勁性混凝土柱、墻關鍵技術探討

駱少雄，顧建平

(南京工業大學，江蘇 南京 211816)

0 前 言

勁性混凝土是一種表面熔焊栓釘的型鋼骨架與外包混凝土構成的型鋼結構。一般可以將勁性混凝土根據型鋼界面劃分為H型鋼勁性混凝土、圓鋼勁性混凝土、矩形鋼勁性混凝土等。勁性混凝土較鋼結構而言成本低，鋼材用量少，同時比普通鋼結構具有更好的防火防腐性能；相比鋼筋混凝土結構而言，勁性混凝土的截面小、強度大，空間使用率高、剛度高、抗震性能好。因鋼骨架承載力強的優勢，可以通過減少一些支撐體系的辦法來縮短工期和節約成本。

1 工程及結構概況

1.1 工程概況

南京江北新區某美術館項目，建筑總面積約9.73萬m2，平面呈不規則回字形，中央大廳在平面中心，主屋面和中央大廳屋面標高分別為31.8 m和43.35 m。本工程分為地上、地下兩個不同結構，其中地下為框架，地上為鋼筋混凝土筒體-鋼桁架。美術館新館結構如圖1所示。

圖1 美術館新館結構示意圖

3層以上是以核心筒為基礎的鋼桁架結構，縱橫向交叉構成一圈雙層框架結構，結構長寬分別為147.46 m和103.29 m，高度從31.76 m至39.3 m。由箱型柱、圓管柱、鋼板剪力墻等鋼構件組成的核心筒結構和勁性柱構成了美術館的地下鋼結構；由箱型柱、圓管柱、鋼板剪力墻、H型鋼梁、桁架等構件組成的核心筒結構、桁架結構以及中庭結構構成了美術館的地上鋼結構。

地下鋼結構由核心筒結構和勁性柱組成，主要鋼構件為箱型柱、圓管柱、鋼板剪力墻；地上鋼結構由核心筒結構、桁架結構及中庭結構組成，主要鋼構件為箱型柱、圓管柱、鋼板剪力墻、H型鋼梁、桁架。鋼材的主要材質是Q345C、Q345GJC兩種，鋼結構的總重量約為1.4萬t；鋼筋桁架樓承板約2.7萬m2。核心筒結構如圖2所示。

圖2 核心筒結構示意圖

1.2 核心筒結構概況

布置四個核心筒，核心筒采用箱型柱，柱間布置勁性鋼梁及勁性鋼板墻，核心筒地下2層，地上4層(含夾層)，核心筒鋼柱柱底標高為-12.15 m，柱頂標高為31.827 m，核心筒平面尺寸如下：1號核心筒平面尺寸為11.1 m×13.82 m;2號核心筒平面尺寸為11.1 m×10.24 m;3號核心筒，地下室平面尺寸為16.8 m×15.3 m，從正負零開始到三層桁架層平面尺寸漸變為19.5 m×15.3 m(桁架層)；4號核心筒地下室平面尺寸為16.8 m×12.4 m，從正負零開始到3層桁架層平面尺寸漸變為19.5 m×12.4 m(桁架層)。

核心筒鋼柱為焊接型箱柱，規格為BOX1000×1000×50×50，桁架層節點位置壁厚調整為60 mm，材質為Q345GJC；鋼板剪力墻為單層勁性結構，剪力墻板與核心筒箱型柱焊接連接，鋼板墻板厚為30 mm，材質為Q345GJC;勁性梁為焊接H型鋼梁，主要規格為：BH1000×300×30×40、BH1200×300×30×40、BH700×300×30×40、BH1000×300×30×60，材質為Q345GJC。

2 施工重難點

2.1 地腳螺栓埋設

結構的底部施工時，通常會采用預埋地腳螺栓來連接基礎底板與預埋鋼板或者是垂直邊緣構件。施工的難度則取決于地腳螺栓的直徑和數量。地腳螺栓施工的關鍵技術便在于如何保證地腳螺栓預埋的精度以及在基礎上進行混凝土澆筑時如何保持地腳螺栓的穩定性。

