裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑關(guān)鍵施工技術(shù)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

摘要 文章探討了裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的施工關(guān)鍵技術(shù)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題，以期提高工程效率、確保結(jié)構(gòu)安全和提升抗震能力。采用全站儀、千斤頂?shù)雀呔葍x器進(jìn)行鋼柱、鋼梁的精確安裝與校正；針對(duì)結(jié)構(gòu)連接問題，通過優(yōu)化鋼梁與混凝土墻的交接口、梁筋與型鋼的連接節(jié)點(diǎn)等，提升連接強(qiáng)度；混凝土墻體與鋼柱使用豎向連接鋼板加固，以及對(duì)鋼筋穿透型鋼腹板的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。結(jié)果表明：經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，結(jié)構(gòu)承載能力和抗震性能均有所提高，結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)一步增強(qiáng)了建筑的安全性和可靠性。

關(guān)鍵詞 裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑；關(guān)鍵施工技術(shù)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號(hào) TU758 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）19-0099-03

0 引言

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的推行能夠有效提升建筑工程的效率與質(zhì)量，同時(shí)符合綠色建筑和可持續(xù)發(fā)展的理念，裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑關(guān)鍵施工技術(shù)不僅包含鋼柱和鋼梁的精確安裝，而且涉及樓層板、連接節(jié)點(diǎn)等復(fù)雜構(gòu)件的處理。此外，對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步提高建筑的承載能力和抗震性能，增加建筑的使用壽命和環(huán)境適應(yīng)性，因此該研究具有較高的理論意義和實(shí)用價(jià)值。針對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的研究雖已有不少進(jìn)展，但在施工技術(shù)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的研究相對(duì)較少。例如，在如何提高施工效率、保障施工安全方面，以及在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中如何更加合理地利用材料、減少浪費(fèi)、提升建筑性能等方面，都有著廣闊的研究空間。該文基于已有的工程經(jīng)驗(yàn)與理論分析，系統(tǒng)地研究了裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的關(guān)鍵施工技術(shù)，如鋼柱、鋼梁的安裝工藝，樓層板的施工方法，以及連接節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 工程概況

某裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑面積為51 603 m2，地面上的建造區(qū)域?yàn)?7 565 m2，地下空間面積為14 038 m2。在建筑結(jié)構(gòu)方面，地面樓層采用框架與支撐的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，地下則使用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，根據(jù)安全標(biāo)準(zhǔn)，該樓宇為二類安全等級(jí)，滿足8度的抗震要求，并且防火等級(jí)為最高等級(jí)。

2 主體結(jié)構(gòu)施工

2.1 安裝鋼柱

在設(shè)置鋼柱時(shí)，鋼柱吊裝到指定地點(diǎn)時(shí)，用臨時(shí)螺栓將連接板與柱身的耳板緊密連5b1cbede328f1d95cfee2410b8d41811接，然后使用倒鏈等微調(diào)裝置進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)運(yùn)用全站儀進(jìn)行水平和對(duì)準(zhǔn)校正。

在設(shè)置鋼柱的吊裝點(diǎn)時(shí)，必須兼顧施工的操作便利與建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，同時(shí)確保柱體在施工過程中不發(fā)生彎曲或變形。在鋼柱上焊接耳板以協(xié)助吊裝工作，耳板采用Q355B級(jí)鋼材制造，標(biāo)準(zhǔn)厚度設(shè)定為20 mm，對(duì)于重量較重的鋼柱，需重新進(jìn)行厚度計(jì)算，以確保其滿足工程所需的力學(xué)性能和安全標(biāo)準(zhǔn)[1]。在鋼柱安裝過程中，確定吊點(diǎn)的位置，其計(jì)算方法需綜合考慮鋼柱的類型、重量、形狀和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等因素[2]，根據(jù)起吊時(shí)的力學(xué)平衡條件，吊點(diǎn)的位置應(yīng)滿足：

ΣMxc=0 （1）

ΣMyc=0 （2）

式中：Mxc和Myc分別表示鋼柱在x和y方向上的力矩平衡（N·m）。

假設(shè)兩個(gè)吊點(diǎn)分別位于距高鋼柱兩端a和L?a的位置，則有：

G×（L/2?a）=F2×L （3）

式中：G——鋼柱的重量（N）；L——鋼柱的長度：（m）；a——表示第一個(gè)吊點(diǎn)距離鋼柱一端的距離（m）；F2——表示第二個(gè)吊點(diǎn)所施加的拉力（N）。

