鋼板剪力墻鋼結(jié)構(gòu)變形控制措施研究

臧鹽龍

(中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 北京 100000)

1 工程概況

蕭政儲(chǔ)出40號(hào)地塊1標(biāo)段工程位于浙江省杭州市蕭山區(qū)，由T3、T4、T5塔樓以及裙房四部分組成，總建筑面積約169 636.01 m2。其中T4和T5塔樓均為地上48層、地下4層，建筑高度為191.1 m，結(jié)構(gòu)由組合鋼板剪力墻+墻內(nèi)型鋼柱+框架柱梁等組成[1-3]。組合鋼板剪力墻型鋼柱截面尺寸為250×170×20×20 mm、250×170×25×25 mm、250×170×30×30 mm；鋼梁截面尺寸最大為300×30 mm；鋼板厚度規(guī)格分別為20 mm、25 mm、30 mm，材質(zhì)為Q345B。鋼板剪力墻設(shè)置范圍為地下1層至地上14層，墻內(nèi)型鋼柱共8根，鋼柱截面尺寸最大為400×35 mm，最大板厚為35 mm，材質(zhì)為Q345B。軸測(cè)圖見圖1。

圖1 T4、T5塔樓軸測(cè)圖

2 組合鋼板剪力墻施工及變形情況

按原鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)方案，該工程組合鋼板剪力墻鋼結(jié)構(gòu)豎向上每2層為一安裝段，分段位置在樓層結(jié)構(gòu)標(biāo)高之上1.2 m處。具體分段見圖2。橫向上，將型鋼柱、鋼板、鋼梁按次序吊裝校正后進(jìn)行整體焊接連接。每個(gè)安裝層豎向焊縫2道、水平向焊縫2～3道(寬度較大，因塔吊吊重原因?qū)摪宸稚舷聝蓧K)。當(dāng)首段組合鋼板剪力墻施工完畢后，發(fā)現(xiàn)多處剪力墻鋼結(jié)構(gòu)的鋼柱和鋼板翹曲嚴(yán)重，最大變形達(dá)70 mm，局部甚至連剪力墻混凝土模板都無法安裝，遠(yuǎn)超《鋼板剪力墻技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 380-2015)的規(guī)定，甚至到了無法繼續(xù)施工的境地。T5塔樓測(cè)量數(shù)據(jù)見表1，變形形式見圖3。

圖2 T4、T5塔樓鋼板豎向分段(單位：mm)

表1 T5首層剪力墻尺寸最大偏差 mm

3 變形原因分析

任何與剪力墻鋼板施工有關(guān)的工序和方法都可能導(dǎo)致鋼板產(chǎn)生變形。但就本工程而言，導(dǎo)致剪力墻鋼結(jié)構(gòu)如此大的變形因素主要有三個(gè)方面。

圖3 墻體鋼結(jié)構(gòu)變形示意

(1)安裝分段不合理

由于原分段豎向兩層為一安裝段(第1段為負(fù)1層到地上1層，高6 950 mm，見圖2)，且鋼柱與鋼板和鋼梁之間均為現(xiàn)場(chǎng)豎向焊接連接，每一安裝段的鋼板有豎向焊縫2道，加之剪力墻鋼板厚度在20～28 mm之間，焊縫厚且長(zhǎng)[4-5]，而鋼柱本身截面僅有250×170 mm，且沒有可靠約束，在鋼板平面外剛度很小，無論先進(jìn)行哪一段焊縫施工，板的限制變形能力都較差，再加之豎向焊縫過長(zhǎng)，很容易產(chǎn)生較大的焊接變形。由于對(duì)約束鋼板自身變形的能力較弱，這就必然使得鋼板極易產(chǎn)生橫向焊接變形，繼而帶動(dòng)鋼柱產(chǎn)生變形。也就是說，豎向分段太長(zhǎng)，采用現(xiàn)場(chǎng)豎向焊接之分段方法是導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重變形[6]的主要原因之一。因此，可以認(rèn)為此種分段方法不合理。

(2)混凝土施工作用不對(duì)稱

由于該種剪力墻的鋼板位于組合鋼板剪力墻墻體正中間，除墻端部的型鋼柱與模板之間留有很小的空隙外，鋼板兩側(cè)是隔絕的，混凝土在模板內(nèi)很難從鋼板一側(cè)流動(dòng)到另一側(cè)。再者，經(jīng)過鋼板分隔后，鋼板兩側(cè)的橫向尺寸較小。因此，在混凝土下料過程中，很難做到兩側(cè)下料高度同步，這就很容易造成鋼板兩側(cè)混凝土高度不一致[7]，使得鋼板兩側(cè)混凝土壓力不平衡。同時(shí)，在混凝土工程施工過程中，操作人員往往發(fā)現(xiàn)哪邊混凝土高，即先振搗那邊，這就使鋼板兩側(cè)壓力不平衡現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重。在這兩種因素共同作用下，當(dāng)該不平衡力大到超過鋼板抗變形能力時(shí)，鋼板勢(shì)必產(chǎn)生由壓力大的一邊向壓力小的一邊變形現(xiàn)象，即產(chǎn)生如圖3所示的現(xiàn)象。

