型钢混凝土结构梁柱节点深化设计及施工技术

·钢结构工程··钢结构工程·10/1111/11·钢结构工程·1/11型钢混凝土结构梁柱节点深化设计及施工技术北京分公司杨小文摘要：本文以工程实例为基础，讲述了型钢混凝土结构梁柱节点的深化设计方法以及施工中的技术质量问题。通过对工程实例中三种复杂梁柱节点的分析、设计方案以及施工问题的探讨，为型钢混凝土结构梁柱节点的处理提供了一定的借鉴作用。关键词：劲性结构、梁柱节点、设计、施工、劲板、钢筋连接器1前言随着对建筑物结构性能的要求不断增强，越来越多的型钢混凝土组合结构被应用在工程中。作为一种把型钢骨埋入钢筋混凝土中的独特结构形式，型钢混凝土结构可以获得比传统钢筋混凝土结构更好的结构承载力、刚度以及抗震性能。同时，相比于普通钢结构形式，型钢混凝土结构更具有防火性能好、整体稳定性高、造价相对低廉等优势。然而，如何处理好钢骨与外部钢筋混凝土之前的关系，也同样成为型钢混凝土结构施工中的重点及难点之一。2工程概况本工程为百度科技园二期北标段工程，坐落于马连洼路北，后厂村路南，海淀区中关村软件园二期内。是具有研发中心运营及研发场所的综合性研发办公楼，建成后将作为百度在线网络技术有限公司研发及办公总部。二期北标段工程为2#、3#研发楼，总建筑面积约14.28万平方米，其中地上7.77万平方米，地下6.51万平方米；地上7层，地下3层；建筑高度31.45米。结构形式为框架-剪力墙结构。如下图所示（图1），百度科技园二期2#楼4至7层局部采用的大跨度悬挑造型内设有劲性钢梁、钢柱、支撑桁架。其中劲性钢骨柱由地下3层一直到地上6层顶（-13.5m~26.3m）。钢结构制作安装总量超过1000吨。其中需要进一步深化设计的劲性钢柱、钢梁节点超过110处，涉及到的钢结构构件占总安装重量的70%。因此，在施工之前，对所涉及到的型钢混凝土结构梁柱节点进行深化设计就成为了本工程钢结构施工的重中之重。图1百度科技园二期钢结构整体示意图3梁柱节点施工难点分析3.1施工难点分析一般来说，劲性钢结构大多使用在结构转换层中，以完成从钢筋混凝土结构向钢结构的构造转变。然而，在本工程中，超过70%的钢构件采用劲性钢结构的方式。这也就使得劲性钢柱、钢梁、混凝土梁结构错综交错，各个方向的钢筋立体穿插，空间排布困难。尤其在梁柱节点位置，如何保持钢筋在力学性质上的贯通就成为了施工中的重点和难点之一。通过对图纸的前期分析，可以把本工程中需要深化设计的型钢混凝土节点主要分为以下三大类：第一类，如图2所示，劲性钢柱与混凝土梁相交，混凝土梁上下铁纵筋被劲性H型钢柱翼缘、腹板打断。这种类型是本工程中涉及到最多的一种节点形式。图2劲性钢柱与混凝土梁相交节点平面图另外一种节点形式是劲性钢柱与劲性钢梁相交。如图3所示，这类节点除第一种节点梁纵筋的问题外，部分柱纵筋也会被劲性钢梁打断，无法保持贯通。图3劲性钢柱与劲性钢梁相交剖面图第三种形式是劲性钢柱、钢梁、钢桁架支撑相交节点（图4）。这种节点不但要处理前两种节点形式中需要处理的问题，并且钢桁架也会影响梁柱纵筋的贯通。该节点处型钢、钢筋密集交错，施工十分困难，是本工程中最复杂的一种节点形式。图4劲性钢梁、钢柱、钢支撑节点轴侧图3.2处理方式分析针对本工程中涉及到的三种节点形式，可采用的解决办法主要有三种：第一种是在钢骨上开孔，使得钢筋可以贯通。这种方式应用简便，施工速度快。然而，根据规范要求，钢骨翼缘上不得开孔，腹板开孔率也不得大于25%。所以这种方式开孔的数量和面积有限制，并不是十分适用于本工程中的三种节点形式。第二种方式是在钢骨相应标高处加设劲板来搭接被打断的钢筋。这种处理方式是最目前被普遍采用的一种解决办法，但是弊端也很明显。