型鋼混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)及施工技術(shù)

1、鋼結(jié)構(gòu)工程鋼結(jié)構(gòu)工程 6/6 5/6鋼結(jié)構(gòu)工程 1/6型鋼混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)及施工技術(shù)北京分公司 楊小文摘 要：本文以工程實(shí)例為基礎(chǔ)，講述了型鋼混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的深化設(shè)計(jì)方法以及施工中的技術(shù)質(zhì)量問題。通過對(duì)工程實(shí)例中三種復(fù)雜梁柱節(jié)點(diǎn)的分析、設(shè)計(jì)方案以及施工問題的探討，為型鋼混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的處理提供了一定的借鑒作用。關(guān)鍵詞：勁性結(jié)構(gòu)、梁柱節(jié)點(diǎn)、設(shè)計(jì)、施工、勁板、鋼筋連接器1 前言隨著對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)性能的要求不斷增強(qiáng)，越來越多的型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)被應(yīng)用在工程中。作為一種把型鋼骨埋入鋼筋混凝土中的獨(dú)特結(jié)構(gòu)形式，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)可以獲得比傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)更好的結(jié)構(gòu)承載力、剛度以及抗震性能。

2、同時(shí)，相比于普通鋼結(jié)構(gòu)形式，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)更具有防火性能好、整體穩(wěn)定性高、造價(jià)相對(duì)低廉等優(yōu)勢(shì)。然而，如何處理好鋼骨與外部鋼筋混凝土之前的關(guān)系，也同樣成為型鋼混凝土結(jié)構(gòu)施工中的重點(diǎn)及難點(diǎn)之一。2 工程概況本工程為百度科技園二期北標(biāo)段工程，坐落于馬連洼路北，后廠村路南，海淀區(qū)中關(guān)村軟件園二期內(nèi)。是具有研發(fā)中心運(yùn)營(yíng)及研發(fā)場(chǎng)所的綜合性研發(fā)辦公樓，建成后將作為百度在線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司研發(fā)及辦公總部。二期北標(biāo)段工程為2#、3#研發(fā)樓，總建筑面積約14.28萬平方米，其中地上7.77萬平方米，地下6.51萬平方米；地上7層，地下3層；建筑高度31.45米。結(jié)構(gòu)形式為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。如下圖所示（圖1），百度

3、科技園二期2#樓4至7層局部采用的大跨度懸挑造型內(nèi)設(shè)有勁性鋼梁、鋼柱、支撐桁架。其中勁性鋼骨柱由地下3層一直到地上6層頂（-13.5m26.3m）。鋼結(jié)構(gòu)制作安裝總量超過1000噸。其中需要進(jìn)一步深化設(shè)計(jì)的勁性鋼柱、鋼梁節(jié)點(diǎn)超過110處，涉及到的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件占總安裝重量的70%。因此，在施工之前，對(duì)所涉及到的型鋼混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)就成為了本工程鋼結(jié)構(gòu)施工的重中之重。圖1 百度科技園二期鋼結(jié)構(gòu)整體示意圖3 梁柱節(jié)點(diǎn)施工難點(diǎn)分析3.1 施工難點(diǎn)分析一般來說，勁性鋼結(jié)構(gòu)大多使用在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層中，以完成從鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)向鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)造轉(zhuǎn)變。然而，在本工程中，超過70%的鋼構(gòu)件采用勁性鋼結(jié)構(gòu)的方式

4、。這也就使得勁性鋼柱、鋼梁、混凝土梁結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜交錯(cuò)，各個(gè)方向的鋼筋立體穿插，空間排布困難。尤其在梁柱節(jié)點(diǎn)位置，如何保持鋼筋在力學(xué)性質(zhì)上的貫通就成為了施工中的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。通過對(duì)圖紙的前期分析，可以把本工程中需要深化設(shè)計(jì)的型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)主要分為以下三大類：第一類，如圖2所示，勁性鋼柱與混凝土梁相交，混凝土梁上下鐵縱筋被勁性H型鋼柱翼緣、腹板打斷。這種類型是本工程中涉及到最多的一種節(jié)點(diǎn)形式。圖2 勁性鋼柱與混凝土梁相交節(jié)點(diǎn)平面圖另外一種節(jié)點(diǎn)形式是勁性鋼柱與勁性鋼梁相交。如圖3所示，這類節(jié)點(diǎn)除第一種節(jié)點(diǎn)梁縱筋的問題外，部分柱縱筋也會(huì)被勁性鋼梁打斷，無法保持貫通。圖3 勁性鋼柱與勁性鋼梁相交剖面圖第三

