變截面勁性混凝土結構深化設計方法

李婷婷 宋丹雅

上海建工一建集團有限公司 上海 200120

為適應建筑的發展趨勢，結構設計越來越多地采用了鋼筋混凝土勁性（SRC）結構。與鋼結構相比，SRC結構一般可比純鋼結構節約鋼材50%以上，比純鋼結構具有更大的剛度和阻尼，有利于控制結構的變形。SRC結構還在多方面優化了鋼材的性能：SRC結構可以有效防止鋼構件的局部屈曲，顯著提高鋼構件的整體剛度，明顯改善鋼構件出平面后的扭轉屈曲性能。與鋼筋混凝土結構相比，SRC結構的承載力更高，大大改善了結構的抗震性能。鋼骨架本身具有一定的承載力，可以利用它承受施工階段的荷載，可將模板懸掛在鋼骨架上，省去支撐，有利于加快施工速度，縮短施工周期。

作為SRC結構的關鍵部位，梁柱節點的可靠連接是保證結構安全的前提。而SRC結構中勁性鋼骨截面形式的多樣性使得梁柱節點的深化設計更為復雜，梁柱節點域內鋼骨變化的定位、勁性鋼骨與鋼筋的可靠連接、加勁板的布設、密集鋼筋的碰撞避讓等問題的解決迫在眉睫。目前工程中勁性結構梁柱節點連接處理方式主要有：連接板焊接鋼筋、套筒連接鋼筋、鋼板開孔穿過鋼筋、勁性鋼骨上加外伸式連接件、鋼筋直接錨固和彎曲錨固等方式。不同的連接處理方式直接影響節點的受力性能，針對不同的勁性鋼骨的截面形式，如何去選擇連接方式并進行深化設計至關重要。針對這些問題，在工程設計階段必須給予細致的考慮，采用科學、綠色的深化設計方法，減少現場施工中鋼筋搭接數量及鋼筋現場焊接數量，以保證工程質量和工程進度。本文將結合上海徐家匯中心項目，對鋼骨變截面勁性節點的深化設計方法展開研究。

1 工程概況

1.1 工程項目概況

上海徐家匯中心項目地塊東至恭城路、南至虹橋路、西北至宜山北路、北鄰名仕苑住宅區，總用地面積66 017 m2，如圖1、圖2所示。軌道交通9號線區間隧道橫穿地塊北部，基地東側緊貼軌道交通11號線車站。該綜合體項目包括2幢超高層塔樓T1和T2、商業裙房和酒店，T1塔樓為鋼筋混凝土框架核心筒結構，高220 m；T2塔樓為SRC框架核心筒結構，高370 m；商業裙房為鋼筋混凝土框架結構，地下部分是勁性鋼柱，1層梁是混凝土梁，2—7層是鋼柱鋼梁加壓型鋼板組合樓板結構；酒店為鋼筋混凝土框架剪力墻結構。

圖1 項目效果圖

圖2 項目周邊環境示意

1.2 變截面勁性節點特點

1.2.1 勁性節點變截面形式多樣化

上海徐家匯中心項目中裙房和塔樓部分存在大量的勁性梁柱節點，這些節點又包含了豐富的勁性鋼骨截面變化形式：柱內鋼骨十字鋼變工字鋼、柱內鋼骨由小工字鋼變大工字鋼、柱內鋼骨工字鋼變方鋼、柱內鋼骨斜方鋼變直方鋼、梁內鋼骨截面漸變等，如圖3所示。

圖3 勁性鋼骨截面變化示意

在勁性鋼骨截面變化的情況下，梁柱節內點鋼筋多數非常密集，需要在鋼骨、栓釘、套筒、加勁板、連接件等構件之外的空間里進行梁和柱鋼筋的相互避讓，同時還需要預留出梁和柱的保護層。

