高層建筑鋼結(jié)構(gòu)-鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)施工技術(shù)研究

余永佳 （廣東省構(gòu)建工程建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510610）

鋼結(jié)構(gòu)-鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是一種能夠充分發(fā)揮鋼與混凝土材料特性的組合結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的承載能力與抗變形能力卓越，因此，在高層建筑中廣泛應(yīng)用。但從施工角度來(lái)講，此類結(jié)構(gòu)對(duì)施工技術(shù)要求高、難度大，施工技術(shù)運(yùn)用不合理、不得當(dāng)對(duì)工程質(zhì)量與工期的影響較大。基于此，如何安全、優(yōu)質(zhì)、高效、經(jīng)濟(jì)地完成施工，仍是施工技術(shù)領(lǐng)域需要深入研究的重要課題。

1 工程概況

某高層建筑，其中1#樓為框架核心筒結(jié)構(gòu)，核心筒16~19 軸線與F~K 軸線區(qū)域?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)，共設(shè)置14 根鋼管混凝土柱，總共19層，層高4.5m。結(jié)構(gòu)中鋼管混凝土之間、鋼管柱與筒體之間、鋼管柱與邊梁之間均采用鋼筋混凝土梁連接，每層均形成14 個(gè)鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁組合結(jié)構(gòu)。其中，鋼管混凝土柱直徑1200mm，高4.5m；鋼管規(guī)格Φ48.3mm×3.6mm，采用高強(qiáng)度低合金結(jié)構(gòu)鋼材料Q345B，抗拉強(qiáng)度510MPa～600MPa，屈服強(qiáng)度345MPa；鋼筋直徑有三種類型：12mm、20mm、28mm，均為HRB400 鋼筋，抗拉強(qiáng)度570MPa，屈服強(qiáng)度400MPa。

2 工藝原理與工藝流程

2.1 工藝原理

本高層項(xiàng)目采用鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁組合結(jié)構(gòu)形式，是一種常見(jiàn)的鋼結(jié)構(gòu)-鋼筋混凝土組合建筑結(jié)構(gòu)。但在鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁結(jié)合部位存在特殊情況，為此，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)施工工藝做出適當(dāng)調(diào)整，并創(chuàng)新應(yīng)用BIM 技術(shù)模型輔助鋼材下料與拼裝，使施工期間順利完成鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁的組合。其中，關(guān)鍵工藝如下：

（1）采用預(yù)制鋼管柱，在BIM技術(shù)模型的輔助下完成拼裝；并輔助鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)的組合，確保結(jié)構(gòu)中大直徑鋼筋預(yù)先進(jìn)行精準(zhǔn)定位，保證鋼筋與鋼板位置準(zhǔn)確，使節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（2）鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁結(jié)合位置，需要特制環(huán)形梁模板配合混凝土澆筑，為此，引入“平轉(zhuǎn)弧”新型模板技術(shù)，提高模板利用率，節(jié)約施工成本。

（3）由于鋼筋混凝土梁與鋼管柱牛腿節(jié)點(diǎn)位置澆筑混凝土難度大，改良鋼筋混凝土梁澆筑技術(shù)，在牛腿環(huán)板上開(kāi)孔，提高節(jié)點(diǎn)位置澆筑質(zhì)量。

2.2 工藝流程

在已有BIM 模型基礎(chǔ)上進(jìn)行施工，待預(yù)制鋼管柱運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后開(kāi)始施工。工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

2.3 質(zhì)量控制措施

2.3.1 遵照規(guī)范

遵照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、行業(yè)技術(shù)規(guī)范、地方強(qiáng)制性條文與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、施工圖展開(kāi)質(zhì)量控制工作。其中，相關(guān)規(guī)范主要包括GB 50026-2020《工程測(cè)量規(guī)范》、GB 50017-2020《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50205-2020《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》、GB 50936-2014《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》等。

