異形型鋼混凝土結(jié)構(gòu)深化設(shè)計與施工

□文/魏德為 付效鐸

異形型鋼混凝土結(jié)構(gòu)深化設(shè)計與施工

□文/魏德為 付效鐸

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)是由型鋼與鋼筋混凝土組合而成的結(jié)構(gòu)形式，具有鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的雙重優(yōu)點(diǎn)，在大跨度、超高層建筑中應(yīng)用較為普遍，相較于普通混凝土結(jié)構(gòu)能有效提高構(gòu)件剛度及承載力、縮小截面尺寸及增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震性能。文章以實(shí)際工程為例，介紹了異形型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計與施工技術(shù)。

型鋼；混凝土；異形；深化設(shè)計

1　工程概況

某建筑東塔、西塔兩座辦公樓為異形結(jié)構(gòu)。西塔型鋼混凝土異形結(jié)構(gòu)主要為流瀑形外環(huán)梁、中部斜梁及外環(huán)梁下兩層高外框柱，流瀑形斜面與水平面夾角為38°，外環(huán)梁所在圓弧半徑為90.0 m，見圖1。東塔型鋼混凝土異形結(jié)構(gòu)主要為流瀑形外環(huán)梁、中部斜梁及外環(huán)梁下兩層高外框柱，流瀑形斜面與水平面夾角為24°，外環(huán)梁所在圓弧半徑為90.0 m，見圖2。

圖1　西塔辦公樓流瀑形立面

圖2　東塔辦公樓流瀑形立面

2　工程施工的重點(diǎn)及難點(diǎn)分析

2.1重點(diǎn)

1）結(jié)構(gòu)空間測量定位、型鋼軸線位置、垂直度等控制。

2）型鋼安裝及焊接質(zhì)量控制。

3）型鋼混凝土異形結(jié)構(gòu)鋼筋綁扎質(zhì)量、型鋼與鋼筋之間的連接質(zhì)量控制、型鋼柱梁節(jié)點(diǎn)鋼筋質(zhì)量控制、套筒與型鋼翼緣焊接質(zhì)量控制等。

4）型鋼混凝土曲面異形結(jié)構(gòu)模板安裝質(zhì)量控制。

5）型鋼混凝土曲面異形結(jié)構(gòu)混凝土澆筑質(zhì)量控制。

2.2難點(diǎn)

1）異形結(jié)構(gòu)空間測量定位。

2）異形結(jié)構(gòu)型鋼間采用螺栓或等強(qiáng)一級焊縫連接，對型鋼的加工精度要求高，焊縫焊接質(zhì)量控制難度大。

3）與常規(guī)鋼筋工程施工工藝相比，混凝土結(jié)構(gòu)柱、梁中加入型鋼后增加了施工難度，特別是梁柱節(jié)點(diǎn)部位鋼筋施工方法復(fù)雜，需解決梁、柱鋼筋與型鋼的位置關(guān)系與連接方式。

4）型鋼混凝土結(jié)構(gòu)混凝土澆筑及振搗施工難度加大。

3　型鋼混凝土結(jié)構(gòu)深化設(shè)計

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)深化設(shè)計是保證型鋼混凝土結(jié)構(gòu)順利施工的前提，因此在型鋼混凝土施工前應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙對其進(jìn)行深化設(shè)計，特別是對復(fù)雜節(jié)點(diǎn)區(qū)域深化設(shè)計。

3.1深化設(shè)計原則

型鋼的深化設(shè)計既要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計意圖，又要為型鋼工廠制作、現(xiàn)場吊運(yùn)安裝、梁柱節(jié)點(diǎn)部位鋼筋安裝及混凝土澆筑方法提供依據(jù)。

3.2深化設(shè)計依據(jù)

型鋼混凝土深化設(shè)計主要依據(jù)設(shè)計院結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙、GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》、GB 50205—2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》、GB 50901—2013《鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)施工規(guī)范》、GB 50901—2013《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》、JGJ 82—2011《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》、04SG523《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)造》、12SG904-1《型鋼混凝土結(jié)構(gòu)施工鋼筋排布規(guī)則與構(gòu)造詳圖》等。

3.3深化設(shè)計流程

優(yōu)化設(shè)計方案和圖紙并在建立的模型基礎(chǔ)上利用此軟件導(dǎo)出正式的CAD圖紙；正式的深化設(shè)計圖紙經(jīng)設(shè)計認(rèn)可后，方可指導(dǎo)構(gòu)件加工及現(xiàn)場施工。

