鋼混組合結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)施工技術(shù)難點(diǎn)解析

馮 輝，陸超豪，殷帥杰，李書(shū)信,劉亞松（中國(guó)建筑第八工程局有限公司,上海 201206）

隨著上海市這座國(guó)際大都市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，為在有限占地面積內(nèi)創(chuàng)造更多的使用空間，如今高層建筑的建造和使用已經(jīng)愈發(fā)頻繁。由于純鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)存在結(jié)構(gòu)自重大、構(gòu)件尺寸大、抗拉抗剪性能差等先天不足，而鋼結(jié)構(gòu)在截面尺寸以及受力性能方面的優(yōu)異表現(xiàn)正好彌補(bǔ)了混凝土結(jié)構(gòu)的不足，故采用組合梁柱以及桁架板等的鋼結(jié)構(gòu)和混凝土組合結(jié)構(gòu)形式日漸成為高層建筑設(shè)計(jì)與施工的主流趨勢(shì)。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目基本情況

在該項(xiàng)目中，酒店地上 21 F，層高 3.6 m，結(jié)構(gòu)類型為型鋼柱—鋼梁—剪力墻結(jié)構(gòu)，樓層平面不規(guī)則。結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜，構(gòu)件形式有勁性柱、鋼梁、混凝土梁、勁性梁、剪力墻、鋼筋桁架板、鋼筋混凝土板、鋼樓梯等。

1.2 問(wèn)題歸納

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋實(shí)際施工問(wèn)題進(jìn)行歸納總結(jié)，本工程所遇到的問(wèn)題主要集中在鋼結(jié)構(gòu)自身體系搭建，以及鋼結(jié)構(gòu)與土建混凝土結(jié)構(gòu)之間相互銜接。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）鋼結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定性差。鋼結(jié)構(gòu)自身無(wú)法形成完整受力結(jié)構(gòu)，而是通過(guò)在混凝土結(jié)構(gòu)中預(yù)設(shè)埋件待混凝土澆筑完成達(dá)到強(qiáng)度后，鋼構(gòu)件與埋件之間通過(guò)螺栓或焊接進(jìn)行連接，進(jìn)而將鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)組合形成一個(gè)完整的受力體系。由于鋼結(jié)構(gòu)施工受到混凝土結(jié)構(gòu)施工進(jìn)度以及混凝土強(qiáng)度上漲達(dá)到相應(yīng)強(qiáng)度所需時(shí)間的限制，進(jìn)一步牽制了整體施工進(jìn)度。尤其是樓梯、懸挑梁等構(gòu)件無(wú)法與主體鋼結(jié)構(gòu)同步安裝，嚴(yán)重影響現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度和安全。

（2）含鋼骨的梁柱節(jié)點(diǎn)鋼筋綁扎困難。多功能廳存在鋼骨柱鋼柱截面占比過(guò)大導(dǎo)致混凝土梁中鋼筋無(wú)法錨固的情況，因此酒店存在鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)部位鋼筋安裝困難的問(wèn)題。

（3）桁架板未發(fā)揮對(duì)應(yīng)作用。多功能廳兩側(cè)附屬用房樓板采用鋼筋桁架板，但未設(shè)置鋼梁，桁架板直接擔(dān)承，因此在混凝土梁上施工時(shí)安全性差，從而未能充分發(fā)揮桁架板應(yīng)有的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)。

2 施工問(wèn)題處理

2.1 鋼結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定性差

2.1.1 原有設(shè)計(jì)

依據(jù)原有設(shè)計(jì)圖紙，鋼框架并非是一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)體系，而是借由埋件等形式與混凝土結(jié)構(gòu)相互咬合，因此受制于混凝土結(jié)構(gòu)施工無(wú)法單獨(dú)施工。由于鋼框架無(wú)法一次成型，故而以鋼框架為受力構(gòu)件的樓承板也無(wú)法一次性鋪設(shè)到位，需分為多次鋪設(shè)。尤其是鋼樓梯、懸挑鋼梁等構(gòu)件嚴(yán)重制約了施工進(jìn)度且存在較大安全隱患；同時(shí)還存在樓承板通過(guò)埋件與剪力墻連接的形式，進(jìn)一步限制了樓承板施工效率。

2.1.2 施工難點(diǎn)