2.3.2 質(zhì)量保證措施

（1）檢驗(yàn)原材料各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)，確保符合材料標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)要求，所有原材料均應(yīng)帶有合格證、質(zhì)保書(shū)，進(jìn)場(chǎng)前按規(guī)定復(fù)驗(yàn)。

（2）嚴(yán)格控制鋼管柱安裝位置，將軸線偏移誤差以及牛腿面標(biāo)高偏差控制在允許范圍內(nèi)。

（3）焊工必須持證上崗，按規(guī)定控制焊接時(shí)間與溫度，嚴(yán)格執(zhí)行工藝要求；一級(jí)焊縫采用超聲波探傷設(shè)備判斷是否合格，合格后允許進(jìn)入下道工序。焊接期間設(shè)置防護(hù)裝置，遮光、防風(fēng)，保證焊接質(zhì)量。

（4）按照技術(shù)規(guī)范要求檢驗(yàn)構(gòu)件質(zhì)量，共涉及自檢、互檢、專檢三道程序，驗(yàn)收合格后進(jìn)場(chǎng)。

（5）嚴(yán)格落實(shí)鋼管柱吊裝執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，底層柱柱底軸線對(duì)定位軸線偏移允許偏差為±3.0mm、鋼管柱定位軸線允許偏差為±1.0mm、單節(jié)柱垂直度允許偏差為h/1000且≤10.0mm。

3 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)-鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

3.1 施工準(zhǔn)備

3.1.1 吊裝施工

根據(jù)工程特點(diǎn)與工期要求，鋼管柱選擇現(xiàn)場(chǎng)組裝施工方法，先分析吊裝機(jī)具選型是否可靠，再進(jìn)行吊裝與定位調(diào)節(jié)，保證吊裝施工安全進(jìn)行。

最大鋼管柱長(zhǎng)度3.365m，重量約2t 左右，擬采用35t汽車(chē)吊進(jìn)行吊裝施工，起吊方法為三點(diǎn)起吊法。35t汽車(chē)吊最大作業(yè)半徑R為32m、最大地上揚(yáng)程L為38m；額定起重量G為35t，支腿跨度為5.5m×6m，吊裝載荷Q1組裝鋼管柱重Q為3.5t；不均勻系數(shù)K1為1.1，動(dòng)載系數(shù)K2為1.05，風(fēng)載系數(shù)K3為1.3，基本風(fēng)壓W0為17.5kg/m；迎風(fēng)面積S鋼柱為28.8m2；吊鉤重q1為0.25t，吊索具重q2為0.2t。經(jīng)計(jì)算：

上述計(jì)算表明吊裝安全，吊裝機(jī)械選型合理。

由此，在吊裝中采用35t 汽車(chē)吊配合Φ21mm 鋼絲繩，其中，鋼管柱上部的耳板為吊點(diǎn)位置，通過(guò)卸扣連接鋼絲繩，將鋼管柱吊裝到指定位置。吊運(yùn)至安裝位置上方時(shí)，在懸空鋼管柱控制母線外側(cè)下方架設(shè)兩臺(tái)經(jīng)緯儀，處于相互垂直狀態(tài)，以母線為基準(zhǔn)觀察已安裝鋼管柱上方兩條控制母線與懸空鋼管柱下方兩條控制母線是否在一條直線上，進(jìn)行懸空鋼管柱調(diào)平[1]。

調(diào)平后需要利用定位輔助裝置進(jìn)行鋼管柱定位調(diào)節(jié)，縮小吊裝誤差。定位輔助裝置安裝在鋼管柱上端四塊耳板當(dāng)中，在耳板外端采用豎直向上固定設(shè)施進(jìn)行支撐，支撐板上端處于超出鋼管柱上端面狀態(tài)，超出部分利用千斤頂進(jìn)行水平支撐[2]。在懸空狀態(tài)下調(diào)整鋼管樁位置時(shí)，在其對(duì)應(yīng)傾斜方向兩側(cè)下部耳板與已安裝鋼管柱上部各自對(duì)正耳板之間頂接千斤頂，豎向設(shè)置即可；再在已安裝鋼管柱另外兩個(gè)耳板用于頂接支撐板的千斤頂水平支撐位置與懸空鋼管柱下部側(cè)表面之間，沿徑向方向水平設(shè)置千斤頂，通過(guò)控制四個(gè)新置千斤頂?shù)纳炜s使鋼管柱筒位對(duì)準(zhǔn)。

