劲性结构复杂节点钢筋安装方法与质量管控要点

劲性混凝土组合结构是指钢结构（S）和钢筋混凝土（RC）组合的结构，又称为SRC结构或型钢混凝土组合结构。劲性混凝土组合结构可以充分发挥钢材的抗拉性能和混凝土的抗压性能，根据抗震性能试验和实际震害研究表明，由于混凝土和箍筋的约束作用，能提高钢结构的局部和整体稳定性。由于混凝土外壳对内部的钢结构起到了保护壳的作用，劲性混凝土组合结构的抗锈蚀、抗腐蚀、抗高温能力均要优于纯钢结构。但劲性混凝土组合结构给施工带来了新的挑战，劲性混凝土通常应用于超限结构中，钢筋配筋率高，特别在梁、柱节点处钢骨与钢筋交错穿插，钢筋密集。柱钢筋要穿过多道钢骨腹板，需在确保钢骨截面尺寸的同时，在钢骨腹板开孔。此外，劲性混凝土结构钢筋较密，混凝土振捣难度大，特别是柱梁接头部位，易产生蜂窝麻面等质量问题。本文结合某中心剧院项目，分析研究劲性混凝土结构复杂梁、柱节点施工质量控制要点。1 工程概况某中心剧院位于通州区大运河畔，包括歌剧院、音乐厅和戏剧院3个表演艺术的“文化容器”（图1）。3个单体地上独立，地下部分连为一体。某中心剧院主体结构采用框架–剪力墙体系，设有大量劲性钢骨结构。歌剧院、音乐厅及戏剧院外围及屋盖采用钢结构体系，工程总用钢量超15 000 t。图1 剧院三维轴测图本工程钢骨类型众多，有箱形钢骨柱、H型钢骨柱、十字形钢骨柱、钢板墙、钢骨梁等。劲性结构轴测图如图2所示。图2 劲性结构轴测图（歌剧院F2层）2梁柱复杂节点的处理方法及施工质量控制要点在历次地震中震害严重部位多发生在框架梁柱节点处，因此在结构抗震设计时一直坚持强节点弱构件的设计原则。为了实现设计的结构抗震性能，必须在施工过程中保证梁柱节点施工质量。不同于普通的钢筋混凝土结构，劲性混凝土结构中梁柱节点更加复杂多变，更应加强对复杂节点的质量控制，这也是在监督检查过程中的一个重要质量控制部位。钢筋混凝土梁与型钢混凝土柱的梁柱节点设计为刚性节点，梁纵向受力筋应伸入节点核心区并满足设计锚固长度。在钢筋与钢构件相碰时，梁纵筋宜在型钢开孔穿过型钢腹板，但不能在翼缘开孔，也不应与柱内型钢直接焊接连接。梁外侧纵筋在空间允许时应弯折绕过型钢，钢筋连续通过节点。某中心剧院项目主体结构存在大量钢筋与钢构件碰撞的问题，为解决这一问题，主要采用钢构件上开洞穿孔（穿）、采用可焊接机械连接套筒或与连接板焊接（焊）及钢筋相并绕开（绕）的连接方式保证梁柱节点位置的施工质量。2.1 节点碰撞处理方式优缺点分析2.1.1 “绕”筋的适用性分析“绕”筋即并筋绕，从受力角度来说是最理想的处理方式，是优先选用的一种处理方法，但在本工程施工过程中却有较大困难，仅适用于个别钢筋的处理，主要有以下几个问题。（1）规范中建议梁钢筋直径在16~25 mm，而本项目梁纵筋直径多为25~32 mm，钢筋直径较大不易连续弯折。（2）北京地区抗震设防要求高，设计钢筋排布密集，需弯折钢筋数量多、弯折空间小，弯折精确度要求高。工程现场无法大量采用弯折的方式。2.1.2 “穿”筋的适应性分析“穿”筋即钢构件上开洞穿孔，此方式钢筋不需要与钢骨柱直接连接，钢筋可以连续通过，受力性能良好。但应用的局限也较大，一是规范要求翼缘不宜开孔，当梁钢筋与翼缘正对时无法采用开孔穿过的方式；二是腹板开孔截面损失率不宜大于20 %，当大于25 %时，应进行结构补强。2.1.3 “焊”筋的适用性分析“焊”筋即采用可焊接机械连接套筒或与连接板焊接（焊）的连接方式，此连接方式的优缺点分析如下。（1）附加连接板（钢托座）与钢筋焊接连接（图3），可操作性强，可用于斜梁、异形柱、翼缘等部位的连接。但当遇到多层梁筋时，加劲板需依次加长，由于梁柱节点空间狭小，焊接质量不易保证，且对柱筋位置需进行开孔或开槽处理，施工效率低，造价较高。