型鋼混凝土構(gòu)件施工中鋼筋和鋼骨發(fā)生碰撞時(shí)的處理方法

濰坊市婦幼保健院 濰坊 261011

0 前言

高層建筑和超高層建筑的大量涌現(xiàn)和快速發(fā)展，帶動(dòng)了型鋼混凝土結(jié)構(gòu)（也稱勁性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)）的廣泛應(yīng)用。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)不僅和鋼管混凝土結(jié)構(gòu)一樣具有剛度大、延性好的特點(diǎn)，同時(shí)解決了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在防火、耐腐蝕等方面的弊端而受到設(shè)計(jì)師的青睞[1]。雖然型鋼混凝土具有上述優(yōu)點(diǎn)，但是為了滿足設(shè)計(jì)抗震要求而設(shè)置的密集的鋼筋和截面復(fù)雜多變的鋼骨形成了復(fù)雜的干涉和碰撞關(guān)系（圖1、圖2），給施工帶來(lái)了較大的難度。如何在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，更加方便、可靠地施工，就成為型鋼混凝土結(jié)構(gòu)需要解決的關(guān)鍵問題。

圖1 復(fù)雜的型鋼混凝土構(gòu)件和復(fù)雜的鋼骨架

1 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)從材料上分為型鋼、鋼筋和混凝土，3 種組成相互影響、相互制約。型鋼鋼骨的布置會(huì)與鋼筋發(fā)生碰撞，需要按照構(gòu)件對(duì)于結(jié)構(gòu)的重要程度及施工可行性進(jìn)行避讓或連接；鋼筋因避讓型鋼導(dǎo)致排布形式改變，可能會(huì)影響混凝土的澆筑，需要相應(yīng)配置混凝土的級(jí)配和配合比；為保證混凝土澆筑，需要對(duì)型鋼進(jìn)行相應(yīng)的開孔處理（型鋼腹板上的鋼筋穿孔均在工廠制作）；型鋼的布置會(huì)影響到混凝土模板和流動(dòng)性的設(shè)計(jì)；而混凝土的強(qiáng)度等級(jí)及施工縫的設(shè)置將影響鋼筋的錨固長(zhǎng)度；鋼筋與型鋼的連接方式會(huì)對(duì)型鋼產(chǎn)生額外的受力情況，使型鋼處于復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)[2]。

圖2 型鋼和鋼筋碰撞示意

同時(shí)，對(duì)于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)施工深化設(shè)計(jì)，首先應(yīng)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計(jì)，然后根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計(jì)方案對(duì)應(yīng)進(jìn)行混凝土鋼筋的連接設(shè)計(jì)，最后在確定鋼筋連接件的定位后，再進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的下料、施工。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計(jì)是一個(gè)多因素偶聯(lián)的問題，需要先提出假定，通過進(jìn)一步的推算設(shè)計(jì)來(lái)證實(shí)假定的可行性。同時(shí)，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計(jì)又是一個(gè)開放式的問題，根據(jù)施工條件的不同會(huì)形成相應(yīng)的最優(yōu)方案，必須緊密聯(lián)系施工的實(shí)際技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等情況。

2 鋼筋與型鋼碰撞處置的原則和方法

如前所述，由于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中型鋼、鋼筋、混凝土存在著復(fù)雜的連接和結(jié)合關(guān)系，因此使得施工的難度大幅度增加。首先是針對(duì)鋼筋與型鋼之間的碰撞問題，采用何種方法和措施讓兩者協(xié)同連接，符合設(shè)計(jì)受力要求，施工操作又比較方便和簡(jiǎn)單；其次是要解決模板和混凝土澆筑問題。由于型鋼混凝土構(gòu)件組成復(fù)雜，特別是超高層的大斷面異形型鋼混凝土構(gòu)件，引起模板的設(shè)計(jì)和施工復(fù)雜性也大為提高。同時(shí)由于型鋼和高密度鋼筋的存在（圖3），混凝土澆筑的難度也大為增加，施工控制不善可能引起空洞和蜂窩等質(zhì)量問題。所以，需要尋求合理的方法和解決方案。

