裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)公共建筑關(guān)鍵技術(shù)研究

唐正輝 （巢湖市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，安徽 合肥 238000）

鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕、強度高、施工速度快、抗震性能好、占地面積小、工業(yè)化程度高、外形美觀等一系列優(yōu)點，與混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)可重復利用，符合可持續(xù)發(fā)展的目標，是一種環(huán)保建筑，易于產(chǎn)業(yè)化[1]。以富煌科技研發(fā)中心為工程背景，對巨型V型柱轉(zhuǎn)換大跨度、大懸挑結(jié)構(gòu)的抗震性能化設(shè)計以及對裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)建筑關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計進行重點研究。其裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)公共建筑關(guān)鍵技術(shù)成果可應(yīng)用于房地產(chǎn)開發(fā)商等公共建筑類項目工程，主要用戶包括原材料供應(yīng)單位、建設(shè)投資單位、設(shè)計單位及施工單位等，項目應(yīng)用可作為國內(nèi)其他裝配式鋼結(jié)構(gòu)公共建筑項目參考，同時也具有一定的經(jīng)濟效益和社會價值[2]。

1 工程概況

富煌科技研發(fā)中心位于安徽省合肥市巢湖黃麓鎮(zhèn)富煌工業(yè)園內(nèi)，占地面積3258.04m2，建筑面積 23979.37m2，地下1層，地上17層，建筑高度52m，主體采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系，外墻90%采用雙層節(jié)能玻璃幕墻，內(nèi)墻30%采用ALC輕質(zhì)條板，為公共建筑，采用了集成式裝修設(shè)計與施工，安徽省綠建二星示范工程，全過程采用BIM技術(shù)。

圖1 工程項目實圖

建筑樓面使用荷載表 表1

2 裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)公共建筑設(shè)計與集成技術(shù)

2.1 巨型V型柱轉(zhuǎn)換大跨度、大懸挑結(jié)構(gòu)的抗震性能化設(shè)計

按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》8.1.3條規(guī)定，本工程抗震等級：裙房部分四級，主樓部分三級。通過合理的結(jié)構(gòu)布置，使得建筑抗震達到“小震不壞、中震不壞或輕微破壞、大震不喪失使用功能或可修”的目標?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.10g，場地類別為Ⅱ類，地震分組為第一組，特征周期Tg=0.35s。當?shù)鼗撅L壓0.35kN/m2；基本雪壓0.70kN/m2[3]。

主樓部分基礎(chǔ)采用人工挖孔樁+筏板基礎(chǔ)，裙樓部分采用獨立基礎(chǔ)+防水板形式。建筑樓面使用荷載如表1所示。

主樓部分混凝土梁與矩形鋼柱連接采用混凝土梁內(nèi)包鋼結(jié)構(gòu)牛腿做法連接，裙房部分采用在圓管柱外做鋼結(jié)構(gòu)加勁環(huán)板，外包鋼筋混凝土環(huán)梁，實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)與混凝土梁的有效連接。工程上部結(jié)構(gòu)鋼柱由基礎(chǔ)頂面開始，地下室部分采用外包式柱腳，增加鋼結(jié)構(gòu)下部結(jié)構(gòu)整體剛度，地下室頂板處采用普通鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)布置。

為滿足建筑外立面空間要求，裙房結(jié)構(gòu)采用兩處9m高V形鋼柱配合大尺寸箱型鋼梁實現(xiàn)了支撐28m大跨度多層建筑的目的，增強了建筑美學效果。鋼柱柱腳采用外包式柱腳基礎(chǔ)，外包短柱縱向鋼筋在短柱頂部均向?qū)?cè)彎折錨固，使得鋼柱與基礎(chǔ)之間可靠連接。箱型梁柱節(jié)點在工廠加工制作完成，采用等強熔透焊，隨后運至施工現(xiàn)場進行拼裝，有效保證節(jié)點的強度。

裙房部分由于造型需求，需設(shè)置兩組V形鋼柱間距13m，上連28m大跨度及8m大懸挑鋼梁，且以此大跨箱型梁為轉(zhuǎn)換梁，上托兩層結(jié)構(gòu)層，結(jié)構(gòu)受力復雜，具體各部分詳情如圖2。

圖2 V型柱

2.1.1 巨型V形柱

V型鋼柱截面尺寸：矩1000mm×1000mm，鋼柱壁厚局部加厚，柱腳采用外包式柱腳，外包厚度最小處為250mm?；A(chǔ)采用柱下獨立基礎(chǔ)，采用寬底板尺寸以抵抗柱腳彎矩。計算時，采用多種軟件、多種不利工況下進行分析，嚴格控制鋼柱應(yīng)力，充分考慮鋼柱的安全儲備。

