體育場超大橢圓截面型鋼混凝土柱施工技術

潘玉珀，高善友，田 輝，康彥彪，張文超，邵珠令（中國建筑第八工程局第二建設有限公司，山東 濟南 250014）

河北某體育場主體結構為框架結構，環向部分設計為型鋼混凝土柱，共計 64 顆。

其中在 1、2、4 區結構單元中，沿環向 G 軸線、徑向 18 道軸線交點設計有超大橢圓形截面的型鋼混凝土柱，該鋼骨柱下插鋼筋混凝土承臺 1 950 mm。型鋼混凝土柱上部柱頂高出屋面看臺結構，一作為主體結構的一部分，二作為上部鋼結構罩棚的主要支撐，為達到裝飾美觀效果設計為橢圓形截面。型鋼混凝土柱設計詳細情況見表 1 所示。

型鋼混凝土柱環向間距約 29 m，其中位于 2、4 區罩棚鋼結構端頭封邊柱的橢圓形截面達 2.0 m×2.4 m，其余中間 16 根橢圓形截面為 1.7 m ×2.4 m，混凝土強度等級 C 40，鋼筋 HPB 300 級，HRB 400（Ⅲ）級，柱內型鋼柱材質 Q 345 B。

1 橢圓鋼骨柱施工難點

(1) 本工程型鋼柱地腳螺栓規格為 M 30，預埋長度 900 mm，外露長度 260 mm。該地腳螺栓需精準定位，以保證型鋼柱的設計位置。

(2) 型鋼柱底鋼板截面尺寸達 1 580 mm×2 050 mm，厚度 80 mm，該型鋼柱底板底部混凝土密實度必須控制好。

(3) 型鋼柱的縱向鋼筋較為密集，需處理好梁柱節點處各類構件鋼筋關系。型鋼柱翼緣板上焊有抗剪錨栓，套柱箍時受其影響，安裝后需要保證設計的形狀完好，并保證箍筋與縱筋緊密貼合，否則型鋼柱模板無法安裝。設計的箍筋密集，部分內置箍筋需要穿過型鋼柱的腹板，深化設計時設計穿筋孔，實際施工中箍筋拉鉤兩頭都帶鉤，普通箍筋無法穿過預留穿筋孔。

(4) 由于內置為實腹式十字形鋼骨柱，截面較大，型鋼柱影響普通對拉螺栓的貫通,且該鋼骨截面單邊長度超過 1 200 mm，需采取有效措施保證該型鋼混凝土柱模板施工質量，以達到裝飾的效果。

(5) 型鋼混凝土柱與鋼筋混凝土梁縱向受力的鋼筋采用鋼筋連接器，即在型鋼上焊接直螺紋套筒。本工程部分大梁與內置型鋼柱不正交，梁縱筋與型鋼柱存在夾角，需專門加工斜向端面的套筒，且本工程大梁上下排縱向受力鋼筋中存在三排鋼筋形式居多，鋼筋連接器需按設計位置在廠內完成焊接連接。

表1 橢圓形型鋼柱設計情況表

2 施工關鍵點及優化措施

2.1 型鋼混凝土柱腳相關施工

經過深化設計，地腳螺栓埋置深度 900 mm，型鋼柱底深入所在承臺基礎深度為 1 950 m，根據承臺鋼筋僅為底部單層鋼筋網片的特點，確定了“綁扎承臺底層鋼筋網片-固定型鋼柱地腳螺栓-澆筑承臺第 1 層混凝土-安裝第 1 節鋼骨柱-灌注柱底灌漿料-綁扎型鋼柱鋼筋-綁扎底板梁板鋼筋-基礎梁板承臺混凝土澆筑”的施工順序。

為保證型鋼柱底板與第 1 層承臺混凝土之間 40 mm 厚空隙設計和混凝土密實，最初設計了“C 40 微膨脹細石混凝土，待型鋼柱安裝就位后壓力注漿”的施工工藝。由于型鋼柱底板較大，40 mm 厚空隙較小，柱底中間部分無法保證混凝土密實，且采用后注漿工藝，需要對注漿部位采取密封措施，工序多，時間長。經過設計優化為高強度自流態的灌漿材料，采用“自重灌漿法”，完全依靠灌漿料自重自行流平并填充整個柱底灌注空間。經過優化后具有早強、高強等特點，縮短工期，并保證了柱底與承臺混凝土之間緊密接觸。