針對(duì)型鋼與鋼筋的碰撞問題，解決方法分類如下：

1）穿孔法。通過在型鋼腹板上穿孔和在翼緣上穿孔，實(shí)現(xiàn)鋼筋的合理穿越（圖4）。而由此引起的型鋼截面削弱，則需要結(jié)合孔徑、板厚以及穿孔數(shù)量進(jìn)行合理加強(qiáng)，適用于柱內(nèi)縱筋與梁或斜撐相交的情況。

圖3 密集鋼筋和型鋼

圖4 穿孔法

2）焊接法。通過在型鋼上焊接連接鋼板或者連接套筒實(shí)現(xiàn)和鋼筋的連接，使鋼筋與型鋼形成整體受力。焊接法優(yōu)點(diǎn)是沒有削弱型鋼，但焊接和鋼筋處理的工作量比較大，現(xiàn)場(chǎng)焊接部分操作難度較高，適用于鋼筋較密或鋼板較厚的情況。

3）繞轉(zhuǎn)避讓法。通過繞開或者折彎鋼筋繞開型鋼，實(shí)現(xiàn)了鋼筋連續(xù)的同時(shí)，又不對(duì)型鋼產(chǎn)生削弱的目的（圖5）。適用于外側(cè)鋼筋或型鋼尺寸較小的情況。需要注意的是，如果鋼筋為主承力，則鋼筋彎折需要經(jīng)過設(shè)計(jì)同意。

圖5 鋼筋繞轉(zhuǎn)避讓及箍筋穿孔示意

4）鋼筋替代法。通過鋼筋等效替換的原則改變鋼筋的直徑和數(shù)量，避免鋼筋與型鋼的干涉關(guān)系或者減小干涉，進(jìn)而采用其他方式進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。

5）等效加強(qiáng)法。如果鋼筋被截?cái)嗷蛘咝弯摫幌魅酰瑒t通過等效加強(qiáng)，補(bǔ)充設(shè)置鋼筋或?qū)︿摪暹M(jìn)行加強(qiáng)的方法，確保構(gòu)件傳力路徑連貫和符合設(shè)計(jì)的要求。

3 鋼筋與型鋼的碰撞類型及處理方法

型鋼與不同鋼筋類型的碰撞可分為3 類：縱向受力鋼筋與型鋼的碰撞；箍筋或拉結(jié)筋與型鋼的碰撞；梁、板縱筋錨固段與型鋼發(fā)生的碰撞。

3.1 縱向受力鋼筋與型鋼的碰撞處理

此種情形下，鋼筋與型鋼的處理原則是鋼筋避讓型鋼。當(dāng)無(wú)法避開時(shí)，可采用穿孔法和焊接法處理。當(dāng)采用穿孔法時(shí)，可以配合采用等強(qiáng)度代換的方式增加鋼筋直徑，減少鋼筋數(shù)量，增大鋼筋間距，從而減少開孔數(shù)量。對(duì)于縱向受力鋼筋，可通過公式（1）計(jì)算。

式中：n1、n2——代換前、后縱筋數(shù)量；

d1、d2——代換前、后縱筋直徑；

fy1、fy2——代換前、后縱筋屈服強(qiáng)度。

需要注意的是，代換后應(yīng)對(duì)構(gòu)件的最大裂縫寬度、撓度和有效截面高度進(jìn)行驗(yàn)算。下面對(duì)3 種方法進(jìn)行具體的分析。

1）穿孔法：對(duì)于設(shè)置穿筋孔的方法，應(yīng)盡量避免在型鋼翼緣穿孔，型鋼腹板的界面損失率宜小于腹板面積的25%。當(dāng)鋼筋穿孔使型鋼截面削弱影響承載力時(shí)，應(yīng)采取型鋼穿孔處截面局部加厚的辦法予以補(bǔ)強(qiáng)。

2）焊接法（焊接連接鋼板）：鋼筋與型鋼焊接通過連接板進(jìn)行焊接。連接板板厚應(yīng)大于鋼筋直徑，型鋼與連接板通過對(duì)接焊連接，鋼筋與連接板通過雙面焊縫焊接，焊縫長(zhǎng)度5d，確保等強(qiáng)，當(dāng)上下2 皮或者多皮鋼筋時(shí)，相鄰層的連接板可采用不同長(zhǎng)度錯(cuò)開，方便鋼筋連接。