(3)無變形約束措施

本工程原施工方案為將按設(shè)計(jì)圖紙制作的鋼柱和鋼板分別制作完成后，運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)焊接連接。原設(shè)計(jì)主要是按滿足工程使用階段的工況進(jìn)行，而對(duì)施工階段的工況則考慮不周。這就導(dǎo)致鋼柱、鋼板自身抗變形能力“先天不足”[8]，在焊接過程中，鋼構(gòu)件變形變得很“任性”。當(dāng)由于鋼結(jié)構(gòu)焊接和混凝土施工不對(duì)稱等原因超過鋼板的自身變形約束能力時(shí)，即產(chǎn)生橫向變形。同時(shí)，由于鋼板與鋼柱通過焊接連接，鋼板的不平衡力必然傳遞給鋼柱，鋼柱下部預(yù)埋在基礎(chǔ)內(nèi)或與下節(jié)鋼柱連接，而上部處于無約束的自由狀態(tài)，且自身截面較小，抗變形能力較弱，在與鋼板焊接過程中產(chǎn)生焊接變形，同時(shí)鋼板傳遞的荷載超過鋼柱本身抗變形能力時(shí)，鋼柱自然也產(chǎn)生變形。

4 鋼板剪力墻鋼結(jié)構(gòu)變形控制技術(shù)

針對(duì)本工程在已施工部分出現(xiàn)的剪力墻鋼結(jié)構(gòu)變形大的問題，采用以下變形控制技術(shù)。

4.1 優(yōu)化安裝單元

如章節(jié)3中所述，原分段方案不僅易引起橫向焊接變形，而且豎向焊縫長(zhǎng)，施工也相對(duì)困難得多。為此，本工程對(duì)原安裝單元進(jìn)行優(yōu)化。

(1)在豎向上，將原方案兩層鋼結(jié)構(gòu)為一個(gè)安裝段改為一層為一個(gè)安裝段，這就相當(dāng)于將原高7 m左右的自由變形薄鋼板變?yōu)楦叨葹?.5 m左右兩端約束的薄鋼板。從彈性力學(xué)薄板屈曲理論分析，新方案改變了板件的高寬比，同時(shí)提高了板件的邊界約束，薄板平面外屈曲剛度提升非常明顯，從理論上講，其剛度至少提高7倍。這一剛度提升，對(duì)控制鋼板平面外彎曲變形效果明顯。

(2)將鋼板、鋼柱和鋼梁現(xiàn)場(chǎng)焊接連接改為在工廠組裝焊接[9]?，F(xiàn)場(chǎng)每單元(節(jié))安裝時(shí)僅需進(jìn)行上下對(duì)應(yīng)的柱-柱和板-板一道橫向焊縫的焊接，現(xiàn)場(chǎng)焊縫長(zhǎng)度大為減少，不但使得引起焊接變形的因素大為降低，而且更重要的是使鋼板剪力墻安裝精度有了質(zhì)的提高，同時(shí)，也極大地減少了現(xiàn)場(chǎng)焊接和矯正工作量，方便了施工，縮短了工期。相較于原方案，工人在工作面作業(yè)高度降低、仰焊操作取消，施工安全性大大提高，且焊接質(zhì)量也相對(duì)提高；其次，構(gòu)件高度以及焊縫長(zhǎng)度減半，溫度應(yīng)力相對(duì)減小。以T4樓鋼板為例，原方案鋼板與型鋼端柱現(xiàn)場(chǎng)焊接，每?jī)蓪訛橐还?jié)，平均每層水平焊縫28.67 m、豎向焊縫86.4 m；而鋼板與型鋼端柱在車間焊接，每一層為一節(jié)，每層水平焊縫36.67 m，無豎向焊縫。熟練焊工平均每天水平焊縫施焊10～12 m左右，豎向焊縫施焊5～6 m。方案改進(jìn)后，每層可縮短5 d左右工期。

(3)在工廠制作安裝單元時(shí)，鋼板剪力墻上下段之間每隔700 mm加設(shè)一道定位板，見圖4，定位板尺寸為3×120×12 mm。定位板在剪力墻鋼板的正反兩面對(duì)稱布置，在鋼板剪力墻拼裝到位校正后點(diǎn)焊固定，保證上下兩塊剪力墻之間無相對(duì)位移，同時(shí)，在一定程度上也增加了鋼板連接的焊縫影響范圍內(nèi)的剛度。焊接過程中，專設(shè)一測(cè)量人員，實(shí)時(shí)觀察記錄焊接過程中鋼板剪力墻的變形情況，一旦有變形過大情況，即停止焊接，檢查原因并采取措施后再繼續(xù)施工。

