勁性混凝土節(jié)點優(yōu)化施工技術研究

寇 宇

（中鐵十六局集團城市建設發(fā)展有限公司，北京 100018）

0 引言

勁性混凝土結構在我國發(fā)展的初級階段主要運用于工業(yè)建筑之中，勁性混凝土結構在我國快速發(fā)展階段主要集中在 20 世紀 90 年代之后的各大中型城市超高層建筑中。鋼結構這種材料具有可塑性好、強度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，勁性混凝土結構集傳統(tǒng)混凝土結構與鋼筋混凝土結構優(yōu)勢于一體，即成本低、工期短［1］。

1 工程概況

北京曹妃甸教職城一期項目位于曹妃甸生態(tài)城，總建筑面積 28.2 萬 m2，由 50 棟單體建筑組成，校級辦公樓高度為 80 m、地下 3 層、地上 20 層；結構形式同為核心筒結構。含有型鋼柱（見圖 1）和型鋼梁，型鋼柱的尺寸都在 1 m 以上，柱子的混凝土標號為 C 60，同時核心筒內的約束邊緣柱也為型鋼柱，核心筒混凝土標號為C 60 自密實混凝土。

圖1 十字型鋼柱大樣圖（單位：mm）

2 勁性混凝土結構施工改進措施及優(yōu)化

2.1 焊接變形的調整

鋼柱變形協(xié)調措施是依據(jù)數(shù)值計算的結果所確定的，在施工前采用計算機數(shù)字仿真技術進行模擬來計算焊接時收縮變形值和需要協(xié)調的壓縮量，并考慮深化設計中的變形值［2］。

鋼柱在深化設計階段是利用 ANSYS 軟件進行預調整，引起結構剛度改變屬于幾何改變。幾何改變分為大位移、應力剛化、大應變 3 類。

在分析時，應該注意單元選擇、單元形狀、網(wǎng)格密度、荷載和邊界條件等問題，并根據(jù)歐拉臨界公式進行計算。采用 BEAM 單元時，繞單元軸轉動的自由度是需要約束的，靜力分析進行時會伴有異常屈曲模態(tài)（模態(tài)分析時會出現(xiàn)零值）。

BEAM 189 是 3 D 二次有限應變梁，是存在均布荷載作用的梁，跨間的集中荷載和部分分布荷載在整個單元長度上是不支持的［3］（見圖 2～3）。

圖2 構件中點屈曲前后的荷載-撓度曲線

分析結果的判斷是建立在對復雜節(jié)點制作的經(jīng)驗上，并參照 JGJ 99－2015《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》的規(guī)定對焊接引起的收縮進行預調整［4］。

2.2 鋼筋與型鋼柱之間的處理

通過建立實體模型進行鋼結構深化設計時，鋼結構穿筋需要提前根據(jù)設計院的圖紙進行放樣以滿足現(xiàn)場的實際需要［5］。對于復雜位置如梁柱的節(jié)點，應進行逐一的檢查、放樣，并針對不同的問題提出解決措施。

圖3 構件頂點屈曲前后的位移-荷載曲線

2.2.1 改變箍筋形式

一般情形下箍筋穿腹板需要斷開。斷開的箍筋一分為二。當每根柱子的箍筋都需要穿腹板時，這樣累積起來焊接的箍筋數(shù)量將十分巨大。所以鋼結構生產(chǎn)廠家在深化過程中發(fā)現(xiàn)該問題后，改變非節(jié)點區(qū)域的箍筋穿越腹板，通過調整為 2 根單肢箍筋穿過腹板后進行焊接，優(yōu)化之后減少了大量的焊接工程量［6］（見圖 4～5）。

圖4 型鋼柱配筋圖

圖5 箍筋形式示意圖

2.2.2 鋼筋接駁器搭接牛腿的使用

眾所周知，一般結構的柱底剪力非常大，梁柱節(jié)點處鋼筋密集且不能在鋼柱底部開大量穿筋洞讓梁鋼筋通過。而接駁器的使用將很好地解決這個問題。接駁器是通過使用直螺紋套筒焊接在鋼柱的翼緣板上，而直螺紋套筒焊接前必須進行拉拔試驗。一般情況下勁性混凝土梁鋼筋一端連接接駁器，另一端的梁鋼筋與搭接板焊接，其少數(shù)情況下梁兩端鋼筋都與接駁器連接［7］。

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2.2.3 型鋼梁與型鋼柱主筋位置的處理

當柱子豎向受力鋼筋無法穿過型鋼梁，并與型鋼梁的鋼骨相撞時，可以調整柱子受力鋼筋的位置，使從型鋼梁兩側通過。豎向鋼筋按照 1∶6 彎折，是因在鋼筋無法調整時，為了避開型鋼梁改變主筋位置。

2.2.4 腹板開孔直徑

常規(guī)條件下十字型鋼腹板上框架梁主筋穿過時，按照設計要求必須開孔通過。開孔分為兩種規(guī)格。當腹板開孔直徑為 45 mm 時，框架梁鋼筋直徑＞32 mm；當腹板開孔直徑為 35 mm 時，框架梁鋼筋直徑為≤32 mm。

