某復雜高層轉換層節點設計的深化和優化

王曉征 蒯 青

(1.遼寧金海建筑設計研究院有限公司昆山分公司，江蘇 昆山 215300； 2.江蘇江都建設集團有限公司，江蘇 昆山 215300)

某復雜高層轉換層節點設計的深化和優化

王曉征1蒯 青2

(1.遼寧金海建筑設計研究院有限公司昆山分公司，江蘇 昆山 215300； 2.江蘇江都建設集團有限公司，江蘇 昆山 215300)

結合蚌埠百樂門文化經貿廣場1號樓的工程概況，分析了高層轉換層節點設計施工的難點，提出了節點深化設計的原則、措施及順序，并闡述了梁底筋錨固、補強板優化、連接件承載力計算的方法，以供借鑒。

高層建筑，轉換層，梁底筋，補強板

1 工程概況

蚌埠百樂門文化經貿廣場1號樓位于廣場直角三角形地塊443.2 m長斜邊的西南端，共31層，高99.6 m，地面以下為人防工程和私家車庫，東側與北側和4層高的商業建筑相連。由于大空間使用功能要求，部分剪力墻不能落地，須在3層樓面進行轉換，本建筑屬于扭轉不規則、凹凸不規則、豎向傳力構件不連續的復雜高層建筑。

2 施工難點

3)型鋼混凝土組合轉換柱柱內型鋼柱為異形排列，共有6個類型不規則排列的型鋼柱阻礙了型鋼混凝土組合轉換主梁的底部縱筋的伸入,增加了型鋼混凝土組合轉換主梁底筋在柱內錨固的多樣性和復雜性。

4)型鋼混凝土組合轉換柱2個方向的型鋼混凝土組合轉換主梁高度相等，2個方向的梁的底筋在轉換柱內相遇，梁的底筋穿插困難。

5)型鋼混凝土組合轉換主梁內的型鋼梁占用了轉換柱的部分寬度，增大了轉換柱的縱筋排列的難度。

上述難點的存在使節點施工困難重重，不理順柱梁鋼筋及型鋼之間的關系，不僅影響施工進度，更會影響工程質量，必須對施工藍圖的柱梁節點進行深化和優化。

3 深化設計原則

1)不得因深化設計而影響結構的承載能力。2)必須滿足相關規范對結構的保護層、鋼筋間距、鋼結構開孔鋼結構焊接等構造要求。3)不增加造價,方便施工。

4 實施措施

1)根據等強代換的原則對型鋼混凝土組合轉換主梁的縱向鋼筋進行代換，用Φ32(HRB400)替代Φ28(HRB400)。減少鋼筋根數，代換計算時,除用鋼量不小于設計用鋼量且保證轉換梁不因使用大直徑鋼筋出現裂縫。

3)所有轉換梁的縱筋在節點內錨固均采用直錨，當錨固長度小于Lae時,采用直錨加錨頭。其水平錨固長度不小于0.4Lae且過柱中線5d。

4)取消所有型鋼梁下翼緣栓釘，減小梁底縱筋排列難度。

5 節點深化順序

1)根據平面圖中型鋼混凝土組合轉換柱與軸線的關系，以1∶20的比例在電腦中將混凝土組合轉換柱定位。

2)根據平面圖中型鋼混凝土組合轉換主梁與軸線的關系，以1∶20比 例在電腦中畫出混凝土組合轉換主梁的邊線和型鋼梁的邊線。

3)定位型鋼混凝土組合轉換柱內型鋼柱，畫出混凝土柱外箍并布置轉換柱豎向鋼筋，鋼筋及型鋼均按實際尺寸比例畫出。

4)在離型鋼梁端頭245 mm處的翼緣板上開轉換柱豎筋穿筋孔，并焊接補強鋼板，孔中心距180 mm,孔中心距翼緣板邊60 mm。

5)以穿孔筋為基準布置柱該側其他豎筋。

6)布置型鋼混凝土組合轉換主梁的底筋，當梁的底筋與柱豎筋相碰時,調整柱的豎筋，使柱的豎筋間距滿足規范要求。布置時可采用2筋并列的方式，但梁筋不宜在角處并列，柱筋可優先考慮在角處并列，角處并列的鋼筋可被柱的2個方向共用，能減少另一方向鋼筋數量。