鋼柱上端與鋼梁連接節(jié)點，采用鋼梁貫通方式進行連接以保證鋼梁強度，柱端內(nèi)部設(shè)置加勁板與矩形鋼梁在工廠全熔透焊接，一級焊縫。

2.1.2 轉(zhuǎn)換大跨度、大懸挑結(jié)構(gòu)

裙房二層樓面主梁跨度28m，上部轉(zhuǎn)換支承兩層樓面，另一方向樓面梁外挑8m，樓板采用120mm厚鋼筋混凝土樓板，主跨鋼梁采用箱型梁，截面650mm×1500mm，嚴格控制鋼梁撓度不大于1/600。在計算分析時，考慮上部、下部結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作，并計入多向地震作用的效應(yīng)，主跨鋼梁作為水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件，計算地震內(nèi)力時乘以2.0的增大系數(shù)。在抗震措施上，定義為關(guān)鍵桿件和關(guān)鍵節(jié)點，采取相應(yīng)的加強措施，嚴格控制主鋼梁的應(yīng)力比。

2.1.3 抗震性能化設(shè)計

工程在設(shè)計計算時，采用了抗震性能化設(shè)計理念，具體性能化設(shè)計步驟：驗算小震作用下承載力滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）要求（不包括塑性耗能區(qū)），小震作用下層間位移滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）要求；初步選擇塑性耗能區(qū)的性能等級為Ⅳ級；進行設(shè)防地震下的承載力驗算；確定構(gòu)件和節(jié)點延性等級及相應(yīng)抗震措施；驗算大震層間位移角。

氣囊內(nèi)外保護層采用優(yōu)質(zhì)彈性材料制成，這種材料能滿足各種氣候要求和耐機油要求。優(yōu)質(zhì)彈性材料和尼龍制成織物芯層(高強度支架)使得管狀氣囊具有良好的開卷特性和反應(yīng)靈敏性。所要求特性在-35℃～+90℃的范圍內(nèi)均可以得到滿足。上端蓋和活塞之間的管狀氣囊由金屬張緊環(huán)夾緊，氣囊在活塞上伸展。根據(jù)車橋設(shè)計形式，空氣彈簧與減振器可以分開布置，或者與減振器組合在一起同軸布置，如圖6所示是空氣彈簧與減振器可以分開布置形式。

項目根據(jù)結(jié)構(gòu)特性及使用功能選定塑性耗能區(qū)等級，根據(jù)結(jié)構(gòu)塑性耗能區(qū)彈性承載力的差別采用不同的延性等級進行延性機構(gòu)的控制，確保了地震時結(jié)構(gòu)按照預想的延性機構(gòu)開展塑性變形。

2.2 裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)建筑關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計

為了解決構(gòu)件連接節(jié)點繁多的問題，研發(fā)了適應(yīng)于鋼梁鋼柱連接、鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土梁的連接等節(jié)點構(gòu)造設(shè)計措施，解決了裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑關(guān)鍵節(jié)點連接問題。

2.2.1 裝配式建筑梁柱連接的節(jié)點

裝配式建筑中，疊合板作為裝配式結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在近些年所建的實際工程中得到廣泛應(yīng)用。其梁柱節(jié)點通常采用兩種方式實現(xiàn)強節(jié)點弱構(gòu)件的要求：一是梁翼緣貼蓋板，導致疊合板需要局部切槽；二是翼緣變寬，導致梁外包處理困難重重。傳統(tǒng)的措施不僅破壞了疊合板的受力性能，也給施工帶來了許多不便之處，不利于裝配式建筑的推廣。為此，提出一種施工方便快捷、連接可靠、經(jīng)濟適用的用于裝配式建筑梁柱連接的節(jié)點，如圖3，能使梁翼緣處表面平整，保證疊合樓板底面的平整，以期能夠解決裝配式建筑中疊合板同鋼梁連接存在的上述問題。

圖3 梁柱連接的節(jié)點

其特點在于：在鋼梁的端部焊接加強段梁，構(gòu)成加強后的梁體，加強后的梁體上下翼緣外表面平整，以加強段梁伸至鋼柱側(cè)板外壁，與鋼柱栓焊連接；加強段梁的翼緣厚度大于鋼梁的翼緣厚度，二者的翼緣寬度相等。

