鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)施工技術(shù)研究

王 維（上海建工集團(tuán)股份有限公司，上海 200080）

1 工程概況

某公司上海濱江項目位于上海市徐匯區(qū)市濱江區(qū)域，本工程地塊東西總長約 131 m，南北約 102 m，總用地面積約13 094.00 m2，總建筑面積約 77 163.23 m2，地上計入容積率的總建筑面積約 68 885.20 m2。該項目由 1 棟 29 F 辦公樓、1 棟 4 F 商業(yè)用房組成，地下 3 F。塔樓上部主要為甲級辦公以及辦公輔助用房。其中，塔樓 10 F、21 F 為設(shè)備層、避難層。裙樓 1、2 F 為商業(yè)餐飲，3、4 F 為辦公區(qū)域。塔樓地下 2、3 F 為設(shè)備用房，地下 1 F 為設(shè)備用房及后勤。

塔樓為混凝土核心筒-裝配整體式鋼筋桁架樓層板，裙樓為鋼結(jié)構(gòu)框架。結(jié)構(gòu)層為標(biāo)準(zhǔn)層高 4.5 m，1 F 7.5 m，2 F 5.5 m，3 F 4.5 m?；炷翉?qiáng)度等級為樓板、梁 C 40；柱C 60；核心筒剪力墻 C 40、C 50、C 60?；炷梁穸绕胀ɑ炷涟搴?150 mm，外圈鋼筋桁架板部位厚度為 110 ～ 150 mm；剪力墻厚度為 400 ～ 800 mm。

上部結(jié)構(gòu)塔樓鋼結(jié)構(gòu)主要由核心筒內(nèi)勁性鋼柱、樓層勁性梁、鋼筋桁架樓承板及塔冠框架結(jié)構(gòu)組成。為確保順利完成以上結(jié)構(gòu)的安裝，根據(jù)現(xiàn)場工況，需配備 2 臺 ZSL 230 塔吊滿足吊裝條件。核心筒鋼構(gòu)分布于 L 1 ～ L 16，共 16 層，截面尺寸為 700 mm ～ 900 mm（高）× 300 mm（寬） ×30 mm（腹板厚） × 40 mm（翼板厚）。塔樓鋼結(jié)構(gòu)主要為樓層鋼次梁。核心筒內(nèi)樓面采用現(xiàn)澆混凝土樓面，核心筒外圍結(jié)構(gòu)樓面采用鋼筋桁架模板混凝土樓板。桁架的次梁均采用鋼梁，次梁適當(dāng)起拱，結(jié)構(gòu)出屋面層有一塔冠框架結(jié)構(gòu)。鋼框架為 Q 345 B；鋼次梁為 Q 345 B、Q 235 B；鋼板剪力墻為 Q 345 B；型鋼柱為 Q 345 B。鋼框架梁一般采用焊接 H 形截面，其余樓面次梁桁架梁采用軋制 H 型鋼。建筑物耐火等級為一級。

2 組合結(jié)構(gòu)優(yōu)勢

2.1 優(yōu)化梁柱節(jié)點

本項目在考慮項目的質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)等各方面因素后，在塔樓主體結(jié)構(gòu)施工中采取了將混凝土主梁與鋼結(jié)構(gòu)次梁結(jié)合進(jìn)行的施工方式。最終，項目的質(zhì)量及安全性方面得到較大的提升。

傳統(tǒng)混凝土澆搗施工中，在梁柱交接位置，由于澆搗時間及混凝土級配不同等差異，較易產(chǎn)生冷縫等問題。既不美觀又影響結(jié)構(gòu)的安全性和承載力。項目在施工中次梁用鋼梁代替混凝土梁，不僅在源頭上杜絕了冷縫的出現(xiàn)，同時鋼次梁與混凝土樓板形成組合梁，組合成整體使鋼筋混凝土板成為組合梁的翼緣，強(qiáng)度、剛度較之非組合梁均明顯提高。從而達(dá)到了有效降低結(jié)構(gòu)高度、增加凈空、降低工程造價、提高工程經(jīng)濟(jì)效益的效果。

