大跨度多向懸挑式鋼混組合結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點施工技術(shù)研究

中國建筑第五工程局有限公司安徽分公司 合肥 230051

0 引言

鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用主要存在以下3個難點[1,2]：

1）型鋼梁與型鋼柱如何有效連接；

2）型鋼梁柱連接節(jié)點區(qū)域鋼筋密集、型鋼交錯，致使在梁柱鋼筋施工中出現(xiàn)各種困難；

3）如何控制型鋼梁柱節(jié)點區(qū)域混凝土的密實度。

這一系列問題都是嚴(yán)重影響型鋼梁柱節(jié)點區(qū)域施工質(zhì)量的因素，若不能很好地解決這些問題，不僅會影響正常施工，也會給工程埋下嚴(yán)重的質(zhì)量安全隱患。

大跨度多向懸挑式鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點位置連接的梁數(shù)量多、跨度大，梁縱向鋼筋數(shù)量多、疊加多，且部分需要繞過中間的圓鋼管。

為降低施工難度，保證梁柱節(jié)點的施工質(zhì)量，加快施工進度，項目部聯(lián)合設(shè)計單位，在現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)上，通過在大跨度多向懸挑式鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)型鋼梁柱有效連接、梁縱筋合理化排布、混凝土密實度控制措施、箍筋的優(yōu)化排布、型鋼開孔深化及鋼筋穿孔位置優(yōu)化等方面的多次施工實踐，形成了一套大跨度多向懸挑式鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點施工技術(shù)，通過工程檢驗，該技術(shù)具有一定的推廣價值。

1 工藝原理

1）采用BIM技術(shù)對型鋼梁柱連接節(jié)點進行深化設(shè)計，對多層鋼筋進行合理排布，對型鋼上鋼筋穿孔位置進行合理優(yōu)化，采用BIM技術(shù)模擬現(xiàn)場施工，可視化指導(dǎo)現(xiàn)場進行鋼結(jié)構(gòu)吊裝復(fù)核、鋼筋安裝。

2）在型鋼柱與多方向型鋼梁連接部位設(shè)置托盤，解決型鋼柱與多條型鋼梁的有效連接問題。

3）采用固定的鋼筋安裝流程，保證復(fù)雜梁柱節(jié)點鋼筋的安裝質(zhì)量和進度。

4）采用鋼筋數(shù)控加工機，對鋼筋進行精準(zhǔn)加工。通過提前定位，首先安裝柱縱筋，再套柱箍筋，然后安裝梁縱筋，最后套梁箍筋。梁縱筋采用繞過型鋼和穿孔2種方式穿過梁柱連接節(jié)點，柱箍筋采用2個U形箍筋穿過型鋼梁腹板的穿筋孔后焊接閉合。

5）采用自密實混凝土澆筑型鋼梁柱連接節(jié)點區(qū)域，以保證梁柱節(jié)點混凝土的密實度和成形質(zhì)量。

2 操作要點

2.1 節(jié)點深化設(shè)計

本項目應(yīng)用X-steel軟件對鋼結(jié)構(gòu)工程進行三維建模，從而達到一種新型的可視化模擬現(xiàn)場施工，真切地演示現(xiàn)場施工的每個工藝流程，比如鋼柱與鋼梁的連接方式及標(biāo)高關(guān)系、梁柱縱筋穿型鋼時開孔的位置及大小、多方向梁交匯點處鋼筋排布與疊加效果、型鋼梁柱節(jié)點區(qū)域柱縱筋與柱箍筋、梁縱筋的穿插效果等。通過形象地演示，可以發(fā)現(xiàn)在大跨度多向懸挑型鋼混凝土梁多方向、多層次的水平鋼筋施工時將會遇到的困難與矛盾，從而提出相應(yīng)的解決方法。

2.1.1 鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計

根據(jù)項目的施工藍圖進行鋼結(jié)構(gòu)施工的深化設(shè)計圖紙（圖1），深化設(shè)計圖紙中除了一般的體現(xiàn)構(gòu)件的尺寸、位置、連接方式外，還需在型鋼梁柱連接部位設(shè)置托盤，并著重根據(jù)結(jié)構(gòu)圖中鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋結(jié)構(gòu)交叉時鋼筋的直徑、連接方式、排布方式確定鋼結(jié)構(gòu)需要開孔或者加焊加強板的位置。