（1）鋼結(jié)構(gòu)框架由于存在大量鋼梁與混凝土結(jié)構(gòu)采用埋件形式連接，在混凝土結(jié)構(gòu)澆筑完畢并達(dá)到相應(yīng)強(qiáng)度前該根鋼梁無(wú)法安裝，進(jìn)而導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)無(wú)法一次性單獨(dú)施工。此外，部分區(qū)域存在樓承板支承在剪力墻上的情況，樓承板自重及施工荷載直接作用在模板結(jié)構(gòu)上而存在較大安全隱患。此外，鋼結(jié)構(gòu)樓承板與混凝土剪力墻之間無(wú)法焊接栓釘，握裹力減弱，不同材料結(jié)構(gòu)之間連接強(qiáng)度較差易出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。

鋼梁、樓承板與混凝土結(jié)構(gòu)連接示意如圖 1 所示。

圖1 鋼梁、樓承板與混凝土結(jié)構(gòu)連接示意圖

（2）鋼樓梯采用埋件形式與剪力墻相連，在混凝土未達(dá)到強(qiáng)度之前，鋼樓梯無(wú)法安裝，造成鋼樓梯安裝與主體結(jié)構(gòu)施工進(jìn)度之間存在時(shí)間差，上下層之間無(wú)法連接，成為互無(wú)聯(lián)系的獨(dú)立單元。鋼樓梯埋件截面較小，安裝定位精度要求高。

預(yù)制鋼樓梯與剪力墻連接方式示意如圖 2、圖 3 所示。

圖2 預(yù)制鋼樓梯與剪力墻連接平面示意圖

圖3 預(yù)制鋼樓梯與剪力墻連接剖面示意圖

上下樓層之間無(wú)可靠通道連接，為保證工人上下安全，需另行設(shè)置安全通道。鋼樓梯吊裝前樓梯間內(nèi)無(wú)任何構(gòu)件，相當(dāng)于一個(gè)大面積臨時(shí)洞口，需要單獨(dú)設(shè)置安全防護(hù)措施，存在安全隱患。此外，鋼樓梯吊裝時(shí)，樓梯間兩側(cè)結(jié)構(gòu)已全部完成，僅剩樓梯梯段空間，施工空間狹小，且吊裝時(shí)塔吊吊鉤需深入施工完成的樓梯井道內(nèi)，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.3 解決途徑

由于針對(duì)上述問(wèn)題通過(guò)與鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)單位的溝通以及與設(shè)計(jì)單位的互動(dòng)，綜合各方意見(jiàn)后提出解決方案如下。

（1）對(duì)于鋼梁與混凝土結(jié)構(gòu)相互咬合的問(wèn)題，在原有鋼結(jié)構(gòu)柱梁結(jié)構(gòu)體系中局部增設(shè)小截面構(gòu)造鋼柱、鋼梁并在局部搭設(shè)鋼結(jié)構(gòu)支撐架。采取相應(yīng)措施后，能夠保證鋼結(jié)構(gòu)柱梁成為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系，進(jìn)而擺脫下部澆筑混凝土層的束縛單獨(dú)施工。采用此方法鋼結(jié)構(gòu)可超過(guò)混凝土結(jié)構(gòu) 2～3 F，保證了現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度。

（2）對(duì)于樓承板無(wú)法直接與混凝土構(gòu)件相互連接的問(wèn)題，在原有剪力墻鋼筋中按照樓承板對(duì)應(yīng)位置埋設(shè)角鐵，剪力墻封模時(shí)將角鐵露出，樓承板焊接鋪設(shè)于其上。同時(shí)，由于角鐵不受力，在其下部按照普通模板支撐結(jié)構(gòu)要求搭設(shè)臨時(shí)支撐架，確?；炷翝仓r(shí)期施工安全。

預(yù)埋角鐵及支撐架搭設(shè)范圍示意圖如圖 4、圖 5 所示。

圖4 預(yù)埋角鐵示意圖

圖5 預(yù)埋角鐵及支撐架搭設(shè)范圍示意圖

在鋼樓梯與剪力墻交接部位增設(shè)構(gòu)造鋼梁用以固定樓梯梯段。增設(shè)鋼梁后，鋼樓梯與主體鋼框架能夠同步安裝，且能夠根據(jù)鋼樓梯位置進(jìn)行微調(diào)，避免了埋件澆筑混凝土?xí)r的偏位風(fēng)險(xiǎn)。與此同時(shí)，同步安裝鋼樓梯，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供了上下通道，無(wú)須再設(shè)置其他通道，減少了現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)投入。此外，同步安裝在技術(shù)上避免了原先工人在澆筑樓層混凝土?xí)r出現(xiàn)的臨時(shí)洞口以及后期吊裝可能出現(xiàn)的施工空間狹小人員操作不便以及塔吊大鉤伸入樓梯井中所產(chǎn)生的安全隱患。鋼樓梯增設(shè)鋼梁具體位置示意圖如圖 6 所示。