3.4深化設(shè)計內(nèi)容

各部位型鋼結(jié)構(gòu)形式、尺寸及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，對于每根型鋼柱、型鋼梁，應(yīng)針對其梁柱節(jié)點(diǎn)逐個設(shè)計出翻樣圖，確定鋼牛腿定位、鋼筋連接器標(biāo)高、穿筋孔洞數(shù)量、直徑與位置等。

3.5深化設(shè)計方法

鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計主要利用計算機(jī)仿真設(shè)計技術(shù)，采用Tekla Structure（鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計軟件）對每根型鋼混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，見圖3和圖4。

圖3　西塔型鋼深化設(shè)計三維模型

圖4　東塔型鋼深化設(shè)計三維模型

以型鋼混凝土柱與普通混凝土梁節(jié)點(diǎn)部位為例，利用計算機(jī)仿真技術(shù)生成梁柱節(jié)點(diǎn)的模型，見圖5-圖8。

圖5　型鋼柱與普通混凝土梁節(jié)點(diǎn)深化

圖6　柱縱筋與鋼骨牛腿翼緣連接深化

圖7　梁縱筋與型鋼柱牛腿翼緣連接深化

圖8　梁縱筋穿鋼柱腹板深化

在建立模型的基礎(chǔ)上，導(dǎo)出深化設(shè)計圖紙，以本工程東塔二層KXL-3為例，其構(gòu)件深化設(shè)計見圖9。

圖9　東塔二層KXL-3深化設(shè)計

3.6設(shè)計過程中與土建施工的銜接

型鋼混凝土中型鋼深化設(shè)計過程與土建施工的銜接非常重要，要重點(diǎn)考慮以下問題。

1）每段型鋼的制作長度應(yīng)在車間制作條件和現(xiàn)場吊裝能力滿足的前提下進(jìn)行深化。

2）加強(qiáng)型鋼制作長度、現(xiàn)場鋼柱標(biāo)高、梁筋標(biāo)高等偏差控制，當(dāng)多種偏差疊加在一起時，會造成梁截面與鋼柱穿孔標(biāo)高偏差，梁鋼筋無法穿過鋼柱預(yù)先留設(shè)的孔洞的情況；此外，深化設(shè)計時還應(yīng)考慮縱向、橫向鋼筋穿孔標(biāo)高相互錯開，避免兩個方向鋼筋相碰。

3）節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計時，盡量將梁縱筋或墻鋼筋避開型鋼，無法避開時，采用鋼筋連接器與型鋼翼緣連接或型鋼腹板穿孔通過鋼筋；當(dāng)必須在腹板上預(yù)留貫穿孔時，應(yīng)兼顧減少型鋼截面損失與便于施工兩個方面，型鋼腹板截面損失率宜小于腹板面積的25%；當(dāng)鋼筋穿孔造成型鋼截面損失不能滿足承載力要求時，可采取型鋼截面局部加厚的辦法補(bǔ)強(qiáng)。

4　曲面異形結(jié)構(gòu)空間定位施工方法

為確?，F(xiàn)場施工時曲面異形結(jié)構(gòu)構(gòu)件安裝及定位準(zhǔn)確，結(jié)合工程特點(diǎn)，主要采用AutoCAD結(jié)合全站儀的施工方法進(jìn)行空間定位。

4.1利用AutoCAD獲取放樣點(diǎn)坐標(biāo)

將設(shè)計單位提供的電子版施工圖紙與施工藍(lán)圖比對確認(rèn)無誤后，打開曲面異形結(jié)構(gòu)相應(yīng)的電子版平面圖，在各樓層平面內(nèi)角部選定一軸線交點(diǎn)作為該層直角坐標(biāo)系原點(diǎn)，然后利用直角坐標(biāo)法，確定曲面異形結(jié)構(gòu)每一段結(jié)構(gòu)的首尾兩點(diǎn)和中間若干點(diǎn)在直角坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)（X、Y）；根據(jù)異形結(jié)構(gòu)相對于水平面夾角及水平投影長度，計算出在直角坐標(biāo)系已確定平面坐標(biāo)的點(diǎn)位標(biāo)高（Z），即可得到曲面異形結(jié)構(gòu)上任意點(diǎn)的空間坐標(biāo)（X、Y、Z）。

4.2利用全站儀在現(xiàn)場進(jìn)行點(diǎn)位測放

將AutoCAD獲取放樣點(diǎn)坐標(biāo)錄入全站儀，然后以直角坐標(biāo)系原點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)放置全站儀，進(jìn)而可將異形結(jié)構(gòu)各構(gòu)件選取的點(diǎn)位在施工部位測放完成并做好標(biāo)記。

