裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)公共建筑關(guān)鍵技術(shù)研究

唐正輝 （巢湖市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，安徽 合肥 238000）

鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕、強(qiáng)度高、施工速度快、抗震性能好、占地面積小、工業(yè)化程度高、外形美觀等一系列優(yōu)點(diǎn)，與混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)可重復(fù)利用，符合可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，是一種環(huán)保建筑，易于產(chǎn)業(yè)化[1]。以富煌科技研發(fā)中心為工程背景，對(duì)巨型V型柱轉(zhuǎn)換大跨度、大懸挑結(jié)構(gòu)的抗震性能化設(shè)計(jì)以及對(duì)裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)建筑關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行重點(diǎn)研究。其裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)公共建筑關(guān)鍵技術(shù)成果可應(yīng)用于房地產(chǎn)開發(fā)商等公共建筑類項(xiàng)目工程，主要用戶包括原材料供應(yīng)單位、建設(shè)投資單位、設(shè)計(jì)單位及施工單位等，項(xiàng)目應(yīng)用可作為國內(nèi)其他裝配式鋼結(jié)構(gòu)公共建筑項(xiàng)目參考，同時(shí)也具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)價(jià)值[2]。

1 工程概況

富煌科技研發(fā)中心位于安徽省合肥市巢湖黃麓鎮(zhèn)富煌工業(yè)園內(nèi)，占地面積3258.04m2，建筑面積 23979.37m2，地下1層，地上17層，建筑高度52m，主體采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系，外墻90%采用雙層節(jié)能玻璃幕墻，內(nèi)墻30%采用ALC輕質(zhì)條板，為公共建筑，采用了集成式裝修設(shè)計(jì)與施工，安徽省綠建二星示范工程，全過程采用BIM技術(shù)。

圖1 工程項(xiàng)目實(shí)圖

建筑樓面使用荷載表 表1

2 裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)公共建筑設(shè)計(jì)與集成技術(shù)

2.1 巨型V型柱轉(zhuǎn)換大跨度、大懸挑結(jié)構(gòu)的抗震性能化設(shè)計(jì)

按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》8.1.3條規(guī)定，本工程抗震等級(jí)：裙房部分四級(jí)，主樓部分三級(jí)。通過合理的結(jié)構(gòu)布置，使得建筑抗震達(dá)到“小震不壞、中震不壞或輕微破壞、大震不喪失使用功能或可修”的目標(biāo)。抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，地震分組為第一組，特征周期Tg=0.35s。當(dāng)?shù)鼗撅L(fēng)壓0.35kN/m2；基本雪壓0.70kN/m2[3]。

主樓部分基礎(chǔ)采用人工挖孔樁+筏板基礎(chǔ)，裙樓部分采用獨(dú)立基礎(chǔ)+防水板形式。建筑樓面使用荷載如表1所示。

主樓部分混凝土梁與矩形鋼柱連接采用混凝土梁內(nèi)包鋼結(jié)構(gòu)牛腿做法連接，裙房部分采用在圓管柱外做鋼結(jié)構(gòu)加勁環(huán)板，外包鋼筋混凝土環(huán)梁，實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)與混凝土梁的有效連接。工程上部結(jié)構(gòu)鋼柱由基礎(chǔ)頂面開始，地下室部分采用外包式柱腳，增加鋼結(jié)構(gòu)下部結(jié)構(gòu)整體剛度，地下室頂板處采用普通鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)布置。

為滿足建筑外立面空間要求，裙房結(jié)構(gòu)采用兩處9m高V形鋼柱配合大尺寸箱型鋼梁實(shí)現(xiàn)了支撐28m大跨度多層建筑的目的，增強(qiáng)了建筑美學(xué)效果。鋼柱柱腳采用外包式柱腳基礎(chǔ)，外包短柱縱向鋼筋在短柱頂部均向?qū)?cè)彎折錨固，使得鋼柱與基礎(chǔ)之間可靠連接。箱型梁柱節(jié)點(diǎn)在工廠加工制作完成，采用等強(qiáng)熔透焊，隨后運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼裝，有效保證節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度。

