高層建筑鋼結構-鋼筋混凝土組合結構施工技術研究

余永佳 （廣東省構建工程建設有限公司，廣東 廣州 510610）

鋼結構-鋼筋混凝土結構是一種能夠充分發揮鋼與混凝土材料特性的組合結構，結構的承載能力與抗變形能力卓越，因此，在高層建筑中廣泛應用。但從施工角度來講，此類結構對施工技術要求高、難度大，施工技術運用不合理、不得當對工程質量與工期的影響較大。基于此，如何安全、優質、高效、經濟地完成施工，仍是施工技術領域需要深入研究的重要課題。

1 工程概況

某高層建筑，其中1#樓為框架核心筒結構，核心筒16~19 軸線與F~K 軸線區域為鋼結構，共設置14 根鋼管混凝土柱，總共19層，層高4.5m。結構中鋼管混凝土之間、鋼管柱與筒體之間、鋼管柱與邊梁之間均采用鋼筋混凝土梁連接，每層均形成14 個鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁組合結構。其中，鋼管混凝土柱直徑1200mm，高4.5m；鋼管規格Φ48.3mm×3.6mm，采用高強度低合金結構鋼材料Q345B，抗拉強度510MPa～600MPa，屈服強度345MPa；鋼筋直徑有三種類型：12mm、20mm、28mm，均為HRB400 鋼筋，抗拉強度570MPa，屈服強度400MPa。

2 工藝原理與工藝流程

2.1 工藝原理

本高層項目采用鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁組合結構形式，是一種常見的鋼結構-鋼筋混凝土組合建筑結構。但在鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁結合部位存在特殊情況，為此，根據實際情況對施工工藝做出適當調整，并創新應用BIM 技術模型輔助鋼材下料與拼裝，使施工期間順利完成鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁的組合。其中，關鍵工藝如下：

（1）采用預制鋼管柱，在BIM技術模型的輔助下完成拼裝；并輔助鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁結構的組合，確保結構中大直徑鋼筋預先進行精準定位，保證鋼筋與鋼板位置準確，使節點結構強度達到設計要求。

（2）鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁結合位置，需要特制環形梁模板配合混凝土澆筑，為此，引入“平轉弧”新型模板技術，提高模板利用率，節約施工成本。

（3）由于鋼筋混凝土梁與鋼管柱牛腿節點位置澆筑混凝土難度大，改良鋼筋混凝土梁澆筑技術，在牛腿環板上開孔，提高節點位置澆筑質量。

2.2 工藝流程

在已有BIM 模型基礎上進行施工，待預制鋼管柱運輸至現場后開始施工。工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

2.3 質量控制措施

2.3.1 遵照規范

遵照國家標準規范、行業技術規范、地方強制性條文與標準規范、施工圖展開質量控制工作。其中，相關規范主要包括GB 50026-2020《工程測量規范》、GB 50017-2020《鋼結構設計規范》、GB 50205-2020《鋼結構工程施工質量驗收規范》、GB 50936-2014《鋼管混凝土結構技術規范》等。

2.3.2 質量保證措施

（1）檢驗原材料各項質量指標，確保符合材料標準、設計要求，所有原材料均應帶有合格證、質保書，進場前按規定復驗。

（2）嚴格控制鋼管柱安裝位置，將軸線偏移誤差以及牛腿面標高偏差控制在允許范圍內。

（3）焊工必須持證上崗，按規定控制焊接時間與溫度，嚴格執行工藝要求；一級焊縫采用超聲波探傷設備判斷是否合格，合格后允許進入下道工序。焊接期間設置防護裝置，遮光、防風，保證焊接質量。

（4）按照技術規范要求檢驗構件質量，共涉及自檢、互檢、專檢三道程序，驗收合格后進場。

（5）嚴格落實鋼管柱吊裝執行標準，底層柱柱底軸線對定位軸線偏移允許偏差為±3.0mm、鋼管柱定位軸線允許偏差為±1.0mm、單節柱垂直度允許偏差為h/1000且≤10.0mm。