在鋼梁的端部增設(shè)加強段梁，并對加強段梁的翼緣增厚，加強段梁同原截面梁之間進行連接，形成梁整體結(jié)構(gòu)，在施工現(xiàn)場將加強后的梁體以加強段梁同鋼柱進行栓焊連接，疊合樓板平鋪于梁體上翼緣處。通過在梁柱節(jié)點處以加強段梁進行局部加強，能夠使得梁翼緣處表面平整，實現(xiàn)疊合樓板同鋼梁的合理連接，有效地解決了疊合樓板局部受損、安裝復雜等問題，保證了結(jié)構(gòu)強節(jié)點弱構(gòu)件的設(shè)計原則，也保證了疊合樓板底面的平整，避免因傳統(tǒng)梁柱節(jié)點加強而導致的外漏和切槽的狀況發(fā)生，適用于裝配式建筑。

2.2.2 鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土梁的連接節(jié)點

按照現(xiàn)有規(guī)范，部分梁，尤其是地下室頂板部位的梁，為滿足防水或人防的要求，宜采用鋼筋混凝土梁，而柱子則為箱型鋼管混凝土柱，兩者之間如何可靠連接，已是急需解決的問題?，F(xiàn)有在鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土梁之間的連接方式，大都是梁穿過柱子內(nèi)部實現(xiàn)連接，此種連接方式會削弱鋼管混凝土柱的強度，存在安全隱患，且施工困難，造價高。為此，提出了一種用于鋼管混凝土柱和多層配筋的鋼筋混凝土梁的連接節(jié)點和一種用于鋼管混凝土柱和單層配筋的鋼筋混凝土梁的連接節(jié)點，以期實現(xiàn)連接安全可靠且施工簡便的目的，圖4為該節(jié)點的主視圖與俯視圖。

圖4 鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土梁的連接節(jié)點

圖5 鋼柱柱腳節(jié)點做法

用于鋼管混凝土柱和多層配筋的鋼筋混凝土梁的連接節(jié)點，鋼管混凝土柱包括內(nèi)部填充有混凝土的鋼管，鋼管混凝土柱的鋼管外側(cè)連接鋼筋混凝土梁，鋼管外側(cè)在與鋼筋混凝土梁相連接的節(jié)點區(qū)域內(nèi)固定設(shè)置有一個牛腿、多個栓釘、橫向連接板和套筒，橫向連接板和套筒設(shè)置在牛腿的上、下翼緣板之間，鋼筋混凝土梁包括從上到下的多排梁縱筋，最上排梁縱筋與牛腿的上翼緣板固定連接，最下排梁縱筋與牛腿的下翼緣板固定連接，其余排的梁縱筋與對應(yīng)高度的橫向連接板或套筒固定連接。

鋼管外圍在節(jié)點區(qū)域內(nèi)設(shè)有一圈鋼筋混凝土外包環(huán)，鋼筋混凝土外包環(huán)為一個內(nèi)嵌有外包鋼筋籠的混凝土環(huán)，鋼筋混凝土外包環(huán)的內(nèi)側(cè)壁緊貼鋼管外側(cè)壁，且鋼筋混凝土外包環(huán)的外側(cè)壁與鋼筋混凝土梁相搭接，鋼筋混凝土外包環(huán)能完全包覆住鋼管外的牛腿、栓釘、橫向連接板和套筒，鋼筋混凝土外包環(huán)能完全包覆住鋼筋混凝土梁的上下表面。

牛腿的上、下翼緣板之間的區(qū)域內(nèi)設(shè)有三排固定層，三排固定層分別與所述鋼筋混凝土梁中間排的三排梁縱筋相連接，三排固定層從上往下依次為第一排、第二排、第三排固定層，第一排固定層和第三排固定層分別為橫向連接板，第二排固定層為套筒。第一排固定層的外端伸出牛腿的上翼緣板外端面之外，牛腿的下翼緣板外端伸出第三排固定層的外端面之外，第二排固定層的外端面不超出牛腿的上、下翼緣板外端面。牛腿為H型牛腿，H型牛腿包括上、下翼緣板以及連接上、下翼緣板之間的腹板。鋼筋混凝土外包環(huán)內(nèi)的外包鋼筋籠為由多個外包環(huán)形箍、多個外包縱筋、多個外包拉筋相綁扎形成外包鋼筋籠。鋼管內(nèi)側(cè)壁在對應(yīng)牛腿的上、下翼緣板的部位設(shè)置有內(nèi)隔板，內(nèi)隔板上開灌注孔和排氣孔。牛腿、栓釘、橫向連接板和套筒分別與鋼管相焊接，鋼筋混凝土梁的多排梁縱筋分別與牛腿、橫向連接板和套筒相焊接。鋼管為方形管，相應(yīng)地，鋼筋混凝土外包環(huán)為方形環(huán)。