2.2 箱型柱吊裝

通過選擇良好的核心筒箱型柱的吊裝與安裝的方案，不僅可以提高鋼結構工程施工的進度、質量和安全，還能對整個工程施工的進度產生良好的影響。方案的關鍵點在于吊裝與安裝時箱型柱中心點以及垂直度的控制。

2.3 混凝土澆筑、振搗

在鋼骨外綁扎的鋼筋時常過于密集，鋼筋與鋼筋、鋼筋與型鋼間的間距便會比較緊湊，鋼筋跟型鋼間相互穿插時也會時而出現位置上的沖突，這也導致了混凝土進行澆筑時會出現入料以及振搗不充分的情況。如何確保綁扎時鋼筋的合理布置以及澆筑時混凝土的密實度控制，也是本工程的重難點。

3 施工措施及效果

3.1 地腳螺栓埋設方法

地腳螺栓一般由螺桿、墊片、緊固螺母和止退螺母這四個部分組成，在構件需要灌漿的條件下則還需要配備調整墊片和調節螺母。地腳螺栓的鋼材選擇有Q235和Q345兩種，Q345鋼材的強度大但制作較為困難。通過對螺栓所受剪力、拉力等受力因素來確定螺栓的直徑、構造與埋入深度，通常情況下，埋深為直徑的25倍。

地腳螺栓的端部在設計時采用了鉤式、爪式和錨板式等端部構造，其中鉤式可以分為彎鉤和直鉤，這些端部構造加強了地腳螺栓的牢固性。在基礎里鋼筋錯綜復雜的情況下，錨板式更為合適。

通常會采用預埋法進行地腳螺栓的埋設，預留孔法則使用較少。預埋法的優缺點也很明顯，它的優勢在于一次成型的混凝土使得混凝土整體性能、強度各方面都很好，缺點在于一旦螺栓位置出現偏差，則需要整個開鑿重做。地腳螺栓的安裝精度問題是十分重要的，因為它決定著上部結構的安裝精度。采用預埋法安裝的地腳螺栓允許偏差值見表1。

表1 地腳螺栓(錨栓)位置、尺寸允許偏差 單位：mm

施工前在計算機模型中復查地腳螺栓和底板鋼筋的排列布局是十分有必要的，尤其值得關注的是錨板大小與鋼筋間距的關系?？梢酝ㄟ^在基礎中安放由豎向支撐和螺栓定位兩部分框架組成的鋼支架來保證螺栓的穩定性。在進行大底板基礎地腳螺栓預埋施工時，可以在墊層上直接安放支撐框架，優點在于穩定，缺點在于用鋼量大。在進行混凝土梁等結構地腳螺栓預埋時，可以將梁內主筋與螺栓定位框架連接固定。

待地腳螺栓與鋼板剪力墻安裝完成后，用C45混凝土二次澆筑100 mm厚無收縮細石混凝土層。剪力墻地腳螺栓節點見圖3。

圖3 剪力墻鋼板地腳螺栓節點

3.2 箱型柱吊裝工藝

箱型柱的生產及現場施工必須充分考慮現場吊裝環境，針對現場吊機的位置制定合理的吊裝路線，同時需要掌握各起吊點的吊重，嚴格安全施工生產。

分析各吊裝點起重量，嚴格控制大型機械的安全使用，嚴禁超重作業。本工程核心筒鋼柱-2層至地上2層，根據現場塔吊進行分段，分段的原則以設計連接節點為主，輔以塔吊的吊裝性能來考慮箱型柱吊裝長度和重量；地上3層及以上采用一層一段，盡量減少箱型柱分段。

首先是柱腳的施工，箱型柱柱腳采用埋入式施工方法，如圖4所示。埋入式施工中，鋼柱施加給混凝土的壓力先傳遞給柱腳再傳遞給基礎。所埋入的柱腳的4個側面都會熔焊Φ22 mm@200 mm的栓釘用來加強鋼構件與混凝土間的粘結力。