圖6 鋼樓梯增設(shè)鋼梁具體位置示意圖

2.1.4 設(shè)計(jì)優(yōu)化

在后期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中可在滿足使用功能的前提下，盡量將樓梯間或電梯井布置于中央位置，并以其為中心布設(shè)核心筒。外圍房間可采用鋼框架形式，鋼結(jié)構(gòu)與核心筒直接的連接可采用在核心筒外側(cè)剪力墻上埋設(shè)埋件的形式進(jìn)行連接。采用此種優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)可采用鋼結(jié)構(gòu)隊(duì)伍滯后土建施工進(jìn)場(chǎng)的方式使得鋼結(jié)構(gòu)與土建單獨(dú)施工，互不干擾。

2.2 含鋼骨的梁柱節(jié)點(diǎn)鋼筋綁扎困難

2.2.1 原有設(shè)計(jì)

（1）多功能廳部分。原有設(shè)計(jì)圖紙中鋼骨柱至混凝土柱邊緣距離僅有 20 ～ 30 cm。此外，在兩側(cè)空余間隙內(nèi)仍有柱縱筋穿過(guò)且設(shè)有 2 ～ 3 排箍筋，鋼筋間隙較小。根據(jù)梁配筋圖顯示梁筋規(guī)格均為超過(guò) 22 mm 的大直徑鋼筋且根數(shù)較多，均在 10～14 根之間，需分為 2～3 排綁扎。為保證施工質(zhì)量與安全，梁筋錨固應(yīng)滿足 16 G 101—1《現(xiàn)澆混凝土框架、剪力墻、梁、板》（實(shí)行日期：2016 年 9 月 1日）圖集有關(guān)梁鋼筋錨固長(zhǎng)度的有關(guān)規(guī)定。① 錨固于端頭柱的梁筋錨固段平直段長(zhǎng)度 ≥ 0.4 LabE（LabE為抗震設(shè)計(jì)時(shí)受拉鋼筋基本錨固長(zhǎng)度），且應(yīng)設(shè)有 90° 彎鉤，彎鉤長(zhǎng)度為 15d。② 錨固于中間柱的梁下部鋼筋錨固長(zhǎng)度 ≥ LaE（LaE為受拉鋼筋抗震錨固長(zhǎng)度） 及 0.5hc（柱寬）+ 5d兩者的較大值。③ 如柱段錨固長(zhǎng)度足夠也可使用直錨的形式。錨固長(zhǎng)度應(yīng) ≥ LaE與 0.5hc+ 5 d 兩者的較大值。其中，LaE及 LabE應(yīng)滿足圖集相關(guān)要求。根據(jù) 16 G 101—1 規(guī)范圖集計(jì)算，預(yù)留空隙根本無(wú)法滿足梁筋錨固長(zhǎng)度，即便采用彎錨形式也無(wú)法滿足直錨段長(zhǎng)度要求。此外，鋼骨柱中設(shè)有六邊形箍筋，加工難度較大。且由于現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)柱縱筋排布相較圖紙難以實(shí)現(xiàn)百分之百對(duì)應(yīng)，局部偏位在所難免，難以實(shí)現(xiàn)恰好套入多邊形箍筋。（2）酒店部分。酒店結(jié)構(gòu)中靜性鋼梁柱局部截面占比過(guò)大，導(dǎo)致梁柱外圍鋼筋較密時(shí)易出現(xiàn)鋼筋與鋼構(gòu)件相互沖突的情況。由于鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性與受力性能要求，故縮小鋼構(gòu)件規(guī)格顯然不現(xiàn)實(shí)。此外，加大混凝土截面會(huì)導(dǎo)致管線標(biāo)高下降，凈空縮減，不能滿足業(yè)主要求，進(jìn)而導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)鋼筋綁扎安裝困難。

2.2.2 施工難點(diǎn)

