中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
摘要：對勁性鋼骨柱施工過程與鋼筋連接方式，以及柱對接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了分析，為類似結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計提供了可借鑒經(jīng)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞：勁性混凝土鋼骨柱，施工，十字型截面，深化設(shè)計
1 工程概況
泰州文化中心博物館位于泰州市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，總建筑面積約2.2萬平方米，地上建筑面積14745平方米，地下建筑面積7506平方米，地上1層，地上4層，建筑高度33.70米。主要結(jié)構(gòu)形式框架剪力墻結(jié)構(gòu)，二層以上由南北兩側(cè)有懸挑近20m樓層，懸挑部分結(jié)構(gòu)為H型鋼桁架。-1~1層為剪力墻底部加強(qiáng)部位，中間主樓部分柱為勁性鋼骨混凝土柱。
2 深化設(shè)計難點(diǎn)
第一，泰州文化中心博物館懸挑樓層分為東西兩面，東面為二~四層，西面為四~五層，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的平衡性，不過勁性鋼骨柱混凝土還是會出現(xiàn)拉應(yīng)力，而混凝土抗拉強(qiáng)度較低，拉應(yīng)力就由勁性鋼骨承擔(dān)，因此對于勁性鋼骨柱焊縫和連接要求很高。
第二，結(jié)構(gòu)布置不規(guī)則，部分節(jié)點(diǎn)鋼筋與勁性鋼骨柱節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，需每個節(jié)點(diǎn)實(shí)際放樣定位。
第三，懸挑H型鋼桁架存在不均勻下繞，需各點(diǎn)預(yù)支起拱，對于安裝和制作要求精度和難度高。
3 勁性鋼骨柱深化設(shè)計
該工程深化設(shè)計采用takle structure 軟件進(jìn)行三維實(shí)體放樣，具體建模順序：軸網(wǎng)建立→截面庫輸入→主體模型搭建→節(jié)點(diǎn)細(xì)部處理→結(jié)構(gòu)分層分段→構(gòu)件編號出圖。
3.1 柱對接節(jié)點(diǎn)處理
該工程勁性鋼骨柱多數(shù)為十字型截面，根據(jù)原設(shè)計施工圖紙，十字柱對接節(jié)點(diǎn)為全焊接形式，即柱翼腹板采用全焊透的剖口對接焊縫（見圖1）。
圖1 泰州文化中心博物館鋼骨柱焊接示意圖
第一，由于本工程十字柱截面最小只為600mm，翼板寬度為400mm，這樣造成內(nèi)部腹板對接焊接操作空間有限，腹板中心焊接難以實(shí)現(xiàn)。第二，十字腹板中心存在焊縫交錯，焊接時會出現(xiàn)焊縫二次融透，而且此處的對接焊縫等級為一級，現(xiàn)場焊縫質(zhì)量難以保證。基于以上兩點(diǎn)，深化設(shè)計提出本工程十字柱腹板現(xiàn)場焊接改為螺栓連接的建議。（見圖2）螺栓數(shù)量規(guī)格計算按腹板等強(qiáng)連接計算，假設(shè)十字柱翼板承受彎矩，腹板只承受拉力和剪力。故得以下計算公式：
單個螺栓受剪承載力設(shè)計值：
d0 螺栓孔直徑 tw 腹板厚度 hw 腹板高度
圖2 泰州文化中心博物館鋼骨柱栓焊示意圖
