鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
摘要：對勁性鋼骨柱施工過程與鋼筋連接方式，以及柱對接節點進行了分析，為類似結構的深化設計提供了可借鑒經驗。
關鍵詞：勁性混凝土鋼骨柱，施工，十字型截面，深化設計
1 工程概況
泰州文化中心博物館位于泰州市經濟開發區，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。主要結構形式框架剪力墻結構，二層以上由南北兩側有懸挑近20m樓層，懸挑部分結構為H型鋼桁架。-1~1層為剪力墻底部加強部位，中間主樓部分柱為勁性鋼骨混凝土柱。
2 深化設計難點
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，以實現結構的平衡性，不過勁性鋼骨柱混凝土還是會出現拉應力，而混凝土抗拉強度較低，拉應力就由勁性鋼骨承擔，因此對于勁性鋼骨柱焊縫和連接要求很高。
第二，結構布置不規則，部分節點鋼筋與勁性鋼骨柱節點復雜，需每個節點實際放樣定位。
第三，懸挑H型鋼桁架存在不均勻下繞，需各點預支起拱，對于安裝和制作要求精度和難度高。
3 勁性鋼骨柱深化設計
該工程深化設計采用takle structure 軟件進行三維實體放樣，具體建模順序：軸網建立→截面庫輸入→主體模型搭建→節點細部處理→結構分層分段→構件編號出圖。
3.1 柱對接節點處理
該工程勁性鋼骨柱多數為十字型截面，根據原設計施工圖紙，十字柱對接節點為全焊接形式，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，這樣造成內部腹板對接焊接操作空間有限，腹板中心焊接難以實現。第二，十字腹板中心存在焊縫交錯，焊接時會出現焊縫二次融透，而且此處的對接焊縫等級為一級，現場焊縫質量難以保證。基于以上兩點，深化設計提出本工程十字柱腹板現場焊接改為螺栓連接的建議。（見圖2）螺栓數量規格計算按腹板等強連接計算，假設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計院出的節點多數采用全焊透的剖口對接焊縫，這樣連接對于結構設計簡單明確。焊接本身屬于等強連接，設計無需對于對接節點再做設計分析。對于現場施工，由于十字型截面的特殊性，截面限制了焊接的操作空間，而且一般柱對接節點都在高空進行，十字柱腹板焊接質量難以保證。如改為腹板螺栓連接，翼板焊接這種栓焊組合的形式，這樣即可保證現場施工的質量，也可以保證結構的安全性。
3.2 鋼筋與勁性鋼骨柱節點處理
鋼筋與勁性鋼骨柱連接的處理問題，一直這一類結構的處理難題和重點。如規范上要求混凝土梁中上下主筋需在節點區域貫通，而這一區域有鋼骨柱的話，規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。總結現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、勁性鋼骨柱設連接牛腿或者勁板與鋼筋焊接連接和勁性鋼骨柱設鋼筋套筒與鋼筋機械連接。
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，現場鋼筋穿孔通過。深化設計時需注意，根據規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，需對腹板截面進行補強，具體補強節點可以參見《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場氣割泰州文化中心博物館施工圖設計說明中也明確規格了這點，而且十字柱成形后，再想在腹板上開孔操作，鉆孔機操作空間沒有。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點區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目中一個節點的鋼筋數量不少于幾十根，工作量相當大。
穿孔連接的優點在于第一，鋼筋貫穿，符合混凝土規范要求。第二，鋼筋受力與鋼骨分離對于鋼骨本身受力不影響。缺點在于第一鋼筋定位精度要求較高，往往出現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，施工較為費時費工。
3.2.2 勁性鋼骨柱設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部設置加勁板。（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
深化設計時需注意：第一，牛腿的標高定位問題。現場焊接要避免仰焊，所以混凝土梁主筋布置與H型牛腿上翼板。故牛腿上翼板標高=h-a-d。h為混凝土梁頂標高，a為梁保護層厚度，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。規范規定鋼筋與牛腿焊縫長度不小于5d，所以牛腿長度需大于5d。
設置牛腿這種連接方式的優點：第一，牛腿定位精度要求較其他兩種方式低，現場調節能力強。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：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整主筋位置，否則會與牛腿相碰過多。第二，一般現場焊接要避免仰焊，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勁性鋼骨柱設鋼筋套筒與鋼筋機械連接
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內螺紋的連接件。它是將鋼筋 端部用滾軋工藝加工成直螺紋，并用相應的連接套筒將兩根鋼筋相互連接。它的結構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，且經配套的量規檢查合格。