3 高層建筑鋼結構-鋼筋混凝土組合結構施工技術

3.1 施工準備

3.1.1 吊裝施工

根據工程特點與工期要求，鋼管柱選擇現場組裝施工方法，先分析吊裝機具選型是否可靠，再進行吊裝與定位調節，保證吊裝施工安全進行。

最大鋼管柱長度3.365m，重量約2t 左右，擬采用35t汽車吊進行吊裝施工，起吊方法為三點起吊法。35t汽車吊最大作業半徑R為32m、最大地上揚程L為38m；額定起重量G為35t，支腿跨度為5.5m×6m，吊裝載荷Q1組裝鋼管柱重Q為3.5t；不均勻系數K1為1.1，動載系數K2為1.05，風載系數K3為1.3，基本風壓W0為17.5kg/m；迎風面積S鋼柱為28.8m2；吊鉤重q1為0.25t，吊索具重q2為0.2t。經計算：

上述計算表明吊裝安全，吊裝機械選型合理。

由此，在吊裝中采用35t 汽車吊配合Φ21mm 鋼絲繩，其中，鋼管柱上部的耳板為吊點位置，通過卸扣連接鋼絲繩，將鋼管柱吊裝到指定位置。吊運至安裝位置上方時，在懸空鋼管柱控制母線外側下方架設兩臺經緯儀，處于相互垂直狀態，以母線為基準觀察已安裝鋼管柱上方兩條控制母線與懸空鋼管柱下方兩條控制母線是否在一條直線上，進行懸空鋼管柱調平[1]。

調平后需要利用定位輔助裝置進行鋼管柱定位調節，縮小吊裝誤差。定位輔助裝置安裝在鋼管柱上端四塊耳板當中，在耳板外端采用豎直向上固定設施進行支撐，支撐板上端處于超出鋼管柱上端面狀態，超出部分利用千斤頂進行水平支撐[2]。在懸空狀態下調整鋼管樁位置時，在其對應傾斜方向兩側下部耳板與已安裝鋼管柱上部各自對正耳板之間頂接千斤頂，豎向設置即可；再在已安裝鋼管柱另外兩個耳板用于頂接支撐板的千斤頂水平支撐位置與懸空鋼管柱下部側表面之間，沿徑向方向水平設置千斤頂，通過控制四個新置千斤頂的伸縮使鋼管柱筒位對準。

3.1.2 焊接施工

采用對稱施焊工藝，定位上層鋼管柱，校核位置準確后，在加工環節中在上層柱下口設置的45°坡口內點焊≥6mm 厚的襯板，再栓接上下段鋼管柱連接所用耳板。同時，正式施焊前應清理、打磨坡口，去除油污與鐵銹。

施焊中采用加熱裝置對坡口上下1.5 倍板厚且≥100mm范圍內進行預熱；接口焊縫為熔透二級焊縫，作業需要2人配合完成，分次焊滿。焊接期間需注意2名焊接人員的焊接作業方式、參數、方向必須保持一致，每層連續不間斷焊完，接茬位置應錯開不低于50mm的距離；焊接結束后清理焊縫表面，檢查是否均勻、飽滿、平直、美觀，控制焊縫余高0~3mm。焊接順序如圖2所示。

圖2 焊接順序示意圖

3.1.3 支架搭設

鋼管柱施工期間搭設支架借助PKPM 軟件完成計算，保證模板受力均勻，減少施工安全風險。期間要綜合考慮鋼管柱牛腿弧形段安裝施工需求，進行統一布置，即利用規格為48.3mm×3.6mm的鋼管扣件式腳手架搭設。但也要保證其能夠隨模板調整布置，最后調節立桿間距、步距。