對于十字柱截面對接一般設(shè)計院出的節(jié)點(diǎn)多數(shù)采用全焊透的剖口對接焊縫，這樣連接對于結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單明確。焊接本身屬于等強(qiáng)連接，設(shè)計無需對于對接節(jié)點(diǎn)再做設(shè)計分析。對于現(xiàn)場施工，由于十字型截面的特殊性，截面限制了焊接的操作空間，而且一般柱對接節(jié)點(diǎn)都在高空進(jìn)行，十字柱腹板焊接質(zhì)量難以保證。如改為腹板螺栓連接，翼板焊接這種栓焊組合的形式，這樣即可保證現(xiàn)場施工的質(zhì)量，也可以保證結(jié)構(gòu)的安全性。
3.2 鋼筋與勁性鋼骨柱節(jié)點(diǎn)處理
鋼筋與勁性鋼骨柱連接的處理問題，一直這一類結(jié)構(gòu)的處理難題和重點(diǎn)。如規(guī)范上要求混凝土梁中上下主筋需在節(jié)點(diǎn)區(qū)域貫通，而這一區(qū)域有鋼骨柱的話，規(guī)范上要求十字柱翼板不宜開孔，腹板開孔率不允許超過25%，這就是矛盾點(diǎn)。總結(jié)現(xiàn)行的鋼筋與勁性鋼骨柱的連接方式有三種：勁性鋼骨柱開孔鋼筋貫通連接、勁性鋼骨柱設(shè)連接牛腿或者勁板與鋼筋焊接連接和勁性鋼骨柱設(shè)鋼筋套筒與鋼筋機(jī)械連接。
3.2.1勁性鋼骨柱開孔鋼筋貫通連接
這種連接方式為車間加工時在鋼骨柱上定位鉆孔，現(xiàn)場鋼筋穿孔通過。深化設(shè)計時需注意，根據(jù)規(guī)范鋼骨柱開孔只允許在腹板，而且腹板開孔超過截面的25%時，需對腹板截面進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，具體補(bǔ)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)可以參見《04SG523》。（見圖3）
圖3 泰州文化中心博物館柱上開孔示意圖
一般開孔大小為鋼筋直徑增大8mm，即直徑為28mm的鋼筋柱上開孔為36mm。一般這種鋼筋開孔不允許現(xiàn)場氣割泰州文化中心博物館施工圖設(shè)計說明中也明確規(guī)格了這點(diǎn)，而且十字柱成形后，再想在腹板上開孔操作，鉆孔機(jī)操作空間沒有。故這種連接方式對于鋼筋定位要求較高，在深化建模時需對節(jié)點(diǎn)區(qū)域所有連接方向的梁鋼筋放樣定位，然后再在腹板上開孔。泰州文化中心博物館項(xiàng)目中一個節(jié)點(diǎn)的鋼筋數(shù)量不少于幾十根，工作量相當(dāng)大。
穿孔連接的優(yōu)點(diǎn)在于第一，鋼筋貫穿，符合混凝土規(guī)范要求。第二，鋼筋受力與鋼骨分離對于鋼骨本身受力不影響。缺點(diǎn)在于第一鋼筋定位精度要求較高，往往出現(xiàn)混凝土施工時綁扎鋼筋定位與鋼骨放樣鋼筋開孔定位不符。第二，貫通鋼筋一般是整體綁扎厚貫通，孔位限制很難貫穿。一般處理方法為先取一段貫穿鋼筋，穿過鋼骨柱后與整體綁扎鋼筋對接焊接，施工較為費(fèi)時費(fèi)工。
3.2.2 勁性鋼骨柱設(shè)連接牛腿或者勁板與鋼筋焊接連接
連接方式是在勁性鋼骨柱上設(shè)置H型牛腿，梁的主筋焊與牛腿翼板，并在牛腿翼板出十字柱內(nèi)部設(shè)置加勁板。（見圖4）
圖4 泰州文化中心博物館鋼筋與鋼骨柱牛腿連接示意圖
