濰坊市婦幼保健院 濰坊 261011
高層建筑和超高層建筑的大量涌現(xiàn)和快速發(fā)展,帶動了型鋼混凝土結(jié)構(gòu)(也稱勁性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu))的廣泛應(yīng)用。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)不僅和鋼管混凝土結(jié)構(gòu)一樣具有剛度大、延性好的特點(diǎn),同時解決了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在防火、耐腐蝕等方面的弊端而受到設(shè)計(jì)師的青睞[1]。雖然型鋼混凝土具有上述優(yōu)點(diǎn),但是為了滿足設(shè)計(jì)抗震要求而設(shè)置的密集的鋼筋和截面復(fù)雜多變的鋼骨形成了復(fù)雜的干涉和碰撞關(guān)系(圖1、圖2),給施工帶來了較大的難度。如何在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下,更加方便、可靠地施工,就成為型鋼混凝土結(jié)構(gòu)需要解決的關(guān)鍵問題。
圖1 復(fù)雜的型鋼混凝土構(gòu)件和復(fù)雜的鋼骨架
型鋼混凝土結(jié)構(gòu)從材料上分為型鋼、鋼筋和混凝土,3 種組成相互影響、相互制約。型鋼鋼骨的布置會與鋼筋發(fā)生碰撞,需要按照構(gòu)件對于結(jié)構(gòu)的重要程度及施工可行性進(jìn)行避讓或連接;鋼筋因避讓型鋼導(dǎo)致排布形式改變,可能會影響混凝土的澆筑,需要相應(yīng)配置混凝土的級配和配合比;為保證混凝土澆筑,需要對型鋼進(jìn)行相應(yīng)的開孔處理(型鋼腹板上的鋼筋穿孔均在工廠制作);型鋼的布置會影響到混凝土模板和流動性的設(shè)計(jì);而混凝土的強(qiáng)度等級及施工縫的設(shè)置將影響鋼筋的錨固長度;鋼筋與型鋼的連接方式會對型鋼產(chǎn)生額外的受力情況,使型鋼處于復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)[2]。
圖2 型鋼和鋼筋碰撞示意
同時,對于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)施工深化設(shè)計(jì),首先應(yīng)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計(jì),然后根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計(jì)方案對應(yīng)進(jìn)行混凝土鋼筋的連接設(shè)計(jì),最后在確定鋼筋連接件的定位后,再進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的下料、施工。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計(jì)是一個多因素偶聯(lián)的問題,需要先提出假定,通過進(jìn)一步的推算設(shè)計(jì)來證實(shí)假定的可行性。同時,型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計(jì)又是一個開放式的問題,根據(jù)施工條件的不同會形成相應(yīng)的最優(yōu)方案,必須緊密聯(lián)系施工的實(shí)際技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等情況。
如前所述,由于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中型鋼、鋼筋、混凝土存在著復(fù)雜的連接和結(jié)合關(guān)系,因此使得施工的難度大幅度增加。首先是針對鋼筋與型鋼之間的碰撞問題,采用何種方法和措施讓兩者協(xié)同連接,符合設(shè)計(jì)受力要求,施工操作又比較方便和簡單;其次是要解決模板和混凝土澆筑問題。由于型鋼混凝土構(gòu)件組成復(fù)雜,特別是超高層的大斷面異形型鋼混凝土構(gòu)件,引起模板的設(shè)計(jì)和施工復(fù)雜性也大為提高。同時由于型鋼和高密度鋼筋的存在(圖3),混凝土澆筑的難度也大為增加,施工控制不善可能引起空洞和蜂窩等質(zhì)量問題。所以,需要尋求合理的方法和解決方案。
針對型鋼與鋼筋的碰撞問題,解決方法分類如下:
1)穿孔法。通過在型鋼腹板上穿孔和在翼緣上穿孔,實(shí)現(xiàn)鋼筋的合理穿越(圖4)。而由此引起的型鋼截面削弱,則需要結(jié)合孔徑、板厚以及穿孔數(shù)量進(jìn)行合理加強(qiáng),適用于柱內(nèi)縱筋與梁或斜撐相交的情況。
圖3 密集鋼筋和型鋼
圖4 穿孔法
2)焊接法。通過在型鋼上焊接連接鋼板或者連接套筒實(shí)現(xiàn)和鋼筋的連接,使鋼筋與型鋼形成整體受力。焊接法優(yōu)點(diǎn)是沒有削弱型鋼,但焊接和鋼筋處理的工作量比較大,現(xiàn)場焊接部分操作難度較高,適用于鋼筋較密或鋼板較厚的情況。
3)繞轉(zhuǎn)避讓法。通過繞開或者折彎鋼筋繞開型鋼,實(shí)現(xiàn)了鋼筋連續(xù)的同時,又不對型鋼產(chǎn)生削弱的目的(圖5)。適用于外側(cè)鋼筋或型鋼尺寸較小的情況。需要注意的是,如果鋼筋為主承力,則鋼筋彎折需要經(jīng)過設(shè)計(jì)同意。
