型钢高强混凝土梁柱节点的设计模拟与分析.pdf

型钢高强混凝土梁柱节点的设计模拟与分析 De s i g n S i mu l a t i o n a n d An a l y s i s o f P r o fil e S t e e l Re i n f o r c e d Hi g h S t r e ng t h Co nc r e t e Co l u mn Be a m J o i n t s 郑建 文 上海市建工设计研究院有限公司 2 0 0 0 5 0 摘 要 ： 针对上海某工程型钢高强混凝土梁柱节点施工中的钢筋与型钢发生碰撞 、控制构件 的裂缝等难题，通过事先进行 的模拟 ，并借助现代全新的 B I M技术 ，控制了整个项 目的进度及质量。同时，根据模拟柱施工的结果 ，通过对正式施工 图节点设计构造进行调节 ，使得工程既保证了施工质量 ，又节省了返工费用。 关键词：型钢混凝土柱梁柱节点设计模拟 B I M 施工控制 中图分类号： T U 7 5 6 4 ， 文献标识码 B 【 文章编号l 1 0 0 4 1 0 0 1 ( 2 0 1 2 ) 0 2 - 0 1 2 6 - 0 3 1 工程概况 本工程位于上海浦东新 区， 建筑高度 2 2 0 m， 共 4 9层 ， 采用框架 一核心筒结构体系 ，其中框架柱 为型钢混凝 土 柱 ， 框架梁与核心筒为钢筋混凝土。 本工程采用的结构体系 既可充分利 用钢筋混凝土与型钢的材料特性 ，又可节省土 建造价 ， 具有极高 的性价 比。 2 工程特点及难点 2 1 梁柱节点复杂 在结构设计 中， 不仅应强调结构整体的承载力验算 ， 而 且还应从满足“ 强柱弱梁 ， 强剪弱弯 ， 强节点弱构件” 的设计 原则出发 ， 重视节点设计。 通常情况 ， 框筒体 系的高层和超高层建筑 ， 多采 用梁 和柱同时设置型钢的设计方案 ，而本工程为达到经济 实用 的效果 ， 仅在框架柱和核心筒的 4 个 角部设置了型钢 ， 而框 架梁则仍为钢筋混凝土。这势必造成梁柱节点核心区内较 多的主梁钢筋与柱内型钢发生碰撞 ， 如果处理不好， 既不能 保证框架梁主筋的锚固， 影响节点处混凝土的浇捣 ， 又削弱 了节点处 的强度 ， 于抗震不利 ， 因此 ， 梁柱节点的处理显得 格外重要。 2 2 高强混凝土的抗裂缝要求 为了减小构件的尺寸 ， 我们对竖 向构件 的混凝土强度 等级采用 C 6 0 。即使如此 ， 由于本项 目的高 度及规范要求 ， 所以竖向构件的构件尺寸还是较大 ，如框架柱在底部的最 大尺寸达到了 2 0 0 0 m m x 2 0 0 0 m m ， 核心筒的剪 力墙在底 作者简介： 郑建文( 1 9 8 0 一 ) ， 女 ， 本科 ， 一级注册结构， 工程师。 作者地址 ：上海市武夷路 1 5 0号 ( 2 0 0 o 5 0 ) 。 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 1 2 1 2 l 2 6 l 2 0 1 2 2 h m 曲 喀 部加强区的最大墙厚也达到了 1 3 0 0 m m 。 很多研究表 明， 混凝土表面温度随外界温度 波动而波 动 ， 但内部的导温性能很差， 所 以在外界温度骤降时将 引起 很大的温度梯度 ， 进而在厚度方向上的拉应力发展很快 ， 这 极易引起全断面拉应力的产生。 所 以， 相对较大的竖向构件 需要采用 C 6 0 高强混凝土。 因此 ， 要求施工单位在施工 中采 取何种措施，以防止控制构件的裂缝产生就成了该工程另 一 难点。 3 解决方案 ： 模拟柱及 B I M节点模拟方法的引入 对于本项目，既有框架柱 中的型钢与框架梁中的主筋 发生碰撞的问题，又有高强混凝土的问题。为解决这些难 题 ， 我们参照工程桩施工时 ， 预先进行试桩的概念 ， 提 出了 预先进行框架柱( 墙 ) 的施工模拟的方案简称 “ 模拟柱 ” 方案。进行模拟柱 的目的 ， 可 以预先选择工程 中 1 2 个 典 型的梁柱节点， 做预先模拟 ， 事先找 出可能遇到的问题 ， 并 找出解决 问题的方法。 一 般情况 ， 钢结构的施工前还有一个图纸深化的过程。 钢结构深化和钢筋放样是由不同分包 的工作人员各 自完成 的， 其在做各 自的工作过程 中可能不了解其它工种的情况 ， 这就会造成钢筋放样及钢结构加工结束后 ，在施工过程 中 发生钢筋和钢柱碰撞的问题。 因此 ， 在做模拟柱的过程 中我 们又引入了 B I M的概念。B I M ( B u i l d i n g I n f o r m a t i o n M o d e l i n g ) 即建筑信 息模 型 ， 建筑 工程项 目的各 项相关信 息数 据作为模型的基础 ， 进行建筑模型的建立。 