钢管混凝土柱框架-混凝土核心筒混合结构中钢构件节点设计.pdf

第4 O卷第 1 2 期 2 0 1 3 年 l 2 月 建筑技术开发 B u d i l d i n g T e c h n i q u e De v e l o p me n t Vo 1 ． 4 0． No ． 1 2 De c ． 2 01 3 钢 管 混凝 土 柱框 架一混凝 土核 心 筒混合 结构 中钢构件 节点设计 许文涛年永林蔡斌梁权 ( 北京建工四建工程建设有限公司， 北京1 0 0 0 7 5 ) 【 摘 要】 海南大厦主楼为矩形钢管柱钢框架一 钢骨混凝土内简体系， 在体系中设置了两道伸臂桁架和腰桁架 ， 并从地下 一 层开始每层设置了8 根屈曲约束支撑， 布置在四根角柱两侧 。其节点形式复杂， 如何处理好钢结构、 混凝土 结构、 屈曲约束支撑的连接节点至关重要。结合海南大厦工程 ， 对工程中各项节点的处理方法和创新形式进 行系统的介绍。 【 关键 词】 节点设计； 方钢管柱； 屈曲约束支撑 ； 伸臂桁架 【 中图分类号】 T U 3 9 8 ． 9 【 文献标志码】 A 【 文章编号】 1 0 0 1 — 5 2 3 X( 2 0 1 3 ) 1 2 — 0 0 0 7 — 0 4 1 工程概况 海南 大厦位 于海 口市新城市中心地带 ， 国兴大 道 西端 ， 东临新 海航大厦 。主楼 地下 4层 ， 地上 4 5 层 ， 高 1 9 8 ． 6 m， 总建筑面积2 4 万 m ， 抗震烈度 8 度 ( 0 - 3 g) 。 图1 弯曲约束支撑示意 卜伸臂桁架 ； 2 一 楼层梁 ； 3 - 核 心筒 钢骨柱 ； 4 一 核心筒 ； 5 - 腰桁架 ； 6 一 屈曲支撑 工程结构为方钢管柱钢框架一 钢骨混凝土内简 体系。基础为筏板， 方管柱采用埋人式柱脚。外框 由3 0 根矩形钢管混凝 土柱与钢梁组成 ， 柱最大尺寸 1 ． 5 m 1 ． 2 IT I ， 框架梁为 H截面 ， 部分为蜂窝梁 ， 楼板 为现浇混凝 土楼板 。在 1 7 层 和 3 l 层设 置了两道伸 臂桁架和腰桁架 ， 伸臂桁架杆件为 Q 3 9 0 G J 钢板组 成 ， 截面形式为 H 6 5 0 m m~ 4 0 0 mmX 8 0 mm ~ 1 0 0 mm； 腰桁架斜杆全部设计为屈曲约束支撑( 见图1 ) 。除 收稿 日期 ： 2 0 1 3—0 9—1 5 作者简介 ： 许文涛( 1 9 8 6 一 ) ， 男， 河北定州人， 毕业于北京建筑工程学 院， 本科 ， 技术员 ， 现负责海南大厦项 目钢结构施工技术 管理。 此之外 ， 从地下一层开始在外框 四根角柱两侧设置 了屈曲约束支撑， 以承担角柱过大荷载。屈曲约束 支撑构件总计 4 3 5 根 。 2 工程特点 本工程矩形钢管柱从基础筏板 内生根 ， 穿越地 下混凝土结构 ， 连接屈曲支撑及桁架， 节点复杂多 样 ， 需处理好以下构造问题 ： 1 ) 矩形钢管柱为埋人式柱脚， 设计在基础筏板 底 筋上 ， 需设计定位节点 ， 处理好桩头钢筋 ， 筏板底 筋， 底板防水等复杂构造关系， 并保证施工简便 ， 定 位精确牢 固。 2 ) 矩形钢 管柱与混凝 土梁 、 板 、 墙 的连接构造 ， 在现有规范要求下 ， 对连接节点优化创新 ， 使其受力 合理 ， 施工简便 。 