對(duì)于重量為14 750.96 N、長度為12 m的H型鋼柱，橫截面尺寸為400 mm × 400 mm，材質(zhì)為Q355B鋼，體積約為0.192 m3。假設(shè)動(dòng)載系數(shù)1.2和不平衡系數(shù)1.1，通過計(jì)算和模擬，考慮鋼柱的重量分布以及吊點(diǎn)的力矩平衡，最終確定吊點(diǎn)應(yīng)位于距離鋼柱兩端各3 m的位置，以確保吊裝過程中鋼柱的力平衡與穩(wěn)定性。

鋼柱校正包括垂直度調(diào)整和扭度修正，通常采取無纜風(fēng)繩技術(shù)進(jìn)行。在鋼柱上裝備千斤頂，與經(jīng)緯儀協(xié)作，微調(diào)鋼柱的垂直度，確認(rèn)柱釘?shù)妮S線偏差在合格范圍內(nèi)，然后將耳板螺栓緊固，利用撬棍等工具進(jìn)行扭轉(zhuǎn)修正，調(diào)整到位后，卸除暫用耳板，并進(jìn)行鋼柱的焊接。

2.2 安裝鋼梁

在相鄰鋼材的組裝工作后，搭建鋼柱橫梁，以確保整體框架的穩(wěn)定性，如果無法立即執(zhí)行后續(xù)工程，需要使用纜繩對(duì)鋼材進(jìn)行臨時(shí)固定，以防止其發(fā)生彎曲或移位。安裝橫梁時(shí)，應(yīng)先安裝結(jié)構(gòu)梁，然后是輔助梁。對(duì)于多層鋼結(jié)構(gòu)，須在底層的橫梁組裝后，安裝上層結(jié)構(gòu)，在工廠預(yù)制的環(huán)節(jié)，需要在鋼梁上預(yù)置吊裝的孔洞，以方便施工期間的搬運(yùn)工作。

當(dāng)鋼梁被吊升至預(yù)定地點(diǎn)，將其與連接板固定，并確保螺栓擰緊到位。通常情況下，鋼梁可以借助預(yù)設(shè)的螺孔完成吊裝，如果鋼梁的重量較重，應(yīng)在制造時(shí)焊接上吊耳，增強(qiáng)吊裝時(shí)的穩(wěn)定性和安全性。

2.3 樓板施工

2.3.1 鋼筋桁架樓承板施工

鋼筋桁架結(jié)構(gòu)的樓板由三組桁架組合而成，形成單一的樓板單元，考慮施工的效率與現(xiàn)場(chǎng)的具體條件，預(yù)制樓板抵達(dá)施工地點(diǎn)并經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量審核后，應(yīng)該將其安全地存放于規(guī)定的區(qū)域，并且進(jìn)行明確的標(biāo)記以方便后續(xù)作業(yè)。

在進(jìn)行吊裝操作時(shí)，需要在樓板的上下兩面裝設(shè)U形卡槽和木質(zhì)支撐條，同時(shí)利用兩條吊裝帶以平衡方式進(jìn)行吊起作業(yè)。樓板放置在預(yù)定的位置后，應(yīng)立即進(jìn)行鋪設(shè)作業(yè)，在鋪設(shè)樓板前，必須在鋼梁的兩端焊接上封邊角鋼，形成有效的隔離，避免在澆筑混凝土?xí)r發(fā)生漏漿問題，如圖1所示。

在封邊角鋼上標(biāo)記參考線，然后在鋼梁上標(biāo)記出鋼筋桁架的起始點(diǎn)，利用參考線確定樓承板的精確安裝位置，并按照位置進(jìn)行樓承板的固定。如果樓承板的尺寸超出規(guī)格要求，應(yīng)在工廠內(nèi)依據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整切割。在樓承板的安裝過程中，應(yīng)同步實(shí)施鋼梁上的栓釘焊接任務(wù)，確保整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和完整性。

2.3.2 混凝土疊合板施工

在混凝土疊合板施工前，須對(duì)支撐系統(tǒng)的承載能力和穩(wěn)定性校驗(yàn)，以確保澆筑完成后樓板能符合水平標(biāo)準(zhǔn)，在挑選支撐系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮施工的便捷性以及系統(tǒng)的整體性能。

在吊裝混凝土疊合板時(shí)，采用平衡懸吊方法，為實(shí)現(xiàn)平衡負(fù)載，吊點(diǎn)一般選擇在板的四個(gè)角落。在吊裝到達(dá)預(yù)定的安裝位置前，應(yīng)提前在距離300 mm的地方暫停吊裝操作，以便依據(jù)施工圖紙進(jìn)行精確校正[4]，在確認(rèn)定位信息無誤后，再將構(gòu)件安全且準(zhǔn)確地吊放到預(yù)定的安裝區(qū)域。