4.3點(diǎn)位復(fù)核

在曲面異形結(jié)構(gòu)施工過程中，特別是型鋼安裝過程中，對構(gòu)件放置位置應(yīng)及時進(jìn)行復(fù)核，發(fā)現(xiàn)問題，立即進(jìn)行調(diào)整。

在曲面異形結(jié)構(gòu)型鋼安裝工程、鋼筋工程及模板工程完成后，混凝土澆筑前應(yīng)對構(gòu)件位置再次復(fù)核，以確保曲面異形結(jié)構(gòu)位置無誤。

5　型鋼柱安裝施工

5.1工藝流程

預(yù)埋柱腳螺栓→澆筑基礎(chǔ)混凝土→型鋼柱吊裝、固定及定位→柱腳灌漿→綁扎型鋼柱鋼筋。

5.2施工方法

5.2.1預(yù)埋柱腳錨栓

柱腳螺栓主要是通過套板控制螺栓相互之間距離，套板采用木模板，根據(jù)柱腳錨栓位置，在套板上鉆孔，然后穿入錨栓，利用固定支架控制螺栓不變形、位置準(zhǔn)確。固定架在型鋼柱基礎(chǔ)綁扎鋼筋時就應(yīng)事先埋入，同基礎(chǔ)鋼筋連成一體。安裝地腳螺栓時需專人在縱橫兩個方向用經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀控制預(yù)埋件的軸線及標(biāo)高。柱腳校正加固牢固并驗收合格后，錨栓螺紋部分要涂黃油并包上油紙，外面再裝上套管保護(hù)。在澆筑混凝土前再次復(fù)核，確認(rèn)其位置、標(biāo)高、垂直度準(zhǔn)確及固定牢固后方可澆筑基礎(chǔ)混凝土。

5.2.2型鋼柱吊裝、固定及定位

1）采用塔吊吊裝。在型鋼柱深化設(shè)計階段應(yīng)充分考慮到塔吊的起重量與運(yùn)輸能力，型鋼柱長度根據(jù)層高及其總高度確定。在塔吊起重能力范圍內(nèi)的型鋼柱，不予以分節(jié)；否則，在深化階段將型鋼柱分節(jié)，分節(jié)高度在樓層1/3處，保證每節(jié)型鋼柱重量均在塔吊起重能力范圍內(nèi)。

2）臨時固定。型鋼柱就位后，對齊定位線，利用耳板及螺栓作為臨時固定。每節(jié)柱翼板的接頭端設(shè)置了連接耳板，柱就位時，使上下柱接頭處兩個方向的安裝線對齊，用螺栓把上下耳板連接起來，稍加擰緊，即可脫鉤。

3）校正。型鋼柱垂直度調(diào)整采用千斤頂調(diào)節(jié)。調(diào)整前在下層鋼柱上的相應(yīng)位置焊接千斤頂支座，在上層鋼柱相應(yīng)位置上焊接耳板。在鋼柱相互垂直的兩個方向設(shè)2臺經(jīng)緯儀，觀測鋼柱垂直控制線校正結(jié)果，使鋼柱的垂直度、標(biāo)高誤差符合規(guī)范要求。

5.2.3柱腳灌漿

型鋼柱吊裝、固定及定位完成后，進(jìn)行柱腳底板灌漿。為保證灌漿的密實(shí)度，應(yīng)從柱腳板一側(cè)勻速灌漿并可根據(jù)柱腳板的大小開排氣孔。

6　型鋼梁安裝施工

型鋼梁安裝與型鋼柱的吊裝、固定、定位基本一致。

7　型鋼與鋼筋相交時處理

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)梁、柱節(jié)點(diǎn)部位型鋼與鋼筋連接較為復(fù)雜，在深化設(shè)計時應(yīng)充分考慮并明確各部位梁、柱節(jié)點(diǎn)做法。

7.1型鋼柱與普通混凝土梁節(jié)點(diǎn)做法

型鋼柱與普通混凝土梁縱筋連接做法有兩種：一是鋼筋混凝土梁中間部分縱筋無法繞開型鋼柱翼緣時和型鋼翼緣上的鋼牛腿焊接，其焊縫長度應(yīng)滿足等強(qiáng)連接要求；二是梁兩側(cè)縱筋可避開型鋼翼緣，但需穿過型鋼腹板的，在型鋼腹板上穿孔，腹板穿孔應(yīng)在工廠制作。以十字型鋼柱為例，其做法見圖10。

