鋼筋錨固對(duì)鋼管混凝土上環(huán)梁寬度的影響

林宇靜，崔先斌，陳 鋒，陳平宇，黃宏林，陳 磊

（1.中國(guó)建筑第二工程局有限公司華南分公司，廣東 深圳 518045；2.重慶賽迪工程咨詢有限公司，重慶 400000；3.深圳市建筑工務(wù)署文體工程管理中心，廣東 深圳 518045）

鋼管混凝土柱作為一種承載力大、施工便捷、建筑觀感良好的豎向構(gòu)件，近年來已經(jīng)越來越多地被選用為超高層建筑的主要豎向構(gòu)件。由于其外圍鋼管可以便捷地與其它鋼構(gòu)件連接，也有不少大型公共建筑采用鋼管混凝土柱作為主要豎向構(gòu)件，用以支撐大型鋼結(jié)構(gòu)屋面。

鋼管混凝土柱的梁柱節(jié)點(diǎn)按梁的材料類型主要分為兩種：與鋼梁連接和與鋼筋混凝土梁連接。與鋼梁連接時(shí)，梁與柱均為鋼材，構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，典型做法有內(nèi)（外）加強(qiáng)環(huán)、鋼梁穿心等做法。與鋼筋混凝土梁連接時(shí)，由于梁內(nèi)既有鋼筋又有混凝土，構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，近年來發(fā)展出不少做法：變梁寬式、雙梁式、鋼筋貫通式、鋼牛腿式、鋼筋混凝土環(huán)梁式等。前幾種做法由于構(gòu)造復(fù)雜，施工難度大，設(shè)計(jì)相對(duì)繁瑣等原因，在工程實(shí)踐中已較少使用。鋼筋混凝土環(huán)梁節(jié)點(diǎn)由于構(gòu)造簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)便捷，使用范圍較廣。隨著設(shè)計(jì)復(fù)雜程度增加，越來越多項(xiàng)目出現(xiàn)了框架梁縱筋在鋼管混凝土柱-混凝土環(huán)梁節(jié)點(diǎn)處錨固做法困難、甚至不能滿足規(guī)范要求的情況。

本文中的“環(huán)梁”均指鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土環(huán)梁節(jié)點(diǎn)的鋼筋混凝土環(huán)梁。

1 規(guī)范對(duì)環(huán)梁尺寸構(gòu)造要求

環(huán)梁尺寸在幾本主要規(guī)范中的要求基本一致，詳見表1。其中DBJ/T15-92-2021《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（下稱“廣東省《高規(guī)》”）對(duì)環(huán)梁寬度細(xì)化要求“不應(yīng)小于2/3 框架梁寬度”，對(duì)環(huán)梁高度僅要求“宜比框架梁高度高30mm”。各規(guī)范對(duì)環(huán)梁尺寸的隱性要求體現(xiàn)在對(duì)框架梁鋼筋的錨固要求中：“框架梁縱向鋼筋在環(huán)梁內(nèi)錨固長(zhǎng)度滿足GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求”，即達(dá)到框架梁端剛接的計(jì)算假定。廣東省《高規(guī)》中關(guān)于環(huán)梁構(gòu)造做法如圖1 所示。

圖1 廣東省《高規(guī)》中關(guān)于環(huán)梁構(gòu)造做法示意圖

表1 不同規(guī)范中對(duì)環(huán)梁尺寸的構(gòu)造要求

2 常見設(shè)計(jì)要求

在我司承建的項(xiàng)目中，涉及鋼管混凝土柱-混凝土環(huán)梁節(jié)點(diǎn)的項(xiàng)目類型，既有高度超300m的超高層鋼框架-核心筒寫字樓，也有室內(nèi)無柱空間超50m 的鋼框架結(jié)構(gòu)公共場(chǎng)館建筑，結(jié)構(gòu)類型多樣，均有采用環(huán)梁做法。表2 選取具有代表性的項(xiàng)目及設(shè)計(jì)單位關(guān)于環(huán)梁的設(shè)計(jì)要求以及與環(huán)梁相連的框架梁典型寬度、框架梁首層面筋錨固方式。