多功能廳按照 12 SG 904—1《型鋼混凝土結(jié)構(gòu)施工鋼筋排布規(guī)則與構(gòu)造詳圖》（實(shí)行日期：2012 年 11 月 1 日）深化方式穿孔、設(shè)置端板或是套筒進(jìn)行深化時(shí)發(fā)現(xiàn)如下問(wèn)題。

（1）如若穿孔，鋼骨柱內(nèi)側(cè)鋼柱采用厚度厚達(dá) 5 cm 的鋼板焊接而成，穿孔質(zhì)量難以控制，且熔融時(shí)鋼板中應(yīng)力在短時(shí)間難以消除，進(jìn)而被鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)單位否決。

（2）如若設(shè)置端板，按照梁筋排布，梁底與梁面各需設(shè)置 2～3 排端板，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行梁筋焊接時(shí)梁筋排布過(guò)密且上下層間間距較小施焊較為困難。且如采用焊接，需焊接近 40根梁，梁筋總數(shù)接近 800 根，焊接量巨大，現(xiàn)場(chǎng)工期難以滿足。此外，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)量取尺寸，由于內(nèi)排箍筋以及栓釘?shù)拇嬖?，鋼骨柱中可供端板放置區(qū)域無(wú)法滿足端板單面焊 10d、雙面焊 5d的長(zhǎng)度要求。

（3）如若設(shè)置套筒，根據(jù)梁筋排布與鋼柱之間的關(guān)系進(jìn)行排布發(fā)現(xiàn)梁筋大部正對(duì)鋼柱，部分梁筋 100% 采用套筒連接，存在較大的結(jié)構(gòu)安全質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

酒店部分梁筋綁扎困難主要存在如下情況。

（1）柱縱筋受到鋼梁及其放大牛腿的影響，導(dǎo)致插筋無(wú)法下插，錨固長(zhǎng)度不滿足規(guī)范要求。但根據(jù)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的設(shè)計(jì)原則，應(yīng)加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)域內(nèi)構(gòu)件，設(shè)計(jì)院對(duì)在鋼梁上穿孔持保留意見(jiàn)。

（2）由于靜性梁中鋼梁的存在且本身鋼筋排布較密，導(dǎo)致梁筋安裝較困難。由于鋼結(jié)構(gòu)先行安裝，梁底多排鋼筋在安裝時(shí)彎錨難以伸入兩側(cè)柱中，拐角部位旋轉(zhuǎn)操作較困難。

2.2.3 解決途徑

由于常規(guī)途徑無(wú)法解決現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)與設(shè)計(jì)院溝通，分析確定如下調(diào)整原則。

（1）多功能廳區(qū)域。① 增加梁筋排數(shù)，同時(shí)減少每排根數(shù)進(jìn)而使得每排有更多鋼筋能夠從鋼柱兩側(cè)空隙內(nèi)穿過(guò)。②在梁柱節(jié)點(diǎn)部位設(shè)置加腋，增大梁柱交接部位梁筋能夠操作與伸入面積，方便現(xiàn)場(chǎng)施工。同時(shí)在加腋部位設(shè)置加筋，對(duì)調(diào)整后的梁筋進(jìn)行加強(qiáng)，為結(jié)構(gòu)安全增添保障。③ 將六邊形箍筋調(diào)整為 2 個(gè)凸字形開(kāi)口箍，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)可根據(jù)柱縱筋位置手動(dòng)調(diào)整開(kāi)口大小。

（2）酒店區(qū)域。① 柱筋采用鋼筋等面積代換原則將柱縱筋規(guī)格擴(kuò)大并將根數(shù)減少，同時(shí)根據(jù) 12 SG 904—1 要求在縱筋間距較大部位采用套筒加設(shè) 1 根直徑為 14 mm 的構(gòu)造鋼筋。② 梁筋采用局部擴(kuò)大截面與增大規(guī)格兩種手段雙管齊下。一方面在不影響凈高以及管線調(diào)整可接受前提下將混凝土梁加高，另一方面將其內(nèi)部縱筋加大規(guī)格以減少排數(shù)及根數(shù)，方便現(xiàn)場(chǎng)施工。

2.2.4 設(shè)計(jì)優(yōu)化

后期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，在滿足使用功能的前提下，可將鋼骨柱與混凝土梁連接部位尺寸盡量放大，方便后期梁筋穿插。同時(shí)，在確定配筋時(shí)，應(yīng)充分考慮現(xiàn)場(chǎng)安裝綁扎時(shí)的誤差，尤其是在節(jié)點(diǎn)部位應(yīng)特別考慮鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)部位的加腋牛腿或放大牛腳對(duì)實(shí)際施工的影響，盡量采用大截面小根數(shù)的排布方式以避免出現(xiàn)非常規(guī)的多邊形冗余量較小的構(gòu)件，給予現(xiàn)場(chǎng)一定的靈活調(diào)整空間。