深化設(shè)計時需注意：第一，牛腿的標(biāo)高定位問題。現(xiàn)場焊接要避免仰焊，所以混凝土梁主筋布置與H型牛腿上翼板。故牛腿上翼板標(biāo)高=h-a-d。h為混凝土梁頂標(biāo)高，a為梁保護(hù)層厚度，d是鋼筋直徑。牛腿截面高度=H-2a-2d+t。H為混凝土截面高度，t為H型牛腿翼板厚度。這里還有一點(diǎn)深化時要注意，一般鋼筋都是縱橫交錯的，鋼筋有一個相互疊加的問題，因此深化時要考慮到橫向牛腿比高要比縱向牛腿標(biāo)高低或者高一個鋼筋直徑。第二，柱上箍筋和主筋與新加牛腿相碰處理。箍筋處理比較簡單，直接在牛腿腹板上開孔，然后箍筋穿過。混凝土主筋，一般最好的方式在柱開始排布主筋時候盡量靠近柱角落，少數(shù)幾根與牛腿翼板相碰時候，可以采用連接板與鋼筋焊接的形式或者采用鋼筋套筒連接。第三，牛腿長度確定。規(guī)范規(guī)定鋼筋與牛腿焊縫長度不小于5d，所以牛腿長度需大于5d。
設(shè)置牛腿這種連接方式的優(yōu)點(diǎn)：第一，牛腿定位精度要求較其他兩種方式低，現(xiàn)場調(diào)節(jié)能力強(qiáng)。第二，對于鋼筋綁扎的定位要求也較其他兩種方式低。其缺點(diǎn)：第一，牛腿對于混凝土主筋有一定影響，需從柱底開始配筋時調(diào)整主筋位置，否則會與牛腿相碰過多。第二，一般現(xiàn)場焊接要避免仰焊，故牛腿連接不適用于多排鋼筋連接需與其他連接方式配合。
3.2.3勁性鋼骨柱設(shè)鋼筋套筒與鋼筋機(jī)械連接
鋼筋套筒又名鋼筋接頭，用以連接鋼筋并有與絲頭螺紋相對應(yīng)內(nèi)螺紋的連接件。它是將鋼筋 端部用滾軋工藝加工成直螺紋，并用相應(yīng)的連接套筒將兩根鋼筋相互連接。它的結(jié)構(gòu)原理是將待連接鋼筋端部的縱肋和橫肋用切削的方法剝掉一部分，然后直接滾軋成普通直螺紋后，用特制的直螺紋鋼筋連接套筒連接起來，形成鋼筋的連接.（見圖5）
圖5 泰州文化中心博物館鋼筋與鋼骨柱套筒連接示意圖+
鋼筋螺紋加工
（1） 加工鋼筋螺紋的絲頭、牙形、螺距等必須與連接套牙形、螺距一致，且經(jīng)配套的量規(guī)檢查合格。
（2） 加工鋼筋螺紋時，應(yīng)采用水溶性切削潤滑液；當(dāng)溫度低于0℃時，應(yīng)摻入、15%—20%亞硝酸鈉，不得用機(jī)油做潤滑液或不加潤滑液套絲。
（3） 操作人員應(yīng)逐個檢查鋼筋絲頭的外觀質(zhì)量并做出操作者標(biāo)記。
（4） 經(jīng)自檢合格的鋼筋絲頭，應(yīng)對每種規(guī)格加工量隨機(jī)抽檢10%，且不少于10個，如有一個不合格，即對該加工批全數(shù)檢查，不合格絲頭應(yīng)重加工，經(jīng)再次檢驗(yàn)合格后可使用。
（5） 已檢驗(yàn)合格的絲頭，應(yīng)加以保護(hù)戴上保護(hù)帽，并按規(guī)格分類整齊待用。
這種連接方法的優(yōu)點(diǎn)如下：
1).力學(xué)性能好、連接安全可靠：由于鋼筋端部經(jīng)滾壓成形，鋼筋材質(zhì)經(jīng)冷作處理，螺紋和鋼筋強(qiáng)度都有所提高，彌補(bǔ)了螺紋底徑小于鋼筋母材基圓直徑對強(qiáng)度削弱帶來的影響，使連接的接頭強(qiáng)度高于母材強(qiáng)度，能使母材充分發(fā)揮其強(qiáng)度和延性。
2).連接方便：在狹小場地鋼筋排列密集處均能靈活操作。施工方便、效率高：鋼筋連接套筒在工廠預(yù)制，質(zhì)量保證：現(xiàn)場滾軋絲頭設(shè)備每臺每班可加工接頭近400個，在大工程量及地下室底版等施工時具有無可比擬的優(yōu)勢，施工時無污染，無明火作業(yè)，安全環(huán)保好，可全天候施工。
3).便于檢測：施工時不需要用特定檢測設(shè)備，只需看鋼筋外露絲牙情況即可測定接頭的質(zhì)量。適用性強(qiáng)：適用于一切抗震和非抗震的鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)工程的鋼筋連接，且對彎曲鋼筋、固定鋼筋、鋼筋籠、超長鋼筋等及不能轉(zhuǎn)動的場合均適用。