表2 不同項(xiàng)目施工圖中環(huán)梁尺寸的要求

從表2 的設(shè)計(jì)實(shí)例可見，環(huán)梁寬度一般均能滿足規(guī)范構(gòu)造要求，不小于框架梁的寬度。4 個(gè)項(xiàng)目中，3 個(gè)項(xiàng)目的框架梁縱筋錨固采用常見的搭接梁面筋在環(huán)梁梁面筋上部彎錨的做法，1 個(gè)項(xiàng)目采用框架梁縱筋在環(huán)梁邊下彎并伸入環(huán)梁梁首層面筋下部。現(xiàn)場(chǎng)采用1∶1 尺寸模擬環(huán)梁及框架梁鋼筋安裝，發(fā)現(xiàn)框架梁縱筋在環(huán)梁邊下彎并伸入環(huán)梁梁首層面筋下部做法存在無法安裝框架梁縱筋、框架梁縱筋水平錨固段過短等問題，可見框架梁的首排面筋放置于環(huán)梁面筋之上最優(yōu)做法（圖2、圖3）。

圖2 環(huán)梁構(gòu)造做法設(shè)計(jì)大樣

圖3 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)梁做法

3 框架梁鋼筋錨固要求對(duì)環(huán)梁尺寸的影響

3.1 框架梁在環(huán)梁處錨固的類型分析

框架梁與環(huán)梁的連接，并非一般的梁柱節(jié)點(diǎn)連接：其節(jié)點(diǎn)的傳力路徑為內(nèi)力從框架梁端傳遞至環(huán)梁側(cè)面，通過環(huán)梁擴(kuò)散后傳遞至鋼管混凝土柱子側(cè)壁，進(jìn)而向下傳遞。環(huán)梁與框架梁頂面平齊，沒有普通框架結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件向下傳來的壓力，與常規(guī)所說“梁柱節(jié)點(diǎn)”有所不同。所以，框架梁與環(huán)梁節(jié)點(diǎn)在受力實(shí)質(zhì)上是框架梁在環(huán)梁上的剛接錨固，即“梁搭梁”?，F(xiàn)行GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的第9.3 節(jié)“梁柱節(jié)點(diǎn)”部分對(duì)“梁縱筋在框架中間層端節(jié)點(diǎn)”、“梁縱筋在框架中間層中間節(jié)點(diǎn)或連續(xù)梁中間支座”、“梁縱筋在框架頂層端節(jié)點(diǎn)”均有明確要求，但并未有“框架梁在環(huán)梁處錨固節(jié)點(diǎn)”或類似情況的表述，間接印證環(huán)梁節(jié)點(diǎn)為“梁搭梁”。框架梁縱筋在環(huán)梁處錨固應(yīng)按GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.3 節(jié)“鋼筋的錨固”要求，框架梁縱筋彎折錨固并達(dá)到剛接假定。

3.2 環(huán)梁高度受鋼筋安裝的影響

從表1 中各規(guī)范對(duì)環(huán)梁高度的建議值中可以看出，環(huán)梁底標(biāo)高低于框架梁底標(biāo)高，從而使框架梁底筋可以水平伸入環(huán)梁并處于環(huán)梁最下層底筋之上，實(shí)踐中框架梁底筋安裝也相對(duì)便捷。環(huán)梁面筋受到框架梁面筋安裝影響會(huì)降低環(huán)梁有效高度，但此影響可通過增加鋼筋解決。故鋼筋安裝需求一般不會(huì)影響環(huán)梁高度。

3.3 環(huán)梁寬度受鋼筋安裝的影響

框架梁首層面筋布置在環(huán)梁面筋之上時(shí)，框架梁的縱筋在環(huán)梁處的錨固，按剛接充分利用鋼筋強(qiáng)度考慮時(shí)，可采用鋼筋90°彎鉤或機(jī)械錨固，此時(shí)規(guī)范明確要求最小水平錨固長(zhǎng)度為60%基本錨固長(zhǎng)度Lab（抗震時(shí)為L(zhǎng)abE）?？紤]到實(shí)際應(yīng)用鋼管混凝土柱的項(xiàng)目多為特一級(jí)、一級(jí)抗震，且目前城鎮(zhèn)房屋均需進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，后續(xù)均采用抗震基本錨固長(zhǎng)度。

