大型文化中心地下室鋼結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計(jì)

王光東 曹輝發(fā) 張銀國(guó) 朱 沖

中建鋼構(gòu)江蘇有限公司 江蘇 靖江 214532

1 工程概況

背景項(xiàng)目位于某市政府旁邊，占地112 000 m2，建筑總面積156 580 m2。從建筑功能上分為商業(yè)區(qū)及劇院、高層部分（辦公區(qū)、博物館、文化辦公樓）。建筑東西長(zhǎng)約364.2 m，南北寬約128.7 m。建筑物頂標(biāo)高47.5 m，地下1層，高度6 m，柱網(wǎng)以8.5 m×8.5 m為主。

本工程鋼結(jié)構(gòu)由兩部分組成：一部分為商業(yè)劇院區(qū)，一部分為高層辦公區(qū)。商業(yè)劇場(chǎng)區(qū)3層、4層為大跨度、大懸挑樓面鋼結(jié)構(gòu)，由3榀巨型桁架支承，桁架最大跨度為101.3 m，商業(yè)劇院區(qū)南側(cè)最大懸挑為18.5 m。高層辦公區(qū)由3棟高層組成，3、4層在高層主體結(jié)構(gòu)外側(cè)和之間由鋼結(jié)構(gòu)桁架支承或懸挑，桁架最大跨度為63 m，最大懸挑為13.5 m。高層文化區(qū)和商業(yè)劇院區(qū)之間通過豎向約束的雙向滑動(dòng)支座聯(lián)系。鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)有Q345B、Q390GJC、鑄鋼件等。本文主要介紹高層文化區(qū)地下室鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)技術(shù)。

2 地下室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1）面積大，高差變化大。高層文化區(qū)地下室1層，且包括設(shè)備夾層、自行車庫(kù)夾層、電氣夾層、報(bào)告廳夾層4個(gè)夾層。單層平面面積約18 000 m2，工作面較大；基礎(chǔ)高度－13.0～－6.8 m，跨越高度較大。

2）配筋較為復(fù)雜。大面積地下室混凝土構(gòu)件較多，橫縱交錯(cuò)，使混凝土柱鋼筋、混凝土梁鋼筋、剪力墻鋼筋、柱底抗水板及承臺(tái)鋼筋等關(guān)系的處理成為重、難點(diǎn)。

3）型鋼柱數(shù)量多，截面種類多。高層文化區(qū)涉及到多種截面類型，主要有十字形截面、箱形截面、十字形和箱形組合截面、目字形截面等。由于型鋼柱截面的多樣性與地下室結(jié)構(gòu)配筋的復(fù)雜性，考慮到鋼柱工廠加工的工藝流程及現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)，故必須與各方充分溝通協(xié)調(diào)，提出可行性方案，使工程順利進(jìn)行。

3 鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)重、難點(diǎn)

本項(xiàng)目高層文化區(qū)地下室結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到各方因素，在依據(jù)結(jié)構(gòu)圖紙的條件下，結(jié)合實(shí)際情況，滿足制作及施工要求[1]。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖優(yōu)化

在初版結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖中，十字形鋼柱截面其中一個(gè)方向翼緣過長(zhǎng)，經(jīng)制作廠反饋，無法對(duì)另一個(gè)方向的翼緣和腹板進(jìn)行焊接，后通過圖紙會(huì)審，在滿足計(jì)算條件下，提出截面優(yōu)化方案，并得到設(shè)計(jì)院同意。

3.2 鋼構(gòu)件分段分節(jié)

型鋼混凝土柱高度大、板材厚、質(zhì)量大，在符合設(shè)計(jì)要求，同時(shí)滿足現(xiàn)場(chǎng)鋼構(gòu)件吊裝條件及運(yùn)輸條件下，對(duì)鋼柱進(jìn)行分段、分節(jié)，并按照公司標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)連接措施。

3.3 鋼筋混凝土保護(hù)層

本工程地下室結(jié)構(gòu)鋼筋種類較多，需考慮不同位置對(duì)應(yīng)的混凝土保護(hù)層厚度。除表1中已提供的各部位保護(hù)層厚度外，還需考慮到其他構(gòu)件混凝土保護(hù)層厚度：室外覆土下的地下室頂板和梁上鐵為40 mm；規(guī)劃博物館耐久性為100 a，最外層鋼筋的保護(hù)層厚度不應(yīng)小于表中的1.4倍。

3.4 鋼筋的連接方式

以混凝土梁的縱向鋼筋與型鋼混凝土柱的連接為例，本工程主要涉及到以下幾種。

表1 鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度（單位：mm）

3.4.1 鋼筋穿孔

根據(jù)規(guī)范要求，梁的縱向鋼筋應(yīng)伸入型鋼混凝土柱，且應(yīng)滿足鋼筋錨固要求。同時(shí)，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求梁的縱向鋼筋上鐵需不少于1/2、下鐵不少于1/3貫穿型鋼混凝土柱。基于此條件，在混凝土梁兩側(cè)縱筋穿過型鋼混凝土柱數(shù)量達(dá)不到要求的情況下，需在型鋼柱上穿孔，并且一般不允許在現(xiàn)場(chǎng)打孔。鋼筋穿孔時(shí)，孔位標(biāo)高錯(cuò)開，避免不同方向的鋼筋碰撞的情況（圖1）。

