大型鋼混凝土組合柱結(jié)構(gòu)施工技術(shù)探討

孟 華

(中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津市 300350)

大跨度、大空間建筑工程是目前建筑業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)，雖然建筑工程的功能愈發(fā)完善，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，傳統(tǒng)施工技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足施工要求，大型鋼混凝土組合柱結(jié)構(gòu)施工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其在型鋼結(jié)構(gòu)的外部，包裹一層混凝土形成外殼和大型鋼混凝土組合柱結(jié)構(gòu)，可有效解決大跨度、大空間結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力不足問題。而且此種組合結(jié)構(gòu)還有良好的延展性，可在承載力允許的前提下，提升建筑工程的使用面積和層高，增加空間利用率。此外，該技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)多種構(gòu)件的有效組合，可取代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用在建筑工程、橋梁工程等領(lǐng)域?；诖?，開展大型鋼混凝土組合柱結(jié)構(gòu)施工技術(shù)研究就顯得尤為必要。

1 工程概述

本工程坐落于成都市龍泉驛區(qū)金茶路，東臨世貿(mào)城四期，西臨公園大道，南臨金茶路，北臨規(guī)劃道路。底部二層商業(yè)，建筑物內(nèi)設(shè)有九部電梯，兩個(gè)普通樓梯；基頂?shù)?9層外側(cè)框架柱內(nèi)為全型鋼，19—27層為部分型鋼柱，27層以上為鋼筋混凝土柱，核心筒為鋼筋混凝土剪力墻，室內(nèi)隔墻采用頁(yè)巖多孔磚及加氣混凝土砌塊隔斷墻，建筑物總高度為177.15 m。

2 本工程施工的重難點(diǎn)分析

2.1 對(duì)文明施工要求較高

百悅142項(xiàng)目二期10號(hào)樓地處成都市龍泉驛區(qū)金茶璐與公園大道交匯處,位于百悅城四期西側(cè)，西臨公園大道，南面為金茶路，對(duì)文明施工、環(huán)境保護(hù)、安全防護(hù)要求較高。

2.2 工期緊

本工程預(yù)定的工期目標(biāo)為720 d，跨越了2個(gè)雨季和2個(gè)冬季，因此施工工期緊，如何提升現(xiàn)有資源利用率是重中之重。

2.3 技術(shù)含量高

本工程為典型的大型項(xiàng)目，采用了先進(jìn)的大型鋼混凝土組合柱結(jié)構(gòu)施工技術(shù)，技術(shù)含量較高，鋼結(jié)構(gòu)焊接、鋼筋連接、型鋼梁的吊裝等都是施工的重難點(diǎn)。

3 大型鋼混凝土組合柱結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)

本工程為框筒結(jié)構(gòu)工程，其中建筑物19層以下四邊均為型鋼柱，19—27層大部分為型鋼柱。

3.1 鋼結(jié)構(gòu)制作

本工程施工中，型鋼選擇了Q345B低合金高輕度結(jié)構(gòu)鋼，材質(zhì)符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)屈比不小于1.5，伸長(zhǎng)率不超過20%，并要擁有明顯的屈服臺(tái)階，屈服點(diǎn)不應(yīng)超過強(qiáng)度的10%[1]。在鋼結(jié)構(gòu)焊接中，Q235鋼采用焊條型號(hào)E4300—E4313，Q345鋼采用焊條型號(hào)E5001—E5014。鋼結(jié)構(gòu)制作加工切割中應(yīng)用設(shè)備包括：伊薩—漢考克等離子、火焰多頭數(shù)控切割機(jī)等，為保證鋼結(jié)構(gòu)制作精度，在下料切割之前，需要采用矯正機(jī)對(duì)鋼板、型鋼等進(jìn)行集中矯正，保證鋼結(jié)構(gòu)制作精度符合表1要求。

表1 鋼結(jié)構(gòu)制作加工精度表

3.2 預(yù)埋地腳螺栓

預(yù)埋地腳螺栓是大型鋼混凝土組合柱結(jié)構(gòu)施工的主要工序，預(yù)埋精度和牢固性對(duì)第一節(jié)型鋼柱的安裝精度乃至整個(gè)工程的施工質(zhì)量都有較大影響。本工程型鋼柱長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，需要從承臺(tái)頂面內(nèi)部生根，為提升第一節(jié)型鋼柱的安裝精度，便于預(yù)埋地腳螺栓，在預(yù)埋操作時(shí)，可增加一塊輔助鋼墊板，由于鋼墊板的截面尺寸、螺栓孔位置和第一節(jié)型鋼柱的柱腳完全一致，因此，通過調(diào)節(jié)鋼墊板的位置，就可以保證第一節(jié)型鋼安裝的精度[2]。在具體預(yù)埋工作中，需要在縱向和橫向都布置經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀，以控制預(yù)埋件的軸線和標(biāo)高，并從四個(gè)方面牢牢加固，通過調(diào)節(jié)螺母調(diào)整螺桿的高度，保證預(yù)埋件安裝的標(biāo)高合理。本工程梁柱節(jié)點(diǎn)預(yù)埋示意圖(見圖1)。