裙房部分由于造型需求，需設(shè)置兩組V形鋼柱間距13m，上連28m大跨度及8m大懸挑鋼梁，且以此大跨箱型梁為轉(zhuǎn)換梁，上托兩層結(jié)構(gòu)層，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，具體各部分詳情如圖2。

圖2 V型柱

2.1.1 巨型V形柱

V型鋼柱截面尺寸：矩1000mm×1000mm，鋼柱壁厚局部加厚，柱腳采用外包式柱腳，外包厚度最小處為250mm。基礎(chǔ)采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，采用寬底板尺寸以抵抗柱腳彎矩。計(jì)算時(shí)，采用多種軟件、多種不利工況下進(jìn)行分析，嚴(yán)格控制鋼柱應(yīng)力，充分考慮鋼柱的安全儲(chǔ)備。

鋼柱上端與鋼梁連接節(jié)點(diǎn)，采用鋼梁貫通方式進(jìn)行連接以保證鋼梁強(qiáng)度，柱端內(nèi)部設(shè)置加勁板與矩形鋼梁在工廠全熔透焊接，一級(jí)焊縫。

2.1.2 轉(zhuǎn)換大跨度、大懸挑結(jié)構(gòu)

裙房二層樓面主梁跨度28m，上部轉(zhuǎn)換支承兩層樓面，另一方向樓面梁外挑8m，樓板采用120mm厚鋼筋混凝土樓板，主跨鋼梁采用箱型梁，截面650mm×1500mm，嚴(yán)格控制鋼梁撓度不大于1/600。在計(jì)算分析時(shí)，考慮上部、下部結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作，并計(jì)入多向地震作用的效應(yīng)，主跨鋼梁作為水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件，計(jì)算地震內(nèi)力時(shí)乘以2.0的增大系數(shù)。在抗震措施上，定義為關(guān)鍵桿件和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施，嚴(yán)格控制主鋼梁的應(yīng)力比。

2.1.3 抗震性能化設(shè)計(jì)

工程在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，采用了抗震性能化設(shè)計(jì)理念，具體性能化設(shè)計(jì)步驟：驗(yàn)算小震作用下承載力滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）要求（不包括塑性耗能區(qū)），小震作用下層間位移滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）要求；初步選擇塑性耗能區(qū)的性能等級(jí)為Ⅳ級(jí)；進(jìn)行設(shè)防地震下的承載力驗(yàn)算；確定構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)延性等級(jí)及相應(yīng)抗震措施；驗(yàn)算大震層間位移角。

氣囊內(nèi)外保護(hù)層采用優(yōu)質(zhì)彈性材料制成，這種材料能滿足各種氣候要求和耐機(jī)油要求。優(yōu)質(zhì)彈性材料和尼龍制成織物芯層(高強(qiáng)度支架)使得管狀氣囊具有良好的開卷特性和反應(yīng)靈敏性。所要求特性在-35℃～+90℃的范圍內(nèi)均可以得到滿足。上端蓋和活塞之間的管狀氣囊由金屬張緊環(huán)夾緊，氣囊在活塞上伸展。根據(jù)車橋設(shè)計(jì)形式，空氣彈簧與減振器可以分開布置，或者與減振器組合在一起同軸布置，如圖6所示是空氣彈簧與減振器可以分開布置形式。

項(xiàng)目根據(jù)結(jié)構(gòu)特性及使用功能選定塑性耗能區(qū)等級(jí)，根據(jù)結(jié)構(gòu)塑性耗能區(qū)彈性承載力的差別采用不同的延性等級(jí)進(jìn)行延性機(jī)構(gòu)的控制，確保了地震時(shí)結(jié)構(gòu)按照預(yù)想的延性機(jī)構(gòu)開展塑性變形。

