異形型鋼混凝土結構深化設計與施工

□文/魏德為 付效鐸

異形型鋼混凝土結構深化設計與施工

□文/魏德為 付效鐸

型鋼混凝土結構是由型鋼與鋼筋混凝土組合而成的結構形式，具有鋼結構和混凝土結構的雙重優點，在大跨度、超高層建筑中應用較為普遍，相較于普通混凝土結構能有效提高構件剛度及承載力、縮小截面尺寸及增強結構抗震性能。文章以實際工程為例，介紹了異形型鋼混凝土結構的深化設計與施工技術。

型鋼；混凝土；異形；深化設計

1　工程概況

某建筑東塔、西塔兩座辦公樓為異形結構。西塔型鋼混凝土異形結構主要為流瀑形外環梁、中部斜梁及外環梁下兩層高外框柱，流瀑形斜面與水平面夾角為38°，外環梁所在圓弧半徑為90.0 m，見圖1。東塔型鋼混凝土異形結構主要為流瀑形外環梁、中部斜梁及外環梁下兩層高外框柱，流瀑形斜面與水平面夾角為24°，外環梁所在圓弧半徑為90.0 m，見圖2。

圖1　西塔辦公樓流瀑形立面

圖2　東塔辦公樓流瀑形立面

2　工程施工的重點及難點分析

2.1重點

1）結構空間測量定位、型鋼軸線位置、垂直度等控制。

2）型鋼安裝及焊接質量控制。

3）型鋼混凝土異形結構鋼筋綁扎質量、型鋼與鋼筋之間的連接質量控制、型鋼柱梁節點鋼筋質量控制、套筒與型鋼翼緣焊接質量控制等。

4）型鋼混凝土曲面異形結構模板安裝質量控制。

5）型鋼混凝土曲面異形結構混凝土澆筑質量控制。

2.2難點

1）異形結構空間測量定位。

2）異形結構型鋼間采用螺栓或等強一級焊縫連接，對型鋼的加工精度要求高，焊縫焊接質量控制難度大。

3）與常規鋼筋工程施工工藝相比，混凝土結構柱、梁中加入型鋼后增加了施工難度，特別是梁柱節點部位鋼筋施工方法復雜，需解決梁、柱鋼筋與型鋼的位置關系與連接方式。

4）型鋼混凝土結構混凝土澆筑及振搗施工難度加大。

3　型鋼混凝土結構深化設計

型鋼混凝土結構深化設計是保證型鋼混凝土結構順利施工的前提，因此在型鋼混凝土施工前應根據結構設計圖紙對其進行深化設計，特別是對復雜節點區域深化設計。

3.1深化設計原則

型鋼的深化設計既要實現結構設計意圖，又要為型鋼工廠制作、現場吊運安裝、梁柱節點部位鋼筋安裝及混凝土澆筑方法提供依據。

3.2深化設計依據

型鋼混凝土深化設計主要依據設計院結構設計圖紙、GB 50017—2003《鋼結構設計規范》、GB 50205—2001《鋼結構工程施工質量驗收規范》、GB 50901—2013《鋼-混凝土組合結構施工規范》、GB 50901—2013《鋼結構焊接規范》、JGJ 82—2011《鋼結構高強度螺栓連接技術規程》、04SG523《型鋼混凝土組合結構構造》、12SG904-1《型鋼混凝土結構施工鋼筋排布規則與構造詳圖》等。

3.3深化設計流程

優化設計方案和圖紙并在建立的模型基礎上利用此軟件導出正式的CAD圖紙；正式的深化設計圖紙經設計認可后，方可指導構件加工及現場施工。

3.4深化設計內容

各部位型鋼結構形式、尺寸及節點構造，對于每根型鋼柱、型鋼梁，應針對其梁柱節點逐個設計出翻樣圖，確定鋼牛腿定位、鋼筋連接器標高、穿筋孔洞數量、直徑與位置等。

3.5深化設計方法

鋼結構深化設計主要利用計算機仿真設計技術，采用Tekla Structure（鋼結構詳圖設計軟件）對每根型鋼混凝土結構進行三維建模，見圖3和圖4。

圖3　西塔型鋼深化設計三維模型

圖4　東塔型鋼深化設計三維模型

以型鋼混凝土柱與普通混凝土梁節點部位為例，利用計算機仿真技術生成梁柱節點的模型，見圖5-圖8。

圖5　型鋼柱與普通混凝土梁節點深化

圖6　柱縱筋與鋼骨牛腿翼緣連接深化

圖7　梁縱筋與型鋼柱牛腿翼緣連接深化

圖8　梁縱筋穿鋼柱腹板深化

在建立模型的基礎上，導出深化設計圖紙，以本工程東塔二層KXL-3為例，其構件深化設計見圖9。

圖9　東塔二層KXL-3深化設計

3.6設計過程中與土建施工的銜接

型鋼混凝土中型鋼深化設計過程與土建施工的銜接非常重要，要重點考慮以下問題。

1）每段型鋼的制作長度應在車間制作條件和現場吊裝能力滿足的前提下進行深化。

2）加強型鋼制作長度、現場鋼柱標高、梁筋標高等偏差控制，當多種偏差疊加在一起時，會造成梁截面與鋼柱穿孔標高偏差，梁鋼筋無法穿過鋼柱預先留設的孔洞的情況；此外，深化設計時還應考慮縱向、橫向鋼筋穿孔標高相互錯開，避免兩個方向鋼筋相碰。