5、種形式是勁性鋼柱、鋼梁、鋼桁架支撐相交節(jié)點(diǎn)（圖4）。這種節(jié)點(diǎn)不但要處理前兩種節(jié)點(diǎn)形式中需要處理的問題，并且鋼桁架也會(huì)影響梁柱縱筋的貫通。該節(jié)點(diǎn)處型鋼、鋼筋密集交錯(cuò)，施工十分困難，是本工程中最復(fù)雜的一種節(jié)點(diǎn)形式。圖4 勁性鋼梁、鋼柱、鋼支撐節(jié)點(diǎn)軸側(cè)圖3.2 處理方式分析針對(duì)本工程中涉及到的三種節(jié)點(diǎn)形式，可采用的解決辦法主要有三種：第一種是在鋼骨上開孔，使得鋼筋可以貫通。這種方式應(yīng)用簡(jiǎn)便，施工速度快。然而，根據(jù)規(guī)范要求，鋼骨翼緣上不得開孔，腹板開孔率也不得大于25%。所以這種方式開孔的數(shù)量和面積有限制，并不是十分適用于本工程中的三種節(jié)點(diǎn)形式。第二種方式是在鋼骨相應(yīng)標(biāo)高處加設(shè)勁板來搭接被打斷的鋼筋。

6、這種處理方式是最目前被普遍采用的一種解決辦法，但是弊端也很明顯。首先，勁板的標(biāo)高需要在工廠加工前進(jìn)行確認(rèn)，且精確度要求很高。同時(shí)，由于這種方式需要在梁縱筋鋪設(shè)完畢后進(jìn)行鋼筋與勁板的雙面焊接，需要土建與鋼結(jié)構(gòu)施工隊(duì)伍交叉作業(yè)。當(dāng)梁縱筋鋼筋密集時(shí)，甚至需要對(duì)2排甚至3排鋼筋分別焊接，工作量大大增加了。最后，還有不能忽視的一點(diǎn)，就是搭筋勁板會(huì)影響柱縱筋的鋪設(shè)以及上下貫通。這樣，不但增加了柱縱筋的鋪設(shè)難度，對(duì)勁板的尺寸也有著很多限制。因此，這種方式對(duì)施工前期的梁柱節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)有非常高的要求。第三種連接方法是在鋼筋被打斷位置設(shè)置鋼筋連接器對(duì)鋼筋進(jìn)行機(jī)械連接。這種方式施工簡(jiǎn)單、方便，鋼筋連接器全部在工廠預(yù)

7、先完成焊接，大大縮短了現(xiàn)場(chǎng)的施工時(shí)間。但是，這種方式對(duì)鋼筋連接器的定位有著非常高的精度要求，尤其當(dāng)梁柱主筋直徑過大時(shí)，細(xì)微的偏差都可能造成鋼筋與連接器無法對(duì)接，造成鋼筋連接器無法起到應(yīng)有的作用。因此，無法大面積使用?；谝陨线@些分析不難看出，三種解決辦法各有利弊，尤其是加設(shè)勁板和鋼筋連接器，都有各自應(yīng)用的局限性。因此，這些方法在本工程中應(yīng)該被綜合利用起來，以達(dá)到簡(jiǎn)化施工難度、減低施工成本、加快施工進(jìn)度的目的。4 節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)方案根據(jù)本工程所涉及到的梁柱節(jié)點(diǎn)的類型以及對(duì)跟中節(jié)點(diǎn)解決辦法的分析，本工程采用加設(shè)搭筋勁板與鋼筋連接器相結(jié)合的方式來處理各類梁柱節(jié)點(diǎn)。但是，因?yàn)榧釉O(shè)勁板和鋼筋連接器對(duì)焊接工

8、藝要求很高（一級(jí)焊縫），現(xiàn)場(chǎng)施工難度較大。所以，所有的勁板及鋼筋連接器定位都需要在鋼結(jié)構(gòu)加工前進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。本工程所涉及到的三種節(jié)點(diǎn)的深化設(shè)計(jì)方案如下所示：4.1 型鋼柱、混凝土梁節(jié)點(diǎn)勁性鋼柱與混凝土梁相交，混凝土梁部分上下鐵縱筋被勁性H型鋼柱翼緣、腹板打斷。對(duì)于這種節(jié)點(diǎn)，本工程中采用加設(shè)與鋼骨同材質(zhì)的25mm厚勁板的辦法來解決這一問題。對(duì)于梁上下縱筋，采用能貫通盡量貫通的辦法。不能貫通的縱筋，則采用雙面焊工藝焊接在加設(shè)的勁板上。以圖5所示的KZ8節(jié)點(diǎn)為例，根據(jù)鋼骨(300 x600 x40 x40)和柱截面尺寸，設(shè)計(jì)勁板長(zhǎng)邊L與鋼骨翼緣或腹板等長(zhǎng)。這樣既能保證被鋼骨打斷的梁縱筋可以焊接在勁板