7)布置轉換柱的內箍筋，當箍筋肢數較多時，可采用比設計直徑大一級別的鋼筋等強代換，箍筋布置時盡量使其不穿或少穿鋼柱腹板。

6 梁底筋的錨固

1)梁底筋與轉換柱內型鋼柱翼緣板相遇無法貫通時的錨固方法：

梁底筋與轉換柱內型鋼翼緣板相遇無法貫通時可采用與鋼柱翼緣板焊接水平連接鋼板、豎直連接鋼板、鋼套筒及在翼緣板上開穿筋孔等方法進行錨固。

a.水平鋼連接板。該方法適用于轉換柱只有一個方向有型鋼混凝土組合梁或另一方向有與該方向不等高的型鋼混凝土組合梁在柱節點相遇時采用。當兩個方向等高的型鋼混凝土組合梁在柱節點相遇時，水平鋼連接板會阻擋另一方向轉換梁的底筋伸入，同時當轉換梁底筋多于一排時，第二、第三排鋼筋與鋼連接板無法直接焊接,此方法在本工程大部分節點不適用。

b.豎向鋼連接板。豎向鋼連接板可以使多排梁的底筋與型鋼柱翼緣板可靠連接，但豎向連接板在型鋼柱翼緣板寬度內排列不宜超過2塊，否則因豎向連接板的水平間距小，轉換梁的底筋與中間的連接板無法焊接。另一方向型鋼混凝土組合轉換梁的底筋可在豎向連接板上開孔穿過，只要孔的邊緣距連接板的外側距離不小于30 mm即可，開孔不影響連接板與型鋼柱之間焊縫承載能力。以型鋼柱腹板中心線為中心，2塊豎向連接板對稱布置，連接板上鋼筋產生的合力通過型鋼柱腹板向轉換柱內傳遞，不需要另焊連續傳力構件，節省材料，減少施工時間。

c.鋼套筒的連接。鋼套筒是鋼筋一種快捷、簡單、環保的連接方法。鋼套筒在工廠內按設計要求焊在指定的位置，在施工現場，只要將端頭絞有螺紋的鋼筋用力矩扳手擰入即可。但鋼套筒與型鋼柱之間的焊縫應進行強度計算，因為定型鋼套筒的壁厚是定值，焊縫承載能力受到壁厚的限制。鋼套筒的水平凈距不小于30 mm,豎直凈距不小于另一方向鋼筋的直徑，否則另一方向的鋼筋無法穿過。每跨梁的兩端不宜同時采用鋼套筒連接，因連接的鋼筋比兩端鋼套筒之間的凈距長，鋼筋無法擰入。每層鋼筋采用鋼套筒連接的只數不宜多于2只，沿型鋼柱腹板中心對稱布置，2只鋼套 筒連接的鋼筋產生的合力由型鋼柱腹板向轉換柱內傳遞，不用加焊連續傳力的構件。因鋼套筒中心距離鋼柱腹板中心距離很小，鋼筋拉力使鋼柱翼板變形甚微，可以略去不計。當每排鋼套筒多于2只時，多出的鋼套筒背面應加焊連續傳力構件，否則因鋼筋與混凝土之間的錨固力不足，導致型鋼梁翼緣產生變形。

d.鋼柱翼板開孔穿筋連接。在型鋼柱翼板開孔讓轉換梁的鋼筋穿孔而過向轉換柱內伸入而達到錨固長度是鋼筋的另一種錨固方法，在鋼柱翼緣板上開孔需要在孔兩面貼補強鋼板，補強鋼板與鋼柱腹板相近的邊因距離小無法焊接，本工程不采納。

2)梁底筋與轉換柱內型鋼腹板相遇無法貫通時的錨固方法：

趙仙童挨扇，呆愣片刻尖叫起來，說你違反規則了，你不能還手的，你再自抽兩個嘴巴。磚子又自抽兩巴掌，苦著臉說，我不是有心打你的，我不知道手怎么會爬到你臉上，我可能控制不住自己的手了，我的手好像告訴我，再不還手，我能被逼瘋了。磚子接著解釋說，我不是說我這個人被逼瘋，我是說手能被逼瘋，我怎么控制不了自己的手呢。磚子愈加可憐地說，仙童，我的手不聽話，要不你剁了它，我禁止它生你的氣，它敢生氣，我拿它喂狗。