2.2.5 優(yōu)化后的梁主筋連接

按照現(xiàn)有規(guī)范，在框架梁中部采用機械連接時，梁主筋在 2 根鋼柱之間將無法按照常規(guī)方法施工。可采用一個完整套筒長度的絲扣加工長度在梁筋中部連接，通過將套筒完全擰入一端，待與另一端主筋連接后再退擰，此方式連接也符合現(xiàn)有規(guī)范要求［8］。

2.3 型鋼柱焊縫優(yōu)化

按照現(xiàn)有設計要求，當焊縫要求為 I 級時，鋼構件必須進行 100 % 檢測，鋼構件的檢測應采用超聲波探傷。焊接質量不合格的主要原因是由于坡口焊縫清理不干凈造成的，同時焊縫形式的改變也能很好地滿足質量要求，由原來的焊縫 45°K 型改為 35°V 型，很好地解決了這個問題［9］（見圖6～7）。

圖6 原設計 K 形坡口焊縫（單位：mm）

圖7 優(yōu)化后 V 形坡口焊縫（單位：mm）

2.4 型鋼柱混凝土澆筑

1）鋼柱澆筑時在第一節(jié)與支座平面臨接觸處有間隙，間隙的寬度為 50 mm 左右。采用無收縮且流動性能好的灌漿料進行間隙填充。在柱腳底處鋼板開 4 個小洞，無收縮灌漿料從間隙的一層灌入，間隙的其余側面使用模板擋住，灌漿過程不能間斷，灌漿完成之后覆蓋塑料薄膜并對灌漿料進行養(yǎng)護［10］。

2）外框柱及核心筒中都含有鋼結構，使用普通混凝土澆筑將帶來諸多不便，只有使用自密實混凝土澆筑才能夠保證混凝土的質量。

3）剪力墻中的連梁與暗柱都為鋼結構，兩者的交界處空間狹小，混凝土振搗棒無法正常振搗，通過連梁鋼筋從直錨入墻體改為彎錨措施后，振搗棒方可正常振搗。

4）通過增大加勁板上開孔的直徑，振搗棒可以順利地在箱型柱內振搗，提高了混凝土的密實度。

3 質量控制

3.1 原材料的質量控制

按照工程質量控制要求，不合格的材料不能在本工程中使用，只有具備復試檢測報告和合格證的材料才能在本工程上使用，這是鋼構件進廠和出廠時質量控制的兩個關鍵環(huán)節(jié)。鋼構件在加工完成之后必須按照規(guī)范要求進行驗收，驗收完成之后方可出廠。

3.2 型鋼柱的吊裝與焊接

鋼骨柱施工質量控制難點是安裝精度控制，通過控制位移和垂直度偏差來滿足規(guī)范要求，同時鋼骨柱的施工效率也間接得到了提高。施工中垂直度控制依靠使用激光經(jīng)緯儀實現(xiàn)，這樣既提高了精度，也提高了施工人員的工效［11］。

坡口焊透對接焊縫在翼緣和腹板接頭部分的焊接中使用，焊縫要求為一級焊縫，為了確保焊縫質量采用 CO2氣體保護焊。由于上下柱拼接產(chǎn)生的間隙在焊縫根部，故焊接前應清除焊縫坡口附近水份、鐵銹，防止引弧傷害母材。鋼柱焊接時采取對稱焊接，現(xiàn)場鋼柱的截面積較大，需要 2 個焊工面對面沿著同一個時針進行焊接。焊接過程中使用全站儀對鋼柱的焊接進行全過程監(jiān)測，監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)鋼柱產(chǎn)生偏位時應通過調整焊流大小以及焊接速度這兩方面及時校正偏差。焊縫表面打磨應在鋼柱焊接完成且自然冷卻并通過超聲波探傷檢測之后進行。超聲波檢測發(fā)現(xiàn)焊接出現(xiàn)問題后，應及時查清焊接不合格原因，返修后再探傷檢測直至焊縫合格。

3.3 鋼筋的翻樣和加工

核心筒模板需采用對拉螺栓對木膠板進行加固，當核心筒剪力墻的鋼筋直徑＞28 mm 時會與對拉螺栓產(chǎn)生沖突，因此首層模板加工時應確定對拉螺栓開孔的位置，以避開剪力墻內鋼筋，并克服調整鋼筋位置難度大的困難。當剪力墻鋼筋安裝產(chǎn)生偏位時，已開孔的模板需重新開孔，開孔過多會造成模板的周轉次數(shù)降低和混凝土的外觀質量降低，可通過設置定位卡來解決主筋和墻筋的偏位問題［12］。

4 結語

在北京曹妃甸保稅區(qū)教職城一期項目施工中，結合項目本身的特點通過對勁性混凝土施工技術的優(yōu)化提高鋼構件在車間的加工精度、鋼結構之間對接焊縫的質量、鋼結構吊裝過程中精度的控制、鋼結構鋼筋綁扎的質量，為項目按期實現(xiàn)結構封頂、降低工程施工成本、提高可靠性等方面帶來了良好的經(jīng)濟和社會效益。