏觀受力機(jī)理、最終破壞形態(tài)及受力性能等進(jìn)行了分析研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過對(duì)環(huán)梁合理配筋構(gòu)造，抗剪環(huán)—環(huán)梁節(jié)點(diǎn)能夠有效地傳遞框架梁端的彎矩和剪力；無論最終破壞發(fā)生在框架梁端還是環(huán)梁內(nèi)，試件都能達(dá)到所要求的承載能力和延性；由于鋼管混凝土斜柱與環(huán)梁的承載能力相對(duì)獨(dú)立，即使環(huán)梁最終發(fā)生破壞對(duì)鋼管混凝土斜柱的縱向承載力也不會(huì)造成明顯影響(圖2)。

圖2 斜柱與抗剪環(huán)梁

(2)環(huán)形抗剪梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)含量高、施工難度大。主樓抗剪環(huán)形梁從1樓至31層設(shè)置在鋼管圓柱上,共計(jì)868個(gè)不同型號(hào)的節(jié)點(diǎn)。有直立式、傾斜式和連接式三種,鋼筋規(guī)格為Φ25～28 mm的三級(jí)鋼。鋼筋總重量達(dá)約200 t。環(huán)形梁鋼筋制作和安裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜,施工難度大,在當(dāng)時(shí)的成都地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)為首例。

直立式環(huán)形梁外圓直徑為1 500 mm，環(huán)梁高度為800 mm，環(huán)梁長度為2 600 mm連接式為橢圓形，寬度為1 450 mm；傾斜式環(huán)梁直徑為1 500 mm，高度為800 mm；主筋和箍筋間距密集，圓形和橢圓形鋼筋加工工藝復(fù)雜，技術(shù)含量高，施工時(shí)有如下的難點(diǎn)(圖3、圖4)。

圖3 圓形環(huán)梁

圖4 橢圓形環(huán)梁

①鋼管柱傾斜度、旋轉(zhuǎn)角度繁多,測量定位操作復(fù)雜,吊裝就位難度大。

②模板支撐為有圓形傾斜度的,核心筒體框架梁端要錨入環(huán)梁內(nèi),安裝精度要求高。

③環(huán)形抗剪鋼筋制作和安裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜,鋼筋強(qiáng)度高，施工制作安裝難度大。

④鋼管圓柱在環(huán)梁上部開孔要準(zhǔn)確,滿足框架梁端錨入鋼管柱內(nèi)縱筋間距。

⑤環(huán)梁鋼筋密集混凝土澆筑振搗難度大。

3 采用的技術(shù)方案

為了達(dá)到鋼管斜柱和環(huán)形抗剪梁準(zhǔn)確位置和滿足設(shè)計(jì)要求，從主樓1層至31層為鋼管斜柱施工部份，因每層樓設(shè)置有28根鋼管圓柱，并在鋼管圓柱上設(shè)有28個(gè)不同類型的環(huán)形抗剪梁。

3.1 具體的施工流程

(1)采用塔吊吊裝就位鋼管圓柱,對(duì)鋼管柱進(jìn)行臨時(shí)支撐,用全站儀和經(jīng)緯儀測量坐標(biāo)、軸線、傾斜度、標(biāo)高等,符合要求后對(duì)鋼管柱進(jìn)行焊接；澆筑鋼管混凝土。

(2)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙,對(duì)環(huán)形抗剪梁圓形和橢圓形進(jìn)行精確放樣,計(jì)算出環(huán)梁內(nèi)外圓鋼筋的長度,腰筋長度,箍筋的長度后準(zhǔn)確下料。

