型钢混凝土框架节点优化技术研究_赵庆宇.pdf

江苏建筑2022年第6期（总第225期）0引言根据项目的结构设计与建筑本身的功能使用情况，本工程结构采用了当前社会较为流行的劲性结构，由于厂家需要根据钢结构深化图对劲性柱进行加工组拼，钢构柱节点的做法一旦加工完成后无法进行更改，且钢结构的连接节点比普通的钢筋混凝土结构节点更为繁琐，导致了现场实际施工难度大、无法操作、施工周期较长等缺点。结合本项目在施工过程中遇到的劲性结构型钢柱、梁截面尺寸较大，竖向钢筋直径与箍筋直径较大的多种实际情况，通过使用Xsteel与AutoCAD相结合对钢结构进行3D模型的建立与图纸深化，对钢结构劲性柱与框架梁相交节点深化设计，对钢结构劲性柱自身箍筋的安装，对钢结构梁底部钢筋连接施工方法进行优化设计等，有效保证了连接区域的施工质量，缩短工程工期，降低了施工成本。太湖湾单元TH-08-02-04号地块开发建设项目，位于浙江省湖州市南太湖新区太湖湖畔，项目是未来湖州中心城市的新地标，项目总建筑面积20 462 m2，6-1号楼高度199.6 m，主要业态由办公、精品酒店及相关配套功型钢混凝土框架节点优化技术研究赵庆宇，姜玉琢，钱学辉（中建二局第三建筑工程有限公司，北京100070）摘要文章根据自身项目钢结构构件的型式以及结构钢筋的配筋情况，主要介绍了劲性钢柱箍筋安装的优化手段，劲性钢构柱与框架梁钢筋连接难点的技术优化，针对劲性结构核心区混凝土质量控制的施工技术措施，对钢结构劲性钢梁底部的钢筋连接提出一种新型连接方式。在满足现场实际施工可操作的前提下，提高结构节点施工质量与安全性，加快了施工现场劲性钢柱的箍筋安装、劲性钢构柱钢筋连接的进度，降低了施工成本。关键词劲性钢构柱；劲性钢梁；焊缝转换；加劲板；梁加腋；电磁波感应中图分类号 TU375.4文献标志码 B文章编号1005-6270（2022）06-0042-05Research on the Optimization Technology of Section Steel Concrete Frame NodesZHAO Qing-yuJIANG Yu-zhuoQIAN Xue-hui（China State Construction Second Engineering Bureau Co.,Ltd,Beijing 100070 China）Abstract：According to the type of steel structural components of its own project and the reinforcement ofstructural reinforcement,this paper mainly introduces the optimization means of the installation of the stirrup ofthe strong steel column,the technical optimization of the connection difficulties of the steel column and theframe beam reinforcement,the construction technical measures for the quality control of the concrete in thecore area of the strong structure,and the new connection method is proposed for the reinforcement connectionat the bottom of the steel structure.Under the premise of meeting the actual construction operation on the site,the construction quality and safety of structural nodes are improved,and the progress of the clamp installationof the strong steel column and the