這就要求在深化設計中慎重處理密集鋼筋的碰撞避讓問題，避免深化返工。

1.2.2 勁性節點變截面部位的不確定性

本項目中，不同節點勁性鋼骨截面變化的區域也不盡相同。勁性鋼骨截面變化位置按照是否存在于節點域內可以分為在節點域內和不在節點域內；按照截面變化的本體可以分為節點內梁鋼骨變化，節點內柱鋼骨變化和節點內梁柱鋼骨均變化。勁性鋼骨變截面區域的變化，使得不同勁性節點的鋼筋連接方式的選用靈活性較大，設計和施工難度也相應增大。

1.2.3 勁性節點變截面構件定位難度大

梁柱節點內鋼骨變化的精確定位是變截面勁性節點深化設計的前提，然而勁性鋼骨截面的變化將會導致梁主筋與鋼骨變化面單向斜交或者雙向斜交，從而大幅度增加設計時的定位難度。這對深化設計、鋼結構制作、現場施工的相互溝通提出了更高的要求，必要時需結合Tekla模型，利用BIM進行輔助設計[1]。

2 變截面勁性節點域深化設計基本原則

2.1 垂直相交

垂直相交一般指鋼骨變截面區域不在節點域內的情況，此時節點內情況相對簡單。柱主筋在鋼梁的翼緣附近時，可以將套筒焊接在型鋼梁翼緣上，柱主筋與套筒連接在一起。柱箍筋被鋼梁隔斷無法形成閉環時，可以在鋼梁腹板上附加加勁板，柱箍筋焊接在加勁板上，也可以在鋼梁腹板上開孔，使箍筋穿過形成閉環。梁主筋與鋼柱的翼緣板垂直相交時，可以將套筒焊接在型鋼柱翼緣上，梁主筋與套筒連接在一起；梁主筋與鋼柱的翼緣板的連接，也可以采用焊接的處理方式，在鋼柱翼緣上焊連接板，梁主筋焊接在連接板上。梁主筋與鋼柱的腹板相交時，可以將梁主筋焊接在鋼柱的加勁板上；在滿足彎錨長度要求和空間允許的情況下也可采用彎錨方式進行連接。

2.2 單向斜交

單向斜交的情況有：梁與柱斜交導致梁主筋與鋼柱的翼緣板斜交；梁與柱垂直相交，且梁主筋與柱鋼骨傾斜變化面斜交；梁與柱垂直相交，且梁鋼骨漸變導致梁底鋼筋與柱鋼骨斜交。梁主筋與鋼柱的翼緣板輕微斜交時，可將套筒切角后焊接在型鋼柱翼緣上，梁縱筋與套筒連接在一起，也可采用焊接的處理方式。梁主筋與柱鋼骨傾斜變化面斜交時，若鋼骨變化面傾斜幅度較小（＜30°），可采用套筒連接梁縱筋和柱鋼骨。梁鋼骨漸變導致梁鋼筋與柱鋼骨斜交時，可采用套筒連接梁縱筋和柱鋼骨。

2.3 雙向斜交

雙向斜交主要分為兩類：梁柱節點內，柱的勁性鋼骨的變化將導致梁主筋與柱鋼骨變化面斜交，若此梁在結構平面上與柱也是斜交關系，會導致梁主筋與柱鋼骨變化面雙向斜交。另外一些梁柱節點內，梁的截面隨勁性鋼骨一起漸變，此時梁主筋與柱鋼骨斜交，若此梁在結構平面上與柱也是斜交關系，同樣會導致主筋與變化面雙向斜交。

