體育后勤樓勁性混凝土結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

楊 宇

（宜興海錫置業(yè)有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000）

0 引言

本文立足某重點(diǎn)學(xué)校建設(shè)項(xiàng)目，針對(duì)體育后勤樓大空間大跨度的建筑特點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)和勁性混凝土結(jié)構(gòu)形式，又集空間組合緊湊、功能分區(qū)多樣，尤其屋頂設(shè)有操場(chǎng)跑道、足球場(chǎng)等運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地的獨(dú)特設(shè)計(jì)形式，施工難度非常大，國(guó)內(nèi)外尚可借鑒的項(xiàng)目案例極少。由此，全篇圍繞建設(shè)工期緊、任務(wù)重、施工復(fù)雜等諸多難題展開(kāi)，狠抓施工技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)于大空間勁性混凝土結(jié)構(gòu)施工技術(shù)更做了重點(diǎn)論述，提出合理的施工方案，完成技術(shù)攻關(guān)，旨在圓滿完成工程進(jìn)度和施工質(zhì)量目標(biāo)，也為今后類似項(xiàng)目提供可靠有力的技術(shù)文獻(xiàn)參考。

1 工程概況

無(wú)錫外國(guó)語(yǔ)學(xué)校宜興校區(qū)工程位于宜興市廣匯北路。其中，體育后勤樓單體建筑層高 2 層，總面積23 600 m2，布局緊湊但功能分區(qū)齊全，包含地下室及下沉式操場(chǎng)、游泳池、辦公廳、餐廳、停車場(chǎng)等，其中屋頂設(shè)計(jì)有 17 300 m2的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)。結(jié)構(gòu)類型是勁性鋼結(jié)構(gòu)+現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的組合形式。

本單體工程鋼結(jié)構(gòu)主要由 50 根 H 型鋼柱和 6 根十字型鋼柱及 67 根 H 型鋼梁組成（見(jiàn)圖1）。勁性柱截面為 H 型鋼柱和十字型鋼柱，高度9～14 m，截面尺寸為 400 mm×300 mm、500 mm×400 mm、500 m m×500 m m、650 m m×300 m m、700 m m×300 mm、700 mm×700 mm，鋼板厚度有 20、3 0、38、5 0 m m；勁性梁截面為 H 型鋼梁，尺寸為 700 mm×300 mm、850 mm×300 mm、900 mm×300 mm、1 100 mm×400 mm、1 200 mm×600 mm、1 400 mm×300 mm、1 400 mm×600 mm，鋼板厚度有 20、30、38、50 mm。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)三維空間布置圖

2 本工程的施工難點(diǎn)重點(diǎn)

1）因本工程中一層有游泳館、報(bào)告廳、室內(nèi)籃球場(chǎng)，大空間局部跨度達(dá) 30 m 以上，高度達(dá) 10 m 以上。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用勁性鋼結(jié)構(gòu)和現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相結(jié)合，后澆帶分區(qū)中既有現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，又有勁性鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)需要等基礎(chǔ)保養(yǎng)后才吊裝，型鋼結(jié)構(gòu)先施工，后施工混凝土結(jié)構(gòu)，造成同一的分區(qū)內(nèi)無(wú)法同時(shí)施工。

2）按設(shè)計(jì)方案先進(jìn)行澆筑鋼柱下沉基礎(chǔ)并進(jìn)行保養(yǎng)達(dá)到強(qiáng)度要求后，再進(jìn)行上部型鋼柱的安裝，吊裝鋼柱后才能澆筑基礎(chǔ)，基礎(chǔ)強(qiáng)度滿足要求后，然后在進(jìn)行鋼梁的吊裝，單獨(dú)吊裝鋼柱時(shí)對(duì)柱下基礎(chǔ)的固定性、安全性和后期固定措施的要求高。先吊裝鋼柱需要對(duì)鋼柱預(yù)先采取加固措施。吊裝鋼梁前基礎(chǔ)也需要時(shí)間進(jìn)行保養(yǎng)，這給工期帶來(lái)了嚴(yán)重影響。