connection of the steel bar of the strong steel column at the construction siteis accelerated,which reduces the construction cost.Key words：robust steel columns；strong steel beams；weld conversion；stiffener board；liang Jia armpit；electromagnetic wave induction收稿日期2022-04-15作者简介赵庆宇，男(1994-)，中建二局第三建筑工程有限公司，从事建筑施工工作。42江苏建筑2022年第6期（总第225期）能组成，6-2号楼高度为54.8 m，主要业态由演播中心、直播、广播录音、配套工艺用房、商业培训组成。塔楼结构类型为核心筒-框架结构，核心筒内及框架柱内为H型钢及双H型钢，框架梁内插H型钢骨，主要钢柱尺寸为：900 mm600 mm25 mm40 mm、900 mm600 mm25 mm55 mm、800 mm500 mm20 mm35 mm等多种型号，主要钢梁尺寸为1 200 mm550 mm22 mm35 mm、1 200 mm500 mm20 mm35 mm、1 200 mm400 mm20 mm30 mm等多种型号，钢材材质为Q355B。项目效果图见图1，钢结构框架图见图2。1劲性混凝土结构各项难点问题研究与优化技术1.1型钢混凝土框架节点钢筋连接方式研究在劲性钢结构中，框架梁钢筋与钢构柱的连接节点形式多样且较为复杂，钢构柱与框架梁筋的连接节点方式主要分两大类：当框架梁垂直，与H型钢柱腹板且偏轴线相交时，首先根据图纸，对钢筋进行排布，在满足直锚长度要求的情况下，钢筋可从型钢腹板上的孔中穿过；其次与H型钢柱翼缘边冲突的钢筋采取平面16弯折，绕开钢构柱翼缘板。实施效果：如图3、图4所示。当框架梁与H型钢柱翼缘板方向相交时，在H型钢的翼缘板上，设置加劲板，加劲板的标高需要根据图纸进行深化设计，钢筋与加劲板为焊接连接方式，单面焊接长度不小于10d，双面焊接长度不小于5d；当图纸中的梁筋为双排时，下排钢筋的焊接作业无施工空间，为此可以使用直螺纹套筒焊接在钢构柱上形成钢筋接驳点，与梁钢筋进行机械连接。实施效果如图5、图6所示。1.2核心筒钢构柱中钢筋安装工艺优化针对大多数超高层工程劲性结构核心筒位置的构造柱中均有型钢柱，考虑抗震及受力要求，型钢骨的截面尺寸较大，占据结构柱空间较多，导致钢筋安装极为困难。以本项目为例，构造柱截面尺寸为600 mm800 mm，H型钢截面尺寸为400 mm500 mm，竖向钢筋直径为40 mm，且为并筋排布，八角箍筋直径为18 mm，由于柱竖向主筋直径大且密集，八角箍筋与钢构柱的4个翼缘角冲突，箍筋的安装成为较大问题。H型钢柱距离结构面的尺寸为150 mm，钢构柱表面上焊接长度80 mm的栓钉，在型钢柱与结构面150 mm的狭小空间内，进行钢筋的连接与安装工作，极大增加了施工难度，且导致与该构造柱连接的框架梁中的钢筋因柱的竖向钢筋排布密集，无法与钢构柱翼缘板上的加劲板进行连接，如图7所示。通过使用Tekla软件建模分析钢筋与钢骨的位置关系，经计算复核优化后，将原八角箍筋改成4个拉钩,避免了与型钢柱4个翼缘板发生冲突；同图1项目效果图图2钢结构框架图图3深化模型图图4穿孔+弯折图6钢筋与接驳点连接图图5钢筋与加劲板焊接图43江苏建筑2022年第6期（总第225期）图12双H型钢配筋图时取消钢构柱两侧翼缘板上的加劲板，将并筋改为水平并排布置，增加了竖向主筋排布的可操作空间；此外对与核心筒连接的水平梁进行加腋设计，将钢筋按照16弯折绕过钢构柱，锚固到两侧的梁或墙内，另外在梁中增设两道构造筋，构造筋一端向下弯折，一端与梁进行焊接，如图8、图9所示。实施效果：通过对核心筒区域结构柱箍筋的优化，保证了核心筒区域柱竖向主筋与箍筋的安装施工质量，通过对此部位梁柱节点的深化并采取对梁进行加腋设计，满足了钢筋的受力锚固长度，为工人在梁钢筋与钢构柱连接的施工作业提供了可操作性，有效保证了节点部位的施工质量。如图10、图11所示。