以本項目為例，采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，塔樓主梁（混凝土梁）尺寸為 1 200 mm（高） × 700 mm（寬），次梁（鋼結(jié)構(gòu)）尺寸為 490 mm（高） × 250 mm（寬）× 8 mm（腹板厚） × 14（翼板厚）/490 mm（高） ×250 mm（寬） × 16 mm（腹板厚） × 20 mm（翼板厚）。根據(jù)原設(shè)計計算，相同荷載下，若采用全鋼筋混凝土主次梁，主梁尺寸需達(dá)到 1 440 mm × 840 mm，次梁尺寸需達(dá)到 800 mm × 600 mm 以上，因此每層凈高較傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)形式整體提高 140 mm，局部次梁區(qū)域提高 210 mm。且鋼梁與混凝土梁相比，在設(shè)計允許的情況下，穿梁套管位置可在后階段進(jìn)行調(diào)整。以上優(yōu)勢使得鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)不僅可以提升樓層凈空，還為后階段機(jī)電綜合管線排布留下了更多的調(diào)整空間。

2.2 應(yīng)用預(yù)制構(gòu)件提高裝配式比例

本工程中，預(yù)制柱/鋼柱數(shù)量達(dá)到 414 根，預(yù)制構(gòu)件比例為 0.43；預(yù)制梁（鋼梁）達(dá)到 14 879 m，預(yù)制構(gòu)件比例為 0.42；預(yù)制板達(dá)到 489 m2，預(yù)制構(gòu)件比例為 0.01；預(yù)制樓梯（鋼樓梯）達(dá)到 11 個，預(yù)制構(gòu)件比例為 0.79。項目單體預(yù)制裝配率達(dá)到 26.97 %。現(xiàn)場現(xiàn)澆作業(yè)大幅減少，節(jié)約了資源及人工，符合綠色建筑的要求。

塔樓核心筒內(nèi)為勁性鋼柱，在混凝土未澆注前已形成鋼結(jié)構(gòu)，已具有相當(dāng)大的承載能力，可承受構(gòu)件自重和施工時的活荷載。塔樓次梁采取鋼結(jié)構(gòu)形式，雖增加了鋼梁吊裝時間，但整體取消了次梁模板、鋼筋施工，提升了施工速度。裙房樓板為鋼筋桁架樓承板，無須搭設(shè)排架模板，節(jié)省了大量木模板及其支撐，大幅加快了施工進(jìn)度，縮短了施工工期。同時，相對于木模板而言，火災(zāi)發(fā)生的可能性有所降低。

若按照傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)形式施工，主要流程為排架搭設(shè)→ 底模鋪設(shè) → 梁鋼筋綁扎 → 側(cè)模封閉 → 梁板面筋綁扎 →混凝土澆搗。參照本項目體量，一般每層施工周期為 7 d，本項目塔樓核心筒內(nèi)采用勁性鋼柱，提升承載力。次梁改為鋼梁，雖增加了一道鋼梁吊裝工序，但項目通過劃分東西施工區(qū)段交錯施工，避免了吊裝與主梁鋼筋綁扎同時交叉施工，使吊裝施工完全融入了主梁鋼筋綁扎的工作時間段。由于省去了次梁鋼筋綁扎的時間，且每層結(jié)構(gòu)鋼筋綁扎的工作量減少，為每層的結(jié)構(gòu)施工至少節(jié)省了 0.5 d 時間。此外，本項目裙房樓板采取鋼筋桁架樓承板，無須搭設(shè)排架模板。較傳統(tǒng)排架模板施工工藝可在每塊區(qū)域施工節(jié)省 1 d 時間，縮短了施工工期。

2.3 增強(qiáng)穩(wěn)定性及抗震能力

考慮于本工程核心筒內(nèi)增加勁性鋼柱，使型鋼、鋼筋、混凝土 3 種材料協(xié)同工作。同傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)相比，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)具有更大的剛度和強(qiáng)度、更好的局部和整體穩(wěn)定性。且型鋼混凝土結(jié)構(gòu)用鋼量大幅減少，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。同傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)比，此結(jié)構(gòu)承載力大、剛度大，具有良好的變形能力和延性，抗震性能優(yōu)越。且可有效減小構(gòu)件截面，增大使用空間，節(jié)省鋼筋混凝土用量，可免除構(gòu)件中的預(yù)埋件，有更好的抗震性能。型鋼混凝土配置實腹式型鋼比空腹式型鋼具有更好的強(qiáng)度及延性，且抗震性能更好。