圖1 鋼筋穿孔

為保證穿孔時(shí)鋼筋能夠順利通過，鋼筋孔徑應(yīng)放大，一般根據(jù)公司標(biāo)準(zhǔn)及現(xiàn)場(chǎng)施工精度要求取值。同時(shí)根據(jù)圖集要求，型鋼腹板截面損失率超過腹板面積的25%時(shí)，應(yīng)采用補(bǔ)強(qiáng)板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

3.4.2 鋼筋套筒連接

當(dāng)梁的縱向鋼筋遇到型鋼柱翼緣時(shí)，一般不宜開孔穿過，因此此時(shí)可選擇使用鋼筋連接套筒（圖2），這也是本項(xiàng)目?jī)?yōu)先考慮的連接方式。套筒一般也要求在工廠焊接，保證焊接質(zhì)量。鋼筋套筒連接是目前一種普遍的鋼筋連接方式，簡(jiǎn)單便捷，成本較低。

圖2 鋼筋套筒連接

3.4.3 鋼牛腿焊接

當(dāng)梁的縱向鋼筋遇到型鋼柱翼緣時(shí)，存在幾種情況：

1）鋼筋排布較密，或者混凝土梁與型鋼混凝土柱斜交，使用套筒時(shí)，套筒難以與鋼柱焊接或焊接質(zhì)量達(dá)不到要求。

2）混凝土梁兩端均與型鋼柱連接，存在通長(zhǎng)筋，且一端已設(shè)置套筒。

在上述這些情況下，應(yīng)考慮使用鋼牛腿焊接（圖3）。當(dāng)使用鋼牛腿焊接的連接方式時(shí)，應(yīng)滿足鋼筋雙邊焊接長(zhǎng)度不小于5d（d為鋼筋直徑），單面焊接長(zhǎng)度不小于10d。使用鋼牛腿焊接時(shí)，梁柱不同方向的受力筋穿孔貫通部位應(yīng)相互錯(cuò)開。當(dāng)柱的縱向鋼筋和箍筋遇到鋼牛腿時(shí)，應(yīng)在鋼牛腿翼緣和腹板上開孔。

圖3 鋼牛腿焊接

鋼筋與型鋼連接方式復(fù)雜多樣，除了上述幾種情況外，還存在如下情況：

1）剪力墻兩側(cè)存在約束邊緣構(gòu)件時(shí)，墻的水平分布鋼筋與鋼柱的連接、連梁鋼筋與鋼柱的連接。

2）梁柱節(jié)點(diǎn)處鋼筋配置不適合當(dāng)前實(shí)際情況，經(jīng)設(shè)計(jì)同意對(duì)鋼筋進(jìn)行等強(qiáng)代換或調(diào)整鋼筋上下排布。

3）梁縱筋需要從鋼柱兩側(cè)繞過時(shí)，部分混凝土梁節(jié)點(diǎn)區(qū)需要加腋（圖4）。

4）施工難度大，需做環(huán)梁節(jié)點(diǎn)時(shí)，均應(yīng)依據(jù)圖集規(guī)范及實(shí)際情況進(jìn)行深化。

3.5 鋼骨梁柱節(jié)點(diǎn)

本工程勁性結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在深化設(shè)計(jì)過程中，需要考慮到多方面的問題，以應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖要求，及后續(xù)制作、安裝的需求，舉一個(gè)梁柱節(jié)點(diǎn)說明：

1）在多根不同方向的鋼骨梁交于同一根混凝土柱時(shí)，為提高混凝土柱的承載能力，需在混凝土柱內(nèi)加一鋼骨柱。

2）在梁柱節(jié)點(diǎn)范圍，內(nèi)部灌漿區(qū)，鋼骨梁局部由H形截面轉(zhuǎn)變?yōu)橄湫谓孛妗?/p>

3）為保證構(gòu)件局部穩(wěn)定并傳遞集中力，提高構(gòu)件的穩(wěn)定性和抗扭性能，還需在梁柱腔體內(nèi)對(duì)應(yīng)設(shè)置加勁肋。在加勁肋較多，且存在于腔體內(nèi)側(cè)，無法進(jìn)人焊接的情況下，對(duì)板材組裝焊接的順序提出了極高的要求。

圖4 節(jié)點(diǎn)水平加腋

如此，在基于結(jié)構(gòu)圖紙的前提下，對(duì)于梁柱翼腹板關(guān)系、加勁肋的位置、是否便于焊接、焊縫要求、控制變形等都要全面考慮。

3.6 深化軟件支持

在本項(xiàng)目中，為保證鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)精確，提高效率，且為后續(xù)加工、制作、安裝等提供便利，使用了專業(yè)的深化設(shè)計(jì)軟件——Xsteel。尤其是地下室部分，基礎(chǔ)高度不一致，變化較大，為保證型鋼混凝土柱標(biāo)高定位準(zhǔn)確，在Xsteel建模軟件中，對(duì)混凝土基礎(chǔ)底板、承臺(tái)也按實(shí)際1∶1進(jìn)行了放樣，由此，可以直觀正確地表達(dá)出構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)的具體位置。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)高層文化區(qū)地下室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)重難點(diǎn)的歸類分析，詳細(xì)闡述了鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)在圖紙會(huì)審、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖優(yōu)化、鋼構(gòu)件分段分節(jié)、鋼筋連接方式、鋼骨梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，和實(shí)際中的制作施工等方面一系列流程及注意事項(xiàng)。嚴(yán)格依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，參考圖集規(guī)范，結(jié)合實(shí)際操作方案，鋼結(jié)構(gòu)深化才能做到各方面的平衡協(xié)調(diào)，為工程的完美履約搭建一座通暢的橋梁。