1.3双H型钢柱中钢筋安装方式的研究针对大型钢构柱，往往因柱截面尺寸较大，钢筋设置较为复杂，导致钢筋安装功效慢。本工程结构中含有多处双H型钢柱，截面尺寸1 300 mm2 600 mm，柱箍筋直径为16 mm，箍筋在柱全高范围内加密，间距100 mm；原设计图纸采取型钢柱腹板上设置通长的竖向连接板，施工时需每道柱箍筋与竖向的连接板进行焊接连接，此焊接作业量巨大，将花费大量人力与焊条材料，增加了钢筋安装的施工工期与施工难度，且双H型钢腹板与结构边的距离较远，工人站在结构边无法作业。如图12所示。根据较为普遍的施工做法，劲性结构中的柱箍筋需穿过双H型钢柱腹板，则需在钢结构加工时，按照箍筋间距在型钢柱腹板上进行开孔，由于开孔的数量过多，将减少型钢柱的有效截面，但根据本项目钢结构实际情况，箍筋需要连续穿三层型钢腹板，对开孔的位置精准度要求极高，且由于箍筋的直径为16 mm，无法实现箍筋先穿孔后弯锚的方式，所以此方法不适用于本项目。本工程通过钢结构深化设计，并经计算复核满足设计要求情况下，取消了原腹板上的通长连接板与腹板内部的箍筋，同时在型钢柱腹板位置增加构造钢筋，将原通长箍筋改为封闭的独立箍筋，外侧图7核心筒区域构造柱配筋图图8箍筋变更优化图9水平梁加腋设计图11水平梁成型效果图10加腋梁钢筋做法44江苏建筑2022年第6期（总第225期）图15钢梁下部钢筋排布图的单肢箍也与腹板位置增加的构造钢筋进行拉结，这种箍筋施工方式既能满足结构柱的箍筋配置情况，又因不需要焊接作业的连接，大大节省了箍筋安装施工工期，且有效节约了钢构柱钢材的用量，如图13所示。实施效果：通过对双H型钢柱的箍筋优化，大大缩短了型钢柱箍筋的施工时间，同时节省了钢构柱的竖向连接板，减少了钢材的用量，降低了材料的成本费用，且在钢结构加工过程中也免去了型钢腹板开孔环节，节约构件的加工工期，与原设计图纸每道箍筋焊接在连接板的施工工艺相比，为箍筋安装作业节省了时间、劳动力以及焊丝材料，每根双H型钢柱节约焊工劳动力2个/工日，节约工期1个/工日，每层节约人工成本与材料成本合计约5 000元，体现了科技创效的技术理念。如图14所示。1.4型钢混凝土梁中钢筋连接方式的研究劲性结构梁中钢筋安装是一项施工难点，尤其针对型钢骨架下部的梁钢筋如何满足锚固长度，一直以来是劲性结构施工面临的问题。本工程存在大量的劲性梁结构，劲性梁中的型钢梁截面尺寸较大，钢梁下翼缘到梁模板面的距离只有150 mm，梁底筋排布密集，由于下部空间狭小，型钢梁底部的钢筋与钢构柱的连接作业较为困难。如图15所示。以往施工经验分析：劲性钢梁底部的钢筋常规施工方法为梁钢筋一端与钢构柱上的直螺纹套筒接驳点连接，一端与钢构柱的加劲板进行焊接，或者钢筋的两端均与钢构柱两侧的加劲板进行焊接，当柱子截面尺寸足够大，型钢柱的截面尺寸相对较小时，也可采用钢筋端部加设锚固头方式以达到钢筋受力锚固长度的要求。由于本工程劲性钢梁底部的钢筋排布密集，且多处梁底筋呈2排乃至多排分布，钢梁底部距离模板面的空间只有150 mm，如此狭小的操作空间，按照常规施工方法，没有焊接的可操作性，无法保证钢筋的焊接质量，钢筋端部使用锚固头做法不适用于本项目。经过对此节点进行深化，采用一种新型的钢筋与加劲板连接方式，将加劲板与钢构柱的水平焊缝转化为竖向焊缝，并在梁结构底部阴角部位进行加腋，具体做法：（1）先将劲性钢梁底部钢筋移出钢梁外边部，钢筋两端均采用焊接形式与加劲板进行焊接，焊接长度满足双面焊接5d，焊接完成后移回钢梁底部；（2）然后在加劲板下设置两块三角型托板（托板厚度同原加劲板），托板竖向与钢构柱进行焊接，水平向与加劲板进行焊接，使其原加劲板与钢构柱的常规水平焊缝转化为三角型托板与钢构柱的竖向焊缝，当底筋为多排时，可增加加劲板的层数；（3）每块三角托板的竖向焊缝长度为b/2（b为原加劲板的水平焊缝长度），钢板与钢板的焊缝连接均做坡口处理，焊缝为全熔透性二级焊缝。优化做法侧视图见图16，正视图见图17。图13箍筋变更优化图图14箍筋变更实施效果45江苏建筑2022年第6期（总第225期）图20灌浆孔设计图图21灌浆孔成型图（4）实施效果：通过提出的一种新型劲性钢梁底钢筋的连接方式，有效解决了型钢梁底部钢筋连接质量达不到要求的难点，在保证节点可操作性的同时，也保证了结构的安全性能。如图18、图19所示。