3）節點深化設計時，盡量將梁縱筋或墻鋼筋避開型鋼，無法避開時，采用鋼筋連接器與型鋼翼緣連接或型鋼腹板穿孔通過鋼筋；當必須在腹板上預留貫穿孔時，應兼顧減少型鋼截面損失與便于施工兩個方面，型鋼腹板截面損失率宜小于腹板面積的25%；當鋼筋穿孔造成型鋼截面損失不能滿足承載力要求時，可采取型鋼截面局部加厚的辦法補強。

4　曲面異形結構空間定位施工方法

為確?，F場施工時曲面異形結構構件安裝及定位準確，結合工程特點，主要采用AutoCAD結合全站儀的施工方法進行空間定位。

4.1利用AutoCAD獲取放樣點坐標

將設計單位提供的電子版施工圖紙與施工藍圖比對確認無誤后，打開曲面異形結構相應的電子版平面圖，在各樓層平面內角部選定一軸線交點作為該層直角坐標系原點，然后利用直角坐標法，確定曲面異形結構每一段結構的首尾兩點和中間若干點在直角坐標系內的坐標（X、Y）；根據異形結構相對于水平面夾角及水平投影長度，計算出在直角坐標系已確定平面坐標的點位標高（Z），即可得到曲面異形結構上任意點的空間坐標（X、Y、Z）。

4.2利用全站儀在現場進行點位測放

將AutoCAD獲取放樣點坐標錄入全站儀，然后以直角坐標系原點為基準點放置全站儀，進而可將異形結構各構件選取的點位在施工部位測放完成并做好標記。

4.3點位復核

在曲面異形結構施工過程中，特別是型鋼安裝過程中，對構件放置位置應及時進行復核，發現問題，立即進行調整。

在曲面異形結構型鋼安裝工程、鋼筋工程及模板工程完成后，混凝土澆筑前應對構件位置再次復核，以確保曲面異形結構位置無誤。

5　型鋼柱安裝施工

5.1工藝流程

預埋柱腳螺栓→澆筑基礎混凝土→型鋼柱吊裝、固定及定位→柱腳灌漿→綁扎型鋼柱鋼筋。

5.2施工方法

5.2.1預埋柱腳錨栓

柱腳螺栓主要是通過套板控制螺栓相互之間距離，套板采用木模板，根據柱腳錨栓位置，在套板上鉆孔，然后穿入錨栓，利用固定支架控制螺栓不變形、位置準確。固定架在型鋼柱基礎綁扎鋼筋時就應事先埋入，同基礎鋼筋連成一體。安裝地腳螺栓時需專人在縱橫兩個方向用經緯儀和水準儀控制預埋件的軸線及標高。柱腳校正加固牢固并驗收合格后，錨栓螺紋部分要涂黃油并包上油紙，外面再裝上套管保護。在澆筑混凝土前再次復核，確認其位置、標高、垂直度準確及固定牢固后方可澆筑基礎混凝土。

5.2.2型鋼柱吊裝、固定及定位

1）采用塔吊吊裝。在型鋼柱深化設計階段應充分考慮到塔吊的起重量與運輸能力，型鋼柱長度根據層高及其總高度確定。在塔吊起重能力范圍內的型鋼柱，不予以分節；否則，在深化階段將型鋼柱分節，分節高度在樓層1/3處，保證每節型鋼柱重量均在塔吊起重能力范圍內。

2）臨時固定。型鋼柱就位后，對齊定位線，利用耳板及螺栓作為臨時固定。每節柱翼板的接頭端設置了連接耳板，柱就位時，使上下柱接頭處兩個方向的安裝線對齊，用螺栓把上下耳板連接起來，稍加擰緊，即可脫鉤。

3）校正。型鋼柱垂直度調整采用千斤頂調節。調整前在下層鋼柱上的相應位置焊接千斤頂支座，在上層鋼柱相應位置上焊接耳板。在鋼柱相互垂直的兩個方向設2臺經緯儀，觀測鋼柱垂直控制線校正結果，使鋼柱的垂直度、標高誤差符合規范要求。