80年代末期，通過引進(jìn)國外先進(jìn)的機(jī)械連接技術(shù)，再加上我國一些科研院所的相關(guān)專家的不斷努力，我國鋼筋機(jī)械連接技術(shù)得以發(fā)展迅速。機(jī)械連接經(jīng)歷了套筒冷擠壓、錐螺紋，鐓粗直螺紋直到目前滾軋直螺紋等不同的發(fā)展階段，技術(shù)不斷成熟穩(wěn)定，成本也不斷降低。搭接的連接方式已不能用于大規(guī)格鋼筋的連接，再加上焊接有很多不足之處，焊接質(zhì)量均無法保證。鋼筋機(jī)械連接能避開上述種種困難，顯示出明顯的優(yōu)勢。
近十年來，我國在鋼筋的機(jī)械連接技術(shù)方面取得了很大發(fā)展，其中擠壓連接做為一種新型機(jī)械式鋼筋連接措施，與傳統(tǒng)的搭接和焊接相比具有接頭性能可靠、質(zhì)量穩(wěn)定、不受氣候及焊工技術(shù)水平的影響、連接速度快、安全、無明火、不需大功率電源、可焊與不可焊鋼筋均能可靠連接等優(yōu)點(diǎn)。通過在各類高層建筑、大跨結(jié)構(gòu)、橋梁、水工結(jié)構(gòu)、電視塔、核電站等多項(xiàng)重大工程中應(yīng)用，套筒擠壓連接受到了普遍好評。
我國的錐螺紋連接技術(shù)和國外相比還存在一定差距，最突出的一個問題就是螺距單一，從直徑16～40mm鋼筋采用螺距都為2.5mm，而2.5mm螺距最適合于直徑22mm鋼筋的連接。雖然在一些方面還存在著差距，隨著中國套筒生產(chǎn)技術(shù)的不斷成熟，會把這些差距最小化的。
深化設(shè)計時要注意：第一，套筒為車間焊接定位，所以對于定位精度要求很高。基本誤差不超過1~2mm。第二，套筒鋼骨柱焊接部位需設(shè)置加勁板。
3.2.4 鋼筋連接要求：
(1) 連接鋼筋時，鋼筋規(guī)格和連接套的規(guī)格一致，鋼筋螺紋的形式、螺距、螺紋外徑應(yīng)與連接套匹配。并確保鋼筋連接套的絲扣干凈、完好無損。
(2) 連接鋼筋時應(yīng)對準(zhǔn)軸線將鋼筋擰入連接套。
(3) 接頭拼接完成后，應(yīng)使兩個絲頭在套筒中央位置互相頂緊，套筒每端不得有一扣以上的完整絲扣外露，加長型接頭的外露扣數(shù)不受限制，但有明顯標(biāo)記，以檢查進(jìn)入套筒的絲頭長度是否滿足要求。
鋼筋與鋼骨柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域非常復(fù)雜，深化設(shè)計時需要三種方式結(jié)合使用。節(jié)點(diǎn)處理需注意：第一，鋼筋盡量避免碰到勁性鋼骨柱，可以適當(dāng)采用折彎繞過或者是直接彎錨入住（彎錨長度見混凝土設(shè)計規(guī)范）。第二,鋼筋不能避免時，要適當(dāng)對這些鋼筋進(jìn)行排布，一般鋼筋的最小間距是1.5d，最小不小于25mm。根據(jù)原則這個分布需貫穿腹板的鋼筋和與翼板連接的鋼筋。第三，鋼筋貫穿方向只遇腹板，宜選擇第一種方式貫穿連接。一般由于截面和開孔數(shù)量的限制，同一排鋼筋最多一側(cè)貫穿兩根（十字型柱截面）。鋼筋貫穿方向遇到腹板和兩側(cè)翼板時，如果鋼筋只有單排可采用第二種牛腿焊接方式連接;如果鋼筋由兩排或者更多時，前面幾排采用第三種套筒連接方式，最后一排采用第二種牛腿焊接方式。下圖6是泰州文化中心博物鋼筋與鋼骨典型節(jié)點(diǎn)中一個，是三種方式結(jié)合使用，供大家參考。
圖6 泰州文化中心博物館鋼骨與鋼骨柱節(jié)點(diǎn)區(qū)連接示意圖
