型鋼混凝土柱設(shè)計(jì)方法與施工工藝研究

楊毅超 顧征宇 潘鉆峰 張德鋒 朱亞智 王超維

1.上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司 上海 200082；2.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院 上海 200092；3.上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

型鋼混凝土（steel reinforced concrete，簡(jiǎn)稱SRC）結(jié)構(gòu)是將型鋼內(nèi)置于鋼筋混凝土中，使型鋼、鋼筋、混凝土協(xié)同工作，共同抵抗荷載效應(yīng)的組合結(jié)構(gòu)。區(qū)別于鋼管混凝土，型鋼混凝土的全部鋼材（包括型鋼和鋼筋）都布置在混凝土內(nèi)部，鋼材外還有一定厚度的混凝土保護(hù)層。對(duì)于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，我國(guó)過(guò)去一直沿用勁性鋼筋混凝土這一名稱[1]，也有人稱之為鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)，亦有稱為型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)[2]。

與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)具有諸多突出優(yōu)點(diǎn)，例如：

1）構(gòu)件自重及截面小。

2）受力合理，強(qiáng)度高，延性好[3]。

3）可修復(fù)性能好。文獻(xiàn)[4]中將試驗(yàn)加載后受損的型鋼混凝土柱頭清洗干凈，再用C60高強(qiáng)混凝土加固補(bǔ)強(qiáng)，然后進(jìn)行低周反復(fù)水平荷載試驗(yàn)，加固后的型鋼混凝土框架承載能力并沒(méi)有降低，延性下降不明顯，表明型鋼混凝土框架的可修復(fù)性能很好。

4）施工周期短。結(jié)構(gòu)中的型鋼屬于預(yù)制構(gòu)件，這可使得施工的工作量減少、時(shí)間大大縮短。

然而，型鋼混凝土的施工難度較大，一定程度上也限制了其工程應(yīng)用。內(nèi)置型鋼需要大量的現(xiàn)場(chǎng)焊接工作，施工程序繁瑣。內(nèi)置的型鋼使混凝土的澆筑困難變大，容易導(dǎo)致澆筑不密實(shí)，影響施工質(zhì)量，所以對(duì)施工單位的要求非常高。隨著施工技術(shù)的成熟，施工前可進(jìn)行周密的組織策劃和高超的技術(shù)準(zhǔn)備，通過(guò)三維放樣對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化和施工模擬，可以解決梁柱節(jié)點(diǎn)的施工難題，有助于結(jié)構(gòu)體系在實(shí)際工程中的推廣應(yīng)用。

雖然型鋼混凝土有著很多突出的優(yōu)點(diǎn)和巨大的應(yīng)用潛力，但其實(shí)際應(yīng)用迫切需要一套成熟的設(shè)計(jì)及施工方法。因此，本文從型鋼混凝土柱設(shè)計(jì)方法及施工技術(shù)等2個(gè)方面開(kāi)展研究，為進(jìn)一步推廣型鋼混凝土的實(shí)際應(yīng)用提供理論及技術(shù)支撐。

1 型鋼混凝土柱的設(shè)計(jì)方法

本節(jié)從正截面承載力、斜截面承載力、構(gòu)造因素控制（包括保護(hù)層厚度、最小配筋率、軸壓比）等3個(gè)方面對(duì)型鋼混凝土柱的設(shè)計(jì)方法展開(kāi)討論[5-6]。

1.1 SRC柱正、斜截面承載力

SRC柱正截面承載力按軸心受壓柱和偏心受壓柱分別進(jìn)行計(jì)算。軸心受壓的混凝土型鋼短柱的力學(xué)性能比較單純，型鋼和混凝土的變形基本一致，各國(guó)學(xué)者對(duì)它的認(rèn)識(shí)都相同，可以采用強(qiáng)度疊加的原理來(lái)計(jì)算。具體計(jì)算公式可參見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。

對(duì)于偏心受壓的實(shí)腹式型鋼混凝土柱，其型鋼腹板在高度上的應(yīng)變是連續(xù)的，截面不存在明顯的界限破壞。型鋼混凝土柱的界限破壞一般假定發(fā)生在混凝土受壓區(qū)邊緣的應(yīng)變達(dá)到其極限壓應(yīng)變，同時(shí)型鋼的受拉翼緣也達(dá)到屈服之時(shí)。單向偏心受壓柱正截面承載力計(jì)算仍然按文獻(xiàn)[7]給出的公式計(jì)算。