圖1 梁柱節(jié)點(diǎn)預(yù)埋示意圖

3.3 型鋼柱焊接

本工程型鋼梁連接示意圖(見圖2)。在第一節(jié)型鋼柱安裝前，需要去除輔助用的鋼墊板并將地腳螺栓的螺紋清理干凈，若發(fā)現(xiàn)螺牙損壞要及時(shí)修復(fù)更換。如果型鋼柱節(jié)點(diǎn)焊接部位上下接觸面的間隙小于1.5 mm，可直接焊接。如果間隙在1.6～6.0 mm之間，需要先用低碳鋼的墊板充填間隙，再進(jìn)行焊接。破口焊接前要做好預(yù)熱工作，由于本工程工期比較緊，為縮短施工工期，在型鋼柱之間對(duì)焊時(shí)，可采用多人對(duì)稱焊接，在減低焊接變形和殘余應(yīng)力的基礎(chǔ)上，提升施工速度。如果型鋼柱的構(gòu)件的厚度較大，可采用φ5 mm焊條進(jìn)行焊接，打底層用φ4 mm焊條焊接，中間層可用φ5 mm焊條或者φ6 mm焊條進(jìn)行焊接，但蓋面層必須采用φ5 mm焊條進(jìn)行焊接。為保證施工質(zhì)量，要連續(xù)施工，且每層焊接完成后要及時(shí)進(jìn)行清理，蓋面層焊縫搭坡口兩側(cè)各2 mm，如果在冬季焊接，外界氣溫低于0℃，焊接完成之后，立即用石棉布保溫，促使焊縫緩慢冷卻，焊接完成之后，需要對(duì)焊縫質(zhì)量進(jìn)行檢查，符合二級(jí)檢查標(biāo)準(zhǔn)后才能進(jìn)行下一道工序[3]。

圖2 型鋼梁連接示意圖

3.4 型鋼梁吊裝

在型鋼梁吊裝時(shí)，通過在型鋼梁翼緣位置焊接耳板作為吊點(diǎn)，起吊之前，對(duì)型鋼梁的型號(hào)、長(zhǎng)度、截面尺寸等進(jìn)行校驗(yàn)，達(dá)到要求后才能起吊。第一節(jié)型鋼梁吊裝完成之后，需要對(duì)吊裝的柱、梁進(jìn)行校正，包括標(biāo)高、垂直度、軸線、凈跨等，達(dá)到要求后用高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行連接。螺栓初擰和終擰需要詳細(xì)標(biāo)記，以便于后期識(shí)別，避免發(fā)生重?cái)Q和漏擰問題，螺栓連接完成后48 h內(nèi)進(jìn)行扭矩檢測(cè)。

3.5 柱鋼筋安裝

型鋼混凝土組合柱結(jié)構(gòu)的主筋采用了φ25的鋼筋，通過直螺紋連接，并在水平方向上設(shè)置多肢箍筋，形成高強(qiáng)度箍筋組和拉鉤。箍筋的主要作用是約束大型鋼混凝土組合柱結(jié)構(gòu)，因此，箍筋必須完全閉合，并和主筋牢固連接[4]。本工程選擇了U型開口箍筋，再通過焊接的方法形成封閉箍筋。柱鋼筋定位截面示意圖(見圖3)。

圖3 柱鋼筋定位截面示意圖

3.6 梁鋼筋安裝

在梁主筋安裝中需要提前深化設(shè)計(jì)，如果主筋穿過型鋼柱腹板，可以在腹板上主筋標(biāo)高位置打眼。如果主筋沒有穿過腹板，則需要核實(shí)腹板的錨固長(zhǎng)度，如果錨固長(zhǎng)度足夠，則可以按照普通鋼筋混凝土標(biāo)準(zhǔn)圖進(jìn)行施工。如果錨固長(zhǎng)度不滿足要求，需要進(jìn)行單面搭焊接，且保證梁主筋焊接在型鋼牛腿上，保證焊縫長(zhǎng)度滿足設(shè)計(jì)要求。為防止跑位，在彎鉤下方綁扎φ6鋼筋一根(見圖4)。

圖4 梁鋼筋附加筋綁扎示意圖

在梁箍筋安裝中需要先把梁筋連接好，再進(jìn)行箍筋施工，必須選擇開口箍筋。當(dāng)梁主筋套設(shè)完成之后，將箍筋焊接封閉，并綁扎牢固[5]。

3.7 大型鋼混凝土組合柱結(jié)構(gòu)模板施工

本工程為商業(yè)樓設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)線條較少，標(biāo)準(zhǔn)層層數(shù)為40層，相同標(biāo)準(zhǔn)的層數(shù)為38層，且為了保證成型的外觀質(zhì)量，本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)層以上采用鋁模板。在具體施工中，模板配置高度以滿足層高要求及避免和柱頂部的型鋼梁發(fā)生沖突為準(zhǔn)。梁模采用14mm清水覆模板，梁底模下部用40 mm×70 mm木方釘做縱楞，其下用φ48×2.8 mm鋼管做橫楞，間距不超過400 mm,并在橫楞下部加設(shè)頂撐,間距不超過1 000 mm?，F(xiàn)場(chǎng)模板垃圾隨時(shí)清理，夜間禁止模板施工。模板堆放要做到整齊有序、清潔無(wú)污染、低揚(yáng)塵、低噪聲及低能耗[6]。