3 ) 屈曲约束支撑是一种新颖的受力构件， 在地 下结构中， 需处理好屈曲支撑与矩形柱、 混凝土梁的 连接构造 ， 并针对本工程的复杂性提出解决方案。 4 ) 地上屈 曲支撑分为矩形 和圆形两种截面 ， 与 钢结构连接节点需综合考虑施工的简便性和受力合 理性。 5 ) 伸臂桁架贯穿核心筒的混凝土结构 ， 节点复 杂且为超厚板 ， 需处理好主筋和箍筋 的构造关系。 3 节点设计流程 本工程节点设计参 与方 主要有施 工图设计方 、 屈曲支撑供应方、 钢构件供应方、 施工总包方。其中 施工图设计方为主设计单位 ， 负责节点的受力复核 及确认； 施工总包方为总协调单位， 负责节点方案的 7 第 1 2 期 许文涛 ， 等 ： 钢管混凝土柱框 架一混凝 土核心 筒混合结构 中钢构件 节点设计 第 4 0 卷 施工可行性审核及各方协调 ； 屈 曲支撑供应方和钢 构件供应方作为专业承包 ， 负责相关构件节点 的深 化设计 。本工程的深化设计展开流程( 见图 2 ) 。 施工图设计方 I l l 施工可行 性审核 屈曲支撑 节点方案 r ．．．．．．．．．．．L 屈曲支撑 供应力 __ -__-● _____ _____ __—— ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． Il ： ． ． ． ． 一 屈曲支撑 构件图纸 施工图 一 ． ．．． ．． ．． ．I I一 总承包方 施工图 - I - 施工 图 会审 图 2 节点设计流程 钢构件节 点方案 r ．．．．．．．．．L 钢构件供 应方 T ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．j I ： ． ．． ． 一 钢构件 详图 4 节点设计原则 节点设计依据现行设计规 范 ， 遵循 “ 受力合理 ， 施工简便” 的原则。受力合理要求分析节点传力路 径 ， 设计相关构造承担相应 内力 。施工简便要求减 小施工复杂程度和工作量 ， 从而提高施工精度和质 量。钢筋与钢结构连接方式分为： 穿孔、 焊接、 套筒 连接器 ； 屈 曲支撑与结构连接分为 ： 焊接 、 销轴 、 高强 螺栓连接。考虑到穿孔 、 高强螺栓 、 销轴对施工要求 精度高 ， 焊接工作量大 ， 套筒施工不便 的特点 ， 针对 本工程 ， 对节点设计做出以下部署 ： 钢筋优先采用穿 孔连接 ， 其次焊接 ， 特殊情况用套筒连接器 ； 屈 曲支 撑优先采用焊接 、 其次销轴 、 特殊情况采用高强螺栓 连接。 5 节点设计方案 5 ． 1 矩形柱埋入式柱脚设计 海南大厦基础筏板厚 2 7 0 0 m m， 矩形柱埋入深 度为 2 2 4 5 m m， 设计 图纸为“ 悬浮” 在筏板 中。由于 筏板底部构造复杂 ， 底筋与桩头钢筋交错 ， 防水要求 高， 良好的基座设计是保证定位精度和施工简便的 关键， 为此专门设计了定位支架。支架根据钢柱尺 寸设计 ， 设置在钢柱底与筏板底之间 ， 筏板底筋可 自 由穿 入 ； 为 保 证 其 承 载 力 ， 将 基 础 垫 层 加 厚 至 3 5 0 mm； 钢柱的标高则通过支架的地脚螺栓调节( 见 图3 ) 。