图3 钢筋与钢骨柱连接板焊接样式示意（2）采用工厂焊接套筒，现场安装的方式，安装效率高。但该方式对套筒定位要求高，套筒工厂焊接偏差过大及钢柱的安装偏差过大，都会导致钢筋无法与套筒连接，或导致外露丝扣过多。梁钢筋与钢骨连接方式对比见表1。表1 梁钢筋与钢骨连接方式对比由表1可知，单一的连接方式无法解决全部钢筋与钢骨的碰撞问题，要综合运用多种方式处理。2.2节点碰撞的处理——“穿”“焊”为主，“绕”筋为辅结合本工程特点，最终确定本项目的连接原则为：以钢构件上开洞穿孔（穿）、采用可焊接机械连接套筒或与连接板焊接（焊）为主，并结合并筋绕开（绕）的连接方式。（1）腹板位置开洞穿孔。（2）翼缘部位一侧采用钢筋套筒连接，另外一侧采用连接板（钢托座）焊接连接。即对一根梁的纵向钢筋，一侧采用钢筋套筒连接，另外一侧采用连接板（钢托座）焊接连接。该方式对套筒的精度要求低，适合大面积推广，有利于保证钢筋连接施工质量（图4、图5）。图4 钢筋与箱形钢骨柱连接样式示意图5 钢筋与H型钢骨柱连接样式示意（3）对于空间较大，可以实现钢筋弯折绕开的区域，采用“绕”筋的方式。本工程充分发挥BIM作用，对不同的复杂连接节点进行三维模拟（图6、图7），并应用BIM模型进行技术交底，减少返工，提高了施工效率和工程质量。2.3 节点连接方式的质量控制要点为更好地提升施工质量，在钢–混凝土组合结构施工中坚持样板先行，施工前按特定比例模拟复杂节点，进行样板施工，根据施工情况进行节点的优化设计，并进行工艺评定。2.3.1 “绕”筋连接施工质量控制点（1）在条件允许时，梁的纵向钢筋优先采取并筋等措施，尽可能多地贯通节点。绕筋的斜度应不大于1/6，并应在梁变宽度处设置箍筋，如图8所示。图8 变宽度梁构造示意（2）直径28 mm及以下的钢筋并筋数量不应超过3根，直径32 mm的钢筋并筋数量宜为2根，直径36 mm及以上的钢筋不应采用并筋。（3）梁纵向钢筋净间距及梁纵向钢筋与型钢骨架的最小净距应不小于30 mm，且不小于粗骨料最大粒径的1.5倍及梁纵向钢筋直径的1.5倍。（4）当施工优化改变钢筋直径时，应在施工前及时办理设计变更。2.3.2 “穿”筋连接方式的质量控制要点控制开孔位置，型钢翼缘不宜开孔，腹板开孔时，柱腹板截面损失率不宜大于20 ％，当开孔率超过25 ％时，需进行开孔补强（图9）。图9 开洞补强示意2.3.3 “焊”接机械套筒连接方式的质量控制要点（1）梁中主筋不得与柱形钢直接焊接。（2）连接套筒应采用一级接头，连接套筒的抗拉强度应不小于连接钢筋抗拉强度的1.1倍，连接套筒与钢构件应采用等强焊接，并在工厂完成。（3）采用连接套筒连接时，应在钢构件内对应套筒位置设置加劲肋，加劲肋、腹板及焊缝应经过计算确定（图10）。图10 对应钢筋连接套筒位置的加劲肋设置示意（4）型钢与钢筋连接套筒的焊接应采用贴角焊缝，并计算确定焊缝高度，当需要在型钢上焊接多个钢筋连接套筒时，套筒间净距应不小于30 mm，且应不小于套筒外直径。（5）型钢与钢筋套筒需进行接头检验，接头等级按Ⅰ级接头的要求进行评定。2.3.4“焊”接连接板（钢托座）连接方式的质量控制要点（1）连接板（钢托座）连接需经计算设计连接板尺寸及焊缝高度等，通常连接板长度不宜小于混凝土梁截面高度的1.5倍，高度不宜小于0.7倍混凝土梁高。（2）连接板（钢托座）的上、下翼缘应设置直径不小于19 mm的栓钉，间距宜不大于200 mm，且栓钉至钢托座翼缘边缘距离应不小于50 mm。（3）钢筋与连接板（钢托座）焊接时，宜采用双面焊。当不具备双面焊条件时可采用单面焊。双面焊焊缝长度应不小于5 d，单面焊时焊缝长度不小于10 d。（4）钢筋的焊缝宽度不得小于钢筋直径的0.60倍，焊缝厚度不得小于钢筋直径的0.35倍。（5）钢筋连接件与钢构件焊接应进行焊接工艺