3.8 混凝土澆筑和振搗

為檢驗(yàn)配制的混凝土是否達(dá)到工程設(shè)計(jì)的要求，當(dāng)混凝土被運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢弥螅F(xiàn)場(chǎng)管理人員和技術(shù)人員需要對(duì)混凝土的強(qiáng)度、坍落度等指標(biāo)進(jìn)行全面檢測(cè)，確認(rèn)達(dá)到工程要求之后，再繼續(xù)施工。在混凝土澆筑時(shí)，要保證混凝土從管口下落的高度小于2.0 m，嚴(yán)禁直接傾倒?jié)仓?，需要采取一定的方法限制混凝土沖擊力，本工程采用了串筒澆筑法，滿足了工程要求[7]。

為保證混凝土具有足夠密實(shí)度，在振搗時(shí)采用了插入式振蕩法，具體振搗方法為：保證振搗插入點(diǎn)均勻布置，按照順序嚴(yán)格振搗，每次振動(dòng)完成之后，移動(dòng)距離控制在30～40 cm之間。如果混凝土采用了分層澆筑法，則振搗器需要插入下層混凝土5～10 cm之間，進(jìn)行嚴(yán)格控制，保證上下兩層混凝土能夠形成一個(gè)整體[8]。

3.9 型剛柱荷載驗(yàn)算

本工程型鋼柱的底部為鋼筋骨架，為滿足施工需求，采用結(jié)構(gòu)支撐施工方式以保證面筋能夠處于半空滯留狀態(tài)。底板鋼筋選擇了雙層雙向C12@180 mm塔樓部分底板面層鋼筋配筋為C22@100 mm 雙向正交布置，底層鋼筋為C28@100 mm雙向布置。受到底板厚度較大的的影響，在頂板鋼筋施工中，采用了強(qiáng)度比較大的[8型鋼作為支撐底板的鋼筋，詳見型鋼支撐平面布置圖(見圖5)。

圖5 鋼支撐平面圖

為驗(yàn)證本工程型剛柱荷載是否滿足要求，對(duì)型剛柱的荷載，抗彎，結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算。以2 m為型剛柱荷載計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，則本工程每段由40根長(zhǎng)度為2 m的鋼筋，其中頂板鋼筋的重量為1 192 N(56×2×3.31 kg/m)，通過頂板鋼筋的重量可計(jì)算出承受的荷載為0.596 N/mm(1 192/2 000)。型鋼的總重量則為0.08 N/mm，此時(shí)型剛柱施工荷載就是5.0 N/mm(1.1×4.5×2/2)，則總施工荷載就是5.675 N/mm(0.596+0.08+5.0)。

結(jié)構(gòu)驗(yàn)算：鋼筋總長(zhǎng)度l為2 000 mm，I為1 740 mm，E則為2.6×105N/mm2，W為22 400 mm3，則A為988 mm2。

抗剪驗(yàn)算如下：

剪應(yīng)力為:

滿足工程施工要求。

抗彎驗(yàn)算：

荷載、抗彎、結(jié)構(gòu)驗(yàn)算均滿足要求。

4 施工效果

按照施工單位和工期的要求，施工任務(wù)完成僅用了704 d，主要原因在于，和傳統(tǒng)施工技術(shù)相比，大型鋼混凝土組合柱結(jié)構(gòu)施工技術(shù)具有很高的機(jī)械化程度，施工速度比較快，且主體結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量更加可靠，保證了本工程提前完成封頂操作，為盡早投入使用提供了有利條件，得到了建設(shè)單位的充分肯定。本工程焊接作業(yè)量比較大，為降低對(duì)環(huán)境和居民造成的影響[9]，現(xiàn)場(chǎng)焊接過程中采取遮擋措施，避免光污染，綠色施工效果也比較顯著。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，本文結(jié)合工程實(shí)例介紹了大型鋼混凝土組合柱結(jié)構(gòu)施工技術(shù)，其可大幅度提升工程結(jié)構(gòu)的承載力，而且可利用的空間比較多，通過外部包裹的混凝土，可防止型鋼構(gòu)件局部屈曲，提升整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和剛度，改善鋼結(jié)構(gòu)平面扭轉(zhuǎn)屈曲性能，充分發(fā)揮鋼材質(zhì)量輕的優(yōu)勢(shì)，值得大范圍推廣應(yīng)用。