3.1.2 焊接施工

采用對(duì)稱施焊工藝，定位上層鋼管柱，校核位置準(zhǔn)確后，在加工環(huán)節(jié)中在上層柱下口設(shè)置的45°坡口內(nèi)點(diǎn)焊≥6mm 厚的襯板，再栓接上下段鋼管柱連接所用耳板。同時(shí)，正式施焊前應(yīng)清理、打磨坡口，去除油污與鐵銹。

施焊中采用加熱裝置對(duì)坡口上下1.5 倍板厚且≥100mm范圍內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱；接口焊縫為熔透二級(jí)焊縫，作業(yè)需要2人配合完成，分次焊滿。焊接期間需注意2名焊接人員的焊接作業(yè)方式、參數(shù)、方向必須保持一致，每層連續(xù)不間斷焊完，接茬位置應(yīng)錯(cuò)開(kāi)不低于50mm的距離；焊接結(jié)束后清理焊縫表面，檢查是否均勻、飽滿、平直、美觀，控制焊縫余高0~3mm。焊接順序如圖2所示。

圖2 焊接順序示意圖

3.1.3 支架搭設(shè)

鋼管柱施工期間搭設(shè)支架借助PKPM 軟件完成計(jì)算，保證模板受力均勻，減少施工安全風(fēng)險(xiǎn)。期間要綜合考慮鋼管柱牛腿弧形段安裝施工需求，進(jìn)行統(tǒng)一布置，即利用規(guī)格為48.3mm×3.6mm的鋼管扣件式腳手架搭設(shè)。但也要保證其能夠隨模板調(diào)整布置，最后調(diào)節(jié)立桿間距、步距。

3.1.4 梁模板設(shè)計(jì)加工與安裝

本環(huán)節(jié)也屬于鋼管柱與鋼筋混凝土梁交叉施工環(huán)節(jié)，基于BIM技術(shù)模型，根據(jù)梁的位置預(yù)先進(jìn)行下料定位，采用常規(guī)方法鋪裝，先進(jìn)行底模鋪裝（包含鋼管柱牛腿弧形段），并做好模板支撐與加固。但在鋼管柱與鋼筋混凝土梁組合部位涉及結(jié)構(gòu)特殊的環(huán)形梁，加工時(shí)先確定鋼管柱牛腿弧形段的弧度，再采用“平轉(zhuǎn)弧”加工技術(shù)，利用施工中的普通平面板或梁模板，經(jīng)過(guò)加工改良，將平面模板加工成圓弧模板，再以常規(guī)方法鋪裝。平轉(zhuǎn)弧模型如圖3所示。

圖3 平轉(zhuǎn)弧模型圖

3.1.5 鋼管柱內(nèi)澆筑混凝土

鋼管柱內(nèi)澆筑混凝土采用高強(qiáng)度素混凝土，摻入膨脹劑，控制膨脹率在2/10000~2.5/10000內(nèi)；運(yùn)輸時(shí)采用塔吊吊斗，配合串筒裝置（由Φ200mm膠導(dǎo)管與模板構(gòu)成）下料。澆筑期間，每次澆筑最大高度為2m，澆筑時(shí)需要充分振搗密實(shí)；并控制上下層澆筑施工間隔時(shí)間，不得超過(guò)下層澆筑混凝土的初凝時(shí)間[3]。柱內(nèi)混凝土澆筑裝置如圖4所示。