(3)對(duì)采購進(jìn)入現(xiàn)場的各種環(huán)梁鋼筋進(jìn)行物理化學(xué)檢驗(yàn)。

(4)工廠加工制作環(huán)梁圓形和橢圓形鋼筋,焊接鋼筋接頭,制作加工環(huán)梁腰筋和箍筋。

(5)對(duì)環(huán)梁鋼筋焊接接頭作抗拉試驗(yàn)。

(6)現(xiàn)場綁扎環(huán)形抗剪梁鋼筋。

(7)環(huán)梁底模支撐。

(8)用塔吊將環(huán)梁鋼筋吊裝就位后,進(jìn)行軸線、標(biāo)高檢查。

(9)環(huán)形梁外側(cè)模板支撐。

(10)檢查外側(cè)模幾何尺寸和外模穩(wěn)定性。

(11)混凝土澆筑

3.2 斜鋼管柱安裝及鋼管混凝土澆筑

3.2.1 斜鋼管柱安裝

本工程鋼柱主要是φ700的螺縫鋼管柱和工字綱柱，鋼管柱共計(jì)28根，H型鋼柱12根，根據(jù)工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及塔吊和汽車吊機(jī)械性能，在標(biāo)高22.75 m以下鋼柱每二層分為一節(jié)柱，在22.75 m標(biāo)高以上塔吊能吊二層的按二層分段,其余的按每層分段,每節(jié)的鋼柱分段處高于樓層面1 m。采用PH16012塔吊、QY50型起重機(jī)吊裝。

施工前采用軟件將工程所有斜柱的運(yùn)行軌跡及傾斜度、相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)全部計(jì)算出來，施工中采用全站儀在樓地面定位出鋼柱的就位點(diǎn)及傾斜點(diǎn)，即開始安裝鋼柱，鋼柱就位后，利用經(jīng)緯儀定位樓層面已定好的傾斜點(diǎn)向斜柱端部觀測，另一方向同時(shí)也采用經(jīng)緯儀觀察鋼柱變化。下一節(jié)鋼柱安裝前利用全站儀將鋼柱就位點(diǎn)用記號(hào)筆反映在下節(jié)鋼柱上按照此施工方法可有效地保證斜柱精度(圖5)。

圖5 斜柱定位

本工程斜柱施工時(shí)首先吊裝斜柱在吊裝鋼絲繩上設(shè)置一個(gè)5 t手拉葫蘆，在鋼柱就位前利用手拉葫蘆將斜柱調(diào)節(jié)成就位角度后方可就位，斜柱對(duì)接后利用臨時(shí)夾板將其固定，臨時(shí)夾板及臨時(shí)螺栓對(duì)其進(jìn)行剪力計(jì)算后滿足固定斜柱的要求，部分斜柱同時(shí)采用鋼性支撐對(duì)其進(jìn)行臨時(shí)固定(圖6)。

圖6 斜柱吊裝

3.2.2 環(huán)梁外側(cè)模安裝

外側(cè)模安裝時(shí)，應(yīng)精確對(duì)準(zhǔn)事先劃好的環(huán)梁圓形邊線,測出外側(cè)模的傾斜度和中心軸線，以保證傾斜度符合環(huán)梁斜度要求.外模制作用100 mm×50 mm的木方，按1比1的比例放環(huán)梁圓形，挖成弧形作為圓形龍骨,再用18 mm厚的酚醛木板鋸成100 mm寬，700 mm長的小塊釘在弧形的龍骨木方上,按圓形分為若干塊順環(huán)梁的邊線安裝支牢,外側(cè)模板隨圓形安裝支撐牢固后，精確進(jìn)行環(huán)梁軸線、標(biāo)高、傾斜度、幾何尺寸的檢查,做好環(huán)梁鋼筋隱蔽記錄，填好各種數(shù)據(jù)，合格后才下令澆筑混凝土(圖7、圖8)。

(a)環(huán)梁圓形外側(cè)模板

(b)立面圖7 環(huán)梁外側(cè)模安裝

圖8 鋼管斜柱斜抗剪環(huán)形梁立面

3.3 環(huán)形抗剪梁鋼筋吊裝就位

環(huán)形梁鋼筋綁扎和環(huán)形梁底模檢查完畢符合要求后,用塔吊對(duì)以綁扎好的環(huán)梁進(jìn)行吊裝就位,吊裝時(shí)派專人負(fù)責(zé)指揮,吊勾勾住環(huán)梁主筋,將環(huán)梁內(nèi)圓套入鋼管圓柱頂部,緩緩下降,準(zhǔn)確就位在環(huán)梁的底模上。就位后對(duì)環(huán)梁軸線、標(biāo)高、傾斜度、鋼筋間距、鋼筋保護(hù)層進(jìn)行認(rèn)真檢查,滿足規(guī)范要求合格后進(jìn)入下一道工序(圖9)。