圖1 圓管形型鋼柱連接節(jié)點深化設(shè)計示意

本工程2層至屋面層型鋼梁多為懸挑梁，為保證懸挑梁的抗剪性能，其縱向鋼筋必須要有足夠的錨固長度，這就要求懸挑梁的縱向鋼筋必須要穿過鋼柱，需要在鋼柱上進行開孔或者對梁縱筋進行彎折繞行鋼柱。本工程利用X-steel軟件建立三維模型，根據(jù)鋼筋的數(shù)量和規(guī)格，全過程模擬鋼筋施工過程中鋼筋與鋼筋之間、鋼筋與鋼結(jié)構(gòu)之間的標(biāo)高和位置關(guān)系，以保證節(jié)點能夠順利實現(xiàn)（圖2、圖3）。

2.1.2 梁縱向鋼筋的深化設(shè)計

圖2 型鋼結(jié)構(gòu)三維模型

圖3 多方向超長懸挑型鋼節(jié)點三維模型

大跨度多向懸挑型鋼混凝土梁多方向、多層次的水平鋼筋的深化設(shè)計是連接節(jié)點深化設(shè)計的重點和難點。型鋼混凝土梁水平鋼筋的深化設(shè)計需解決多方向、多層次上下排鋼筋在遇到型鋼柱時如何穿過型鋼以及如何連接的問題。經(jīng)與設(shè)計單位共同深化設(shè)計，采用2種方法解決此問題，即梁水平鋼筋彎折后繞過型鋼柱以及在型鋼上開孔后穿過型鋼柱。故如何保證各節(jié)點深化設(shè)計的準(zhǔn)確性成為本工程的重點。例如通過BIM技術(shù)建模演示，發(fā)現(xiàn)本工程3層至屋面層存在3條梁交叉的情況，梁上部鋼筋排布分別為：14φ25 mm（6/6/2），12φ25 mm（9/3）和6φ32 mm，鋼筋累計高度為15.7 cm，在不計梁箍筋和梁保護層的情況下已高出板面0.7 cm。發(fā)現(xiàn)此問題后，經(jīng)與設(shè)計溝通，按等面積代換的方法將其中2排和3排鋼筋的梁變更為1排大規(guī)格的鋼筋，以減小鋼筋疊加的高度（圖4）。

圖4 3條梁交叉處鋼筋排布示意

型鋼柱的加工與開孔需在工廠進行，嚴(yán)禁在現(xiàn)場開孔，并且型鋼柱開孔面積不得超過其截面面積的25%，超過時需按相關(guān)規(guī)范采取補強措施，以免影響型鋼柱的力學(xué)性能。梁水平筋中需彎折后穿過型鋼柱的鋼筋，其彎折度按規(guī)范要求不得超過1∶6。

2.1.3 柱鋼筋深化設(shè)計

根據(jù)BIM技術(shù)的模擬分析，對型鋼混凝土柱的縱筋位置進行仔細調(diào)整，以求盡量避開型鋼梁，不能避開的型鋼柱中間的縱筋需在型鋼梁翼緣板上開孔穿過，并按相關(guān)規(guī)范對孔洞采取補強措施。

在型鋼梁柱連接節(jié)點區(qū)域，依據(jù)國家規(guī)范JGJ 138—2001《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》：在型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中，梁柱節(jié)點的箍筋的作用尤其突出，除了增強截面抗剪承載力外，還可增強塑性鉸區(qū)變形能力，是確保結(jié)構(gòu)抗震作用的重要構(gòu)造。該規(guī)程對箍筋的彎鉤、間距等都提出了要求，且要求是封閉箍筋。由于在型鋼梁柱節(jié)點區(qū)域存在交錯的梁柱型鋼，型鋼柱箍筋必然存在穿越型鋼問題，這個問題是型鋼梁柱節(jié)點區(qū)域施工的重點，也是施工難點，若不能很好地解決這個問題，將嚴(yán)重影響施工。

在工程實際施工中我們結(jié)合設(shè)計和施工的實踐與經(jīng)驗，總結(jié)出了如下箍筋與型鋼矛盾時的解決辦法[3-5]：

1）柱箍筋一般采取在鋼梁腹板上留設(shè)穿筋孔的方法，要求同柱梁縱筋在型鋼上留設(shè)孔洞的要求，孔距按設(shè)計中箍筋間距要求，一般為100 mm。柱箍筋穿筋孔距鋼梁上下翼緣板的距離一般為125 mm。

2）調(diào)整柱箍筋形式。經(jīng)與設(shè)計單位溝通并經(jīng)其同意，可以修改梁柱節(jié)點區(qū)域鋼梁高度范圍之內(nèi)的箍筋形式，將多肢復(fù)合箍筋形式修改為外圍單肢箍筋加八字拉鉤的形式，以減少箍筋穿孔。

