預制裝配式螺栓連接型輕鋼構造柱施工技術研究

林顯志，許曉鐘

(福建省惠東建筑工程有限公司,福建 惠安 362100)

0 引言

為了推進我國關于大力發展綠色建筑,實現建筑產品標準化生產,促進裝配式建筑快速發展,全國各地逐步建立起了綠色鋼結構裝配式建筑產業基地,并尋求傳統構件新的替代品。隨著框剪結構的普遍運用,砌筑填充墻越來越多。根據抗震規范要求,需要在相關部位設置鋼筋混凝土構造柱,以增加墻體的剛度,提高抗震性能。傳統構造柱的施工涉及工種多、工序復雜、工期長、工人勞動強度大,存在馬牙槎留置偏差、鋼筋偏位、混凝土側漏、不密實等質量通病,顯然無法滿足現代建筑產業化,綠色施工的要求。《新型構造柱支模體系施工工法》對模板安裝提出一種免支模的工藝,但其存在構造柱有效截面被削弱的問題,無法從根本上解決鋼筋混凝土等質量缺陷[1-3]。

針對這種現象,在工程實踐中,大膽創新改造,提出了一種可代替傳統鋼筋混凝土構造柱的輕鋼構造柱施工工藝。該工藝最初的連接方法:在混凝土內部預埋鋼筋或鋼板,然后與輕鋼焊接。但是初步實踐發現,其存在預埋偏位和焊接工作量大兩個主要問題。為此,經技術攻關,進一步改進,最終形成一套比較成熟的預制裝配式螺栓連接型輕鋼構造柱的施工技術,并在工程項目成功運用,受到建設單位和當地質監部門的一致肯定,取得了良好的經濟效益和社會效益[4]。

1 工藝特點

1)輕鋼構造柱采用高效輕型薄壁型材,自重輕、強度高、占用面積小、抗震強。2)現場免預埋,位置靈活,通過膨脹螺栓連接,可實現快速組裝,工效高,降低勞動強度。3)借助鋼結構裝配式建筑產業基地,可實現工業化生產,非常符合現代產業化發展趨勢。4)輕鋼代替鋼筋混凝土構造柱,免支模和澆筑混凝土,滿足綠色建筑的要求,對鋼材去產能、優化產能結構具有重大意義。

2 工藝原理

根據抗震規范,構造柱屬于非結構構件,不參與主體結構內力計算。但是必須通過拉結筋與填充墻連成整體,共同工作。地震作用時,務必保證構造柱自身強度,剛度和填充墻不被破壞。用輕鋼代替傳統的鋼筋混凝土,在型鋼上下兩端焊接兩塊鋼板。上下端板主要受壓和受剪[5]。根據JGJ 145—2013混凝土結構后錨固技術規程即表4.0.1,選用扭矩控制式膨脹螺栓。通過膨脹螺栓,將輕鋼構造柱上端固定在框架梁底,下端固定在混凝土樓板上。借助上下樓板間的約束力,來維持構造柱的整體穩定。拉結筋通過焊接在腹板上或在腹板預留洞口,通過拉結筋與框架柱植筋相連(見圖1)。再加上翼緣的有效長度對填充墻進行束縛,形成核心抗力,從而使構造柱,框架柱和墻體形成一體,有效工作[6]。

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 工藝流程

輕鋼構造柱專項施工方案的編制→輕鋼構造柱的預制→構造柱放樣→構造柱安裝→拉結筋的焊接→砌筑→特殊部位處理→驗收。

3.2 操作要點

3.2.1 輕鋼構造柱專項施工方案的編制

輕鋼構造柱代替鋼筋混凝土構造柱[7],因涉及到結構變更,應編制詳細的專項施工方案,并報送原設計單位復核合格后,報送相關參建單位審批,有必要時可組織專家論證。技術負責人應以現行的鋼結構設計規范為指導,結合施工平面圖進行設計。主要包括以下幾個方面:

1)截面選擇。根據構造柱所在位置,設計不同的輕鋼截面形式。以200 mm厚墻體為例,直線形墻體采用H型(見圖2),丁字形墻體采用T型(見圖3),十字形墻體采用“出”型(見圖4),端頭墻體采用槽型(見圖5),直角形墻體采用“雙L”型(見圖6)。根據實際需要,選擇不同的截面型式。