2.2 裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)建筑關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

為了解決構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)繁多的問題，研發(fā)了適應(yīng)于鋼梁鋼柱連接、鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土梁的連接等節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)措施，解決了裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)連接問題。

2.2.1 裝配式建筑梁柱連接的節(jié)點(diǎn)

裝配式建筑中，疊合板作為裝配式結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在近些年所建的實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用。其梁柱節(jié)點(diǎn)通常采用兩種方式實(shí)現(xiàn)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的要求：一是梁翼緣貼蓋板，導(dǎo)致疊合板需要局部切槽；二是翼緣變寬，導(dǎo)致梁外包處理困難重重。傳統(tǒng)的措施不僅破壞了疊合板的受力性能，也給施工帶來了許多不便之處，不利于裝配式建筑的推廣。為此，提出一種施工方便快捷、連接可靠、經(jīng)濟(jì)適用的用于裝配式建筑梁柱連接的節(jié)點(diǎn)，如圖3，能使梁翼緣處表面平整，保證疊合樓板底面的平整，以期能夠解決裝配式建筑中疊合板同鋼梁連接存在的上述問題。

圖3 梁柱連接的節(jié)點(diǎn)

其特點(diǎn)在于：在鋼梁的端部焊接加強(qiáng)段梁，構(gòu)成加強(qiáng)后的梁體，加強(qiáng)后的梁體上下翼緣外表面平整，以加強(qiáng)段梁伸至鋼柱側(cè)板外壁，與鋼柱栓焊連接；加強(qiáng)段梁的翼緣厚度大于鋼梁的翼緣厚度，二者的翼緣寬度相等。

在鋼梁的端部增設(shè)加強(qiáng)段梁，并對(duì)加強(qiáng)段梁的翼緣增厚，加強(qiáng)段梁同原截面梁之間進(jìn)行連接，形成梁整體結(jié)構(gòu)，在施工現(xiàn)場(chǎng)將加強(qiáng)后的梁體以加強(qiáng)段梁同鋼柱進(jìn)行栓焊連接，疊合樓板平鋪于梁體上翼緣處。通過在梁柱節(jié)點(diǎn)處以加強(qiáng)段梁進(jìn)行局部加強(qiáng)，能夠使得梁翼緣處表面平整，實(shí)現(xiàn)疊合樓板同鋼梁的合理連接，有效地解決了疊合樓板局部受損、安裝復(fù)雜等問題，保證了結(jié)構(gòu)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的設(shè)計(jì)原則，也保證了疊合樓板底面的平整，避免因傳統(tǒng)梁柱節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)而導(dǎo)致的外漏和切槽的狀況發(fā)生，適用于裝配式建筑。

2.2.2 鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土梁的連接節(jié)點(diǎn)

按照現(xiàn)有規(guī)范，部分梁，尤其是地下室頂板部位的梁，為滿足防水或人防的要求，宜采用鋼筋混凝土梁，而柱子則為箱型鋼管混凝土柱，兩者之間如何可靠連接，已是急需解決的問題。現(xiàn)有在鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土梁之間的連接方式，大都是梁穿過柱子內(nèi)部實(shí)現(xiàn)連接，此種連接方式會(huì)削弱鋼管混凝土柱的強(qiáng)度，存在安全隱患，且施工困難，造價(jià)高。為此，提出了一種用于鋼管混凝土柱和多層配筋的鋼筋混凝土梁的連接節(jié)點(diǎn)和一種用于鋼管混凝土柱和單層配筋的鋼筋混凝土梁的連接節(jié)點(diǎn)，以期實(shí)現(xiàn)連接安全可靠且施工簡便的目的，圖4為該節(jié)點(diǎn)的主視圖與俯視圖。

圖4 鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土梁的連接節(jié)點(diǎn)