3）本項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件形式全部采用整體式。大型鋼構(gòu)件的吊裝尤為棘手，首先鋼柱吊裝后不能直接吊裝鋼梁，無(wú)法形成剛性單元，存在著安全風(fēng)險(xiǎn)。另外，體育后勤樓工程占地面積大，土建全面開(kāi)挖后鋼結(jié)構(gòu)吊裝道路切斷，施工困難。

4）高大支模排架體系對(duì)地基承載力要求很高，原設(shè)計(jì)地坪無(wú)法滿足要求，需對(duì)大空間鋼梁支撐加強(qiáng)處理。

3 針對(duì)上述施工難點(diǎn)提出如下施工措施

3.1 分區(qū)施工

為了便于勁性鋼結(jié)構(gòu)和現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的施工，經(jīng)和原設(shè)計(jì)單位溝通，調(diào)整施工后澆帶位置，把勁性鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的區(qū)域分開(kāi)，使得互補(bǔ)干擾。

體育后勤樓從北往南分成 10 個(gè)區(qū)，總施工順序從南和北往中間施工。1 區(qū)為混凝土框架結(jié)構(gòu)（S-A0/1-10 軸線），2 區(qū)為混凝土框架結(jié)構(gòu)（S-A0/10-16 軸線），3 區(qū)為混凝土框架結(jié)構(gòu)（1-10 軸交 R-L），4 區(qū)為勁性鋼結(jié)構(gòu)（L-R/F 交 11-16 軸線），5 區(qū)為混凝土框架結(jié)構(gòu)（1-9 交 H-1/K 軸線），6 區(qū)為勁性鋼結(jié)構(gòu)（G-1/K 交 11-16 軸線），7 區(qū)為勁性鋼結(jié)構(gòu)（C-F 交 1-1/5+F-G/1-9 軸線），8 區(qū)為勁性鋼結(jié)構(gòu)（A-1/E 交 1/5-12 軸線），軸），9 區(qū)為勁性鋼結(jié)構(gòu)（C-1/F 交 11-16 軸線），10 區(qū)為混凝土框架結(jié)構(gòu)（1-5+13-16 軸交 A-C）。把勁性鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)劃分開(kāi)，避免因鋼結(jié)構(gòu)影響框架結(jié)構(gòu)施工，每個(gè)區(qū)從基礎(chǔ)至屋面可以不干擾，獨(dú)立地從一層至屋面施工，可以合理安排勞動(dòng)力。分區(qū)后的屋面板在施工縫中加設(shè)置 3 mm 厚、300 mm 寬的鋼板止水帶，施工縫用鋼板網(wǎng)封閉。

3.2 鋼柱預(yù)埋與加固

針對(duì) 2.2 條內(nèi)容，為了增加鋼柱吊裝的穩(wěn)定性、可靠度，采用如下的施工措施，以滿足鋼柱吊裝后的穩(wěn)定性?，F(xiàn)場(chǎng)分兩種處理方式，第一種是針對(duì)位于獨(dú)立基礎(chǔ)內(nèi)的鋼柱預(yù)埋（見(jiàn)圖 2），第二種是針對(duì)在基礎(chǔ)筏板部位的鋼柱加固處理，見(jiàn) 3.2.1，3.2.2 和 3.2.3 節(jié)。

圖2 鋼柱基礎(chǔ)位于獨(dú)立基礎(chǔ)中施工圖（單位：mm）

3.2.1 型鋼柱施工工藝

承臺(tái)區(qū)域型鋼柱施工工藝：鋼柱下沉式基礎(chǔ)開(kāi)挖澆筑墊層→放十字線、綁扎下沉基礎(chǔ)鋼筋網(wǎng)→澆筑 100 mm 厚 C50 混凝土，固定鋼筋網(wǎng)→預(yù)埋固定鋼柱螺栓→澆筑下沉基礎(chǔ) C50 混凝土，全保養(yǎng)達(dá)到 C35 強(qiáng)度后進(jìn)行鋼柱吊裝→張拉纜風(fēng)繩固定，澆筑獨(dú)立基礎(chǔ)→全保養(yǎng)強(qiáng)度滿足后進(jìn)行鋼梁的吊裝。