首先，劲板的标高需要在工厂加工前进行确认，且精确度要求很高。同时，由于这种方式需要在梁纵筋铺设完毕后进行钢筋与劲板的双面焊接，需要土建与钢结构施工队伍交叉作业。当梁纵筋钢筋密集时，甚至需要对2排甚至3排钢筋分别焊接，工作量大大增加了。最后，还有不能忽视的一点，就是搭筋劲板会影响柱纵筋的铺设以及上下贯通。这样，不但增加了柱纵筋的铺设难度，对劲板的尺寸也有着很多限制。因此，这种方式对施工前期的梁柱节点深化设计有非常高的要求。第三种连接方法是在钢筋被打断位置设置钢筋连接器对钢筋进行机械连接。这种方式施工简单、方便，钢筋连接器全部在工厂预先完成焊接，大大缩短了现场的施工时间。但是，这种方式对钢筋连接器的定位有着非常高的精度要求，尤其当梁柱主筋直径过大时，细微的偏差都可能造成钢筋与连接器无法对接，造成钢筋连接器无法起到应有的作用。因此，无法大面积使用。基于以上这些分析不难看出，三种解决办法各有利弊，尤其是加设劲板和钢筋连接器，都有各自应用的局限性。因此，这些方法在本工程中应该被综合利用起来，以达到简化施工难度、减低施工成本、加快施工进度的目的。4节点深化设计方案根据本工程所涉及到的梁柱节点的类型以及对跟中节点解决办法的分析，本工程采用加设搭筋劲板与钢筋连接器相结合的方式来处理各类梁柱节点。但是，因为加设劲板和钢筋连接器对焊接工艺要求很高（一级焊缝），现场施工难度较大。所以，所有的劲板及钢筋连接器定位都需要在钢结构加工前进行深化设计。本工程所涉及到的三种节点的深化设计方案如下所示：4.1型钢柱、混凝土梁节点劲性钢柱与混凝土梁相交，混凝土梁部分上下铁纵筋被劲性H型钢柱翼缘、腹板打断。对于这种节点，本工程中采用加设与钢骨同材质的25mm厚劲板的办法来解决这一问题。对于梁上下纵筋，采用能贯通尽量贯通的办法。不能贯通的纵筋，则采用双面焊工艺焊接在加设的劲板上。以图5所示的KZ8节点为例，根据钢骨(300x600x40x40)和柱截面尺寸，设计劲板长边L与钢骨翼缘或腹板等长。这样既能保证被钢骨打断的梁纵筋可以焊接在劲板上，也可以保证其余梁纵筋的贯通。此外，劲板外缘距柱边线距离不但需要大于钢筋直径、箍筋直径、钢筋保护层三者的总和，同时又要保证梁纵筋的搭接长度大于5d（d为钢筋直径），所以，根据KZ8处的配筋信息（表1），劲板短边的设计长度为130mm。同时，根据表1可以看出，KL13上下纵筋出现2排和3排排布。对于这种情况，应优先与设计单位沟通，通过等强替换原则，尽量减少钢筋数量。当无法进一步减少钢筋数量时，就要合理排布钢筋位置，在满足规范要求的前提下，尽量使其中一排钢筋都能绕过钢骨贯通，不再为此排钢筋加设劲板，降低施工难度。图5KZ8处节点平面示意图表1KZ8节点处梁柱构造信息截面尺寸顶标高配筋信息KZ81000x10000mm-0.1m2825KL11400x12000mm-0.1m525,525KL12500x650mmm-0.1m825,825KL13700x900mmm-0.95m1325，2025劲板的标高定位也同样需要仔细考虑。如图6中KZ8节点剖面图所示，KL13处钢筋分两层铺设，上层劲板在工厂中点焊定位，现场拆除上层劲板厚优先铺设下层钢筋，当下层钢筋焊接完毕并验收合格后，再焊接上层劲板，并进行上层钢筋铺设及焊接。梁上部纵筋劲板标高设计时，需为钢筋铺设和混凝土保护层预留一定高度。由于劲板厚度为25mm，下部纵筋搭接劲板的下表面可与梁下表面平齐。同时，考虑到不同方向钢筋铺设时的相互交叉问题，相同标高且相邻的两道梁，劲板标高上应错开至少一个钢筋直径的距离。图6KZ8节点处劲板设计图4.2型钢梁、柱节点劲性钢柱与劲性钢梁相交的节点，除考虑劲板尺寸、标高及数量的问题外，还需要考虑被劲性钢梁打断的柱纵筋的贯通问题。