圖5 鋼柱柱腳節(jié)點(diǎn)做法

用于鋼管混凝土柱和多層配筋的鋼筋混凝土梁的連接節(jié)點(diǎn)，鋼管混凝土柱包括內(nèi)部填充有混凝土的鋼管，鋼管混凝土柱的鋼管外側(cè)連接鋼筋混凝土梁，鋼管外側(cè)在與鋼筋混凝土梁相連接的節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)固定設(shè)置有一個(gè)牛腿、多個(gè)栓釘、橫向連接板和套筒，橫向連接板和套筒設(shè)置在牛腿的上、下翼緣板之間，鋼筋混凝土梁包括從上到下的多排梁縱筋，最上排梁縱筋與牛腿的上翼緣板固定連接，最下排梁縱筋與牛腿的下翼緣板固定連接，其余排的梁縱筋與對(duì)應(yīng)高度的橫向連接板或套筒固定連接。

鋼管外圍在節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)設(shè)有一圈鋼筋混凝土外包環(huán)，鋼筋混凝土外包環(huán)為一個(gè)內(nèi)嵌有外包鋼筋籠的混凝土環(huán)，鋼筋混凝土外包環(huán)的內(nèi)側(cè)壁緊貼鋼管外側(cè)壁，且鋼筋混凝土外包環(huán)的外側(cè)壁與鋼筋混凝土梁相搭接，鋼筋混凝土外包環(huán)能完全包覆住鋼管外的牛腿、栓釘、橫向連接板和套筒，鋼筋混凝土外包環(huán)能完全包覆住鋼筋混凝土梁的上下表面。

牛腿的上、下翼緣板之間的區(qū)域內(nèi)設(shè)有三排固定層，三排固定層分別與所述鋼筋混凝土梁中間排的三排梁縱筋相連接，三排固定層從上往下依次為第一排、第二排、第三排固定層，第一排固定層和第三排固定層分別為橫向連接板，第二排固定層為套筒。第一排固定層的外端伸出牛腿的上翼緣板外端面之外，牛腿的下翼緣板外端伸出第三排固定層的外端面之外，第二排固定層的外端面不超出牛腿的上、下翼緣板外端面。牛腿為H型牛腿，H型牛腿包括上、下翼緣板以及連接上、下翼緣板之間的腹板。鋼筋混凝土外包環(huán)內(nèi)的外包鋼筋籠為由多個(gè)外包環(huán)形箍、多個(gè)外包縱筋、多個(gè)外包拉筋相綁扎形成外包鋼筋籠。鋼管內(nèi)側(cè)壁在對(duì)應(yīng)牛腿的上、下翼緣板的部位設(shè)置有內(nèi)隔板，內(nèi)隔板上開灌注孔和排氣孔。牛腿、栓釘、橫向連接板和套筒分別與鋼管相焊接，鋼筋混凝土梁的多排梁縱筋分別與牛腿、橫向連接板和套筒相焊接。鋼管為方形管，相應(yīng)地，鋼筋混凝土外包環(huán)為方形環(huán)。

用于鋼管混凝土柱和單層配筋的鋼筋混凝土梁的連接節(jié)點(diǎn)，該鋼管混凝土柱的鋼管外側(cè)連接鋼筋混凝土梁，鋼管外側(cè)在與鋼筋混凝土梁相連接的節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)固定設(shè)置有一個(gè)牛腿和多個(gè)栓釘，鋼筋混凝土梁的梁頂縱筋與牛腿的上翼緣板固定連接，鋼筋混凝土梁的梁底縱筋與牛腿的下翼緣板固定連接；鋼管外圍在節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)設(shè)有一圈鋼筋混凝土外包環(huán)，鋼筋混凝土外包環(huán)的內(nèi)側(cè)壁緊貼鋼管外側(cè)壁，鋼筋混凝土外包環(huán)的外側(cè)壁與鋼筋混凝土梁相搭接，鋼筋混凝土外包環(huán)能完全包覆住鋼管外的牛腿和栓釘，鋼筋混凝土外包環(huán)能完全包覆住鋼筋混凝土梁的上下表面。實(shí)現(xiàn)了連接安全可靠且施工簡便。