在澆筑混凝土前，需要清潔板面，去除所有塵土和雜物，并對(duì)板面進(jìn)行濕化處理，當(dāng)疊合板表面達(dá)到清潔標(biāo)準(zhǔn)后，開始混凝土的澆筑作業(yè)。[4]澆筑應(yīng)從板的中央?yún)^(qū)域向兩邊擴(kuò)展，同時(shí)利用平板振動(dòng)器進(jìn)行均勻振實(shí)，以確?；炷恋拿軐?shí)度，澆筑工序完成后，用塑料薄膜進(jìn)行覆蓋，以保持濕潤狀態(tài)，而進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)期應(yīng)不少于7 d。

3 構(gòu)件優(yōu)化

3.1 混凝土墻與鋼柱連接節(jié)點(diǎn)

3.1.1 鋼梁與混凝土墻交接處連接

原設(shè)計(jì)在鋼筋混凝土墻上方存在尺寸為300 mm×600 mm×20 mm×12 mm的鋼梁，根據(jù)圖紙施工會(huì)引發(fā)此處墻體上部豎向鋼筋難以錨固以及上層墻體鋼筋無法生根等狀況，導(dǎo)致鋼梁之上的鋼筋混凝土承重墻及砌塊墻等立面荷載均作用于鋼梁兩端翼緣板處。[3]由于室內(nèi)墻面需安裝設(shè)備，導(dǎo)致墻面受力朝室內(nèi)方向傾斜，在型鋼梁腹板與連接處形成剪切力矩集中應(yīng)力[5]，而且鋼梁空腔位置的混凝土澆筑難度頗高，鋼梁上不存在加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，梁體將在設(shè)計(jì)使用年限之前產(chǎn)生疲勞失效開裂現(xiàn)象。

為解決該問題，將此處鋼梁截面調(diào)整為200 mm×

600 mm×20 mm×12 mm，并在鋼梁兩端各自預(yù)留50 mm錨固鋼筋，通過對(duì)鋼梁截面調(diào)整后，性能指標(biāo)如表1所示。

優(yōu)化前鋼梁的承載能力為500 kN·m，優(yōu)化后鋼梁的承載能力提升至600 kN·m，承載能力提高了20%。在模擬地震作用下，優(yōu)化前結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為1/250，優(yōu)化后最大層間位移角減小至1/300，抗震性能提升了20%。通過減小鋼梁尺寸并增加錨固鋼筋，不僅提升了結(jié)構(gòu)的承載能力，而且也增強(qiáng)了抗震性能。

3.1.2 地下室剪力墻與鋼柱連接

地下室的剪力墻與鋼柱的連接方式通過使用型鋼混凝土柱中的栓釘來實(shí)現(xiàn)，栓釘允許剪力墻的鋼筋從柱子邊緣開始錨固。為解決地下室剪力墻與鋼柱連接時(shí)的受力問題，可以通過安裝豎向連接鋼板加強(qiáng)剪力墻與鋼柱之間的連接強(qiáng)度，確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載力，同時(shí)提高整個(gè)建筑的抗震性能，人防剪力墻與鋼柱連接如圖2所示。

圖中：La表示剪力墻與鋼柱連接節(jié)點(diǎn)處的構(gòu)件長度，單位為m。

f表示鋼柱或剪力墻在該節(jié)點(diǎn)處所受的力，通常為剪力或抗拉力，單位為N。

經(jīng)過結(jié)構(gòu)分析，優(yōu)化前連接節(jié)點(diǎn)在地震作用下的應(yīng)力集中系數(shù)為3.0，優(yōu)化后應(yīng)力集中系數(shù)降低至2.0，提高了連接節(jié)點(diǎn)的抗震性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3.2 梁筋與型鋼連接節(jié)點(diǎn)

在該工程中，混凝土梁的鋼筋與型鋼的連接方式主要有兩種：一種是在遇到型鋼腹板時(shí)，采用直接穿孔或穿孔與焊接套筒相結(jié)合的方式；另一種是在遇到型鋼翼緣板時(shí)，為保證型鋼的截面強(qiáng)度，采用焊接套筒連接。

（1）當(dāng)混凝土鋼筋ypNsJ4cnKSK81OxLEttQRr1dljovJSXO25Moo0v8wtk=遇到型鋼腹板且無法避免時(shí)，可以采用在腹板上預(yù)留穿孔的方式進(jìn)行節(jié)點(diǎn)優(yōu)化，在型鋼腹板上開孔會(huì)對(duì)腹板的截面強(qiáng)度造成一定程度的損失，通常情況下，在型鋼腹板上預(yù)留穿孔進(jìn)行節(jié)點(diǎn)優(yōu)化時(shí)，截面損失率應(yīng)控制在腹板面積的25%以內(nèi)，并且孔洞必須使用機(jī)床或?qū)Ｓ迷O(shè)備進(jìn)行鉆孔。

