勁性混凝土柱、墻關(guān)鍵技術(shù)探討

駱少雄，顧建平

(南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 211816)

0 前 言

勁性混凝土是一種表面熔焊栓釘?shù)男弯摴羌芘c外包混凝土構(gòu)成的型鋼結(jié)構(gòu)。一般可以將勁性混凝土根據(jù)型鋼界面劃分為H型鋼勁性混凝土、圓鋼勁性混凝土、矩形鋼勁性混凝土等。勁性混凝土較鋼結(jié)構(gòu)而言成本低，鋼材用量少，同時(shí)比普通鋼結(jié)構(gòu)具有更好的防火防腐性能；相比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言，勁性混凝土的截面小、強(qiáng)度大，空間使用率高、剛度高、抗震性能好。因鋼骨架承載力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，可以通過減少一些支撐體系的辦法來縮短工期和節(jié)約成本。

1 工程及結(jié)構(gòu)概況

1.1 工程概況

南京江北新區(qū)某美術(shù)館項(xiàng)目，建筑總面積約9.73萬m2，平面呈不規(guī)則回字形，中央大廳在平面中心，主屋面和中央大廳屋面標(biāo)高分別為31.8 m和43.35 m。本工程分為地上、地下兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)，其中地下為框架，地上為鋼筋混凝土筒體-鋼桁架。美術(shù)館新館結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 美術(shù)館新館結(jié)構(gòu)示意圖

3層以上是以核心筒為基礎(chǔ)的鋼桁架結(jié)構(gòu)，縱橫向交叉構(gòu)成一圈雙層框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)寬分別為147.46 m和103.29 m，高度從31.76 m至39.3 m。由箱型柱、圓管柱、鋼板剪力墻等鋼構(gòu)件組成的核心筒結(jié)構(gòu)和勁性柱構(gòu)成了美術(shù)館的地下鋼結(jié)構(gòu)；由箱型柱、圓管柱、鋼板剪力墻、H型鋼梁、桁架等構(gòu)件組成的核心筒結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)以及中庭結(jié)構(gòu)構(gòu)成了美術(shù)館的地上鋼結(jié)構(gòu)。

地下鋼結(jié)構(gòu)由核心筒結(jié)構(gòu)和勁性柱組成，主要鋼構(gòu)件為箱型柱、圓管柱、鋼板剪力墻；地上鋼結(jié)構(gòu)由核心筒結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)及中庭結(jié)構(gòu)組成，主要鋼構(gòu)件為箱型柱、圓管柱、鋼板剪力墻、H型鋼梁、桁架。鋼材的主要材質(zhì)是Q345C、Q345GJC兩種，鋼結(jié)構(gòu)的總重量約為1.4萬t；鋼筋桁架樓承板約2.7萬m2。核心筒結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 核心筒結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 核心筒結(jié)構(gòu)概況

布置四個(gè)核心筒，核心筒采用箱型柱，柱間布置勁性鋼梁及勁性鋼板墻，核心筒地下2層，地上4層(含夾層)，核心筒鋼柱柱底標(biāo)高為-12.15 m，柱頂標(biāo)高為31.827 m，核心筒平面尺寸如下：1號(hào)核心筒平面尺寸為11.1 m×13.82 m;2號(hào)核心筒平面尺寸為11.1 m×10.24 m;3號(hào)核心筒，地下室平面尺寸為16.8 m×15.3 m，從正負(fù)零開始到三層桁架層平面尺寸漸變?yōu)?9.5 m×15.3 m(桁架層)；4號(hào)核心筒地下室平面尺寸為16.8 m×12.4 m，從正負(fù)零開始到3層桁架層平面尺寸漸變?yōu)?9.5 m×12.4 m(桁架層)。

核心筒鋼柱為焊接型箱柱，規(guī)格為BOX1000×1000×50×50，桁架層節(jié)點(diǎn)位置壁厚調(diào)整為60 mm，材質(zhì)為Q345GJC；鋼板剪力墻為單層勁性結(jié)構(gòu)，剪力墻板與核心筒箱型柱焊接連接，鋼板墻板厚為30 mm，材質(zhì)為Q345GJC;勁性梁為焊接H型鋼梁，主要規(guī)格為：BH1000×300×30×40、BH1200×300×30×40、BH700×300×30×40、BH1000×300×30×60，材質(zhì)為Q345GJC。