圖10　型鋼柱與普通混凝土梁節(jié)點(diǎn)做法

7.2型鋼梁與普通混凝土次梁相交節(jié)點(diǎn)做法

型鋼梁與混凝土次梁相交時，混凝土次梁上部縱筋在中間支座型鋼梁位置直接貫通，在邊支座型鋼梁位置錨入支座一個錨固長度；混凝土次梁下部縱筋在中間支座、邊支座型鋼梁位置錨入支座15d（d為型鋼梁寬帶），其節(jié)點(diǎn)做法見圖11。

圖11　型鋼梁與混凝土次梁典型節(jié)點(diǎn)做法

7.3型鋼柱與型鋼梁相交節(jié)點(diǎn)做法

型鋼柱縱筋與型鋼梁翼緣間采用鋼筋連接器連接，鋼筋連接器在工廠內(nèi)焊接；型鋼柱箍筋穿型鋼梁腹板穿孔時施工較為困難，可將箍筋設(shè)計成U形或L形，現(xiàn)場穿過型鋼后再焊接成封閉箍筋；型鋼梁縱筋在型鋼柱翼緣兩側(cè)采用鋼筋連接器連接。典型節(jié)點(diǎn)做法見圖12。

圖12　型鋼柱與型鋼梁相交節(jié)點(diǎn)做法

7.4型鋼混凝土梁內(nèi)拉結(jié)筋處理做法

當(dāng)型鋼混凝土梁內(nèi)拉結(jié)筋直徑≤10 mm時在腹板上穿孔，梁拉結(jié)筋斷料為直條，在現(xiàn)場穿過腹板鋼筋孔后再進(jìn)行彎折彎鉤，見圖13；當(dāng)梁內(nèi)拉結(jié)筋直徑＞10 mm時，在靠近型鋼腹板部位配置與腰筋相同鋼筋并和腹板同側(cè)腰筋拉結(jié)，見圖14。

圖13　梁橫斷面排布構(gòu)造節(jié)點(diǎn)做法一

圖14　梁橫斷面排布構(gòu)造節(jié)點(diǎn)做法二

8　型鋼混凝土施工

由于型鋼混凝土內(nèi)型鋼的存在限制了混凝土的流動性且箍筋、拉筋密集，型鋼梁翼緣下部混凝土不易充分填滿，在梁、柱交接處鋼筋密集，又有型鋼加勁肋的存在，使得混凝土的澆筑和搗實(shí)變得更加困難。為保證型鋼混凝土澆筑質(zhì)量，采取以下措施施工：

1）澆筑型鋼梁、柱時采用高流態(tài)混凝土，混凝土粗骨料的最大粒徑應(yīng)＜20 mm；

2）混凝土采用斜向分層澆筑，振搗時間以混凝土面無氣泡泛出為準(zhǔn)，設(shè)專人監(jiān)控；

3）型鋼梁混凝土宜先從跨中鋼梁一側(cè)下料，用振動器在鋼梁一側(cè)振搗，將混凝土從鋼梁底擠向另一側(cè)，直到混凝土高度超過鋼梁下翼緣板時，然后改為雙側(cè)對稱下料，對稱振搗；當(dāng)混凝土澆筑到上翼緣板時，將混凝土從跨中下料，改由跨中向兩端延伸下料振搗，將型鋼混凝土內(nèi)氣泡趕向兩端排出；

4）型鋼柱柱間鋼筋及型鋼十分密集，相互間隙很小，混凝土流動性被嚴(yán)重限制；型鋼制作時，水平加勁肋中心預(yù)留直徑50～100 mm灌灰孔；澆筑混凝土?xí)r，分層澆筑、振搗，分層厚度應(yīng)≯1 m，振動時快插慢拔，逐點(diǎn)移動，不得漏振，每點(diǎn)振動時間控制在20～30 s，以混凝土表面呈現(xiàn)浮漿、石子不再沉落及不冒出氣泡為止。

9　結(jié)語

通過實(shí)踐證明該深化設(shè)計方法及施工技術(shù)可有效解決型鋼混凝土結(jié)構(gòu)操作難度大、細(xì)部節(jié)點(diǎn)復(fù)雜等難題，確保了型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.05.006

□付效鐸/中建八局三公司天津分公司。

□TU375

□C

□1008-3197（2016）05-17-05

□2016-07-11

□魏德為/男，助理工程師，中建八局三公司天津分公司，從事工程技術(shù)管理工作。