由于梁水平纵筋和搭接劲板的存在，在垂直方向上很难继续加设搭筋劲板。同时，考虑到柱主筋的受力形式，搭接劲板与柱主筋之间也无法起到良好的力学传递。因此，在本工程中，被打断的柱主筋采用钢筋连接器进行续接。如图7所示，深化设计前应根据劲性柱截面和配筋信息提前模拟钢筋排布，取得柱纵筋的定位信息，再映射到钢骨梁上，得到钢筋连接器精确的设计定位值。最后，再将此信息提供给钢结构加工工厂，在工厂内采用一级焊缝将钢筋连接器焊接在钢梁翼缘上。图7钢筋连接器定位加工设计图4.3型钢梁、柱、桁架节点劲性钢柱、钢梁、钢桁架斜撑三者相交节点是本工程面临的最复杂的施工节点之一。如图8所示，在这种节点处，桁架斜撑的存在将会影响劲板、钢筋连接器的安装，无法按照常规的方法焊接，对节点的深化设计造成一定难度。针对这种情况，本工程利用三维模拟软件（TEKLA）的立体可视化优势，在三维模型中进行空间模拟和碰撞检查，对劲板及钢筋连接器的数量和位置进行优化。图8：型钢梁、柱、桁架节点三维模拟图深化设计后的节点设计图如图9所示。从图上可以看出，为了避免钢桁架斜撑影响劲板与梁上部纵筋的连接，本工程节点设计方案采取延长搭筋劲板至斜撑另一侧的方式。这样既可以保证梁纵筋顺利与劲板搭接，还可以保证钢筋在力学上顺利传递。对于垂直方向被打断的柱纵筋，考虑到在节点处钢筋连接器焊接难度很大，本工程充分利用节点处的钢斜撑腹板来搭接柱纵筋的方式来解决这一问题。节点处未受斜撑影响的位置仍采用正常型钢梁柱节点的方式来处理。图9：型钢梁、柱、桁架节点设计图5施工过程质量控制现场施工时，搭筋劲板的焊接、钢筋与劲板的焊接都需要进行严格的质量控制。现场应配置焊接专业质检员，负责对材料供应、焊前准备、组装、焊接，焊后处理和成品检查、验收等全过程质量，进行严格检查验收并记录。安装焊接全过程质量必须符合设计要求和现行国家有关标准。严格按照焊接工艺规定施焊，认真执行“三检制”并作好焊前、焊中、焊后质量检查记录。焊缝外观质量符合规范要求，一级焊缝需自检并第三方超声波探伤合格。同时，在施工时，应严格按照设计标高安装。以每柱为单元进行标高调整。第一节柱的标高，用地脚螺栓上双螺母的方法精确控制，待标高调整到位后焊死。上部钢柱标高控制时，应先在柱身上标定标高基准点，然后以水准仪测定其偏差值，利用在柱脚底板下设置的调整螺母或调整斜铁来调整柱的标高和垂直偏差。采用柱脚底板下调整螺母调整标高，比较方便而且精确度高。钢柱吊装前可通过水准仪先将调整螺母上表面的标高调整到设计要求的标高。放上柱子后，利用底板下的调整螺母进行微调，精度控制在±1mm以内。每节钢柱安装完毕后需进行标高复测，需满足国家及地方要求，当出现正差需要将下节待安装钢柱的长度进行修正时，只能修正衬板，不得伤到母材。本工程施工现场劲板标高控制成果如图10所示。图10施工现场劲板标高控制成果6结语本工程通过对型钢混凝土结构梁柱节点类型的分析以及深化设计，使得型钢混凝土结构中的各种复杂梁柱节点都得到了一定程度的优化。在后期安装施工时大大降低了施工难度，并起到了缩短工期、节约施工成本的目的。由于深化设计中的劲板及钢筋连接器定位准确，设计合理，在实际施工过程中钢筋与劲板、钢筋连接器搭接简便、施工速度快，起到了良好的实践应用效果。希望通过本文的阐述，对今后的同类工程起到一定的参考及借鉴作用。参考文献[1]GB50017-2003钢结构设计规范[S][2]GB50205-2001钢结构工程施工质量验收规范[S][3]JGJ138-2001型钢混凝土组合结构技术规程[S][4]JGJ99-98高层民用建筑钢结构技术规程[S][5]李星荣，魏才昂.钢结构