2 施工重難點(diǎn)

2.1 地腳螺栓埋設(shè)

結(jié)構(gòu)的底部施工時(shí)，通常會(huì)采用預(yù)埋地腳螺栓來連接基礎(chǔ)底板與預(yù)埋鋼板或者是垂直邊緣構(gòu)件。施工的難度則取決于地腳螺栓的直徑和數(shù)量。地腳螺栓施工的關(guān)鍵技術(shù)便在于如何保證地腳螺栓預(yù)埋的精度以及在基礎(chǔ)上進(jìn)行混凝土澆筑時(shí)如何保持地腳螺栓的穩(wěn)定性。

2.2 箱型柱吊裝

通過選擇良好的核心筒箱型柱的吊裝與安裝的方案，不僅可以提高鋼結(jié)構(gòu)工程施工的進(jìn)度、質(zhì)量和安全，還能對(duì)整個(gè)工程施工的進(jìn)度產(chǎn)生良好的影響。方案的關(guān)鍵點(diǎn)在于吊裝與安裝時(shí)箱型柱中心點(diǎn)以及垂直度的控制。

2.3 混凝土澆筑、振搗

在鋼骨外綁扎的鋼筋時(shí)常過于密集，鋼筋與鋼筋、鋼筋與型鋼間的間距便會(huì)比較緊湊，鋼筋跟型鋼間相互穿插時(shí)也會(huì)時(shí)而出現(xiàn)位置上的沖突，這也導(dǎo)致了混凝土進(jìn)行澆筑時(shí)會(huì)出現(xiàn)入料以及振搗不充分的情況。如何確保綁扎時(shí)鋼筋的合理布置以及澆筑時(shí)混凝土的密實(shí)度控制，也是本工程的重難點(diǎn)。

3 施工措施及效果

3.1 地腳螺栓埋設(shè)方法

地腳螺栓一般由螺桿、墊片、緊固螺母和止退螺母這四個(gè)部分組成，在構(gòu)件需要灌漿的條件下則還需要配備調(diào)整墊片和調(diào)節(jié)螺母。地腳螺栓的鋼材選擇有Q235和Q345兩種，Q345鋼材的強(qiáng)度大但制作較為困難。通過對(duì)螺栓所受剪力、拉力等受力因素來確定螺栓的直徑、構(gòu)造與埋入深度，通常情況下，埋深為直徑的25倍。

地腳螺栓的端部在設(shè)計(jì)時(shí)采用了鉤式、爪式和錨板式等端部構(gòu)造，其中鉤式可以分為彎鉤和直鉤，這些端部構(gòu)造加強(qiáng)了地腳螺栓的牢固性。在基礎(chǔ)里鋼筋錯(cuò)綜復(fù)雜的情況下，錨板式更為合適。

通常會(huì)采用預(yù)埋法進(jìn)行地腳螺栓的埋設(shè)，預(yù)留孔法則使用較少。預(yù)埋法的優(yōu)缺點(diǎn)也很明顯，它的優(yōu)勢(shì)在于一次成型的混凝土使得混凝土整體性能、強(qiáng)度各方面都很好，缺點(diǎn)在于一旦螺栓位置出現(xiàn)偏差，則需要整個(gè)開鑿重做。地腳螺栓的安裝精度問題是十分重要的，因?yàn)樗鼪Q定著上部結(jié)構(gòu)的安裝精度。采用預(yù)埋法安裝的地腳螺栓允許偏差值見表1。