3）在梁柱節(jié)點區(qū)域，將封閉的箍筋形式修改為焊接閉口箍筋形式。在箱形柱連接節(jié)點柱箍筋施工時，由于整根箍筋無法穿過型鋼，施工時先采用2個U形箍筋穿過型鋼（圓管形型鋼柱箍筋為采用2個半圓形箍筋焊接而成），然后采用焊接的方法以形成封閉的箍筋。焊接時需按規(guī)范要求單面焊10d、雙面焊5d（d為箍筋直徑），以滿足搭接要求。

2.2 鋼構(gòu)件進場復(fù)核

型鋼梁柱構(gòu)件進場時，施工單位需安排技術(shù)人員對構(gòu)件進行嚴(yán)格的進場復(fù)核，尤其是梁柱節(jié)點部位，要按照深化設(shè)計圖紙進行仔細復(fù)核，包括核定鋼構(gòu)件尺寸、開孔位置、開孔數(shù)量等，如不滿足要求，必須立即返回工廠整改，嚴(yán)禁在現(xiàn)場進行開孔以及其他任何鋼構(gòu)件加工。進場鋼構(gòu)件如圖5所示。

2.3 鋼構(gòu)件吊裝

型鋼梁柱構(gòu)件吊裝施工前，項目部必須編制吊裝施工專項方案，并報監(jiān)理單位審批。方案中需制定嚴(yán)格控制安裝位置偏差的措施、安裝完成后位置復(fù)核的要求，以及鋼構(gòu)件吊裝順序，施工時需嚴(yán)格按照吊裝施工專項方案施工，一定要保證型鋼梁柱安裝位置的準(zhǔn)確度，以免嚴(yán)重影響后續(xù)的型鋼梁柱連接節(jié)點鋼筋施工。

圖5 進場的鋼構(gòu)件

鋼構(gòu)件吊裝前，需提前搭設(shè)吊裝工作平臺，吊裝完成后可將其轉(zhuǎn)換為后續(xù)鋼筋施工和模板施工的工作平臺。

鋼構(gòu)件吊裝時，需先吊裝型鋼柱，并采用鋼絲繩固定，然后按對稱吊裝方式吊裝型鋼梁。型鋼梁與型鋼柱牛腿采用螺栓在型鋼梁柱連接部位預(yù)先設(shè)置的臨時固定板上連接固定，通過對型鋼梁柱位置進行嚴(yán)格校核后采用焊接方式連接。

在型鋼柱吊裝定位的過程中，隨時根據(jù)BIM模型提供的數(shù)據(jù)實時復(fù)核梁筋穿柱的開孔位置，保證梁筋能夠順利穿過鋼柱。

2.4 梁柱節(jié)點區(qū)域鋼筋加工

型鋼梁柱連接節(jié)點區(qū)域的鋼筋不僅是深化設(shè)計的重點，其加工成型質(zhì)量也是保證正常施工的難點。梁柱連接節(jié)點區(qū)域的鋼筋采用先進的數(shù)控鋼筋加工機械進行下料和加工，這部分鋼筋的加工需嚴(yán)格控制其尺寸，尤其是需彎折的梁縱筋。數(shù)控鋼筋加工機械是國內(nèi)目前先進的鋼筋加工設(shè)備，不僅鋼筋加工精度高，而且加工效率比普通鋼筋加工設(shè)備也高出許多。型鋼梁柱連接節(jié)點區(qū)域柱箍筋為2個U形箍筋焊接而成，因此鋼筋加工時更需嚴(yán)格控制其下料尺寸，以滿足安裝需要。

2.5 鋼筋綁扎

2.5.1 柱縱筋的安裝

嚴(yán)格按照深化設(shè)計圖紙進行柱縱筋安裝。柱縱筋安裝過程要注意鋼筋平面位置的固定，以保證縱筋能夠順利地穿過鋼柱的預(yù)留孔，施工過程中在柱筋底部和離地1 m位置分別設(shè)置定位箍筋，以保證柱縱筋的平面位置。

2.5.2 柱箍筋的安裝

梁柱節(jié)點區(qū)域箱形柱箍筋由2個U形箍筋焊接成封閉箍筋（圓管形型鋼柱箍筋由2個半圓形箍筋焊接成封閉箍筋），上下箍筋的焊接節(jié)點需按規(guī)范要求錯開，焊接長度為單面焊10d，雙面焊5d（圖6）。