圖4 上下段剪力墻定位板

(4)在鋼結(jié)構(gòu)組合構(gòu)件制作時(shí)，在安裝單元的鋼板上分段(即橫向焊縫)位置上下各200 mm位置對(duì)稱設(shè)置規(guī)格為L(zhǎng)75×5 mm加強(qiáng)角鋼，見圖5，以增加鋼板的側(cè)向慣性矩，提高鋼結(jié)構(gòu)上下單元在鋼板焊接和混凝土澆筑時(shí)的抗變形能力。

圖5 角鋼位置示意(單位：mm)

4.2 設(shè)置工藝梁

在鋼板剪力墻吊裝到位并校正完成后，在相鄰剪力墻之間設(shè)置水平焊接工藝梁，使之相互連接并相互支撐[10]，使平面單片獨(dú)立的鋼板成為一個(gè)穩(wěn)定的空間體系，以抵抗鋼板剪力墻在焊接過程中的自由變形，減少安裝誤差以及混凝土澆筑壓力。同時(shí)，工藝梁安裝過程中對(duì)鋼板的定位、垂直度可進(jìn)行第一次的校核矯正，有益于現(xiàn)場(chǎng)偏差控制。工藝梁根據(jù)剪力墻之間距離，分別采用100×100×8 mm規(guī)格方鋼和直徑273 mm、壁厚6 mm的鋼管，見圖6。工藝梁連接位置位于邊柱靠焊縫一側(cè)翼緣板的連接板上，兩端設(shè)置連接板通過螺栓與鋼柱連接板連接[11](見圖7)，使同一樓層結(jié)構(gòu)形成結(jié)構(gòu)整體，以抵抗鋼板剪力墻及鋼柱的變形。現(xiàn)場(chǎng)工藝梁布置情況見圖8。配置滿足兩層結(jié)構(gòu)同時(shí)使用所需的工藝梁，工藝梁在混凝土澆筑完成強(qiáng)度達(dá)到50%時(shí)，上一層鋼板剪力墻安裝并校正后方可拆除。

圖6 工藝梁設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)

圖7 工藝梁與鋼柱連接

圖8 工藝梁布置(單位：mm)

4.3 開設(shè)流漿孔

為減小混凝土澆筑過程中鋼板兩側(cè)壓力差對(duì)剪力墻造成的影響，采取在鋼板剪力墻上設(shè)置流漿孔的方法[12]，以利于鋼板兩側(cè)混凝土相互流通，可避免鋼板兩側(cè)混凝土高度相差過大引起的壓力差過大而導(dǎo)致的鋼板變形。具體做法為根據(jù)鋼板剪力墻橫向?qū)挾?，每片剪力墻上設(shè)置1～3列流漿孔。流漿孔直徑200 mm，孔邊緣與剪力墻兩端鋼柱不小于1 000 mm，孔邊緣與鋼梁及對(duì)接焊縫處距離不小于500 mm；孔在豎向分別布置在層高1/3及2/3處，孔橫向間距不小于1 000 mm；剪力墻鋼板開孔處兩側(cè)均設(shè)置400×400×20 mm與墻鋼板同種類型的補(bǔ)強(qiáng)鋼板，以彌補(bǔ)由于墻鋼板開孔所引起力學(xué)性能的降低，見圖9。

圖9 鋼板剪力墻流漿孔及補(bǔ)強(qiáng)鋼板布置(單位：mm)

4.4 混凝土振搗

在混凝土施工過程中，鋼板兩側(cè)分別設(shè)置振搗器，使混凝土振搗基本同步，使鋼板兩側(cè)的壓力基本平衡，極大地減小了鋼板和鋼柱變形的可能。

5 結(jié)論

由于在結(jié)構(gòu)安裝單元、結(jié)構(gòu)變形約束、混凝土澆筑等方面采取了切實(shí)可行的措施，本工程從地上二層開始，在鋼板自身變形方面，極大地減少了導(dǎo)致焊接變形的原因；在鋼板外約束方面，采取了提高結(jié)構(gòu)抗變形的能力，解決了導(dǎo)致剪力墻鋼結(jié)構(gòu)變形的關(guān)鍵問題，其變形控制效果非常明顯。以二層剪力墻鋼結(jié)構(gòu)施工完成檢查為例(見表2)，所有柱、板最大偏差均在規(guī)范《鋼板剪力墻技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 380-2015)允許范圍之內(nèi)。同時(shí)，本層工期比第一層施工時(shí)間(含矯正)縮短5 d，取得了較好的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)效益，整個(gè)建筑剪力墻鋼板的安裝合格率達(dá)到98%。

表2 地上二層剪力墻鋼結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)最大偏差mm