3）焊接法（連接套筒）：連接套筒的方式適用于直徑大于16 mm的鋼筋（圖6）。當(dāng)套筒排布比較密集時(shí)，應(yīng)考慮焊接引起的殘余應(yīng)力對(duì)型鋼受力的影響。同時(shí)，縱向受力鋼筋與型鋼連接需要保證有效的傳力，避免出現(xiàn)由于縱筋受力引起型鋼的局部屈服。

圖6 焊接法連接套筒連接

3.2 箍筋、拉結(jié)筋與型鋼的碰撞處理

此種情形下，箍筋、拉結(jié)筋與型鋼的連接方式與縱筋類似，也有穿孔法和焊接法可以選擇。同時(shí)，也可以進(jìn)行等強(qiáng)度代換來(lái)減少開孔數(shù)量，代換公式為：

式中：Asb1、Asb2——代換前、后彎筋面積；

fyb1、fyb2——代換前、后彎筋屈服強(qiáng)度；

Asv1、Asv2——代換前、后箍筋面積；

fyv1、fyv2——代換前、后箍筋屈服強(qiáng)度；

s1、s2——代換前、后箍筋間距；

h0——有效截面高度；

α——彎筋與軸線夾角。

1）穿孔法：這種方法同樣要注意開孔數(shù)量對(duì)型鋼截面削弱的影響（圖7）。同時(shí)，當(dāng)箍筋數(shù)量較多、較密時(shí)，需要協(xié)調(diào)孔軸線間的關(guān)系，避免箍筋出現(xiàn)過大傾斜。

圖7 箍筋、拉結(jié)筋穿孔法和加強(qiáng)處理

2）焊接法（焊接連接鋼板）：通常情況下，鋼筋不宜與型鋼直接焊接，箍筋與型鋼的連接相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)并沒有明確敘述?？梢韵仍谛弯撋虾附舆B接板，再將箍筋焊接到連接板上。但當(dāng)箍筋形式較為復(fù)雜，且箍筋環(huán)間距較小，在焊接連接板時(shí)，可能會(huì)由于連接板間距太近而導(dǎo)致無(wú)法施工，同時(shí)連接板也會(huì)影響混凝土的流動(dòng)，因此，此種情況一般采用直接將箍筋焊接于型鋼的方式（圖8）。一般箍筋或拉結(jié)筋采用90°彎鉤，焊接5d，但由于這種方法缺少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，是否會(huì)影響箍筋傳力和腹板的穩(wěn)定性需要專門的分析，因此采用這種方法需要征得設(shè)計(jì)的同意。

圖8 箍筋焊接連接法

而如果采用連接套筒的方法，則需要通過旋轉(zhuǎn)鋼筋使其與套筒機(jī)械咬合。對(duì)于箍筋，因其與型鋼通常多余一點(diǎn)相交，無(wú)法采用該方法連接；對(duì)拉結(jié)筋則需要準(zhǔn)確控制旋轉(zhuǎn)角度，以保證最終拉結(jié)筋彎鉤位置滿足要求。因此，連接套筒的方法不適用于箍筋和拉結(jié)筋[3]。

3.3 梁、板縱筋錨固段與型鋼發(fā)生的碰撞處理

這種情形的處理相對(duì)簡(jiǎn)單，當(dāng)縱筋不與型鋼發(fā)生碰撞時(shí)，則側(cè)面穿過即可；當(dāng)縱筋與型鋼發(fā)生碰撞時(shí)，可以通過焊接連接板進(jìn)行連接（圖9），如果梁高足夠大，可以將梁縱筋緊靠型鋼進(jìn)行彎折錨固。

圖9 梁縱筋和型鋼連接方法

4 結(jié)語(yǔ)

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)承載力強(qiáng)、延性好、防火、耐腐蝕，在高層和超高層建筑中得到了廣泛的應(yīng)用，使其施工質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求是型鋼混凝土成功應(yīng)用的基本條件。本文歸納和提出的型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中型鋼與鋼筋碰撞問題的處置方法，為確保施工滿足設(shè)計(jì)要求和良好的施工質(zhì)量提供了一定價(jià)值的參考。