預(yù)埋鋼柱螺栓，按柱鋼筋形式四周焊接分布鋼筋形成整體，再采用 18～20 mm 鋼筋與基礎(chǔ)鋼筋網(wǎng)整體焊接加固。

鋼柱下面 100 mm 厚采用 C50 灌漿料，灌漿前（為了把不同標(biāo)號(hào)區(qū)分開(kāi)）用鋼絲網(wǎng)進(jìn)行封堵，每邊擴(kuò)出柱邊 150 mm，高度比鋼板高 100 mm，便于施工。

鋼柱基礎(chǔ)校正加固，把柱腳底板用調(diào)平螺栓調(diào)平，再在柱底板下四角采用三角形鋼靴墊平墊緊，后用 C50 自流混凝土進(jìn)行灌漿處理。

在鋼柱頂上設(shè)拉結(jié)點(diǎn)，用鋼絲纜風(fēng)繩四角拉結(jié)調(diào)平拉緊，下部埋于基礎(chǔ)內(nèi)。

3.2.2 基礎(chǔ)筏板區(qū)域型鋼柱施工工藝

背包鋼筋綁扎→底部 100 mm 厚混凝土澆筑、固定鋼筋→型鋼柱螺栓預(yù)埋→背包混凝土澆筑→筏板混凝土澆筑（型鋼柱位置預(yù)留孔洞，柱邊線出 600 mm，焊接鋼筋骨架豎向φ25@400，橫向φ12@150，斜撐φ25@1 000 封鋼絲網(wǎng)隔斷，并設(shè)置閉合止水鋼板）→待筏板混凝土達(dá)到圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求強(qiáng)度后，機(jī)械設(shè)備架設(shè)在筏板上，進(jìn)行型鋼柱梁吊裝施工。注意：采用先施工鋼柱下基礎(chǔ)（預(yù)埋螺栓），再綁扎筏板鋼筋，在筏板鋼柱部位預(yù)留后安裝孔預(yù)留孔寬 2 m×2 m 底板面鋼筋預(yù)留錯(cuò)開(kāi) 50 % 接頭、后期鋼筋焊接，型鋼柱上設(shè)套筒，在預(yù)留口中部的四周設(shè)置鋼板止水帶。澆筑筏板后等強(qiáng)度滿足吊裝要求后，即進(jìn)行吊裝鋼結(jié)構(gòu)的吊裝鋼柱，鋼柱吊裝后進(jìn)行預(yù)留口的二次施工，采用提高一級(jí)的混凝土澆筑。澆筑養(yǎng)護(hù) 14 d 后進(jìn)行鋼梁吊裝。

3.2.3 施工驗(yàn)算書(shū)

1）計(jì)算說(shuō)明。根據(jù)鋼柱施工方案，鋼柱安裝完成時(shí)，鋼柱為獨(dú)立懸臂狀態(tài)，最高鋼柱懸臂長(zhǎng)度達(dá) 13 m，為確保鋼柱施工完成后的安全性，需對(duì)該懸臂狀態(tài)下的鋼柱作受力驗(yàn)算。鋼柱選擇 H 型和十字型兩種分別驗(yàn)算（見(jiàn)圖 3、圖 4），選擇驗(yàn)算鋼柱如下。

圖3 H型鋼柱 H700×700×30×50（單位：mm）

圖4 十字型柱 700×300×20×50（單位：mm）

2）計(jì)算邊界條件。根據(jù)施工圖紙及施工方案，鋼柱安裝完成后，鋼柱底部錨栓以下部分混凝土澆筑完成（含二次灌漿），即：鋼柱錨栓以下為固接約束。

3）計(jì)算荷載。計(jì)算荷載保守估計(jì)，按宜興當(dāng)?shù)厥暌挥鲲L(fēng)載計(jì)算（見(jiàn)圖 5）：w0=0.30 kN/m2。

圖5 鋼柱受風(fēng)載簡(jiǎn)圖

根據(jù) GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，βz=1.0，μz=0.65（表 8.2.1 C 類，13 m 高度），μs=1.3（表 8.3.1 第 32 項(xiàng)）。

