圓鋼棒在超高層建筑中的應(yīng)用前景分析

高蕤 廖定雄

1.概述

近幾年，我國城市高層、超高層建筑越來越多，結(jié)構(gòu)體系也正朝著多樣化的方向發(fā)展，并且設(shè)計思路也在持續(xù)地變化和更新著。為滿足高度、空間變化和結(jié)構(gòu)受力的要求，許多的高層、超高建筑豎向受力構(gòu)件采用了型鋼混凝土結(jié)構(gòu)以及鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，由于型鋼或鋼管和混凝土形成整體，共同受力，其受力性能要優(yōu)于型鋼或鋼管和混凝土這兩種結(jié)構(gòu)的簡單疊加，不僅增強了構(gòu)件的承載力，而且有效提高了建筑物的抗震性能，因此在高層建筑得到了廣泛應(yīng)用。但是，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)或鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在核心區(qū)設(shè)置型鋼、鋼管導(dǎo)致了柱的箍筋布置以及梁的縱筋布置都較為困難，往往因鋼筋無法安裝而需臨時修改設(shè)計，不但施工難度大，而且造價昂貴。而鋼棒混凝土柱不僅在力學(xué)性能上能完全媲美型鋼或鋼管混凝土柱，有不錯的耐點腐蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂性能，而且韌性好、硬度高、整體程度高，在工程項目中能大大降低工程造價和施工難度[1]。

2.施工工藝及操作要點

圓鋼棒混凝土柱是基于核心區(qū)內(nèi)鋼骨含鋼量相同的原則，在柱內(nèi)采用鋼棒替代傳統(tǒng)鋼管或?qū)嵏故叫弯摰囊环N新型結(jié)構(gòu)柱。其施工工藝及操作要點如下：

2.1 放樣

首先，計算好第一節(jié)鋼棒預(yù)埋及外露長度，相鄰?fù)饴督宇^的位置要錯開。然后根據(jù)鋼棒所在樓層的層高、每根框架柱里鋼棒的根數(shù)，確定好鋼棒安裝長度，一般不大于9m。

2.2 加工、制作

由鋼棒廠家根據(jù)放樣尺寸統(tǒng)一加工制作，安排專人駐場監(jiān)督，保證鋼棒長度、直徑等規(guī)格尺寸符合現(xiàn)場需求，保證鋼棒的垂直度以及底面的平整度等相關(guān)技術(shù)參數(shù)不超過規(guī)范允許偏差。

2.3 環(huán)箍、耳板焊接

圓鋼棒表面比較光滑，為了增加鋼棒與混凝土的摩擦力，采用Φ6mm 圓鋼環(huán)鋼棒滿焊接、環(huán)箍間距450mm。耳板采用10mm 厚鋼板，沿鋼棒截面三等分位置焊接在鋼棒兩端側(cè)面，每塊耳板上下預(yù)留兩個螺栓孔，且下部孔為豎向橢圓形。

2.4 堆放

一般將鋼棒放置在槽鋼上，鋼棒間采用木方進行隔離，木方的高度應(yīng)大于連接節(jié)點處耳板的高度，槽鋼和木方間隔2m 放置。為了保障堆放穩(wěn)定、安全，堆放層數(shù)不得超過9 層，應(yīng)全面檢查地面所有疊放的構(gòu)件，對堆放的圓鋼棒采取固定措施，防止堆放的鋼棒滾落和傾倒。

2.5 現(xiàn)場安裝

（1）鋼棒的安裝關(guān)鍵在于如何就位，一般采用組裝夾具進行整體組裝、整體吊裝安裝。組裝胎架及夾具組裝胎架設(shè)置為表面標高一致，表面平整度高的兩根方鋼。將柱按照設(shè)計安裝間距放置在方鋼表面后，通過組裝夾具在離節(jié)點500mm 處用螺栓連接將柱內(nèi)連接成一個整體后進行吊裝?？赏ㄟ^小吊車進行組裝，組裝完成后再使用塔吊進行整體吊裝。

（2）為了防止柱中心偏移和焊縫錯邊，現(xiàn)場采用單根上下三個方向耳板通過螺栓連接的方式進行安裝。連接夾板采用上圓孔、下橢圓孔的方式，以便垂直度的微調(diào)整。

圖1 鋼棒的現(xiàn)場安裝

（3）待完成水平對口后，馬上校正鋼棒垂直度。校正時，根據(jù)測量對接耳板方向的垂直度偏差，微調(diào)耳板螺栓調(diào)整垂直度，待垂直度校準完成后，擰緊螺栓并連接夾板和耳板，進行焊接固定，防止垂直度因鋼筋綁扎及混凝土澆注發(fā)生偏移。

（4）采用線錘和鋼尺分別進行鋼棒的垂直度和各鋼棒間距復(fù)核。因單節(jié)長度較長，且連接節(jié)點位于樓板1m 以上，定位安裝完成后，超出樓板面5m以上，易發(fā)生傾斜。為有效防止意外碰撞導(dǎo)致發(fā)生傾倒，采用直徑為20mm 的鋼筋將所有鋼棒焊接至整體，焊接位置為鋼棒頂部下500mm，另在鋼棒混凝土柱旁放置預(yù)埋件，待安裝完成后使用斜拉桿將鋼柱支撐固定。