為保證鋼筋能夠順利穿過型鋼腹板，可以在結(jié)構(gòu)配筋圖的指導(dǎo)下，對(duì)鋼柱和型鋼構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，確保合格后進(jìn)行穿孔定位加工。開孔的直徑超過實(shí)際鋼筋6～10 mm，如果開孔強(qiáng)度損失率控制在10%以內(nèi)，可以節(jié)約10%的材料成本。由于鋼梁在受力時(shí)，應(yīng)力最大的部位通常位于上下翼緣和梁端，因此在靠近腹板中間部位開孔對(duì)型鋼的強(qiáng)度性能影響較小，鋼筋穿過后，需要固定在腹板上，采用穿孔塞焊的方式進(jìn)行固定。

（2）在該工程中，為確保型鋼的強(qiáng)度并避免應(yīng)力集中，型鋼翼緣板上禁止進(jìn)行開孔操作，當(dāng)遇到不可避免的梁筋與型鋼翼緣或鋼柱連接的情況時(shí)，應(yīng)根據(jù)深化設(shè)計(jì)圖焊接連接套筒，以繞過障礙。套筒焊接的定位和加工應(yīng)在確保焊接套筒數(shù)量正確的基礎(chǔ)上，保證焊縫的質(zhì)量和精確度，焊接套筒應(yīng)使用不低于Q355強(qiáng)度等級(jí)的低合金可焊鋼材料制作，并在該工程中適當(dāng)增加厚度并設(shè)置焊接坡口。與型鋼和鋼柱的連接應(yīng)優(yōu)先采用全熔透焊縫，而在滿足鋼筋連接強(qiáng)度要求的情況下，部分連接處可以使用部分熔透角焊縫[6]?，F(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)套筒連接時(shí)，可以使用現(xiàn)場(chǎng)千斤頂進(jìn)行抗拔力試驗(yàn)，檢測(cè)比例應(yīng)符合鋼筋機(jī)械連接現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)。如果鋼筋兩端都需要與鋼骨上的套筒連接，并且該鋼筋按照?qǐng)D紙要求進(jìn)行機(jī)械連接的通長鋼筋，則應(yīng)在鋼筋的中間段增加專用的加長調(diào)節(jié)套筒以實(shí)現(xiàn)連接。

3.3 橫向鋼筋與鋼構(gòu)件節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

在進(jìn)行鋼構(gòu)件與鋼筋連接節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化時(shí)，原設(shè)計(jì)中使用的角鋼替換為鋼板焊接，由于鋼筋具有較好的韌性，在受力時(shí)角鋼容易發(fā)生彎曲，導(dǎo)致焊接點(diǎn)斷裂。通過采用鋼板焊接，可以提高鋼筋的焊接強(qiáng)度，優(yōu)化后的焊接方式保持不變，通過鋼板或角鋼邊緣與鋼構(gòu)件的條焊縫實(shí)現(xiàn)連接，確保了鋼板與鋼構(gòu)件之間的焊接強(qiáng)度。此外，使用鋼板與鋼筋進(jìn)行焊接，由于受力面積的增加，焊接的牢固度得到了加強(qiáng)，從而確保了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

表2 顯示了橫向鋼筋與鋼構(gòu)件節(jié)點(diǎn)優(yōu)化后的性能數(shù)據(jù)。在優(yōu)化前焊接點(diǎn)的最大應(yīng)力為200 MPa，經(jīng)過優(yōu)化后最大應(yīng)力降低至150 MPa，改善率為25%。同時(shí)優(yōu)化前焊接點(diǎn)的斷裂拉力為80 kN，優(yōu)化后提升至100 kN，改善率為25%。這些數(shù)據(jù)表明，通過優(yōu)化焊接節(jié)點(diǎn)，顯著提高了焊接點(diǎn)的受力性能。

4 結(jié)語

在主體結(jié)構(gòu)施工方面，闡述了鋼柱、鋼梁及樓板施工的具體流程和要點(diǎn)，包括鋼柱安裝的吊點(diǎn)確定、校正方法、鋼梁安裝的順序及注意事項(xiàng)，以及樓板施工中各種工藝的細(xì)節(jié)。在構(gòu)件優(yōu)化方面，針對(duì)混凝土墻與鋼柱連接節(jié)點(diǎn)、梁筋與型鋼連接節(jié)點(diǎn)、橫向鋼筋與鋼構(gòu)件節(jié)點(diǎn)等提出了改進(jìn)措施，解決存在的施工問題。通過這些研究，為裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑提供了系統(tǒng)的施工指導(dǎo)和優(yōu)化方案，有助于提高施工效率、保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量和安全性，對(duì)推動(dòng)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展具有重要意義。

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收稿日期：2024-08-19

作者簡介：盧中津（1983—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向：市政工程施工。