用于鋼管混凝土柱和單層配筋的鋼筋混凝土梁的連接節(jié)點，該鋼管混凝土柱的鋼管外側(cè)連接鋼筋混凝土梁，鋼管外側(cè)在與鋼筋混凝土梁相連接的節(jié)點區(qū)域內(nèi)固定設(shè)置有一個牛腿和多個栓釘，鋼筋混凝土梁的梁頂縱筋與牛腿的上翼緣板固定連接，鋼筋混凝土梁的梁底縱筋與牛腿的下翼緣板固定連接；鋼管外圍在節(jié)點區(qū)域內(nèi)設(shè)有一圈鋼筋混凝土外包環(huán)，鋼筋混凝土外包環(huán)的內(nèi)側(cè)壁緊貼鋼管外側(cè)壁，鋼筋混凝土外包環(huán)的外側(cè)壁與鋼筋混凝土梁相搭接，鋼筋混凝土外包環(huán)能完全包覆住鋼管外的牛腿和栓釘，鋼筋混凝土外包環(huán)能完全包覆住鋼筋混凝土梁的上下表面。實現(xiàn)了連接安全可靠且施工簡便。

用于鋼管混凝土柱和單層配筋的鋼筋混凝土梁的連接節(jié)點，通過鋼筋混凝土梁的縱筋與牛腿固定連接，同時配合外包的鋼筋混凝土外包環(huán)，即可實現(xiàn)鋼筋混凝土梁與鋼管混凝土柱之間的安全可靠連接，此種連接形式中，鋼筋混凝土梁與鋼管混凝土柱外部相連接，鋼筋混凝土梁不穿過鋼管混凝土柱內(nèi)部，不會削弱鋼管混凝土柱的強度，從而保證了鋼管混凝土柱的強度，消除了安全隱患，且由于無須穿過鋼管混凝土柱，施工更加方便，造價低。

本項目在加工廠內(nèi)進行鋼管混凝土柱鋼管的預加工，具體過程：在鋼管混凝土柱的鋼管外側(cè)，與鋼筋混凝土梁相連接的節(jié)點區(qū)域內(nèi)，預焊接牛腿、栓釘、橫向連接板和套筒，其中，橫向連接板和套筒的層數(shù)與鋼筋混凝土梁中間排的梁縱筋相一致，鋼管內(nèi)對應(yīng)牛腿位置焊接內(nèi)隔板，內(nèi)隔板上開灌注孔和排氣孔，以方便后續(xù)灌注柱內(nèi)混凝土，完成鋼管的預加工。

其次，在現(xiàn)場進行鋼筋混凝土梁與鋼管混凝土柱的焊接作業(yè)，具體過程：將預加工后的鋼管帶到現(xiàn)場，在現(xiàn)場安裝就位后，安裝鋼筋混凝土梁的外圍模板，綁扎好鋼筋混凝土梁的各類鋼筋，包括最上排梁縱筋、最下排梁縱筋、第一排梁縱筋、第二排梁縱筋、第三排梁縱筋、梁箍筋、梁拉筋等，再將鋼筋混凝土梁的最上排梁縱筋焊接在牛腿的上翼緣板上，將鋼筋混凝土梁的最下排梁縱筋焊接在牛腿的下翼緣板上，其余排的梁縱筋與對應(yīng)高度的橫向連接板或套筒焊接固定。其中，梁兩側(cè)的梁縱筋可彎折繞過鋼管的就彎折繞過鋼管。完成鋼筋混凝土梁與鋼管混凝土柱的焊接作業(yè)。

再次，進行鋼筋混凝土外包環(huán)的外包鋼筋籠的施工，具體過程為：安裝節(jié)點區(qū)域內(nèi)鋼筋混凝土外包環(huán)的外圍模板，綁扎好鋼筋混凝土外包環(huán)內(nèi)的外包鋼筋籠，使外多個包環(huán)形箍、多個外包縱筋、多個外包拉筋相綁扎形成外包鋼筋籠。

最后，進行混凝土的澆筑，包括鋼管混凝土柱的鋼管內(nèi)的混凝土的澆筑以及鋼筋混凝土外包環(huán)的混凝土的澆筑，即完成連接節(jié)點的施工。

3 結(jié)論

本文通過對裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)公共建筑的關(guān)鍵技術(shù)進行研究，從巨型V型柱、轉(zhuǎn)換大跨度、大懸挑結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計以及對裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)建筑關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計出發(fā)，重點講述了巨型V形柱、轉(zhuǎn)換大跨度、大懸挑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與抗震性能設(shè)計。研發(fā)了適應(yīng)于鋼梁鋼柱連接、鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土梁的連接等節(jié)點構(gòu)造設(shè)計措施，解決了裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑關(guān)鍵節(jié)點連接問題，對裝配式鋼結(jié)構(gòu)公共建筑的設(shè)計有一定的指導作用，為國內(nèi)其他裝配式鋼結(jié)構(gòu)公共建筑項目提供參考。