圖5 鋼筋繞轉(zhuǎn)避讓及箍筋穿孔示意
4)鋼筋替代法。通過鋼筋等效替換的原則改變鋼筋的直徑和數(shù)量,避免鋼筋與型鋼的干涉關(guān)系或者減小干涉,進(jìn)而采用其他方式進(jìn)行簡化處理。
5)等效加強(qiáng)法。如果鋼筋被截?cái)嗷蛘咝弯摫幌魅?,則通過等效加強(qiáng),補(bǔ)充設(shè)置鋼筋或?qū)︿摪暹M(jìn)行加強(qiáng)的方法,確保構(gòu)件傳力路徑連貫和符合設(shè)計(jì)的要求。
型鋼與不同鋼筋類型的碰撞可分為3 類:縱向受力鋼筋與型鋼的碰撞;箍筋或拉結(jié)筋與型鋼的碰撞;梁、板縱筋錨固段與型鋼發(fā)生的碰撞。
此種情形下,鋼筋與型鋼的處理原則是鋼筋避讓型鋼。當(dāng)無法避開時,可采用穿孔法和焊接法處理。當(dāng)采用穿孔法時,可以配合采用等強(qiáng)度代換的方式增加鋼筋直徑,減少鋼筋數(shù)量,增大鋼筋間距,從而減少開孔數(shù)量。對于縱向受力鋼筋,可通過公式(1)計(jì)算。
式中:n1、n2——代換前、后縱筋數(shù)量;
d1、d2——代換前、后縱筋直徑;
fy1、fy2——代換前、后縱筋屈服強(qiáng)度。
需要注意的是,代換后應(yīng)對構(gòu)件的最大裂縫寬度、撓度和有效截面高度進(jìn)行驗(yàn)算。下面對3 種方法進(jìn)行具體的分析。
1)穿孔法:對于設(shè)置穿筋孔的方法,應(yīng)盡量避免在型鋼翼緣穿孔,型鋼腹板的界面損失率宜小于腹板面積的25%。當(dāng)鋼筋穿孔使型鋼截面削弱影響承載力時,應(yīng)采取型鋼穿孔處截面局部加厚的辦法予以補(bǔ)強(qiáng)。
2)焊接法(焊接連接鋼板):鋼筋與型鋼焊接通過連接板進(jìn)行焊接。連接板板厚應(yīng)大于鋼筋直徑,型鋼與連接板通過對接焊連接,鋼筋與連接板通過雙面焊縫焊接,焊縫長度5d,確保等強(qiáng),當(dāng)上下2 皮或者多皮鋼筋時,相鄰層的連接板可采用不同長度錯開,方便鋼筋連接。
3)焊接法(連接套筒):連接套筒的方式適用于直徑大于16 mm的鋼筋(圖6)。當(dāng)套筒排布比較密集時,應(yīng)考慮焊接引起的殘余應(yīng)力對型鋼受力的影響。同時,縱向受力鋼筋與型鋼連接需要保證有效的傳力,避免出現(xiàn)由于縱筋受力引起型鋼的局部屈服。
圖6 焊接法連接套筒連接
此種情形下,箍筋、拉結(jié)筋與型鋼的連接方式與縱筋類似,也有穿孔法和焊接法可以選擇。同時,也可以進(jìn)行等強(qiáng)度代換來減少開孔數(shù)量,代換公式為:
式中:Asb1、Asb2——代換前、后彎筋面積;
fyb1、fyb2——代換前、后彎筋屈服強(qiáng)度;
Asv1、Asv2——代換前、后箍筋面積;
fyv1、fyv2——代換前、后箍筋屈服強(qiáng)度;
s1、s2——代換前、后箍筋間距;
h0——有效截面高度;
α——彎筋與軸線夾角。
1)穿孔法:這種方法同樣要注意開孔數(shù)量對型鋼截面削弱的影響(圖7)。同時,當(dāng)箍筋數(shù)量較多、較密時,需要協(xié)調(diào)孔軸線間的關(guān)系,避免箍筋出現(xiàn)過大傾斜。
圖7 箍筋、拉結(jié)筋穿孔法和加強(qiáng)處理
2)焊接法(焊接連接鋼板):通常情況下,鋼筋不宜與型鋼直接焊接,箍筋與型鋼的連接相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)并沒有明確敘述??梢韵仍谛弯撋虾附舆B接板,再將箍筋焊接到連接板上。但當(dāng)箍筋形式較為復(fù)雜,且箍筋環(huán)間距較小,在焊接連接板時,可能會由于連接板間距太近而導(dǎo)致無法施工,同時連接板也會影響混凝土的流動,因此,此種情況一般采用直接將箍筋焊接于型鋼的方式(圖8)。一般箍筋或拉結(jié)筋采用90°彎鉤,焊接5d,但由于這種方法缺少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),是否會影響箍筋傳力和腹板的穩(wěn)定性需要專門的分析,因此采用這種方法需要征得設(shè)計(jì)的同意。
圖8 箍筋焊接連接法
而如果采用連接套筒的方法,則需要通過旋轉(zhuǎn)鋼筋使其與套筒機(jī)械咬合。對于箍筋,因其與型鋼通常多余一點(diǎn)相交,無法采用該方法連接;對拉結(jié)筋則需要準(zhǔn)確控制旋轉(zhuǎn)角度,以保證最終拉結(jié)筋彎鉤位置滿足要求。因此,連接套筒的方法不適用于箍筋和拉結(jié)筋[3]。
這種情形的處理相對簡單,當(dāng)縱筋不與型鋼發(fā)生碰撞時,則側(cè)面穿過即可;當(dāng)縱筋與型鋼發(fā)生碰撞時,可以通過焊接連接板進(jìn)行連接(圖9),如果梁高足夠大,可以將梁縱筋緊靠型鋼進(jìn)行彎折錨固。
圖9 梁縱筋和型鋼連接方法
型鋼混凝土結(jié)構(gòu)承載力強(qiáng)、延性好、防火、耐腐蝕,在高層和超高層建筑中得到了廣泛的應(yīng)用,使其施工質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求是型鋼混凝土成功應(yīng)用的基本條件。本文歸納和提出的型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中型鋼與鋼筋碰撞問題的處置方法,為確保施工滿足設(shè)計(jì)要求和良好的施工質(zhì)量提供了一定價值的參考。