表1 地腳螺栓(錨栓)位置、尺寸允許偏差 單位：mm

施工前在計(jì)算機(jī)模型中復(fù)查地腳螺栓和底板鋼筋的排列布局是十分有必要的，尤其值得關(guān)注的是錨板大小與鋼筋間距的關(guān)系。可以通過在基礎(chǔ)中安放由豎向支撐和螺栓定位兩部分框架組成的鋼支架來保證螺栓的穩(wěn)定性。在進(jìn)行大底板基礎(chǔ)地腳螺栓預(yù)埋施工時(shí)，可以在墊層上直接安放支撐框架，優(yōu)點(diǎn)在于穩(wěn)定，缺點(diǎn)在于用鋼量大。在進(jìn)行混凝土梁等結(jié)構(gòu)地腳螺栓預(yù)埋時(shí)，可以將梁內(nèi)主筋與螺栓定位框架連接固定。

待地腳螺栓與鋼板剪力墻安裝完成后，用C45混凝土二次澆筑100 mm厚無收縮細(xì)石混凝土層。剪力墻地腳螺栓節(jié)點(diǎn)見圖3。

圖3 剪力墻鋼板地腳螺栓節(jié)點(diǎn)

3.2 箱型柱吊裝工藝

箱型柱的生產(chǎn)及現(xiàn)場(chǎng)施工必須充分考慮現(xiàn)場(chǎng)吊裝環(huán)境，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)吊機(jī)的位置制定合理的吊裝路線，同時(shí)需要掌握各起吊點(diǎn)的吊重，嚴(yán)格安全施工生產(chǎn)。

分析各吊裝點(diǎn)起重量，嚴(yán)格控制大型機(jī)械的安全使用，嚴(yán)禁超重作業(yè)。本工程核心筒鋼柱-2層至地上2層，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)塔吊進(jìn)行分段，分段的原則以設(shè)計(jì)連接節(jié)點(diǎn)為主，輔以塔吊的吊裝性能來考慮箱型柱吊裝長(zhǎng)度和重量；地上3層及以上采用一層一段，盡量減少箱型柱分段。

首先是柱腳的施工，箱型柱柱腳采用埋入式施工方法，如圖4所示。埋入式施工中，鋼柱施加給混凝土的壓力先傳遞給柱腳再傳遞給基礎(chǔ)。所埋入的柱腳的4個(gè)側(cè)面都會(huì)熔焊Φ22 mm@200 mm的栓釘用來加強(qiáng)鋼構(gòu)件與混凝土間的粘結(jié)力。

圖4 埋入式柱腳圖

整個(gè)結(jié)構(gòu)的安裝質(zhì)量都會(huì)被埋入式柱腳施工質(zhì)量所影響，所以埋入式施工是尤為關(guān)鍵的。埋入式施工第一步是底平面標(biāo)高和鋼柱支架位置線的測(cè)量。在墊層澆筑后便需要將支架與基礎(chǔ)鋼筋綁扎就位，并調(diào)整好支架的標(biāo)高并進(jìn)行固定。支架安裝完畢后便可以吊裝首節(jié)鋼柱，將鋼柱吊至支架上方200 mm時(shí)，需要緩緩下落，保證其穩(wěn)定性，下落完畢后，利用在四角設(shè)置的楔鐵調(diào)節(jié)標(biāo)高并跟蹤測(cè)量，使首節(jié)鋼柱精準(zhǔn)安裝到位。

首節(jié)鋼柱吊裝完成后便需要吊裝上節(jié)鋼柱。每節(jié)鋼柱相對(duì)應(yīng)的位置均焊有厚度16 mm的連接耳板，待鋼柱吊裝到位，用撬棍和纜風(fēng)繩調(diào)整好位置后用大六角螺栓并配合兩塊10 mm厚的連接板將上下柱的耳板臨時(shí)固定連接起來，焊接完成后方可進(jìn)行耳板的切割。箱型柱現(xiàn)場(chǎng)拼接節(jié)點(diǎn)如圖5所示。鋼柱外側(cè)所熔焊的栓釘是嚴(yán)禁攀爬的，必須通過搭建的云梯上下。初步吊裝到位后需對(duì)鋼柱用經(jīng)緯儀進(jìn)行校正，嚴(yán)格控制誤差，并估算可能出現(xiàn)的誤差方向和數(shù)值，通過預(yù)留焊接預(yù)傾量的方法來減小誤差。當(dāng)天所吊裝的所有鋼構(gòu)件需要和整體形成一個(gè)穩(wěn)定的鋼結(jié)構(gòu)空間體系。