2.3 桁架板未發(fā)揮應(yīng)有優(yōu)勢(shì)

2.3.1 原有設(shè)計(jì)

依據(jù)原有設(shè)計(jì)圖紙，多功能廳兩側(cè)附屬用房樓面采用鋼筋桁架板，但并未設(shè)置鋼柱鋼梁而是直接擱置在混凝土梁上。采用此種擱置方式雖滿足建筑裝配率的要求，但樓承板在混凝土澆筑前并無(wú)有效措施與結(jié)構(gòu)相連，僅靠附加筋與梁筋相連作用有限。樓承板自重及上部鋼筋及人員施工荷載全部傳遞至與之搭接的梁模板上，安全隱患較大。

2.3.2 施工難點(diǎn)

（1）由于樓承板無(wú)鋼梁約束，僅靠梁邊附加筋無(wú)法有效約束樓承板平面運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致混凝土澆筑時(shí)樓承板收到泵管沖擊易變形移位，進(jìn)而使得結(jié)構(gòu)變形。

（2）由于樓承板無(wú)鋼梁約束，樓承板自重及施工荷載全部擔(dān)承在梁模板上，故單靠梁模板無(wú)法承擔(dān)如此多的荷載。

（3）由于樓承板支承在梁側(cè)面模板之上，相當(dāng)于普通模板仍無(wú)法形成整體自我約束體系，并未起到應(yīng)有的施工無(wú)須特別固定的作用與優(yōu)勢(shì)的方便，且成本相對(duì)較高。

2.3.3 解決途徑

（1）對(duì)于樓承板無(wú)法固定的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)與鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)單位溝通，擬定采用在梁筋中焊接角鐵并在梁下設(shè)置約束支架的方式限制樓承板在平面上的運(yùn)動(dòng)。

（2）對(duì)于樓承板荷載支承在梁模板上的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)與鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)單位以及業(yè)主協(xié)商，擬定采用與普通模板支架相同的支撐架作為受力體系，確保施工安全。

2.3.4 設(shè)計(jì)優(yōu)化

后期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，在滿足使用功能的前提下，如需使用樓承板，則應(yīng)與鋼柱鋼梁配套形成一個(gè)有機(jī)整體，用以充分發(fā)揮樓承板自身強(qiáng)度剛度較普通模板大的優(yōu)勢(shì)，避免出現(xiàn)與普通模板效果一致但投入增加的問(wèn)題。

3 實(shí)際施工效果

經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題的實(shí)地勘察，聯(lián)合鋼結(jié)構(gòu)及土建單位共同協(xié)商解決處理對(duì)策，各項(xiàng)解決方案獲得了設(shè)計(jì)院同意以及業(yè)主認(rèn)可?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，依據(jù)勞務(wù)隊(duì)實(shí)際反饋，基本能夠解決其在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中所遇到的大部分問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)主樓自2019 年 4 月完成地下室頂板施工出至 2019 年 10 月結(jié)構(gòu)封頂共計(jì) 6 月有余，現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量一直處于可控范圍之內(nèi)，獲得了監(jiān)理、項(xiàng)管公司以及第三方評(píng)比的一致好評(píng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著高層建筑越來(lái)越普遍，鋼結(jié)構(gòu)與混凝土組合結(jié)構(gòu)形式必將成為今后結(jié)構(gòu)與建筑設(shè)計(jì)的主流趨勢(shì)。通過(guò)本文所論述的問(wèn)題，能夠?yàn)楹笃阡摶旖M合結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)、審核、施工階段提供更多的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例與解決思路，避免相同類型問(wèn)題的出現(xiàn)。通過(guò)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)與土建混凝土結(jié)構(gòu)件問(wèn)題的總結(jié)，對(duì)技術(shù)成果作了完善加強(qiáng)。通過(guò)問(wèn)題分析解決，增強(qiáng)后期相同類型條件下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工安全系數(shù)，降低施工過(guò)程中發(fā)生安全事故的風(fēng)險(xiǎn)，從而減少安全事故帶來(lái)的工期損失和經(jīng)濟(jì)損失。