框架梁縱筋錨固段的最小水平長(zhǎng)度應(yīng)達(dá)到60%LabE，此值即為滿足規(guī)范要求前提下框架梁縱筋的錨固要求。除此之外，GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求鋼筋的彎折錨固，彎折段尚應(yīng)放置在錨固構(gòu)件的角筋內(nèi)側(cè)。

綜上，從框架梁縱筋錨固要求出發(fā)的環(huán)梁構(gòu)造尺寸應(yīng)滿足

式中B——環(huán)梁寬度（mm）；

b——鋼管混凝土柱抗剪環(huán)水平寬度（mm）；

s——綜合施工空間及誤差，不應(yīng)小于30mm；

LabE——框架梁縱筋的基本抗震錨固長(zhǎng)度（mm）。

假設(shè)抗剪環(huán)水平寬度為25mm，箍筋直徑為14mm，環(huán)梁面筋直徑與框架梁縱筋一致，一級(jí)抗震，則可計(jì)算出常用鋼筋直徑及混凝土強(qiáng)度等級(jí)所對(duì)應(yīng)的環(huán)梁寬度，見表3。

表3 滿足最小錨固要求的環(huán)梁寬度尺寸 （單位：mm）

由表3 可見環(huán)梁寬度尺寸不宜僅按與其連接的框架梁寬度尺寸來確定，施工圖設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮各因素對(duì)環(huán)梁寬度的影響。

通過分析前文所列4 個(gè)項(xiàng)目的典型環(huán)梁節(jié)點(diǎn)施工圖，將鋼筋實(shí)際錨固所需環(huán)梁寬度與施工圖環(huán)梁設(shè)計(jì)寬度進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出差值=（實(shí)際錨固需要寬度-設(shè)計(jì)寬度），詳見表4。其中所有節(jié)點(diǎn)的抗剪環(huán)寬度、箍筋直徑、施工空間均按表3的假設(shè)確定?？梢钥闯?，表4 中超高層寫字樓3的環(huán)梁寬度設(shè)計(jì)距滿足鋼筋實(shí)際錨固需要寬度較大，環(huán)梁設(shè)計(jì)寬度約需增大40%才能符合要求。滿足要求的項(xiàng)目，其施工圖設(shè)計(jì)在混凝土強(qiáng)度等級(jí)、環(huán)梁寬度、鋼筋直徑均為相對(duì)有利于鋼筋錨固的做法，即高強(qiáng)度混凝土-低等級(jí)鋼筋-小直徑鋼筋的組合。

表4 不同項(xiàng)目施工圖中環(huán)梁尺寸與施工圖中配筋實(shí)際需求尺寸對(duì)比

4 結(jié)論及建議

通過本文分析，常規(guī)設(shè)計(jì)采用的混凝土環(huán)梁定寬設(shè)計(jì)，可能會(huì)導(dǎo)致施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施時(shí)不滿足鋼筋錨固的規(guī)范要求，建議設(shè)計(jì)混凝土環(huán)梁時(shí)采用下列做法及圖4 所示節(jié)點(diǎn)構(gòu)造。

圖4 建議的環(huán)梁構(gòu)造示意圖

1）混凝土環(huán)梁寬度的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮環(huán)梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)、框架梁鋼筋強(qiáng)度等級(jí)、框架梁鋼筋直徑、環(huán)梁箍筋直徑、抗剪環(huán)寬度、施工空間的影響，其中框架梁縱筋的影響最大。

2）框架梁縱筋除首層面筋外，其它縱筋建議設(shè)計(jì)時(shí)采用機(jī)械錨固做法，且優(yōu)選單側(cè)貼焊鋼筋或螺栓錨頭做法。

3）建議在框架梁縱筋的水平錨固段增設(shè)U型箍筋，直徑及間距滿足構(gòu)造，從環(huán)梁上部向下插入環(huán)梁，一個(gè)U 型箍筋箍住兩根框架梁縱筋，以滿足GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.3.1-3 條要求。