（2） 加工鋼筋螺紋時，應采用水溶性切削潤滑液；當溫度低于0℃時，應摻入、15%—20%亞硝酸鈉，不得用機油做潤滑液或不加潤滑液套絲。
（3） 操作人員應逐個檢查鋼筋絲頭的外觀質量并做出操作者標記。
（4） 經自檢合格的鋼筋絲頭，應對每種規格加工量隨機抽檢10%，且不少于10個，如有一個不合格，即對該加工批全數檢查，不合格絲頭應重加工，經再次檢驗合格后可使用。
（5） 已檢驗合格的絲頭，應加以保護戴上保護帽，并按規格分類整齊待用。
這種連接方法的優點如下：
1).力學性能好、連接安全可靠：由于鋼筋端部經滾壓成形，鋼筋材質經冷作處理，螺紋和鋼筋強度都有所提高，彌補了螺紋底徑小于鋼筋母材基圓直徑對強度削弱帶來的影響，使連接的接頭強度高于母材強度，能使母材充分發揮其強度和延性。
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制，質量保證：現場滾軋絲頭設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勢，施工時無污染，無明火作業，安全環保好，可全天候施工。
3).便于檢測：施工時不需要用特定檢測設備，只需看鋼筋外露絲牙情況即可測定接頭的質量。適用性強：適用于一切抗震和非抗震的鋼筋混泥土結構工程的鋼筋連接，且對彎曲鋼筋、固定鋼筋、鋼筋籠、超長鋼筋等及不能轉動的場合均適用。
80年代末期，通過引進國外先進的機械連接技術，再加上我國一些科研院所的相關專家的不斷努力，我國鋼筋機械連接技術得以發展迅速。機械連接經歷了套筒冷擠壓、錐螺紋，鐓粗直螺紋直到目前滾軋直螺紋等不同的發展階段，技術不斷成熟穩定，成本也不斷降低。搭接的連接方式已不能用于大規格鋼筋的連接，再加上焊接有很多不足之處，焊接質量均無法保證。鋼筋機械連接能避開上述種種困難，顯示出明顯的優勢。
近十年來，我國在鋼筋的機械連接技術方面取得了很大發展，其中擠壓連接做為一種新型機械式鋼筋連接措施，與傳統的搭接和焊接相比具有接頭性能可靠、質量穩定、不受氣候及焊工技術水平的影響、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點。通過在各類高層建筑、大跨結構、橋梁、水工結構、電視塔、核電站等多項重大工程中應用，套筒擠壓連接受到了普遍好評。
我國的錐螺紋連接技術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，隨著中國套筒生產技術的不斷成熟，會把這些差距最小化的。
深化設計時要注意：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置加勁板。
3.2.4 鋼筋連接要求：
(1) 連接鋼筋時，鋼筋規格和連接套的規格一致，鋼筋螺紋的形式、螺距、螺紋外徑應與連接套匹配。并確保鋼筋連接套的絲扣干凈、完好無損。
(2) 連接鋼筋時應對準軸線將鋼筋擰入連接套。
(3) 接頭拼接完成后，應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不受限制，但有明顯標記，以檢查進入套筒的絲頭長度是否滿足要求。
鋼筋與鋼骨柱節點區域非常復雜，深化設計時需要三種方式結合使用。節點處理需注意：第一，鋼筋盡量避免碰到勁性鋼骨柱，可以適當采用折彎繞過或者是直接彎錨入住（彎錨長度見混凝土設計規范）。第二,鋼筋不能避免時，要適當對這些鋼筋進行排布，一般鋼筋的最小間距是1.5d，最小不小于25mm。根據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量的限制，同一排鋼筋最多一側貫穿兩根（十字型柱截面）。鋼筋貫穿方向遇到腹板和兩側翼板時，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點中一個，是三種方式結合使用，供大家參考。
圖6 泰州文化中心博物館鋼骨與鋼骨柱節點區連接示意圖
3.3 懸挑桁架起拱問題處理
現行鋼結構結構起拱方式有三種，第一，成型構件利用火烤或者機械頂壓起拱。適用于簡單的H型梁截面。第二，深化設計時放樣起拱，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，原設計根據設計模型提供各個控制點下繞值，放樣根據下繞值抬高。深化設計時，takle structure先不起拱放樣，全部結構和節點完成是，轉化為CAD，然后定點抬高。此時要注意，部分螺栓是否要調整，一般螺栓孔可以調節1~2mm，看差值是否在這以內。博物館東面桁架，懸挑長度不一，因此下繞值不同，故每個點起拱值不一樣，需分別放樣確定。
4.結束語：
勁性混凝土鋼骨結構具有鋼結構和混凝土結構的雙重優點，型鋼結構的應用提高了結構的承載能力和抗震能力，減少了柱的節目尺寸和結構本身的自重，這種結構越來越受各種高層和超高層及橋梁結構的青睞。隨之帶來的節點處理難點，以及鋼骨存在對于混凝土澆筑帶來一些難度，這些需深化設計時處理。勁性鋼骨柱能夠適應現代化工程結構大跨、高聳和重載的發展趨勢，符合施工技術工業化的要求，因而開會越來越多應用于高層和超高層、工業廠房以及橋梁等結構，并且已經在實踐中取得良好的經驗效益和建筑效果。鋼骨混凝土結構深化設計時節點處理有著廣闊的推廣應用前景，并且獲得越來越廣泛的應用。
參 考 文 獻：
[1] 陳富生，邱國樺，范重 高層建筑鋼結構設計（第二版） 中國建筑工業出版社
[2] 劉亞維 型鋼混凝土組合結構構造和計算手冊 中國建筑工業出版社
[3] 王建軍 吳桂榮 高層建筑實腹式勁性鋼骨混凝土施工技術 山西建筑
作者簡介：周關亮（1983-），浙江中南建設集團鋼結構有限公司深化設計工程師，主要從事鋼結構深化設計。
聯系地址：浙江省杭州市濱江區浙江中南建設集團鋼結構有限公司（310052）
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