圖5 箱型柱拼接節(jié)點(diǎn)圖

3.3 混凝土澆筑、振搗技術(shù)

混凝土澆筑振搗工藝也是工程的重難點(diǎn)之一。圓鋼管混凝土柱以及核心筒剪力墻筒體角部矩形鋼管混凝土柱均采用C45無收縮自密實(shí)混凝土，這是因?yàn)檎駬v棒不好伸入鋼柱內(nèi)。

免振自密實(shí)混凝土最大的優(yōu)點(diǎn)就是無需振搗便能澆筑均勻并且質(zhì)量也很高。自密實(shí)混凝土的澆筑應(yīng)按箱型柱分層分節(jié)高度一段一段澆筑，每層需待箱型柱焊接完焊縫等檢測(cè)合格后方可實(shí)行澆筑。

核心筒墻板區(qū)域因?yàn)榧袅︿摪宓拇嬖诓粌H使得鋼筋排列十分密集，加大混凝土下料、振搗難度，也將鋼筋阻隔，使之無法滿足錨固長(zhǎng)度要求。所以決定采用以下三種連接技術(shù)優(yōu)化鋼板墻與鋼筋的連接方式。

1)首要之選是利用開孔技術(shù)對(duì)鋼板墻進(jìn)行開孔處理，在鋼筋直徑都不大的情況下，盡可能的統(tǒng)以孔洞的孔徑，減小現(xiàn)場(chǎng)施工的難度。

2)對(duì)于節(jié)點(diǎn)上不可以開孔的板面或其他構(gòu)件，采用焊接機(jī)械連接套筒的方式。鋼筋機(jī)械連接套筒要求在工廠加工好，直接焊接在構(gòu)件的相應(yīng)位置上，對(duì)工廠焊接質(zhì)量有較高的要求，同時(shí)需要注意的是節(jié)點(diǎn)區(qū)域布置的連接套筒需要考慮縱橫向的空間位置關(guān)系，以防連接鋼筋時(shí)鋼筋位置發(fā)生沖突。這種連接方式的優(yōu)勢(shì)在于現(xiàn)場(chǎng)施工操作方便，同時(shí)連接速度快，對(duì)構(gòu)件自身的破壞較小。

3)若以上兩種方法都不適用時(shí)，可以采取焊接連接板的方式。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于鋼筋可以直接焊接在連接板上，施工難度小，焊接對(duì)截面的削弱小，但焊接工作量較大，所需費(fèi)用也相對(duì)較高。

對(duì)于核心筒墻板區(qū)域混凝土的澆筑，用C45高強(qiáng)混凝土根據(jù)層高分層澆筑。下料時(shí)，先采用直徑為50 mm的振搗棒在下料點(diǎn)振搗下料進(jìn)行初振，而后用直徑30 mm的振搗棒進(jìn)行插入式振搗。模板外側(cè)同時(shí)派專人用鐵錘敲擊，提高混凝土密實(shí)度和外觀成型質(zhì)量。模板上每隔1m通過用手鉆鉆孔的方式來觀察內(nèi)部翻漿情況。最后做好對(duì)混凝土澆筑時(shí)的實(shí)時(shí)監(jiān)控并做好相應(yīng)記錄。

4 結(jié) 語

盡管勁性混凝土具有節(jié)約鋼材、減少成本、強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì)，但勁性混凝土的施工十分復(fù)雜。該美術(shù)館工程在勁性混凝土柱、墻施工中，對(duì)地腳螺栓埋設(shè)精度和箱型柱吊裝垂直度進(jìn)行了良好的控制，優(yōu)化了鋼筋與鋼板墻的連接方式，并且通過制定合理的振搗方法等一系列有效方法，保證了勁性結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量，對(duì)以后類似的勁性柱、墻的施工提供了有益的參考。

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