1.5保证劲性结构中混凝土浇筑密实度措施的研究针对劲性结构中，在梁柱核心区H型钢柱上通常需要设置传力及用于框架梁钢筋搭接的加劲板，由于劲性结构中的型钢截面尺寸较大，型钢距离结构面尺寸较小，竖向主筋排布相对密集，在浇筑混凝土时，容易在加劲板下部形成空腔，导致混凝土浇筑难以密实，影响结构的受力要求。经过对钢结构进行深化，在H型钢柱腹板两侧的加劲板上设置直径100 mm160 mm的灌浆孔，用于浇筑混凝土下料使用，并可将振捣棒从灌浆孔中伸入下部进行振捣，考虑普通混凝土粗骨料粒径较大，易造成堵塞，可将普通的泵送混凝土改为同强度等级的自密实泵送混凝土，以便于混凝土的浇筑与振捣，保证型钢结构内部的混凝土密实度达到要求，如图20、图21所示。实施效果：对浇筑完成后混凝土构件，通过第三方检测机构，在设计、监理、业主的见证下，使用喜利得PS1000混凝土电磁感应雷达波探测仪进行扫描检测，自动生成真实的图像，并进行数据分析与评估，检测结果证明混凝土内部密实度良好，未见明显缺陷，通过对型钢柱增设灌浆孔设计，并且改变使用混凝土材料的优化，以及极具说服力的检测技术，保证了劲性钢结构混凝土浇筑成型的质量与结构的安全性能。2结语文章详细介绍了太湖湾单元TH-08-02-04号地块开发建设项目针对劲性结构钢构柱的箍筋安装，钢构柱与框架梁钢筋连接，钢构梁底筋与钢构柱的连接等进行深化设计，对可能存在的困难以及无法施工的节点进行规避与优化，解决了施工难点的同时降低了施工成本，加快了施工进度。针对每一项节点的深化设计成果经过现场实际施工检测，图16优化做法侧视图图17优化做法正视图图19成型效果正视图图18成型效果侧视图（下转第61页）46江苏建筑2022年第6期（总第225期）效果良好，可为类似工程施工提供经验。参考文献1李大庆.浅析钢结构设计中的常见问题J.江苏建筑，2012（S1）：32-34.2朱恒怡.型钢混凝土梁在我国的研究进展J.江苏建筑，2013（04）：36-40.3高伟，陈忠范.型钢混凝土梁柱节点抗剪承载力研究J.江苏建筑，2021（01）：14-17+764史高林，王琨，智海祥，顾明君，刘宏潮.型钢混凝土结构组合框架节点抗震性能研究综述J.江苏建筑，2017（02）：22-24.5袁金虎,陆彬.超高层建筑钢结构施工安全问题分析及对策研究J.江苏建筑，2018（01）：81-83.6钢结构设计规范：GB 500172017S.北京：中国建筑工业出版社，2017.7钢筋机械连接技术规程：JGJ 1072016S.北京：中国建筑工业出版社，2016.8混凝土组合结构施工规范:GB 509012013S.北京:中国建筑工业出版社，2013.9钢结构工程施工规范：GB 507552012 S.北京：中国建筑工业出版社，2012.10李杰，李奎明.钢筋混凝土短肢剪力墙结构非线性分析研究J.建筑结构学报，2009，30(01):23-30.11窦鹏.浅论型钢混凝土框架结构优化设计方法J.建材与装饰，2016（02）：82-83.4结语基于工程实践和科技总结，获授权发明专利2项，实用新型专利4项，省部级工法7项，各项创新技术的应用，建造出国内首座塔、楼一体化自锚式悬索桥，实现了桥梁与建筑的完美融合，工程获得“国家优质工程奖”、上海优秀设计一等奖等；通过研究、总结具体工程实践的经验和做法，形成了针对该桥型的成套建造技术，为今后同类型桥梁建设提供有力的技术支持。参考文献1周德，张羽龙，王宁波，等.独塔对称自锚式悬索桥简化解析解研究J.铁道科学与工程学报，2022，19（03）：760-767.2朱锋.自锚式悬索桥仿真模拟实例分析J.市政技术，2022，40（06）:17-21.3周德，张羽龙，黄方林，等.大跨度独塔自锚式悬索桥桥面结构形式的对比研究J.铁道科学与工程学报，2022，19（04）：1024-1031.4林佳漫.高速公路大跨度自锚式悬索桥工程中的主缆架设施工工艺J.工程建设与设计，2022(16):134-136.5黄浩.BIM技术在双塔自锚式悬索桥施工中的应用J.土木建筑工程信息技术，2022，14（03）：97-103.6黄剑锋，徐洲，彭鹏.自锚式悬索桥“先缆后梁”施工临时锚碇方案研究J.桥梁建设，2021，51（05）：130-137.图12整体图（上接第46页）61