9、上，也可以保證其余梁縱筋的貫通。此外，勁板外緣距柱邊線距離不但需要大于鋼筋直徑、箍筋直徑、鋼筋保護(hù)層三者的總和，同時(shí)又要保證梁縱筋的搭接長(zhǎng)度大于5d（d為鋼筋直徑），所以，根據(jù)KZ8處的配筋信息（表1），勁板短邊的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為130mm。同時(shí)，根據(jù)表1可以看出，KL13上下縱筋出現(xiàn)2排和3排排布。對(duì)于這種情況，應(yīng)優(yōu)先與設(shè)計(jì)單位溝通，通過等強(qiáng)替換原則，盡量減少鋼筋數(shù)量。當(dāng)無法進(jìn)一步減少鋼筋數(shù)量時(shí)，就要合理排布鋼筋位置，在滿足規(guī)范要求的前提下，盡量使其中一排鋼筋都能繞過鋼骨貫通，不再為此排鋼筋加設(shè)勁板，降低施工難度。圖5 KZ8處節(jié)點(diǎn)平面示意圖表1 KZ8節(jié)點(diǎn)處梁柱構(gòu)造信息截面尺寸頂標(biāo)高配筋信息KZ

10、81000 x1000mm-0.1m2825KL11400 x1200mm-0.1m525,525KL12500 x650mm-0.1m825,825KL13700 x900mm-0.95m1325，2025勁板的標(biāo)高定位也同樣需要仔細(xì)考慮。如圖6中KZ8節(jié)點(diǎn)剖面圖所示，KL13處鋼筋分兩層鋪設(shè)，上層勁板在工廠中點(diǎn)焊定位，現(xiàn)場(chǎng)拆除上層勁板厚優(yōu)先鋪設(shè)下層鋼筋，當(dāng)下層鋼筋焊接完畢并驗(yàn)收合格后，再焊接上層勁板，并進(jìn)行上層鋼筋鋪設(shè)及焊接。梁上部縱筋勁板標(biāo)高設(shè)計(jì)時(shí)，需為鋼筋鋪設(shè)和混凝土保護(hù)層預(yù)留一定高度。由于勁板厚度為25mm，下部縱筋搭接勁板的下表面可與梁下表面平齊。同時(shí)，考慮到不同方向鋼筋鋪設(shè)時(shí)的相

11、互交叉問題，相同標(biāo)高且相鄰的兩道梁，勁板標(biāo)高上應(yīng)錯(cuò)開至少一個(gè)鋼筋直徑的距離。圖6 KZ8節(jié)點(diǎn)處勁板設(shè)計(jì)圖4.2 型鋼梁、柱節(jié)點(diǎn)勁性鋼柱與勁性鋼梁相交的節(jié)點(diǎn)，除考慮勁板尺寸、標(biāo)高及數(shù)量的問題外，還需要考慮被勁性鋼梁打斷的柱縱筋的貫通問題。由于梁水平縱筋和搭接勁板的存在，在垂直方向上很難繼續(xù)加設(shè)搭筋勁板。同時(shí)，考慮到柱主筋的受力形式，搭接勁板與柱主筋之間也無法起到良好的力學(xué)傳遞。因此，在本工程中，被打斷的柱主筋采用鋼筋連接器進(jìn)行續(xù)接。如圖7所示，深化設(shè)計(jì)前應(yīng)根據(jù)勁性柱截面和配筋信息提前模擬鋼筋排布，取得柱縱筋的定位信息，再映射到鋼骨梁上，得到鋼筋連接器精確的設(shè)計(jì)定位值。最后，再將此信息提供給鋼結(jié)構(gòu)

12、加工工廠，在工廠內(nèi)采用一級(jí)焊縫將鋼筋連接器焊接在鋼梁翼緣上。圖7 鋼筋連接器定位加工設(shè)計(jì)圖4.3 型鋼梁、柱、桁架節(jié)點(diǎn)勁性鋼柱、鋼梁、鋼桁架斜撐三者相交節(jié)點(diǎn)是本工程面臨的最復(fù)雜的施工節(jié)點(diǎn)之一。如圖8所示，在這種節(jié)點(diǎn)處，桁架斜撐的存在將會(huì)影響勁板、鋼筋連接器的安裝，無法按照常規(guī)的方法焊接，對(duì)節(jié)點(diǎn)的深化設(shè)計(jì)造成一定難度。針對(duì)這種情況，本工程利用三維模擬軟件（TEKLA）的立體可視化優(yōu)勢(shì)，在三維模型中進(jìn)行空間模擬和碰撞檢查，對(duì)勁板及鋼筋連接器的數(shù)量和位置進(jìn)行優(yōu)化。圖8：型鋼梁、柱、桁架節(jié)點(diǎn)三維模擬圖深化設(shè)計(jì)后的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)圖如圖9所示。從圖上可以看出，為了避免鋼桁架斜撐影響勁板與梁上部縱筋的連接，本工程