除了 良好的设计外 ， 土建和钢构的施工配合 是设计理念得 以实现的重要保证 ， 此部位的施工顺 8 序为 ： 基底修坡 垫层浇筑 防水施工一 防水保护 层一定位支架一底筋绑扎一混凝土基座浇筑一调整 地脚标高一柱脚安装固定一其他工序。 图 3 埋人式柱脚不 意 5 ． 2 矩 形柱 与混 凝土墙 板 节点 混凝土墙体与矩形柱的连接基本上是水平分布 筋。考虑到墙体钢筋数量多、 直径较小且位置精度 较差 ； 同时穿孔方式会对钢构件过多的穿孔 ， 墙体偏 柱 中时纵 向筋板会对锚人钢筋阻碍 ， 无法保证锚固 长度。综合 以上影 响因素 ， 此部位节点采用 了设置 钢板与水平分布筋焊接的方式 ， 钢板宽度大于 l 0 倍 钢筋直径 ， 厚度同钢筋直径 ， 并在连接钢板之间每隔 5 0 0 mm设置横 向筋板 ， 增强与混凝土的结合度 。这 一 节点弥补 了当前规程 、 图集 中矩形柱与墙体连接 的空 白( 见图4 ) 。 混凝土板 与矩形柱采用连接钢板焊接 的方式 ， 并在板 中设置暗梁 ， 将楼板边缘竖向荷载传递至混 凝土梁 。连接 钢板厚 度 同板 底钢筋 直径 ， 宽度 为 1 0 d； 暗梁高度 同板厚 ， 宽 2 0 0 m m， 暗梁上下纵筋各 3 根 西1 4 钢筋 ( 见图4 ) 。 图4 矩形柱与混凝土墙板节点示 意 5 ． 3 矩形柱与混凝土梁节点 1 ) 通常节点做法 现行协会标准《 矩形钢管混凝土结构技术规程》 ( C E C S 1 5 9 ： 2 0 0 4 ) 针 对矩形 柱与混凝土梁节 点提 出 了两种解决方案 ： 环梁一 钢承重销式 和穿筋 式连接 第 4 0卷 许文涛， 等： 钢管混凝土柱框架一 混凝土核心筒混合结构中钢构件节点设计 第 1 2期 ( 见图 5 ) 。 纂 豢 图5 环梁一 钢称重式 堕 ． _ 葶 T 习 I l 1 ． l f 粱纵筋 ： 9 銎 图5 穿筋式连接 环梁一 钢承重销式连接 ： 在钢管外壁设置半穿心 钢牛腿 ， 柱外设置八角形钢筋混凝土环梁 ； 梁端纵筋 锚人钢筋混凝土环梁传递弯矩。这样的设计在实施 过程中存在诸多不便 。钢构件制作时半穿心钢牛腿 需要在 已完成箱体上开孔组装 ， 开孔为手工气割 ， 边 缘缺陷大， 牛腿定位不便， 且与箱体内隔板冲突， 焊 接坡口垫板需在箱体内设置， 操作环境恶劣 ， 四面牛 腿无法 运输 。钢筋绑扎 繁杂 ， 箍筋尺寸多 ， 绑 扎困 难 。模板为异型构件模板 ， 模板损耗大 ， 用工多 。混 凝土用量大。 穿筋式连接 ： 柱外设置矩形钢筋混凝土环梁 ， 在 钢管外壁焊水平肋钢筋 ( 或水平肋板 ) ， 通过环梁和 肋钢筋( 或肋板) 传递梁端剪力； 框架梁纵筋通过预 留孔穿越钢管传递弯矩。这一做法较为可行， 但混 凝土结构施工仍然不够简便 ， 造价较高。 2 ) 节点创新应用 经过设计方 和施工方 的深人沟通 ， 对 以上两种 节点进行了优化和改进 ， 形成了简便可行的节点方 案 ： 不采用环梁 ， 采用穿筋 ， 增加牛腿。 l q — ] 。! - ： ● 矬 ● ．⋯ I ’ ● ．⋯ I ’ ● ： 砰： !c 图6 穿筋式钢牛腿连接示意 穿筋式连接 ： 适用于梁居柱 中情况 ， 梁纵筋可在 柱内 自由锚 固。取消混凝土环梁 ， 设置抗剪牛腿承 担梁端剪力 ， 柱 内对应抗剪牛腿设置横隔板加劲 ； 梁 纵筋与矩形柱穿孔连接 ， 承担梁端弯矩 ； 梁腰筋穿孔 锚 固。