型鋼混凝土框架柱偏心受壓時(shí)的斜截面受剪承載力，應(yīng)符合文獻(xiàn)[7]中相應(yīng)公式的規(guī)定。

1.2 SRC柱構(gòu)造控制因素

1.2.1 保護(hù)層厚度

型鋼混凝土保護(hù)層厚度是指型鋼外邊緣到混凝土表面的最小距離，混凝土保護(hù)層所起的主要作用有：維持型鋼與混凝土間的黏結(jié)力；其對(duì)型鋼的包裹，可防止型鋼發(fā)生局部屈曲和整體失穩(wěn)，能提高構(gòu)件的剛度、耐久性等；提供構(gòu)件的部分承載力。綜上，混凝土保護(hù)層厚度會(huì)影響構(gòu)件的破壞形態(tài)、承載力、剛度以及耐久性能等。

型鋼混凝土保護(hù)層厚度的確定可以從混凝土保護(hù)層受壓失穩(wěn)和混凝土保護(hù)層開(kāi)裂兩方面進(jìn)行考慮，確定臨界值。文獻(xiàn)[8]根據(jù)板彈塑性穩(wěn)定理論，推導(dǎo)出使得型鋼高強(qiáng)混凝土柱不發(fā)生屈曲失穩(wěn)的最小混凝土保護(hù)層厚度計(jì)算公式Cs1。

當(dāng)混凝土保護(hù)層厚度過(guò)小時(shí)，混凝土受拉開(kāi)裂，從而影響型鋼與混凝土之間的黏結(jié)。當(dāng)混凝土不開(kāi)裂時(shí)，厚度的增加對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度影響不明顯，所以從混凝土開(kāi)裂的角度出發(fā)，可確定混凝土保護(hù)層開(kāi)裂時(shí)的臨界保護(hù)層厚度Cs2。

綜合考慮保護(hù)層受壓失穩(wěn)和混凝土保護(hù)層開(kāi)裂兩方面，再結(jié)合文獻(xiàn)[7]中6.1.4條規(guī)定的型鋼混凝土保護(hù)層最小厚度（不宜小于200 mm），取Cs1，Cs2和200 mm三者中的最大值作為最終的混凝土保護(hù)層厚度。

1.2.2 最小配箍率

普通鋼筋混凝土柱中配置的箍筋主要起3個(gè)作用：抵抗構(gòu)件截面剪應(yīng)力；抑制縱筋受力后發(fā)生側(cè)向屈曲；保證地震作用下的混凝土柱延性，改善抗震性能。對(duì)于第一個(gè)作用，可以通過(guò)抗剪承載力的驗(yàn)算來(lái)保證其發(fā)揮；對(duì)于后兩個(gè)作用的發(fā)揮則是通過(guò)構(gòu)造要求進(jìn)行滿足，規(guī)定箍筋間距、最小配箍率等。

在型鋼混凝土柱中，其內(nèi)部的型鋼翼緣和腹板為截面核心區(qū)的混凝土提供了較好的約束作用，提高了混凝土的延性和承載力。型鋼混凝土柱截面中的混凝土可分為型鋼強(qiáng)約束區(qū)、箍筋弱約束區(qū)以及無(wú)約束區(qū)（圖1）。文獻(xiàn)[2]對(duì)型鋼混凝土柱最小配箍率的規(guī)定主要參照普通鋼筋混凝土柱，忽略了型鋼的有利作用，最小配箍率過(guò)于保守，既不經(jīng)濟(jì)，也不利于施工。

圖1 型鋼混凝土柱截面約束分區(qū)

文獻(xiàn)[9]中根據(jù)試驗(yàn)擬合數(shù)據(jù)，提出了與型鋼形式無(wú)關(guān)的型鋼混凝土柱最小體積配箍率公式。建議公式控制最小配筋率的型鋼混凝土柱在試驗(yàn)和有限元分析中均能滿足延性要求，并且建議公式與文獻(xiàn)[7]中6.4.3條規(guī)定相吻合。

1.2.3 軸壓比

葉列平等[10]指出，型鋼混凝土柱中的型鋼將承擔(dān)一部分軸力，截面軸壓力由混凝土和型鋼共同承擔(dān)。同時(shí)，文獻(xiàn)[10]還提出了在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，型鋼混凝土的軸壓力限值公式，并得出了軸壓比的簡(jiǎn)化公式。

2 型鋼混凝土柱簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)表與設(shè)計(jì)實(shí)例