a.型鋼柱腹板距轉換柱外側距離不小于0.4Lae。當轉換梁的底筋被轉換柱的型鋼柱腹板擋住,腹板距轉換柱外側距離不小于0.4Lae時，可采用在腹板上焊接豎向鋼連接板或鋼套筒連接。鋼柱腹板可視為豎向連接板和鋼套筒的較大錨頭，在0.4Lae長的鋼筋粘結錨固力和鋼柱腹板對混凝土擠壓力作用下能保證梁鋼筋的錨固強度和抗滑移能力。

b.型鋼柱腹板距轉換柱外側距離小于0.4Lae。當轉換梁的底筋被轉換柱的型鋼柱腹板擋住,腹板距轉換柱外側距離小于0.4Lae時，由于梁底筋水平粘結錨固力不足而導致豎向連接板和鋼套筒周圍鋼柱腹板變形，腹板另一側會與混凝土之間產生縫隙，為了避免該狀況發生須在腹板另一側豎向連接板和鋼套筒相同位置焊接連續傳力構件，構件末端至受拉鋼筋一側轉換柱邊距離不小于0.4Lae且過柱中心5d。

c.型鋼柱腹板上開孔。在型鋼柱腹板上開孔，讓轉換梁底筋穿伸入達到錨固長度或不小于0.4Lae且過柱中心5d，但受到開孔面積不宜大于開孔所在截面的1/4及轉換柱豎筋排列的限制，在長度有限的型鋼柱腹板上開2個孔的可能性很小，一般情況下根據梁筋排列需要，可隨機開1個穿筋孔。

7 補強板的優化

在型鋼梁翼緣板上開孔必須雙面貼鋼板補強，補強板大小厚度與鋼筋直徑、柱翼緣厚度有關，若按文獻[2]和文獻[3]圖集的方法計算補強板，補強板開孔直徑比鋼梁翼板開孔直徑大，補強板不僅四周要與鋼梁翼緣焊接，孔邊還要與鋼梁翼緣板焊接。由于補強板孔與穿筋孔不是等圓，上下2塊補強板不易對齊，焊接后使穿筋孔四周受力更復雜。

文獻[1]對穿筋孔補強的方法比上述2本圖集方法簡單且易操作，補強板孔與穿筋孔直徑相同，補強板只須外圍與鋼梁翼緣板四周焊接，操作簡便，質量易于保證。

按文獻[1]的公式計算：

補強板寬：

B=2.3n+0.1d。

補強板厚：

T=(t×n×d)/(2B-2n×d)。

其中，n為穿筋孔數；d為穿筋孔直徑；t為型鋼柱翼緣板厚度，算得補強板尺寸為86×86×12,采用90×90×14。

8 連接件承載能力計算

1)鋼套筒與型鋼柱連接的焊縫承載能力計算。經計算，各種直徑套筒與型鋼連接的貼角焊縫承載能力均小于所連接的鋼筋拉力，以Φ25(HRB400)鋼筋為例，其承擔的拉力設計值：N=491×360=176.7 kN。

與其匹配的鋼套筒外徑37 mm,壁厚6 mm,采用貼角焊縫的承載能力設計值：

Nf=37×3.14×6×0.7×200=97.6 kN，遠小于鋼筋的承載能力。

根據GB 50017—2014鋼結構設計規范第8.2.7規定，焊腳尺寸可增加1 mm且可取較薄焊件的1.2倍，則：Nf=37×3.14×(6+1)×1.2×0.7×200=136.6 kN,仍小于鋼筋的承載能力。

采用Φ25/Φ22不等徑鋼套筒,即與鋼筋連接端的孔徑與鋼筋直徑相同，與鋼柱焊接端的孔徑比鋼筋直徑小一個級別，這樣焊接端鋼套筒壁厚可增大1.5 mm，則焊縫的承載能力為：

Nf=37×3.14×(7+1.5)×1.2×0.7×200=165.9 kN，只達到鋼筋承載能力的93.9%。

為了搞清楚鋼套筒與型鋼柱之間焊縫實際承載能力，選3根Φ25(HRB400)鋼筋與其匹配的鋼套筒焊在鋼板上，送法定檢測機構做試驗，檢測報告顯示，3個試件的拉力都超過260 kN,破壞形式均為鋼筋從鋼套筒內拔出。試驗證明焊縫實際承載能力可滿足鋼筋的拉力要求，為確保焊縫質量,焊接時采用二氧化碳氣保焊。