5.2.3柱腳灌漿

型鋼柱吊裝、固定及定位完成后，進行柱腳底板灌漿。為保證灌漿的密實度，應從柱腳板一側勻速灌漿并可根據柱腳板的大小開排氣孔。

6　型鋼梁安裝施工

型鋼梁安裝與型鋼柱的吊裝、固定、定位基本一致。

7　型鋼與鋼筋相交時處理

型鋼混凝土結構梁、柱節點部位型鋼與鋼筋連接較為復雜，在深化設計時應充分考慮并明確各部位梁、柱節點做法。

7.1型鋼柱與普通混凝土梁節點做法

型鋼柱與普通混凝土梁縱筋連接做法有兩種：一是鋼筋混凝土梁中間部分縱筋無法繞開型鋼柱翼緣時和型鋼翼緣上的鋼牛腿焊接，其焊縫長度應滿足等強連接要求；二是梁兩側縱筋可避開型鋼翼緣，但需穿過型鋼腹板的，在型鋼腹板上穿孔，腹板穿孔應在工廠制作。以十字型鋼柱為例，其做法見圖10。

圖10　型鋼柱與普通混凝土梁節點做法

7.2型鋼梁與普通混凝土次梁相交節點做法

型鋼梁與混凝土次梁相交時，混凝土次梁上部縱筋在中間支座型鋼梁位置直接貫通，在邊支座型鋼梁位置錨入支座一個錨固長度；混凝土次梁下部縱筋在中間支座、邊支座型鋼梁位置錨入支座15d（d為型鋼梁寬帶），其節點做法見圖11。

圖11　型鋼梁與混凝土次梁典型節點做法

7.3型鋼柱與型鋼梁相交節點做法

型鋼柱縱筋與型鋼梁翼緣間采用鋼筋連接器連接，鋼筋連接器在工廠內焊接；型鋼柱箍筋穿型鋼梁腹板穿孔時施工較為困難，可將箍筋設計成U形或L形，現場穿過型鋼后再焊接成封閉箍筋；型鋼梁縱筋在型鋼柱翼緣兩側采用鋼筋連接器連接。典型節點做法見圖12。

圖12　型鋼柱與型鋼梁相交節點做法

7.4型鋼混凝土梁內拉結筋處理做法

當型鋼混凝土梁內拉結筋直徑≤10 mm時在腹板上穿孔，梁拉結筋斷料為直條，在現場穿過腹板鋼筋孔后再進行彎折彎鉤，見圖13；當梁內拉結筋直徑＞10 mm時，在靠近型鋼腹板部位配置與腰筋相同鋼筋并和腹板同側腰筋拉結，見圖14。

圖13　梁橫斷面排布構造節點做法一

圖14　梁橫斷面排布構造節點做法二

8　型鋼混凝土施工

由于型鋼混凝土內型鋼的存在限制了混凝土的流動性且箍筋、拉筋密集，型鋼梁翼緣下部混凝土不易充分填滿，在梁、柱交接處鋼筋密集，又有型鋼加勁肋的存在，使得混凝土的澆筑和搗實變得更加困難。為保證型鋼混凝土澆筑質量，采取以下措施施工：

1）澆筑型鋼梁、柱時采用高流態混凝土，混凝土粗骨料的最大粒徑應＜20 mm；

2）混凝土采用斜向分層澆筑，振搗時間以混凝土面無氣泡泛出為準，設專人監控；

3）型鋼梁混凝土宜先從跨中鋼梁一側下料，用振動器在鋼梁一側振搗，將混凝土從鋼梁底擠向另一側，直到混凝土高度超過鋼梁下翼緣板時，然后改為雙側對稱下料，對稱振搗；當混凝土澆筑到上翼緣板時，將混凝土從跨中下料，改由跨中向兩端延伸下料振搗，將型鋼混凝土內氣泡趕向兩端排出；

4）型鋼柱柱間鋼筋及型鋼十分密集，相互間隙很小，混凝土流動性被嚴重限制；型鋼制作時，水平加勁肋中心預留直徑50～100 mm灌灰孔；澆筑混凝土時，分層澆筑、振搗，分層厚度應≯1 m，振動時快插慢拔，逐點移動，不得漏振，每點振動時間控制在20～30 s，以混凝土表面呈現浮漿、石子不再沉落及不冒出氣泡為止。

9　結語

通過實踐證明該深化設計方法及施工技術可有效解決型鋼混凝土結構操作難度大、細部節點復雜等難題，確保了型鋼混凝土結構的施工質量。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.05.006

□付效鐸/中建八局三公司天津分公司。

□TU375

□C

□1008-3197（2016）05-17-05

□2016-07-11

□魏德為/男，助理工程師，中建八局三公司天津分公司，從事工程技術管理工作。