圖9 傾斜環(huán)形梁鋼筋安裝

3.4 環(huán)梁混凝土澆筑

因環(huán)梁傾斜度的不同變化,鋼筋排距及間距隨之密集,加之核心筒體框架梁端受力鋼筋錨入環(huán)梁內(nèi)，使混凝土澆筑很困難。為此,環(huán)梁在保證混凝土強(qiáng)度的情況下，必須采用和配制高流態(tài)的混凝土,坍落度控制在180～220 mm之間，用泵管壓送。為更好地保證環(huán)梁澆筑混凝土密實(shí)度效果,采用直徑30 mm插入式振搗棒并結(jié)合皮錘敲擊外側(cè)模板的方式進(jìn)行振搗。環(huán)梁頂部混凝土澆入環(huán)梁內(nèi)，必須按混凝土澆筑的操作規(guī)程進(jìn)行振搗,環(huán)梁混凝土澆滿后，須停2 min的時(shí)間再進(jìn)行補(bǔ)振,主要是趕出混凝土微小氣泡,以保證環(huán)梁混凝土密實(shí)度表面質(zhì)量。澆筑完畢后用麻袋復(fù)蓋養(yǎng)護(hù)(圖10)。

圖10 傾斜度環(huán)形抗剪梁成品

4 總結(jié)與改進(jìn)

(1)主樓鋼管柱傾斜度，旋轉(zhuǎn)角度多，有10根75°～80.9°斜扭鋼管混凝土柱。測量定位復(fù)雜，在施工前采用軟件計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)將工程中所有斜柱的在安裝過程中的運(yùn)行軌跡進(jìn)行模擬控制，并計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)，安裝過程中，用全站儀測定出鋼管柱定位點(diǎn)及傾斜點(diǎn)，用兩臺(tái)經(jīng)緯儀縱橫方向架設(shè)，測距一致，兩個(gè)方向同時(shí)觀察鋼管柱變化，進(jìn)行精確定位。

(2)橢圓型、圓型環(huán)梁Ⅲ鋼筋場外綁扎、整體吊裝，用軟件計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)根據(jù)施工圖紙對(duì)各個(gè)環(huán)梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬，精確計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)環(huán)梁鋼筋大樣及下料長度，用機(jī)械卷板機(jī)進(jìn)行環(huán)梁加工制作。

(3)環(huán)梁外箍分兩次彎鉤，避免影響主筋，先彎至90°，待主筋定位后再彎至設(shè)計(jì)要求的135°。

(4)橢圓型、圓形混凝土斜環(huán)梁模板加工安裝。在工程建設(shè)的實(shí)施中，在鋼管柱節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換處，由于兩根鋼管柱相距太近，不便于環(huán)形梁鋼筋綁扎施工，經(jīng)設(shè)計(jì)同意也將原設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，即采用14 mm厚鋼板制成鋼環(huán)板，加豎向鋼板肋代替環(huán)形梁鋼筋。

5 結(jié)束語

鋼管混凝土柱與混凝土梁相連接的節(jié)點(diǎn)形式，經(jīng)過一定數(shù)量試件的試驗(yàn)研究及本工程主樓31層建筑的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，加之我國正在修訂的《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》中，已納入近幾年的實(shí)際工程中應(yīng)用較為廣泛的鋼環(huán)—環(huán)梁節(jié)點(diǎn)的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)定。鋼管斜柱和抗剪環(huán)形斜梁設(shè)計(jì)及施工，本工程為全國首例，主要是傳遞框架梁端的彎距和剪力，有效減小了柱子截面尺寸，提高了柱子的延性，滿足了建筑的造型，促進(jìn)了建筑施工技術(shù)的發(fā)展，使鋼管混凝土柱的應(yīng)用向前邁進(jìn)了一步，相信此技術(shù)會(huì)具有廣闊的應(yīng)用前景。

在工程經(jīng)歷2008年5月12日大地震后，經(jīng)省、市質(zhì)檢站部門檢測，結(jié)果是結(jié)構(gòu)完好，未受地震的影響?，F(xiàn)在該工程已竣工驗(yàn)收，正式啟用了三年,工程也獲得了建筑的最高獎(jiǎng)項(xiàng)—魯班獎(jiǎng)和四川建筑—天府杯金獎(jiǎng)。該技術(shù)在本項(xiàng)目的應(yīng)用，對(duì)今后施工此類的結(jié)構(gòu)儲(chǔ)備和提供充分的實(shí)際工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。