2.5.3 梁縱筋的安裝

梁縱筋的安裝順序：安裝底部穿型鋼柱鋼筋→安裝底部繞型鋼柱鋼筋→安裝上部穿型鋼柱鋼筋→安裝上部繞型鋼柱鋼筋。

2.5.4 梁箍筋的安裝

圖6 型鋼柱箍筋

梁箍筋的安裝同普通梁，但是由于梁截面高度達到1.2 m和1.5 m，故箍筋施工完成之前梁側(cè)模不能關(guān)模，梁中部固定腰筋的拉結(jié)筋通過焊接的形式固定在型鋼上。

2.6 模板加固

型鋼梁柱連接節(jié)點區(qū)域模板采用螺桿進行加固，能夠穿過螺桿的區(qū)域采用整根螺桿加固，有型鋼阻礙的區(qū)域采取焊接螺桿在型鋼上進行加固。

2.7 混凝土澆筑

因本工程型鋼梁柱節(jié)點區(qū)域鋼筋密集，如何保證該部位的混凝土密實度是質(zhì)量控制的重點。結(jié)合以往場館類項目施工經(jīng)驗，決定采用C30自密實混凝土進行澆筑。自密實混凝土具有高流動性、不離析、均勻性和穩(wěn)定性等特點，澆筑時依靠自重流動，無需振搗而達到密實。

應(yīng)用于本工程型鋼梁柱節(jié)點區(qū)域的自密實混凝土基本技術(shù)性能指標(biāo)及注意事項如下：

1）自密實混凝土強度等級C30，自密實性能等級二級，坍落擴展時間T50控制在3～20 s之間，漏斗通過時間在7～25 s之間；

2）粗骨料最大粒徑不大于20 mm；砂子采用中偏粗砂，含泥量小于等于1.5%；3）外加劑用聚羧酸系高效減水劑，盡量不用增黏劑；4）采用P.O 42.5普通水泥，到場的自密實混凝土坍落擴展度在660～755 mm之間。

3 質(zhì)量控制措施

1）在鋼構(gòu)件進場時，經(jīng)檢查復(fù)核后才允許卸車、吊裝，針對梁柱連接節(jié)點的檢查項目有：穿筋孔開孔數(shù)量、位置、規(guī)格等是否符合深化設(shè)計要求；牛腿翼緣板標(biāo)高是否符合設(shè)計要求；相關(guān)出廠質(zhì)量證明文件。

2）鋼筋加工質(zhì)量：鋼筋加工尺寸誤差不得大于10 mm，對于彎折鋼筋的彎折度必須嚴(yán)格控制，以免影響施工。

3）鋼筋綁扎質(zhì)量：鋼筋綁扎時嚴(yán)禁出現(xiàn)跳扎、漏扎現(xiàn)象，尤其是梁柱節(jié)點區(qū)域一定要保證滿扎。

4）混凝土澆筑質(zhì)量：嚴(yán)禁出現(xiàn)漏漿、脹模現(xiàn)象，尤其是在梁柱連接節(jié)點區(qū)域必須保證混凝土成形質(zhì)量，現(xiàn)場節(jié)點區(qū)域混凝土成形效果如圖7所示。

圖7 混凝土現(xiàn)場成形效果

4 結(jié)語

大跨度多向懸挑式鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點施工技術(shù)可在大跨度多向懸挑、鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點和梁柱節(jié)點鋼筋較密集幾種情況均出現(xiàn)的施工工程中推廣應(yīng)用。

通過多個類似工程的實踐證明，本技術(shù)有著非常可觀的社會和經(jīng)濟效益[6-8]：

1）工期效益：通過多次實踐證明，按照此工法施工避免了各種施工工藝穿插產(chǎn)生的矛盾沖突，也減小了梁柱節(jié)點區(qū)域的施工難度，可以大幅提高施工效率，節(jié)省了大量的施工時間。

2）經(jīng)濟效益：由于前期對梁柱節(jié)點區(qū)域做了深化設(shè)計，減小了施工難度，因此也避免了很多返工和窩工的可能，節(jié)約了人力、物力，有可觀的經(jīng)濟效益。

3）保證質(zhì)量：此工法對型鋼混凝土結(jié)構(gòu)施工中的施工難點進行了詳細的研究，基本上提出了施工中普遍遇到的問題的解決方法，能夠很好地指導(dǎo)現(xiàn)場施工，更能保證型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量，尤其是梁柱節(jié)點的施工質(zhì)量。