4）H 型鋼柱驗(yàn)算（見(jiàn)圖 6）。

圖6 H 型鋼柱錨栓示意圖（單位：mm）

鋼柱受風(fēng)載線荷載為：

鋼柱底部彎矩為：

鋼柱底部剪力為：

鋼柱自重為：Nk=110 kN

保守計(jì)算，鋼柱底部彎矩全部由底部錨栓承擔(dān)，則，錨栓承受最大拉力為：

單個(gè) M24 錨栓受拉承載力設(shè)計(jì)值為：

鋼柱底部剪力由柱腳底板和其下部的混凝土之間的摩擦力承擔(dān)，其摩擦力為：

滿足。

5）十字型鋼柱驗(yàn)算（見(jiàn)圖 7）。

圖7 十字型鋼柱錨栓示意圖（單位：mm）

鋼柱受風(fēng)載線荷載為：

鋼柱底部彎矩為：

鋼柱底部剪力為：

鋼柱自重為：Nk=123 kN

保守計(jì)算，鋼柱底部彎矩全部由底部錨栓承擔(dān)，則，錨栓承受最大拉力為：

單個(gè) M24 錨栓受拉承載力設(shè)計(jì)值為：

鋼柱底部剪力由柱腳底板和其下部的混凝土之間的摩擦力承擔(dān)，其摩擦力為：

Vfb=0.4N=0.4×123=49.2 kN＞V=1.4×1.17=1.64 kN

滿足。

6）骨柱基礎(chǔ)抗傾覆驗(yàn)，以 H 型鋼為例（見(jiàn)圖 8）。在風(fēng)載水平作用下，驗(yàn)算鋼柱基礎(chǔ)抗傾覆。

圖8 鋼柱基礎(chǔ)抗傾覆示意圖（單位：mm）

傾覆彎矩：

Mq=FH=1/2×0.18×132×2/3×13=132 kN·m

抗傾覆彎矩：

Mr=NL=［110+25×1/2×（2.5+1.3）×0.7×2.5］

×1.25=241 kN·m，Mr/Mq=241/132=1.82＞1.3，滿足。

由計(jì)算可知，鋼柱在 13 m 懸臂狀態(tài)下受力滿足要求，其基礎(chǔ)抗傾覆滿足要求，加之施工過(guò)程中設(shè)置攬風(fēng)繩作為控制鋼柱穩(wěn)定性的第二道安全措施，鋼柱安裝的安全性滿足要求。

3.3 吊裝方案

根據(jù)體育后勤樓工程占地面積大、鋼結(jié)構(gòu)吊裝工作量較大、構(gòu)件較多等特點(diǎn)，為減少土建施工影響，縮短工期，減少型鋼與混凝土施工的交叉作業(yè)，本工程安排鋼結(jié)構(gòu)柱一次性吊裝完成，再進(jìn)行混凝土施工。

本工程鋼柱約有 24 根重量在 8～12 t，其余鋼柱重量均在 6 t 以內(nèi)；本工程采用汽車式起重機(jī)（130 t）；鋼梁約有 16 根重量為 7～16 t，其余鋼梁重量均在 5 t 以內(nèi)、主桁架、次桁架等將采用 25 t 吊機(jī)安裝；對(duì)于單件重量＜30 kg 的輕型小梁將通過(guò)人力搬運(yùn)或使用鋼托盤(pán)統(tǒng)一吊裝上各層平臺(tái)。

主桁架單件長(zhǎng)度約 34.4 m，結(jié)構(gòu)形式為：上下弦桿為挑臂箱型截面 WB300-12-20×550-69，直腹桿為方管 150×6，斜腹桿為拼接 H 型鋼 HI300-8-14×230。

3.3.1 吊裝順序

為保證優(yōu)質(zhì)、安全、高效地完成吊裝任務(wù)，把體育后勤樓劃分 3 個(gè)吊裝區(qū)域，每個(gè)吊裝區(qū)設(shè) 2 個(gè)汽車吊吊裝位置，每個(gè)吊裝點(diǎn)，按照進(jìn)度計(jì)劃與其他工種穿插作業(yè)，并嚴(yán)格按照鋼結(jié)構(gòu)吊裝流程施工（見(jiàn)圖 9）。