3.1.4 梁模板設計加工與安裝

本環節也屬于鋼管柱與鋼筋混凝土梁交叉施工環節，基于BIM技術模型，根據梁的位置預先進行下料定位，采用常規方法鋪裝，先進行底模鋪裝（包含鋼管柱牛腿弧形段），并做好模板支撐與加固。但在鋼管柱與鋼筋混凝土梁組合部位涉及結構特殊的環形梁，加工時先確定鋼管柱牛腿弧形段的弧度，再采用“平轉弧”加工技術，利用施工中的普通平面板或梁模板，經過加工改良，將平面模板加工成圓弧模板，再以常規方法鋪裝。平轉弧模型如圖3所示。

圖3 平轉弧模型圖

3.1.5 鋼管柱內澆筑混凝土

鋼管柱內澆筑混凝土采用高強度素混凝土，摻入膨脹劑，控制膨脹率在2/10000~2.5/10000內；運輸時采用塔吊吊斗，配合串筒裝置（由Φ200mm膠導管與模板構成）下料。澆筑期間，每次澆筑最大高度為2m，澆筑時需要充分振搗密實；并控制上下層澆筑施工間隔時間，不得超過下層澆筑混凝土的初凝時間[3]。柱內混凝土澆筑裝置如圖4所示。

圖4 鋼管柱內混凝土澆筑裝置平面圖

3.2 鋼筋混凝土梁施工

3.2.1 梁鋼筋與鋼牛腿焊接

焊接前，先確定鋼牛腿與梁鋼筋的焊接節點，并將準備好的鋼筋提前運至焊接施工位置；焊接時，按照BIM模型上給出的位置關系，在施工現場精準放樣。要求焊接時兩根縱筋錯開布置，實施雙面焊，控制焊縫長度≥5d、寬度≥0.8d、高度≥0.3d且≥4mm[4]。遇到難以實施雙面焊位置，可以采取單面焊形式，但焊縫長度應≥10d。

3.2.2 鋼牛腿弧形段支模

待梁鋼筋安裝結束后，安裝加工好的弧形模板，并按照普通梁側模安裝技術進行弧形模板加固。

3.2.3 澆筑混凝土

本項目中梁與柱牛腿節點位置混凝土澆筑施工難度大，為順利完成澆筑，對鋼板進行改良，在鋼環板上開洞，經計算受力仍滿足設計要求，繼而通過洞口澆筑混凝土[5]。洞口尺寸應保證能夠伸入小型振搗棒，提高澆筑密實度，并能夠通過開洞將混凝土內的空氣排出。

3.2.4 養護與拆模

養護采取帶模養護形式，保證混凝土表面濕潤、不失水，預防早期失水過快引發的開裂問題。

在同條件下完成試塊試壓，確定混凝土強度達到100%后方可拆模。拆模按照“后支先拆、先支后拆、先非承重部位、后承重部位以及自上而下”的原則進行。

4 施工技術效果評價

經檢測，鋼管柱吊裝位置偏差、鋼筋安裝位置與焊接質量、混凝土澆筑質量均滿足設計要求，鋼結構-鋼筋混凝土組合結構施工技術實現了設計意圖，受到參建各方的一致好評，項目管理團隊也在施工期間積累豐富經驗，體現出方案明確、實施有效、目標實現等履約管理能力，提高了施工作業人員的技術素質和質量意識。整個施工工藝取得了較好的綜合效益。

5 結語

以某高層建筑施工為例，分析鋼結構-鋼筋混凝土組合結構形式的施工技術，從中得出以下結論：

（1）鋼管柱等鋼結構承載構件在工廠內加工成型，節約施工效率與成本，有助于控制構件質量；借助BIM技術模型下料，預防材料浪費。

（2）借助BIM 技術模型完成結構構件、模板的組合、定位、放樣，節約反復協調與檢查時間。

（3）通過鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁，最大程度發揮建筑材料與結構形式的優勢，使內力在框架梁內傳遞，增強結構整體抗震性。

（4）積極創新施工裝置、技術形式，提高資源利用率與施工技術水平。