2)截面的尺寸。輕鋼構造柱截面尺寸應根據計算確定。

3)構造柱的高度。高度比原構造柱凈高小5 mm,以便安裝。

4)構造柱的位置。與原施工平面圖與結構平面圖確定的原構造柱的位置一致。

5)拉結筋。沿著構造柱高度,每隔500 mm,設置兩根直徑8 mm,長度1 000 mm的HRB300E的鋼筋。

主要內容包括:輕鋼構造柱布置平面圖;立面圖和節點詳圖;下料單;安裝說明書及驗算計算書[8]。輕鋼構造柱下料單統計表見表1。

表1 輕鋼構造柱下料單統計表

3.2.2 輕鋼構造柱的預制

輕鋼構造柱的制作應工業化生產。可利用現有的鋼結構裝配式建筑產業基地,根據下料單,進行流水線生產。沒有條件的施工單位,可委托有資質的鋼結構生產廠家加工制作。構件制作完成后,需提供相應的出廠合格證和構件檢測報告。當施工單位現場自己焊接時,應由專業資質的電焊人員進行。焊接應滿焊,焊縫高度hf為8 mm,焊縫質量等級三級,保證構件制作尺寸準確。制作完成后由質量檢測人員進行外觀檢查,檢查焊縫厚度,焊縫厚度不均勻、不飽滿的應補焊。協同監理單位按標準抽樣送至委托的檢測機構進行焊縫密實度檢測。驗收合格后,在其表面涂刷鍍鋅涂料,起防銹和防腐作用。輕鋼構造柱制作完成可運至施工現場,根據設計尺寸要求進行全數驗收,驗收合格后,進行編號、分類堆放。樓層清理完成后,通過懸挑卸料平臺運輸到各樓層。調運時,輕吊輕放,不得擠壓變形[9-11]。

3.2.3 構造柱放樣

樓層地面落地灰,松動浮漿應清理干凈。樓板必須密實,表面平整,當混凝土不能符合安裝要求時,應進行混凝土修補、打磨等。放樣時,通過控制點,利用激光垂直儀、水平儀、鋼尺和墨線放出建筑各層墻體軸線。根據輕鋼構造柱布置平面圖,彈出構造柱的位置。填充墻的邊線,構造柱的位置線應準確,偏差控制在規范允許范圍內。

3.2.4 構造柱安裝

將輕鋼構造柱人工搬運至安裝位置線,并臨時扶正。人工調整H型鋼上下端板與構造柱位置線重合后,用沖擊鉆,對準端板的預留洞口在上下樓板上打孔,深度最好比膨脹管的長度深5 mm左右,再將孔內清理干凈[12]。每個端板用2M10的膨脹螺栓(扭矩控制式),將輕鋼構造柱臨時固定在上下混凝土樓板上。確認其型號、位置、軸線、中心線復核無誤后,最終擰緊。膨脹螺栓安裝見圖7。

3.2.5 拉結筋的焊接

根據《建筑抗震設計規范》,填充墻應沿框架柱全高每隔500 mm設φ6拉筋,水平每100寬墻不少于1根。拉筋伸入墻內的長度,在抗震設防烈度為6度、7度時不應小于墻長的1/5且不小于700 mm;8度時,應沿墻全長貫通。因此,在實際施工時,應結合圖紙的抗震設防烈度進行分析[13]。

當抗震設防烈度為6度、7度時,沿著構造柱高度,每隔500 mm,設置兩根直徑8 mm,長度1 000 mm,末端彎鉤40 mm的 HRB300E的鋼筋。一端深入墻體1 000 mm,另一端與H型鋼腹板焊接。焊接應滿焊,嚴禁點焊。

當抗震設防烈度為8度時,輕鋼構造柱制作時,每隔500 mm在腹板預留10 mm直徑的孔洞。當砌筑至安放拉結筋時,鋼筋一端穿過預留孔,另一端與框架柱植筋錨固,沿著墻體通長配置。砌筑時,應把腹板預留孔用砂漿擠滿。