此节点施工与一般钢结构 、 混凝 土结构施工 无异， 操作大为简便( 见图6 ) 。 钢牛腿连接 ： 适用于梁偏柱中情况 ， 由于矩形柱 内隔板阻挡 ， 梁纵筋无法 自由锚 固。改半穿心牛腿 为外侧非穿心牛腿承受剪力 ， 柱内设水平筋板 ； 牛腿 翼缘上侧焊接梁外排纵筋， 内排纵筋通过连接器连 接 ， 腰筋通过连接钢板焊接 。牛腿翼缘板 同钢筋直 径， 宽度为 1 0 d， 牛腿腹板依规范设置。此节点做法 简化了钢结构与混凝土结构的施工 ， 操作性强( 见图 6 ) 。 5 ． 4屈 曲支撑 与混 凝土 构件 节点 屈曲支撑的实际应用范例较少， 一般混凝土构 件需设置埋件 和外包钢板 ， 然后与支撑连接 。本工 程矩形柱 、 混凝土梁 、 屈 曲支撑相交 ， 其节点处理更 为繁杂。为此在混凝 土梁 中设置劲性钢骨 ， 与矩形 柱焊接成牛腿 ， 承受屈 曲支撑轴 向力和梁端剪力 ， 混 凝土梁纵筋穿孔锚固到柱内， 承受梁端弯矩( 见图7 ) 。 5 ． 5 屈 曲支撑与钢构件节点 钢构件与屈曲支撑连接主要考虑施工简便性。 由于屈 曲支撑抗震承载力大 ， 杆件节点尺寸小 ， 造成 高强螺栓数量多 ， 排布 困难 ， 且高强螺栓对结构安装 精度要求高 ， 采取焊接连接更容易施工。另一方面 考虑标准层支撑节点的美观性 ， 将一部分支撑下节 点改为销轴形式 ， 上节点保 留焊接接 口用来调整尺 寸偏差。为保证焊接可操作性， 确保焊接质量， 需选 择合适的节点形状和焊接坡 口， 本工程 中全部采用 了焊接位置 良好的十字型和H型接头( 见图7 ) 。 图7 弯曲支撑同混凝土构件及钢构件节点示意 5 ． 6 伸臂桁架与混凝土墙柱节点 核心筒墙体 中伸臂桁架 的埋人保证 了桁架传力 的连续， 但相应带来一系列节点问题 ： I ) 桁架杆件截 面宽为4 0 0 m m， 将阻断一排墙体竖向纵筋。2 ) 桁架 钢板为超厚板 ， 阻断大量暗柱箍筋 。3 ) 墙体拉结筋 遇桁架杆件无法穿过等 。针对第一种情况 ， 在桁架 ( 下转第 2 6页) O 第 1 2 期 骆伟 名： 秦岭 隧洞二次衬砌混凝土质量控 制与裂缝 处治 第 4 O 卷 混凝土无侵蚀。在衬砌施工过程 中， 均出现不 同程 度裂缝 ( 如图 1 ) 。 一 一 图 1 出现裂缝示意 裂缝在脱模 时已产生 ， 分布在拱顶和起 拱线部 位 ， 拱顶以水平分为主 ， 拱墙有水平方向和垂直方 向， 裂缝长度 2～8 m， 宽 1 ～ 3 mm。 4 ． 2 原 因分析 1 ) 沉降裂缝 由于衬砌混凝土为无钢筋的素混 凝土， 浇筑、 振捣密实以后的混凝土仍有一个沉降密 实 的过程 ， 在这期间塑性混凝土可能局部受到模板 的约束 ， 这种约束作用导致水平裂缝的产生 。捣固 不足、 堵头板渗漏和挠度大的模板也会使沉降裂缝 增加。 2 ) 塑性收缩裂缝 当洞内的温度高 、 温度低和流 动空气的作用下新浇筑衬砌表面水分迅速损失时 ， 混凝土表面产生收缩 ， 由于受到下层混凝土的约束 ， 在 已经变得干稠凝固但又软弱的塑性混凝土内产生 拉应力 ， 导致混凝土表面生成浅的 、 伸 向各个方 向的 塑性收缩短裂缝 ， 塑性收缩裂缝一般发生在混凝土 终凝以前， 并且在养护开始以前发生。 