圖4 鋼管柱內(nèi)混凝土澆筑裝置平面圖

3.2 鋼筋混凝土梁施工

3.2.1 梁鋼筋與鋼牛腿焊接

焊接前，先確定鋼牛腿與梁鋼筋的焊接節(jié)點(diǎn)，并將準(zhǔn)備好的鋼筋提前運(yùn)至焊接施工位置；焊接時(shí)，按照BIM模型上給出的位置關(guān)系，在施工現(xiàn)場(chǎng)精準(zhǔn)放樣。要求焊接時(shí)兩根縱筋錯(cuò)開(kāi)布置，實(shí)施雙面焊，控制焊縫長(zhǎng)度≥5d、寬度≥0.8d、高度≥0.3d且≥4mm[4]。遇到難以實(shí)施雙面焊位置，可以采取單面焊形式，但焊縫長(zhǎng)度應(yīng)≥10d。

3.2.2 鋼牛腿弧形段支模

待梁鋼筋安裝結(jié)束后，安裝加工好的弧形模板，并按照普通梁側(cè)模安裝技術(shù)進(jìn)行弧形模板加固。

3.2.3 澆筑混凝土

本項(xiàng)目中梁與柱牛腿節(jié)點(diǎn)位置混凝土澆筑施工難度大，為順利完成澆筑，對(duì)鋼板進(jìn)行改良，在鋼環(huán)板上開(kāi)洞，經(jīng)計(jì)算受力仍滿足設(shè)計(jì)要求，繼而通過(guò)洞口澆筑混凝土[5]。洞口尺寸應(yīng)保證能夠伸入小型振搗棒，提高澆筑密實(shí)度，并能夠通過(guò)開(kāi)洞將混凝土內(nèi)的空氣排出。

3.2.4 養(yǎng)護(hù)與拆模

養(yǎng)護(hù)采取帶模養(yǎng)護(hù)形式，保證混凝土表面濕潤(rùn)、不失水，預(yù)防早期失水過(guò)快引發(fā)的開(kāi)裂問(wèn)題。

在同條件下完成試塊試壓，確定混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%后方可拆模。拆模按照“后支先拆、先支后拆、先非承重部位、后承重部位以及自上而下”的原則進(jìn)行。

4 施工技術(shù)效果評(píng)價(jià)

經(jīng)檢測(cè)，鋼管柱吊裝位置偏差、鋼筋安裝位置與焊接質(zhì)量、混凝土澆筑質(zhì)量均滿足設(shè)計(jì)要求，鋼結(jié)構(gòu)-鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)施工技術(shù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)意圖，受到參建各方的一致好評(píng)，項(xiàng)目管理團(tuán)隊(duì)也在施工期間積累豐富經(jīng)驗(yàn)，體現(xiàn)出方案明確、實(shí)施有效、目標(biāo)實(shí)現(xiàn)等履約管理能力，提高了施工作業(yè)人員的技術(shù)素質(zhì)和質(zhì)量意識(shí)。整個(gè)施工工藝取得了較好的綜合效益。

5 結(jié)語(yǔ)

以某高層建筑施工為例，分析鋼結(jié)構(gòu)-鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)形式的施工技術(shù)，從中得出以下結(jié)論：

（1）鋼管柱等鋼結(jié)構(gòu)承載構(gòu)件在工廠內(nèi)加工成型，節(jié)約施工效率與成本，有助于控制構(gòu)件質(zhì)量；借助BIM技術(shù)模型下料，預(yù)防材料浪費(fèi)。

（2）借助BIM 技術(shù)模型完成結(jié)構(gòu)構(gòu)件、模板的組合、定位、放樣，節(jié)約反復(fù)協(xié)調(diào)與檢查時(shí)間。

（3）通過(guò)鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁，最大程度發(fā)揮建筑材料與結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)勢(shì)，使內(nèi)力在框架梁內(nèi)傳遞，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體抗震性。

（4）積極創(chuàng)新施工裝置、技術(shù)形式，提高資源利用率與施工技術(shù)水平。