3.3 懸挑桁架起拱問題處理
現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)起拱方式有三種，第一，成型構(gòu)件利用火烤或者機(jī)械頂壓起拱。適用于簡單的H型梁截面。第二，深化設(shè)計時放樣起拱，適用于大型跨度門式鋼架。第三，安裝時焊縫起拱，適用于大截面桁架。
泰州文化中心博物館采用第三種方式起拱，原設(shè)計根據(jù)設(shè)計模型提供各個控制點(diǎn)下繞值，放樣根據(jù)下繞值抬高。深化設(shè)計時，takle structure先不起拱放樣，全部結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)完成是，轉(zhuǎn)化為CAD，然后定點(diǎn)抬高。此時要注意，部分螺栓是否要調(diào)整，一般螺栓孔可以調(diào)節(jié)1~2mm，看差值是否在這以內(nèi)。博物館東面桁架，懸挑長度不一，因此下繞值不同，故每個點(diǎn)起拱值不一樣，需分別放樣確定。
4.結(jié)束語：
勁性混凝土鋼骨結(jié)構(gòu)具有鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的雙重優(yōu)點(diǎn)，型鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提高了結(jié)構(gòu)的承載能力和抗震能力，減少了柱的節(jié)目尺寸和結(jié)構(gòu)本身的自重，這種結(jié)構(gòu)越來越受各種高層和超高層及橋梁結(jié)構(gòu)的青睞。隨之帶來的節(jié)點(diǎn)處理難點(diǎn)，以及鋼骨存在對于混凝土澆筑帶來一些難度，這些需深化設(shè)計時處理。勁性鋼骨柱能夠適應(yīng)現(xiàn)代化工程結(jié)構(gòu)大跨、高聳和重載的發(fā)展趨勢，符合施工技術(shù)工業(yè)化的要求，因而開會越來越多應(yīng)用于高層和超高層、工業(yè)廠房以及橋梁等結(jié)構(gòu)，并且已經(jīng)在實(shí)踐中取得良好的經(jīng)驗(yàn)效益和建筑效果。鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)深化設(shè)計時節(jié)點(diǎn)處理有著廣闊的推廣應(yīng)用前景，并且獲得越來越廣泛的應(yīng)用。
參 考 文 獻(xiàn)：
[1] 陳富生，邱國樺，范重 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計（第二版） 中國建筑工業(yè)出版社
[2] 劉亞維 型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)造和計算手冊 中國建筑工業(yè)出版社
[3] 王建軍 吳桂榮 高層建筑實(shí)腹式勁性鋼骨混凝土施工技術(shù) 山西建筑
作者簡介：周關(guān)亮（1983-），浙江中南建設(shè)集團(tuán)鋼結(jié)構(gòu)有限公司深化設(shè)計工程師，主要從事鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計。
聯(lián)系地址：浙江省杭州市濱江區(qū)浙江中南建設(shè)集團(tuán)鋼結(jié)構(gòu)有限公司（310052）
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