13、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案采取延長(zhǎng)搭筋勁板至斜撐另一側(cè)的方式。這樣既可以保證梁縱筋順利與勁板搭接，還可以保證鋼筋在力學(xué)上順利傳遞。對(duì)于垂直方向被打斷的柱縱筋，考慮到在節(jié)點(diǎn)處鋼筋連接器焊接難度很大，本工程充分利用節(jié)點(diǎn)處的鋼斜撐腹板來搭接柱縱筋的方式來解決這一問題。節(jié)點(diǎn)處未受斜撐影響的位置仍采用正常型鋼梁柱節(jié)點(diǎn)的方式來處理。圖9：型鋼梁、柱、桁架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)圖5 施工過程質(zhì)量控制現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，搭筋勁板的焊接、鋼筋與勁板的焊接都需要進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)配置焊接專業(yè)質(zhì)檢員，負(fù)責(zé)對(duì)材料供應(yīng)、焊前準(zhǔn)備、組裝、焊接，焊后處理和成品檢查、驗(yàn)收等全過程質(zhì)量，進(jìn)行嚴(yán)格檢查驗(yàn)收并記錄。安裝焊接全過程質(zhì)量必須符合設(shè)計(jì)要求和現(xiàn)行國(guó)家

14、有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)定施焊，認(rèn)真執(zhí)行“三檢制”并作好焊前、焊中、焊后質(zhì)量檢查記錄。焊縫外觀質(zhì)量符合規(guī)范要求，一級(jí)焊縫需自檢并第三方超聲波探傷合格。同時(shí)，在施工時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)標(biāo)高安裝。以每柱為單元進(jìn)行標(biāo)高調(diào)整。第一節(jié)柱的標(biāo)高，用地腳螺栓上雙螺母的方法精確控制，待標(biāo)高調(diào)整到位后焊死。上部鋼柱標(biāo)高控制時(shí)，應(yīng)先在柱身上標(biāo)定標(biāo)高基準(zhǔn)點(diǎn)，然后以水準(zhǔn)儀測(cè)定其偏差值，利用在柱腳底板下設(shè)置的調(diào)整螺母或調(diào)整斜鐵來調(diào)整柱的標(biāo)高和垂直偏差。采用柱腳底板下調(diào)整螺母調(diào)整標(biāo)高，比較方便而且精確度高。鋼柱吊裝前可通過水準(zhǔn)儀先將調(diào)整螺母上表面的標(biāo)高調(diào)整到設(shè)計(jì)要求的標(biāo)高。放上柱子后，利用底板下的調(diào)整螺母進(jìn)行微調(diào)，精度

15、控制在1mm以內(nèi)。每節(jié)鋼柱安裝完畢后需進(jìn)行標(biāo)高復(fù)測(cè)，需滿足國(guó)家及地方要求，當(dāng)出現(xiàn)正差需要將下節(jié)待安裝鋼柱的長(zhǎng)度進(jìn)行修正時(shí)，只能修正襯板，不得傷到母材。本工程施工現(xiàn)場(chǎng)勁板標(biāo)高控制成果如圖10所示。圖10 施工現(xiàn)場(chǎng)勁板標(biāo)高控制成果6 結(jié)語本工程通過對(duì)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)類型的分析以及深化設(shè)計(jì)，使得型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中的各種復(fù)雜梁柱節(jié)點(diǎn)都得到了一定程度的優(yōu)化。在后期安裝施工時(shí)大大降低了施工難度，并起到了縮短工期、節(jié)約施工成本的目的。由于深化設(shè)計(jì)中的勁板及鋼筋連接器定位準(zhǔn)確，設(shè)計(jì)合理，在實(shí)際施工過程中鋼筋與勁板、鋼筋連接器搭接簡(jiǎn)便、施工速度快，起到了良好的實(shí)踐應(yīng)用效果。希望通過本文的闡述，對(duì)今后的同類工程起到一定的參考及借鑒作用。參考文獻(xiàn)1 GB50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范S2 GB 50205-2001 鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范S 3 JGJ138-2001 型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程S4 JGJ99-98 高層民用建筑鋼