具體實施步驟見表 2。

表2 型鋼混凝土柱腳施工步驟

2.2 型鋼柱橢圓形箍筋施工要點

本工程型鋼混凝土柱設計為橢圓形，外圍箍筋規格為 14、16，箍筋 2 規格鋼筋硬度較大，加工成橢圓形難度大，成形后張力很大自身會彈開，需臨時綁牢。

(1) 外圍箍筋 2 加工成設計要求的平滑橢圓形難度大，現有的鋼筋加工機械無法滿足要求，項目部利用 QC 公關，確定利用鋼筋自己制作橢圓箍筋加工模具。① 橢圓形箍筋的放樣。我們先利用畫橢圓的方法對橢圓箍筋按 1∶1進行了現場放樣。② 制作橢圓鋼筋加工模具。橢圓完成放樣后，開始加工橢圓箍筋模具，采用 Φ 22 的 3 級鋼筋作為模具橢圓箍筋模具的主龍骨，豎向按照所放大樣每隔 5 cm 取一個點；采用 10 cm 的短鋼筋頭進行定位焊接；中間用鋼筋對撐，保證模具有足夠的強度和剛度，加工箍筋時不變形。并根據現場已有的箍筋加工設備，選擇可靠的連接方式，直接套放在鋼筋彎曲機即可，方便模具的安拆。③ 橢圓箍筋的加工。將直條鋼筋按照下料長度下料，先進行兩側箍筋的彎鉤加工。將一端彎鉤掛在模具上，開動鋼筋彎曲機轉動一圈，綁扎好后碼放待用即可，經測算加工效率提高了 30%。第 1 步：將箍筋加工模具放在鋼筋彎曲機上；第 2 步：直條箍筋彎頭端頭掛在模具上；第 3 步：開動彎曲機旋轉一圈；第 4 步：綁扎碼放整齊待用。④ 由于橢圓形箍筋加工成形后張力較大，需要及時綁扎，因此現場外圍橢圓箍筋采用“從柱頂沿型鋼柱縱筋箍碼箍筋放到設計位置”的安裝方法。

(2) 設計的橢圓矩形箍筋 1 為封閉箍,且需要穿過型鋼柱腹板,采取對型鋼柱腹板預留穿筋孔的方式，以便于箍筋穿入。與設計院溝通確認后將箍筋 1 優化設計，拆分為對稱兩個箍筋，現場采用焊接連接形式。

2.3 模板工程及混凝土工程關鍵點

由于內置型鋼柱腹板影響普通對拉螺栓的貫通，且型鋼混凝土截面大，截面為橢圓形，普通木模板施工難度大，所以采用組拼式定型大鋼模板。

(1) 組拼式橢圓形大鋼模設計：18 顆橢圓形柱面板厚度 6 mm，背楞為 10 號槽鋼，柱模螺栓采用 M 20 mm×50 mm，根據橢圓形柱截面尺寸分為 1 700 mm×2 400 mm 和 2 000 mm ×2 400 mm 兩種，綜合考慮層高、周轉利用等因素，確定每套鋼模制作高度 7 m，豎向分為 4 節，其中 3 節高度 2 m，一節高度 1 m，為便于模板拆除，平面每節分為半橢圓對稱 4 塊。

(2) 現場采用豎向型鋼混凝土柱構件先行施工，待拆除模板后，再組織水平梁板結構施工，此種方法需要在型鋼柱上層層高最低梁底位置處留設水平施工縫，經與設計院溝通確認，柱頂水平施工縫設在柱頂框架梁底部 20 mm 處。

(3) 由于型鋼梁凝土設計等級為 C 45，梁板混凝土強度等級為 C 30、C 35 兩種，強度等級相差 3 級，在圖紙會審中提出經設計院核算確認，梁柱節點核心區混凝土可同梁板混凝土強度等級，現場可組織梁柱節點混凝土同梁板水平結構同時澆筑。

2.4 型鋼混凝土柱與混凝土梁連接優化

體育場“內橢外圓”的平面設計特點，決定了部分大梁縱向受力鋼筋與型鋼混凝土柱翼緣鋼板不正交（非 90 °），如圖 1 所示。

圖1 梁縱筋與型鋼柱平面關

原設計中型鋼混凝土柱與梁縱筋采用鋼筋連接器的做法，鋼筋連接器與型鋼混凝土柱連接端頭存在夾角，斜向端頭套筒要專門定做，每顆型鋼柱每層梁位置鋼筋連接器均需深化設計，存在設計量大、時間長等問題，現場實際操作難度大；斜向大梁上下縱筋設計為 3 排鋼筋鋼排布形式，在與型鋼柱連接部位鋼筋密集，混凝土澆筑質量難以控制，尤其是 3 排縱筋連接板之間空隙。針對以上難點，采取了一下兩方面的優化。

(1) 聯系設計院溝將 3 排鋼筋盡量優化為 2 排布置。

(2) 將連接方式優化為“在型鋼上設置縱向鋼筋連接板”，無法優化的 3 排鋼筋中的第 2 排、第 3 排聯合設計為折板形連接板，見圖 2。

圖2 鋼筋優化布置示意圖

3 結 語

本工程 18 顆大橢圓形型鋼混凝土柱，確定了“綁扎承臺底層鋼筋網片—固定型鋼柱地腳螺栓—澆筑承臺第 1 層混凝土—安裝第 1 節鋼骨柱—灌注柱底灌漿料—綁扎型鋼柱鋼筋—綁扎底板梁板鋼筋—基礎梁板承臺混凝土澆筑”的施工順序，保證了地腳螺栓精準定位及柱底空間混凝土密實。對設計的橢圓形箍筋加工制作了專門的橢圓形箍筋加工裝置，提高了加工效率，針對該形狀的箍筋不穩定的特點，確定了“從柱頂沿柱縱筋由上到下碼放箍筋”的安裝方法，對型鋼混凝土柱由鋼筋連接器連接優化為鋼筋連接板連接，并優化梁縱筋排數，由 3 排優化為 2 排，3 排縱筋的連接鋼板聯合設計為折板形式，保證了梁柱節點核心區混凝土密實。該柱的施工采用組拼式大鋼模板，確定了先行組織豎向框架柱施工，再組織上層梁板結構施工的順序，保證了該超大橢圓形鋼混凝土施工質量。