本項目由于在剪力墻中使用型鋼柱進(jìn)行加強(qiáng)，相比全鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，相同條件下剪力墻寬度縮小了 100 mm，增大了室內(nèi)空間。同時節(jié)省了鋼筋、混凝土等材料的用量。根據(jù)估算，塔樓層單層增大使用空間約 36.10 m2、節(jié)省混凝土用量約 158.84 m3。整棟塔樓合計增加使用面積約1 046.90 m2、節(jié)省混凝土用量約 4 606.36 m3，節(jié)省混凝土費(fèi)用約 295 萬元。

2.4 更好的防腐蝕性及防火性

鋼-混凝土組合的結(jié)構(gòu)形式相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式而言具有更好的防腐蝕性及防火性。本工程主要豎向結(jié)構(gòu)均采用勁性鋼結(jié)構(gòu)加外部混凝土整體澆筑的形式，其外部采用混凝土的厚度及材料特性，使得其整體防腐蝕性及防火性遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)層。同理，本工程主梁也采用混凝土形式，防腐蝕性及防火性均較好。

通過對比分析，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的防腐蝕性與防火性優(yōu)勢主要有以下幾點。

（1）混凝土外包裹對其中勁性部分所起到的保護(hù)作用使得結(jié)構(gòu)形式中鋼構(gòu)件部分可有效與外界隔離，不直接承受火災(zāi)及空氣腐蝕，從而大幅度提高結(jié)構(gòu)的防腐蝕性與防火性。

（2）混凝土本身有一定的熱量吸收的功能，其結(jié)構(gòu)中的鋼構(gòu)件在火災(zāi)中受影響減小，可使整體承受更高的外部溫度，防火性能得以提升。

（3）混凝土的耐高溫使得其可在高溫中不變形，在鋼構(gòu)件受高溫影響下屈服強(qiáng)度降低的同時，能夠給結(jié)構(gòu)整體提供一定的支撐作用，延緩鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的整體破壞。

3 結(jié) 語

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)作為一種較為新穎的結(jié)構(gòu)形式，其特點在于既充分利用了混凝土與鋼構(gòu)件兩種材料各自的優(yōu)點，也克服了兩者的部分缺點?；炷敛糠衷黾臃€(wěn)定性、防火性和防腐蝕性，鋼構(gòu)件部分增加強(qiáng)度，減輕自重、減小截面尺寸，使得施工質(zhì)量更可控，發(fā)揮的作用更明顯。

在經(jīng)濟(jì)性方面，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)對比鋼結(jié)構(gòu)而言，用鋼量下降約 50%，造價降低 10% ～ 40%。同樣對比混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土用量節(jié)約 50%，減小了截面，減輕了自重，增大了凈空與面積。大幅降低基礎(chǔ)部分成本，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢。

本工程通過鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)地應(yīng)用加快了施工進(jìn)度，確保了施工質(zhì)量，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。對比傳統(tǒng)單一結(jié)構(gòu)形式，其優(yōu)缺點總結(jié)如下。

（1）混凝土梁體采用傳統(tǒng)施工方法，質(zhì)量控制難度大，特別是梁柱交接等混凝土級配不同的位置，容易因施工順序產(chǎn)生冷縫等施工通病。

（2）預(yù)制構(gòu)件相比混凝土構(gòu)件施工而言更為便利，節(jié)約資源，縮短工期，更符合國家目前大力發(fā)展推進(jìn)裝配式建筑的愿景。

（3）相同截面的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)自重輕、承載力更高，建筑物抗震能力好。

（4）在相同的條件下，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的防腐蝕性及耐火性能優(yōu)于普通鋼結(jié)構(gòu)。

（5）鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)有效減少用鋼量，減小了構(gòu)件的截面尺寸，增加使用空間，提高經(jīng)濟(jì)效益。

（6）由于施工時鋼梁吊裝與結(jié)構(gòu)鋼筋綁扎施工存在一定程度的交叉施工，因此對施工現(xiàn)場合理的施工區(qū)域分割布置、安全管控有著更高的要求。

（7）由于結(jié)構(gòu)上鋼梁與混凝土梁的交錯布置，對施工現(xiàn)場的測量復(fù)核也提出了更高的要求，需要在鋼梁放置階段第一時間進(jìn)行復(fù)核，防止萬一偏位帶來的預(yù)留洞無法使用的施工問題。