針對梁柱節點內鋼筋與勁性鋼骨的雙向斜交問題，本文中提到采用“改斜歸正”的方法，通過外伸式套筒連接件，使雙向斜交轉化為單向斜交，達到簡化設計的目的。

3 變截面勁性節點深化關鍵設計方法

3.1 變截面部位勁性節點區化繁為簡

在本項目T1塔樓區域，型鋼骨在22層從十字形變為T字形，33層從T字形變為工字形，按設計圖紙進行深化時發現，鋼骨變截面位置開始位置在樓層標高處，變截面位置對節點內鋼筋連接方式產生很大影響，主要體現在梁頂受力主筋因鋼骨截面變化導致的彎折錨固長度不足、與梁縱筋焊接的節點板因鋼骨截面變化位置外移與柱縱筋沖突、梁底縱筋與上下柱2排縱筋交叉排布困難，這些問題很難在深化設計中調整解決，經與設計單位協商，改變鋼骨變截面位置至樓層標高平面以下，并且過渡段終止位置低于梁底，如圖4所示。變化后，鋼骨變截面部位與梁柱相交節點位置分離，將復雜的節點簡單化，梁主筋錨固長度增加，可通過1∶6彎折避讓鋼骨進行彎折錨固；所需焊接連接板隨鋼骨截面減小而往中心收縮，變截面位置柱主筋與焊接連接板位置沖突問題解決。

圖4 變截面勁性節點化繁為簡示意

3.2 梁柱斜交區域“改斜歸正”

在本項目裙房區域，型鋼柱截面變化位置處于樓層標高向下，鋼骨變化通過1∶6斜率過渡，此時梁頂標高若與樓層標高相同，梁頂縱筋必與過渡區域斜板碰撞，若無法使縱筋彎錨或通過節點板焊接，則需使用套筒與鋼骨連接，此時套筒需在豎直方向按1∶6斜率切角，方便焊接于鋼骨，同時，若梁與柱在水平方向為斜交，即出現“雙向斜交”的情況，則套筒需在水平方向也進行切角來保證鋼筋與套筒正面連接。當任意方向所需的切角大于30°時，無法通過套筒切角“改斜歸正”，此時，建議采用一種外伸式套筒連接件，如圖5所示，不受角度限制，可以通過調整節點板尺寸使套筒連接件與梁縱筋垂直，“改斜歸正”，方便縱筋錨固。

圖5 在型鋼柱上的外伸式套筒連接件

在部分變截面型鋼梁中，在高度變化過渡區域，梁底縱筋會與過渡部分的斜鋼板發生碰撞，由于過渡區域鋼板角度偏緩，與豎直方向夾角較大，無法直接使用套筒焊接于型鋼梁，此時仍采用外伸式套筒連接件，將型鋼梁連接部位“改斜歸正”，與縱筋連接，如圖6所示。

圖6 在變截面型鋼梁上的外伸式套筒連接件

3.3 多截面形式綜合分析

在進行存在變截面型鋼柱的勁性混凝土梁柱節點深化時，因截面變化，節點處同時存在多種鋼骨形式，不同標高處對應不同形式，因此，深化工作的第一步是確定鋼骨形式與各梁頂、底的標高，通過梁縱筋所在不同標高位置，可以初步確定縱筋在柱內的錨固方式，然后通過平面和立面綜合考慮，確定具體的錨固方式。

在此類變截面型鋼節點中，存在很多鋼骨焊接的情況，如圖7所示。在工字型鋼變為大號方鋼管的示例中，上下型鋼通過與1∶6的斜板焊接進行過渡，此時，2-2剖面兩側為高低梁，其梁頂縱筋恰巧分別處于上下焊接處，為方便套筒焊接、保證焊接處有效，可適當增加保護層厚度，上下調整套筒位置，避免焊縫密集[5]。同理，在遇到外節點板與鋼骨焊接處接近時，可適當調整節點板的位置，避開焊接處。由圖7可知，除與鋼骨套筒連接的梁縱筋外，梁兩側還存在彎錨至柱對面的縱筋，考慮到與垂直方向縱筋的碰撞問題，現場施工時需要注意縱筋的上下避讓。

圖7 某變截面型鋼節點

同時，由于節點處存在多種鋼骨形式，不同標高處對應不同形式，在選擇內節點板形狀尺寸時，需綜合考慮四周套筒標高、縱筋彎錨或焊接、混凝土澆搗等因素，選擇合適的節點板形狀。

4 結語

本文提出了3種變截面勁性節點深化的設計方法——化繁為簡、“改斜歸正”和綜合分析，有效解決了變截面勁性節點深化過程中節點區域復雜、梁柱密集縱筋難協調、梁筋在柱內難錨固、節點板在多種因素下難選擇與定位等問題，提高了深化設計的效率和準確性，降低了現場施工的難度。