在實(shí)際工程中，設(shè)計(jì)人員迫切需要簡(jiǎn)便的型鋼混凝土構(gòu)件計(jì)算方法。在工程方案和擴(kuò)初設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)構(gòu)件所承擔(dān)的荷載內(nèi)力估算值，進(jìn)行構(gòu)件截面、材料等的選擇，有助于結(jié)構(gòu)選型及初步計(jì)算。在進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)、校對(duì)、審核、審定等人員需要采用這些圖表進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

利用上節(jié)中的正截面承載力、斜截面承載力計(jì)算，構(gòu)造設(shè)計(jì)方法，本節(jié)進(jìn)一步凝練、簡(jiǎn)化，最終構(gòu)建簡(jiǎn)化的型鋼混凝土柱設(shè)計(jì)表，方便設(shè)計(jì)者查閱、參考。設(shè)計(jì)者只需根據(jù)荷載內(nèi)力計(jì)算值，即可利用此簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)表初步確定截面尺寸、型鋼、配筋等。進(jìn)而再利用上節(jié)所述的承載力設(shè)計(jì)方法，對(duì)所設(shè)計(jì)截面進(jìn)行驗(yàn)算。

本型鋼柱表分為3個(gè)部分：第1部分為柱截面及其配鋼、配筋說(shuō)明。第2部分為柱最大軸力設(shè)計(jì)值。該表列出了型鋼混凝土柱在混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40—C70的情形下，柱在不同的軸壓比限值時(shí)所對(duì)應(yīng)的柱最大軸力設(shè)計(jì)值。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)柱的抗震等級(jí)、軸壓比要求及軸力進(jìn)行柱截面選擇或復(fù)核柱的截面、配筋、配鋼。第3部分是柱所能承受的彎矩設(shè)計(jì)值M和軸力設(shè)計(jì)值N的關(guān)系曲線。

本節(jié)以600 mm×800 mm的截面為例，繪制了2種不同型鋼設(shè)計(jì)〔SRC—Z600×800（1）和SRC—Z600×800（2）〕的型鋼混凝土柱的設(shè)計(jì)圖表（表1、圖2及表2、圖3）。SRC—Z600×800（1）的H型鋼高400 mm，翼緣寬300 mm，腹板厚12 mm，翼緣厚16 mm，設(shè)計(jì)強(qiáng)度295 MPa；縱筋為8根直徑25 mm的鋼筋，設(shè)計(jì)強(qiáng)度360 MPa，配筋率0.818%。SRC—Z600×800（2）的H型鋼高400 mm，翼緣寬300 mm，腹板厚16 mm，翼緣厚28 mm，設(shè)計(jì)強(qiáng)度295 MPa；縱筋為8根直徑25 mm的鋼筋，設(shè)計(jì)強(qiáng)度360 MPa，配筋率0.818%。鋼筋配筋率對(duì)于矩形截面而言，為縱向受力鋼筋占截面尺寸的比例，沿高度方向配置的構(gòu)造筋不計(jì)入內(nèi)；對(duì)于正方形截面而言，為全部縱向鋼筋占截面尺寸的比例。值得注意的是，圖2和圖3中每簇曲線由內(nèi)到外分別為混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70時(shí)的承載力曲線。設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)所采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)選擇相應(yīng)的M-N曲線，進(jìn)而根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇合適的型鋼截面，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)捷、快速的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表1 SRC—Z600×800（1）最大軸力

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

以上節(jié)中所設(shè)計(jì)的600 mm×800 mm型鋼混凝土柱為例，進(jìn)一步探討該類構(gòu)件的施工關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 型鋼混凝土柱施工順序

型鋼構(gòu)件工廠制作、加工→安裝、固定型鋼混凝土柱預(yù)埋螺栓→型鋼柱吊裝→布置鋼筋→安裝模板→混凝土澆筑、養(yǎng)護(hù)

3.2 型鋼柱制作加工及質(zhì)量控制

型鋼柱加工流程[11]：下料→打坡口，制孔→組立→定位焊接→矯正焊接變形→表面凈化處理，拋丸除銹→栓釘焊接→超聲波探傷檢測(cè)→檢驗(yàn)，編號(hào)。需注意的是，型鋼柱制作時(shí)對(duì)預(yù)留孔位的準(zhǔn)確度要求較高，應(yīng)嚴(yán)格控制誤差。按照加工方案逐步進(jìn)行，按照質(zhì)檢、驗(yàn)收規(guī)定做好各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量驗(yàn)收。