圖4 埋入式柱腳圖

整個結構的安裝質量都會被埋入式柱腳施工質量所影響，所以埋入式施工是尤為關鍵的。埋入式施工第一步是底平面標高和鋼柱支架位置線的測量。在墊層澆筑后便需要將支架與基礎鋼筋綁扎就位，并調整好支架的標高并進行固定。支架安裝完畢后便可以吊裝首節鋼柱，將鋼柱吊至支架上方200 mm時，需要緩緩下落，保證其穩定性，下落完畢后，利用在四角設置的楔鐵調節標高并跟蹤測量，使首節鋼柱精準安裝到位。

首節鋼柱吊裝完成后便需要吊裝上節鋼柱。每節鋼柱相對應的位置均焊有厚度16 mm的連接耳板，待鋼柱吊裝到位，用撬棍和纜風繩調整好位置后用大六角螺栓并配合兩塊10 mm厚的連接板將上下柱的耳板臨時固定連接起來，焊接完成后方可進行耳板的切割。箱型柱現場拼接節點如圖5所示。鋼柱外側所熔焊的栓釘是嚴禁攀爬的，必須通過搭建的云梯上下。初步吊裝到位后需對鋼柱用經緯儀進行校正，嚴格控制誤差，并估算可能出現的誤差方向和數值，通過預留焊接預傾量的方法來減小誤差。當天所吊裝的所有鋼構件需要和整體形成一個穩定的鋼結構空間體系。

圖5 箱型柱拼接節點圖

3.3 混凝土澆筑、振搗技術

混凝土澆筑振搗工藝也是工程的重難點之一。圓鋼管混凝土柱以及核心筒剪力墻筒體角部矩形鋼管混凝土柱均采用C45無收縮自密實混凝土，這是因為振搗棒不好伸入鋼柱內。

免振自密實混凝土最大的優點就是無需振搗便能澆筑均勻并且質量也很高。自密實混凝土的澆筑應按箱型柱分層分節高度一段一段澆筑，每層需待箱型柱焊接完焊縫等檢測合格后方可實行澆筑。

核心筒墻板區域因為剪力墻鋼板的存在不僅使得鋼筋排列十分密集，加大混凝土下料、振搗難度，也將鋼筋阻隔，使之無法滿足錨固長度要求。所以決定采用以下三種連接技術優化鋼板墻與鋼筋的連接方式。

1)首要之選是利用開孔技術對鋼板墻進行開孔處理，在鋼筋直徑都不大的情況下，盡可能的統以孔洞的孔徑，減小現場施工的難度。

2)對于節點上不可以開孔的板面或其他構件，采用焊接機械連接套筒的方式。鋼筋機械連接套筒要求在工廠加工好，直接焊接在構件的相應位置上，對工廠焊接質量有較高的要求，同時需要注意的是節點區域布置的連接套筒需要考慮縱橫向的空間位置關系，以防連接鋼筋時鋼筋位置發生沖突。這種連接方式的優勢在于現場施工操作方便，同時連接速度快，對構件自身的破壞較小。

3)若以上兩種方法都不適用時，可以采取焊接連接板的方式。這種方法的優勢在于鋼筋可以直接焊接在連接板上，施工難度小，焊接對截面的削弱小，但焊接工作量較大，所需費用也相對較高。

對于核心筒墻板區域混凝土的澆筑，用C45高強混凝土根據層高分層澆筑。下料時，先采用直徑為50 mm的振搗棒在下料點振搗下料進行初振，而后用直徑30 mm的振搗棒進行插入式振搗。模板外側同時派專人用鐵錘敲擊，提高混凝土密實度和外觀成型質量。模板上每隔1m通過用手鉆鉆孔的方式來觀察內部翻漿情況。最后做好對混凝土澆筑時的實時監控并做好相應記錄。

4 結 語

盡管勁性混凝土具有節約鋼材、減少成本、強度高等優勢，但勁性混凝土的施工十分復雜。該美術館工程在勁性混凝土柱、墻施工中，對地腳螺栓埋設精度和箱型柱吊裝垂直度進行了良好的控制，優化了鋼筋與鋼板墻的連接方式，并且通過制定合理的振搗方法等一系列有效方法，保證了勁性結構的施工質量，對以后類似的勁性柱、墻的施工提供了有益的參考。

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