3.不同混凝土柱的比較分析

鋼管混凝土柱具有較高的承載力、節(jié)省鋼材、較好的抗震性能以及抗火性能。但是，與常規(guī)的鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼管混凝土柱作為鋼混組合結(jié)構(gòu)，其工藝更復(fù)雜。鋼管混凝土柱有兩種形式：（1）在鋼管內(nèi)填充混凝土而形成的組合結(jié)構(gòu)；（2）在混凝土墻柱內(nèi)設(shè)置鋼管。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)能夠更充分有效地發(fā)揮鋼材和混凝土兩種材料各自的優(yōu)點，同時還克服了鋼管結(jié)構(gòu)在施工過程中容易發(fā)生的局部屈曲的缺點。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)根據(jù)所使用鋼管的截面形狀可分為圓形鋼管混凝土柱、矩形鋼管混凝土柱和多邊形鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)等，其中圓形鋼管混凝土柱、矩形鋼管混凝土柱是目前最常用的結(jié)構(gòu)形式[2]。

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)具有較好的耐火性和耐久性，型鋼外包裹的混凝土具有抵抗有害介質(zhì)侵蝕，防止鋼材腐蝕生銹的作用。由于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼與其外包混凝土結(jié)構(gòu)互相作用，可充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)點。同時，型鋼經(jīng)混凝土包裹后，不僅能防止部件腐蝕生銹以及局部失穩(wěn)，還能提高構(gòu)件整體的承載力和剛度，從而具有更好的延展性和抗震性能。缺點是梁柱連接部位的質(zhì)量保證難度比較大，施工操作較為不便[3]。

圓鋼棒混凝土柱完美繼承了實腹式型鋼混凝土柱的優(yōu)點，能充分發(fā)揮鋼棒和鋼筋混凝土柱的自身性能，將鋼棒承載力高和延性好的特點與鋼筋混凝土柱的穩(wěn)定性和耐火性好結(jié)合起來。與普通的鋼筋混凝土柱相比，鋼棒混凝土柱中的鋼棒提高了柱子的承載力和延性，并減小了構(gòu)件的截面尺寸，在擴大建筑物使用空間的同時，還減輕了自身重量；與型鋼混凝土柱相比，鋼棒混凝土柱解決了實腹式型鋼混凝土柱箍筋和梁縱筋布置困難的缺點，不會出現(xiàn)鋼筋無法安裝而需臨時修改設(shè)計的困境，施工更加方便。與鋼管混凝土相比，圓鋼棒混凝土可避免鋼管管內(nèi)商品混凝土的脆性破壞。鋼棒結(jié)構(gòu)可提升結(jié)構(gòu)阻力和剛度，有效防止局部及整體的屈曲。

實驗和理論分析證明，鋼棒混凝土柱水平極限承載力受軸壓比和混凝土強度的影響明顯，而含鋼率和核心鋼棒屈服強度對水平極限承載力影響很小，圓鋼棒混凝土結(jié)構(gòu)在軸向壓力作用下，鋼棒的軸向和徑向受壓，而環(huán)向整體受拉，鋼棒混凝土結(jié)構(gòu)則三向皆受壓，處于三向應(yīng)力狀態(tài)。三向受壓的結(jié)構(gòu)抗壓強度大大提高，同時塑性增大，其物理性能發(fā)生了質(zhì)的變化，由原來的脆性材料轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄圆牧?。正是這種結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)的根本變化，決定了鋼棒混凝土結(jié)構(gòu)的基本性能和特點。鋼棒混凝土柱在核心區(qū)域配置的圓鋼棒可以明顯提高混凝土柱的抗震能力，也就提高了建筑結(jié)構(gòu)的整體抗震能力，當建筑物遭遇強烈地震時，可減輕其危害，防止倒塌，因此鋼棒混凝土結(jié)構(gòu)的性能顯示出巨大的生命力和發(fā)展前景。

施工注意要點：在進行圓鋼棒構(gòu)件安裝時，要多次進行規(guī)格、垂直度、焊點、工序的復(fù)查；利用經(jīng)緯儀對構(gòu)件垂直度、軸線、坐標、間距等進行校準，確保施工準確無誤。施工時，安全專員及技術(shù)員認真落實安全職責(zé)，嚴格要求施工。

4.總結(jié)

通過試驗證明，圓鋼棒隨著軸壓比增加，構(gòu)件的水平極限承載力先增后減，符合壓彎破壞規(guī)律，延性系數(shù)也隨著混凝土強度的提升而減小，隨著屈服強度的增大而增大。各數(shù)據(jù)結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，應(yīng)鼓勵各相關(guān)企業(yè)機構(gòu)進行模擬研究，向各方向普及應(yīng)用。

目前，鋼棒在高速公路橋梁建設(shè)領(lǐng)域中已廣泛應(yīng)用，但在房屋建設(shè)領(lǐng)域中，鋼棒的應(yīng)用仍未普及。綜上所述，鋼棒混凝土柱可替代實腹式型鋼混凝土柱，更好地應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)中，其抗震性能完全可與實腹式型鋼混凝土柱媲美，不僅降低了梁柱節(jié)點鋼筋及柱箍筋布置與施工的難度，而且可以降低工程造價。因此，鋼棒在工程領(lǐng)域，特別是在高層建筑領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越普遍。