圖2 SRC—Z600×800（1）承載力曲線

表2 SRC—Z600×800（2）最大軸力

圖3 SRC—Z600×800（2）承載力曲線

3.3 地腳螺栓施工

地腳螺栓由于其位置位于整體結(jié)構(gòu)的下部，所以保證安裝精確度是型鋼柱施工的重要環(huán)節(jié)。先按設(shè)計(jì)圖紙?jiān)诨炷恋装逯蓄A(yù)埋錨栓，混凝土澆筑之前需要對(duì)錨栓進(jìn)行復(fù)核，最終定位。混凝土終凝前，對(duì)柱腳進(jìn)行二次放線，糾正預(yù)埋錨栓產(chǎn)生的偏差。

3.4 型鋼柱安裝

吊裝前，進(jìn)行型鋼柱構(gòu)件的編號(hào)檢查確認(rèn)工作。此外，還需對(duì)開(kāi)孔、柱身進(jìn)行檢查，確保安裝前構(gòu)件未損傷。規(guī)劃型鋼構(gòu)件的吊裝順序和平面布置，保證施工的質(zhì)量和進(jìn)度。

吊裝時(shí)，以底層柱為例，用起吊機(jī)械將型鋼柱吊至基礎(chǔ)上方位置200 mm左右時(shí)，保證螺栓孔對(duì)準(zhǔn)后再緩慢下放，避免碰撞預(yù)埋螺栓。鋼柱落地后還需用角尺進(jìn)行檢查，保證鋼柱與基礎(chǔ)定位線完全重合。將鋼柱插入錨栓臨時(shí)固定，并進(jìn)行初步校正，將垂直方向偏差控制在20 mm以內(nèi)，而后將鋼柱與起重機(jī)脫鉤。

將2臺(tái)經(jīng)緯儀布置在柱的縱橫軸線上，對(duì)鋼柱垂直度進(jìn)行檢驗(yàn)及校正，使柱的正面、側(cè)面中心線分別與2臺(tái)經(jīng)緯儀視點(diǎn)重合，從而保證柱的垂直度。在校正過(guò)程中，應(yīng)同時(shí)注意柱底標(biāo)高是否偏移標(biāo)高控制點(diǎn)，避免造成標(biāo)高誤差（圖4）。

圖4 型鋼柱標(biāo)高調(diào)整

3.5 鋼筋工程

型鋼柱安裝完成之后，進(jìn)行后續(xù)的鋼筋工程施工。SRC柱縱筋的翻樣、加工、施工與普通鋼筋混凝土柱并無(wú)明顯區(qū)別。但是，梁柱節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式會(huì)造成縱筋施工的特殊性。例如：若節(jié)點(diǎn)處焊接了鋼牛腿，此時(shí)柱內(nèi)縱筋的布置應(yīng)盡量集中在邊角部，避免與牛腿的沖突。若框架柱中縱筋布置較密，宜采用直螺紋連接，且接頭應(yīng)相互錯(cuò)開(kāi)；在箍筋施工過(guò)程中，可采用箍筋先掰開(kāi)就位，后恢復(fù)原狀綁扎的方法。若部分小箍筋與型鋼柱栓釘水平位置重合，箍筋無(wú)法從上口套入，并且掰開(kāi)就位的施工難度大，此時(shí)，可在不影響施工質(zhì)量的前提下，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，對(duì)小箍筋的位置、形式進(jìn)行調(diào)整，如將小箍筋外移（圖5），或?qū)⑿」拷罡某衫睿▓D6），抑或?qū)⒃瓉?lái)封閉的內(nèi)箍變?yōu)樵獙毠拷睢?/p>

4 結(jié)語(yǔ)

圖5 型鋼混凝土柱小箍筋位置調(diào)整

圖6 型鋼混凝土柱小箍筋變拉筋

針對(duì)型鋼混凝土柱，分別進(jìn)行軸心受壓、偏心受壓的正截面承載力和斜截面承載力分析，給出了建議的承載力計(jì)算公式。對(duì)型鋼混凝土柱的保護(hù)層厚度、最小配箍率、軸壓比、型鋼用量進(jìn)行了研究，從構(gòu)造要求上控制型鋼混凝土柱的抗震性能，并編制了簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)圖表，給出了設(shè)計(jì)范例。根據(jù)型鋼混凝土柱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其施工要點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明并且針對(duì)型鋼混凝土柱的鋼筋工程提出了施工建議，以為此類構(gòu)件的現(xiàn)場(chǎng)施工提供參考。