3 ) 干缩裂缝 混凝土在约束条件下 的干缩是混 凝土产生裂缝的一个 比较常见的原因 ， 水泥损失水 分 引 起 干 缩 ， 它 的干 缩 可 达 到 每板 衬 砌 长 度 的 0 ．0 5 ％， 当收缩时存在约束会引起拉应力， 拉应力超 过混土抗拉强度时混凝土就会产生裂缝 ， 并且裂缝 能在比开裂应力小得多的应力作用下扩展。 4 ． 3 裂缝 治理 1 ) 加强混凝土在生产和运输过程的控制。定期 对拌和站及混凝土输送车进行保养 ， 保持足够的混 凝土生产和输送能力。 2 ) 加强混凝土在浇筑过程的质量控制 。一是严 格控制每层的浇筑厚度， 采用捣固棒振捣， 每层浇筑 厚度不得超过 5 0 c m； 二是控制混凝土 的浇筑 时间， 三是控制混凝土的振捣 。保证新混凝土在下层混凝 土初凝前完成覆盖。 3 ) 对 于已出现的裂缝 ， 可以采用结晶型 防渗材 料 ， 予以填充或灌浆封闭。 5 结束语 通过混凝土施工过程 的质量控制 ， 保证 了衬砌 混凝土的拌合物性能满足施工要求， 确保衬砌混凝 土的强度 ， 抗冻渗性能满足设计要求 ， 对施工阶段出 现的裂缝 ， 应加强振捣分层浇筑 ， 满足养护的要求等 综合措施 ， 进行有效的处治 。 参考文献 [ 1 ]D L ／ T 5 1 4 4 - 2 0 0 1 ， 水工 混凝土施工规范 [ 2 ] G B 5 0 1 6 4 — 1 9 9 2 ，混凝土质量控制标准 [ 3 ] J G J ／ T 5 5 — 1 9 9 6 ， 普通混凝土配合比设计规程 [ 4]崔庆怡． 施工阶段混凝 土结构 裂缝控制． 混凝土世界， 2 0 1 2 ， 1 0 ( 4 0 ) ( 上接第 9 页) 上下弦杆设置 了连接钢板 ， 通过焊接与墙体纵筋连 接 ； 桁架内设置相应数量 的钢板替代原有纵筋 ， 同时 为避免混凝 土浇筑不密实 ， 开设相应数量的孔洞 。 第二种情况则通过在桁架对应位置设竖向连接钢板 与箍筋焊接 ， 避免在桁架杆件穿孔 。第三种情况下 考虑拉筋的位置不确定性 ， 通过拉筋设置弯钩与桁 架焊接的方式来解决( 见图8 ) 。 图8 伸臂桁架与混凝土墙柱节点示意 6 结语 海南 大厦工程应用了大量消能减震构件 ， 是其 2 6 在高地震烈度地区超高层建筑 中应用的典型代表。 通过各设计方的开放性探讨 ， 针对屈 曲约束支撑连 接节点 ， 矩形柱与混凝土构件连接节点 ， 伸臂桁架与 混凝土核心筒连接节点等进行 了较为新颖 的设计。 随着工程 的实施 ， 证 明了这些节点达到 了“ 受力合 理 、 施工简便” 的预期 目的， 在工程质量 、 工程造价及 工期等各方面起到的积极的作用 ， 供以后类似的工 程进行参考。 参考文献 [ 1 ]同济大学， 浙江杭萧钢构股份有限公司等． C E C S 1 5 9 ： 2 0 0 4矩形钢 管混凝土结构技术规程． 北京： 中国计划出版社 ， 2 0 0 4 [ 2 】中国电子工程设计院， 0 4 S G 5 2 3 ． 型钢混凝土组合结构构造，2 0 04 [ 3 ]中国建筑科学研究院， 0 6 S G 5 2 4 ． 钢管混凝土结构构造， 2 0 0 6 [ 4 ]中国电子工程设计院， 东南大学． 0 9 S G 6 1 0 — 2 建筑结构消能减震 ( 振) 设计． 2 0 0 9