3.2.6 砌筑

填充墻底部應砌三皮或不小于200 mm的標準磚(水泥灰砂磚)。底部遇到輕鋼構造柱端板膨脹螺栓凸起時,可采用砂漿坐漿或砍磚,以保證每皮磚的平整度(見圖8)[14]。砌筑時,砌塊應插入輕鋼構造柱的翼緣內(有效約束長度,每端不小于30 mm),灰縫寬度8 mm～10 mm,與H型鋼接觸的砂漿應密實、飽滿,以保證約束區范圍內填充墻與構造柱共同工作。當填充墻砌至梁底時,預留30 mm～50 mm的空隙,待至少7 d后,用灰砂磚,以45°～60°角頂緊斜砌,并嵌實灰縫。

3.2.7 特殊部位處理

粉刷時,填充墻與輕鋼構造柱的交界面,應進行特殊處理,可參照混凝土構造柱的處理方法。先配置水泥漿內摻水重3%～5%的108膠或海菜粉進行甩漿,然后掛鍍鋅鋼絲網,鋼絲網的直徑不小于0.7 mm,網孔不小于12.7 mm,用金屬網卡或節能釘進行固定,每側的搭接寬度不小于200 mm。由于翼緣外邊界凸出墻面5 mm～10 mm,普通抹灰(厚度一般20 mm)時,翼緣處應采用薄抹灰,以保證整個墻面的平整度[15]。

4 質量控制

4.1 質量控制標準

質量控制標準,規范可參照JGJ 2010—36輕鋼結構焊接規程和GB/T 22795—2008混凝土用膨脹型錨栓型式與尺寸執行,見表2,表3。

表2 質量控制標準

表3 膨脹螺栓安裝試驗參數

4.2 質量保證措施

1)輕鋼構造柱由專業廠家加工制作的,進場前對構件進行取樣抽檢,主要檢測項目為焊縫的表觀質量(有無氣泡、裂縫,是否飽滿)、抗拉強度與抗剪強度等。2)使用前應對每個H型鋼高度與斷面尺寸進行檢查。3)砌磚與輕鋼構造柱之間的砂漿飽滿度不得低于95%。4)輕鋼構造柱與中心線應重合。5)膨脹螺栓應進場入場檢測,型號必須通過監理單位和建設單位的確認,并提供出場檢測報告和合格證明。6)在電錘上安裝限位卡環,以保證鉆孔深度。電錘應垂直向內,嚴禁抖動,防止擴孔,造成螺栓不夠牢固。

5 結語

以一字型輕鋼構造柱(H-220×110×6×7.5)替代200 mm×200 mm鋼筋混凝土構造柱為例。構造柱的混凝土等級采用C20,配4根直徑12 mm的縱筋,箍筋直徑6 mm,間距200 mm,均采用HRB400鋼筋,計算鋼筋混凝土每米單價:綜合人工費55元/m,混凝土20元/m(C20單價500元/m3,0.2×0.2×1×500=20元/m),鋼筋20元/m,合計費用95元/m。經實踐證明,輕鋼構造柱工期與傳統鋼筋混凝土相比,裝配速度快,每層每百平方米,可節約工期3 d。將每日塔吊,施工電梯,水電費,管理費折算到每米構造柱,統計分析合計費用30元/m。

綜上所述,200 mm×200 mm鋼筋混凝土構造柱綜合費用約95+30×3=185元/m。

經應用調查,一字型輕鋼構造柱(H-220×110×6×7.5),每米質量20 kg,當前板材價格每噸4 000元,制作加工費用1 500元,輕鋼構造柱每米單價0.02×(4 000+1 500)=110元/m,安裝費用20元/m,其他5元/m,綜合費用約110+20+5=135元/m。

兩種構造柱比較,輕鋼構造柱每層每百平方米可節約工期3 d,折算各種費用后,可節約成本185-135=50元/m。若輕鋼構造柱的量比較大(50 t),可委托熱軋型鋼廠家大批量生產,可免去焊接加工費,成本將進一步降低[16]。

鋼材價格波動大,輕鋼構造柱的直接成本可能會比傳統鋼筋混凝土構造柱高。但是不能只看到表面賬目,還要綜合考慮其在工期和質量控制上所帶來的優越性。

通過輕鋼構造柱的應用,大大縮短了工期約15 d,同時降低工人勞動強度,關鍵是提高了構造柱的施工質量,克服了傳統鋼筋混凝土質量通病,具有較大的經濟和社會效益,是一種可靠、高效的新技術,具有廣闊的應用前景。