用于鋼管混凝土柱和單層配筋的鋼筋混凝土梁的連接節(jié)點(diǎn)，通過鋼筋混凝土梁的縱筋與牛腿固定連接，同時(shí)配合外包的鋼筋混凝土外包環(huán)，即可實(shí)現(xiàn)鋼筋混凝土梁與鋼管混凝土柱之間的安全可靠連接，此種連接形式中，鋼筋混凝土梁與鋼管混凝土柱外部相連接，鋼筋混凝土梁不穿過鋼管混凝土柱內(nèi)部，不會(huì)削弱鋼管混凝土柱的強(qiáng)度，從而保證了鋼管混凝土柱的強(qiáng)度，消除了安全隱患，且由于無須穿過鋼管混凝土柱，施工更加方便，造價(jià)低。

本項(xiàng)目在加工廠內(nèi)進(jìn)行鋼管混凝土柱鋼管的預(yù)加工，具體過程：在鋼管混凝土柱的鋼管外側(cè)，與鋼筋混凝土梁相連接的節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，預(yù)焊接牛腿、栓釘、橫向連接板和套筒，其中，橫向連接板和套筒的層數(shù)與鋼筋混凝土梁中間排的梁縱筋相一致，鋼管內(nèi)對(duì)應(yīng)牛腿位置焊接內(nèi)隔板，內(nèi)隔板上開灌注孔和排氣孔，以方便后續(xù)灌注柱內(nèi)混凝土，完成鋼管的預(yù)加工。

其次，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行鋼筋混凝土梁與鋼管混凝土柱的焊接作業(yè)，具體過程：將預(yù)加工后的鋼管帶到現(xiàn)場(chǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)安裝就位后，安裝鋼筋混凝土梁的外圍模板，綁扎好鋼筋混凝土梁的各類鋼筋，包括最上排梁縱筋、最下排梁縱筋、第一排梁縱筋、第二排梁縱筋、第三排梁縱筋、梁箍筋、梁拉筋等，再將鋼筋混凝土梁的最上排梁縱筋焊接在牛腿的上翼緣板上，將鋼筋混凝土梁的最下排梁縱筋焊接在牛腿的下翼緣板上，其余排的梁縱筋與對(duì)應(yīng)高度的橫向連接板或套筒焊接固定。其中，梁兩側(cè)的梁縱筋可彎折繞過鋼管的就彎折繞過鋼管。完成鋼筋混凝土梁與鋼管混凝土柱的焊接作業(yè)。

再次，進(jìn)行鋼筋混凝土外包環(huán)的外包鋼筋籠的施工，具體過程為：安裝節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)鋼筋混凝土外包環(huán)的外圍模板，綁扎好鋼筋混凝土外包環(huán)內(nèi)的外包鋼筋籠，使外多個(gè)包環(huán)形箍、多個(gè)外包縱筋、多個(gè)外包拉筋相綁扎形成外包鋼筋籠。

最后，進(jìn)行混凝土的澆筑，包括鋼管混凝土柱的鋼管內(nèi)的混凝土的澆筑以及鋼筋混凝土外包環(huán)的混凝土的澆筑，即完成連接節(jié)點(diǎn)的施工。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)公共建筑的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，從巨型V型柱、轉(zhuǎn)換大跨度、大懸挑結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)以及對(duì)裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)建筑關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)出發(fā)，重點(diǎn)講述了巨型V形柱、轉(zhuǎn)換大跨度、大懸挑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與抗震性能設(shè)計(jì)。研發(fā)了適應(yīng)于鋼梁鋼柱連接、鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土梁的連接等節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)措施，解決了裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)連接問題，對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)公共建筑的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)作用，為國內(nèi)其他裝配式鋼結(jié)構(gòu)公共建筑項(xiàng)目提供參考。