圖9 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件吊裝示意圖

鋼構(gòu)件分 3 段出廠 ，現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)拼裝后，整體提升吊裝。將鋼柱之間的主桁架先提升至設(shè)計(jì)位置，然后將主桁架之間的次桁架及次構(gòu)件吊裝到位。鋼構(gòu)件吊裝先吊裝軸線 9-11 交軸線 C-D 的鋼柱和鋼梁，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)之后再吊裝相鄰的鋼構(gòu)件，逐步完成吊裝任務(wù)。

3.3.2 吊點(diǎn)設(shè)置

1）鋼梁吊點(diǎn)設(shè)置。最大鋼梁尺寸為 6 0 0 m m×1 400 m m×19 280 m m，重量約 16 t，鋼梁上設(shè)置 2 個(gè) 12 t 吊點(diǎn)。

2）鋼柱吊點(diǎn)設(shè)置。最重鋼柱長(zhǎng)度為 13.2 m，重量 12.3 t，使用鋼柱上端的吊耳板作為吊點(diǎn)通過(guò) 2 根鋼絲繩及 2 個(gè)卸扣連接。

3）其他小件吊點(diǎn)設(shè)置。重量＜ 8 t 的其他小件將使用吊帶（5 t）進(jìn)行吊裝。

3.3.3 吊裝時(shí)對(duì)構(gòu)件的保護(hù)

1）吊裝時(shí)采用焊接吊耳，在構(gòu)件本身用鋼絲繩綁扎時(shí)對(duì)構(gòu)件及鋼絲繩進(jìn)行保護(hù)。

2）在構(gòu)件四角包角（用半圓鋼管內(nèi)夾角鋼），以防止鋼絲繩刻斷，在綁扎點(diǎn)處為防止工字鋼或 H 型鋼柱局部擠壓破壞，可增加加勁板，綁扎點(diǎn)處增加支撐桿。

3.4 技術(shù)措施

針對(duì)高大模板論證中提到的問(wèn)題采取以下技術(shù)措施。

1）地基承載力不足，原設(shè)計(jì)圖紙混凝土地坪采用 100 mm 厚碎石，120 mm 厚 C25 混凝土墊層澆筑；對(duì)橫向 11-15 軸交 J-A0 軸、以及 2-1/5 軸交線 A-E 軸，斷面為 700×1 200、500×1 500、800×1 100、1 000×1 800、800×1 800 mm 等截面較大或自重大的梁，按 120 mm 厚混凝土墊層計(jì)算不滿足要求，為此在該位置的梁下混凝土地坪，沿梁寬每邊各擴(kuò)出 2 m，厚度增加至 200 mm，通長(zhǎng)布置。

2）針對(duì)大空間中沒(méi)有柱，鋼管排架無(wú)法進(jìn)行有效拉結(jié)固定的情況，在游泳池寬度 33 m 的大空間梁下，分別在位于 9 軸、11 軸交 E 軸設(shè)工字鋼柱（見(jiàn)圖 10、圖 11）；在報(bào)告廳大跨和風(fēng)雨操場(chǎng)東西方向的 24 m 大梁跨中設(shè) 1 個(gè)獨(dú)立的工字鋼柱；該部位大梁分兩層澆筑，第一層先行澆筑 800 mm 混凝土，待混凝土與型鋼梁柱形成框架，間隔 7 d 再澆筑梁板。

圖10 型鋼支撐剖面圖（單位：mm）

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)錫外國(guó)語(yǔ)學(xué)校宜興校區(qū)工程作為江蘇省重點(diǎn)項(xiàng)目，其中體育后勤樓獲評(píng)江蘇省“揚(yáng)子杯”優(yōu)質(zhì)工程獎(jiǎng)。在勁性混凝土結(jié)構(gòu)施工中，狠抓施工技術(shù)難點(diǎn)，提出合理的施工方案，并經(jīng)參建多方配合協(xié)作，完成技術(shù)攻關(guān)。最終，確保了工程進(jìn)度和施工質(zhì)量，取得了良好的社會(huì)效益。Q