此技术在通常情 况下， 一般用于建筑 ， 结构和综合管线 的模拟 ， 但是对于本 工程如此复杂的梁柱节点 ， 也可以借助 B I M的概念和方法 ， 在深化设计阶段就介入 ，利用计算机建立复杂 的梁柱节点 的 3 D 模型，通过另一种模拟形式 即计算机的模拟方式 ， 将 梁柱节点 ， 钢柱和钢筋的走向预先进行三维碰撞分析 ， 针对 图 7 柱梁节点 处型钢 与钢 筋碰撞 图 8 墙梁节点处型钢与钢筋碰撞 地沟通和协调 ， 并且根据规范的要求， 及时调整了节点构造 做法 ： ( 1 ) 当连接型钢混凝土柱之间的混凝土框架梁 的主筋 与型钢混凝土柱腹板正交相碰 ，且不满足规范钢筋最小水 平锚固长度时 ，宜采用钢柱腹板开洞 以便主筋穿过 ，同时 主筋在该部位应保证连续。柱型钢腹板 因开孔而造成 的截 面损失率不大于 2 5 ，超过时应采取补强措施即加焊补强 钢板。 ( 2 )当混凝土框架梁主筋与型钢混凝土柱翼缘相碰 时： 在型钢混凝土柱相应部位预先焊接连接板 ，将此部分相碰 的钢筋直接焊接于连接板 上与型钢混凝土柱形成有效连 接。 其它梁主筋尽量布置在型钢翼缘两侧 ， 同时其直锚长度 和弯锚长度必须符合规范规定且总的锚固长度必须满足锚 固长度 L a E 要求。 另外 ， 在梁上下主筋弯锚后备增加 1个由 2 个 2 5 m m ( H R B 4 0 0 ) U 形箍 电焊形成 的封 闭箍 ， 其 中用于 梁上皮钢筋锚固时 ， U形箍采用 电焊连接形成封 闭， 用于梁 下皮钢筋锚固时采用绑扎形成封闭 ( 两 U形箍 电焊及绑扎 搭接长度均要满足规范要求 ) 。 通过三维模拟分析 ，找出钢筋与型钢之间的碰撞并事 先采取措施 ， 型钢在工厂3 D z阶段即可进行整改及优化 ， 从 而避免 了在实际施工时可能造成 的等工、 返工 ， 这样既节省 了费用又提高了效率 。 5 模拟柱的测温及裂缝控制 在完成了计算机虚拟模拟并解决了梁柱节点的构造做 法之后 ， 接下来的工作就是实际模拟 了。 对于 C 6 0高强混凝 土施工 ， 控 制裂缝是其中的一个难点 ， 对此 ， 我们在模拟柱 的实施中， 也要求施工单位进行测温工作 ， 来检验竖向构件 2 o1 2 2 Bui l d i n g C ： H 卫 瞳 t qc 6 o血 的养护措施 ， 以减少或避免裂缝。 我们对测温设备采用了多点温度微机测量系统。混凝 土测温测点布置见图 9 。具体测温方法为 ： 在 2 5 0 0 m m高 度范围内的 3 个标高处各设 3 个测温点 ，劲性柱 内部设测 点共 9 个 ， 中心位置布置 6 个( 分两组 拟柱侧边布置 1 组 。 测温的时间规定如下 ： 自混凝土浇捣开始 ， 多点温度微 机测量系统 即进行实时温度测试。升温阶段每隔 2 h 测温 1 次 ， 降温阶段每隔 4 h 测温 1次。 l A，l B1 ( 测轴 图 9 混 凝 土 测 温 测 点 布 置 从模拟柱混凝土浇筑后的实际测温结果来看 ，混凝 土 内部最高温升一般在浇筑后的第 2 d - 4 d出现峰值 。混凝 土内外温差都小于 2 5 o c ， 满足有关技术规范要求。 但考虑到实施混凝土柱工程周期将近一年 ，其间气温 变化也经历了春夏秋冬 ，故设计要求加强施工中的温度控 制。当气温过低时则采取有效措施 ， 例如： 在混凝土浇筑之 后， 做好混凝土的保温、保湿养护。以使混凝土缓慢 降温。 充分发挥其徐变特性， 减低温度应 力。夏季应坚决避免曝 晒， 注意保湿：冬季应采取措施保温覆盖，以免发生急剧 的 温度梯度变化： 还可以增减养护时间、 模板套数、 拆模 时间 等措施来进行温度控制。 6 结语 型钢混凝土组合结构相对于钢筋混凝土结构和钢结构 而言 ， 具有明显的优势。 构件中的型钢与混凝土之间相互约 束 ， 又充分发挥着两种材料 的自身特点。 型钢设置在混凝土 内部 ， 增强 了构件的延性 ， 提高 了结构的抗 震性能 ； 混凝土 包裹在型钢外侧 ， 增强了构件的耐火和耐久性能。因此， 采 用型钢混凝土组合结构建造起来的建筑物具有承载 力高 、 延性好 变形能力强等优点。 重点是应考虑到型钢混凝土组 合结构特殊性 ， 对其节点作出相应 的处理。 参 考 文 献 1 】 中国建筑科学院J G J 1 3 8 2 O O 1 型钢混凝土组合结构技术规范 s 】 北京： 中国建筑工业出版社， 2 O O 1 2 1 同济大学， 上海市金属结构行业协会 D G T J O 8 一 O 1 5 2 0 0 4高层建筑钢 一 混凝土混合结构设计规程 s 】 上海： 2 0 0 3