2)豎向連接件焊縫承載能力計算。豎向連接件上的鋼筋根數和直徑決定了連接件產生的拉力，由拉力決定焊縫截面，根據焊縫截面選擇連接鋼板尺寸。

9 型鋼柱梁節點組裝優化

原設計每跨型鋼梁分為三段，即每跨型鋼梁端頭1.0 m長是在工廠內與鋼柱焊接，在施工現場完成與中間跨組裝，鋼梁翼緣采用全溶透自溶焊，腹板用高強螺栓連接。這種做法存在以下缺點：

1)因為每跨梁端頭節是在工廠內與柱焊接的，型鋼柱安裝產生高低或左右誤差時，梁的中間節與端頭節現場組裝困難，甚至因誤差大不能組裝而返工。

2)鋼梁接頭處的翼緣板要在現場焊接，腹板要通過高強螺栓和蓋板連接，影響造價和增加吊車使用工時。

3)接頭處要設置補強縱筋和箍筋，影響造價和工期。

4)型鋼梁組裝須在空中進行，容易產生安全事故。

鑒于上述缺陷，將每跨鋼梁由3節改為單節，現場與型鋼柱焊接,減少現場中跨與邊跨內側焊接與栓接工序。

其方法為：

1)型鋼柱在下料時柱高增加20 mm，作為型鋼柱腳安裝高低誤差調整量。

2)所有的型鋼柱安裝調平校直以后澆混凝土至型鋼混凝土組合梁底下300 mm處停止澆筑。

3)混凝土養護至其強度達到C30后梁柱開始組裝。

4)在型鋼柱翼板上劃出型鋼梁下翼緣板底標高水平線及型鋼梁腹板中心線。

5)在用鋼套筒與轉換梁鋼筋連接的型鋼柱翼緣板側以型鋼梁腹板中線為中點，型鋼梁下翼緣板水平線處對稱焊接2塊20×150×250鋼板作為牛腿，鋼板凈距150，梁的另一端利用2塊豎向鋼連接板作為牛腿，將套著轉換梁箍筋的型鋼梁吊起擱置在牛腿上，校正后對柱梁進行焊接，牛腿的焊縫必須能承擔鋼梁和轉換梁全部縱筋和箍筋重量。將轉換梁箍筋在型鋼梁起吊前套入，可減少將矩形箍筋加工成U形箍筋再焊接的工序。

10 結語

通過上述措施，使轉換層施工順利進行,因型鋼梁單跨由3節組裝改為單節組裝，減少了接頭焊接工作量，取消了腹板螺栓接頭工作量和接頭處附加鋼筋的用量，節省了工期，降低了造價，減小了施工復雜性,為整個結構的質量保證奠定了一個良好的基礎。

1號樓已于2015年3月28日封頂，2015年7月1日通過主體驗收，至2015年12月底土建工程全部完工，沉降穩定，柱梁接頭處未見異常，希望本工程做法能為類似工程提供借鑒。

[1] 何 東，余永輝.廣州琶洲PZB1401地塊項目轉換層節點設計[J].建筑結構，2012(6)：60-66.

[2] 04SG523，型鋼混凝土組合結構[Z].

[3] 12SG94-1，型鋼混凝土結構施工鋼筋排布規則與構造詳圖圖集[Z].

[4] GB 50017—2011，鋼結構設計規范[S].

[5] GB 50010—2010，混凝土結構設計規范[S].

[6] GB 50011—2010，建筑抗震設計規范[S].

[7] JGJ 3—2011，高層建筑混凝土結構技術規程[S].

The deepening of a complex high-rise transformation layer node design and optimization

Wang Xiaozheng1Kuai Qing2

(1.LiaoningJinhaiArchitecturalDesignandResearchInstituteCo.,Ltd,KunshanBranch,Kunshan215300,China；2.JiangsuJiangduConstructionGroupCo.,Ltd,Kunshan215300,China)

Combining with the engineering survey of No.1 building of Bailemen cultural and economic trade square in Bengbu city, the paper analyzes the difficulties for the node design of a complex high-rise transformation layer, points out the principle, measures and order for the deepened design of node, and illustrates the methods of the beam bottom reinforcement anchoring, optimization of stiffening plates, and calculation of connection loading capacity, so as to provide some reference.

high-rise building, transformation layer, beam bottom reinforcement, stiffening plate

1009-6825(2017)05-0052-04

2016-11-26

王曉征(1979- ),男，工程師； 蒯 青(1987- )，男，助理工程師

TU973

A