劲性混凝土柱、墙关键技术探讨

骆少雄，顾建平

(南京工业大学，江苏 南京 211816)

0 前 言

劲性混凝土是一种表面熔焊栓钉的型钢骨架与外包混凝土构成的型钢结构。一般可以将劲性混凝土根据型钢界面划分为H型钢劲性混凝土、圆钢劲性混凝土、矩形钢劲性混凝土等。劲性混凝土较钢结构而言成本低，钢材用量少，同时比普通钢结构具有更好的防火防腐性能；相比钢筋混凝土结构而言，劲性混凝土的截面小、强度大，空间使用率高、刚度高、抗震性能好。因钢骨架承载力强的优势，可以通过减少一些支撑体系的办法来缩短工期和节约成本。

1 工程及结构概况

1.1 工程概况

南京江北新区某美术馆项目，建筑总面积约9.73万m2，平面呈不规则回字形，中央大厅在平面中心，主屋面和中央大厅屋面标高分别为31.8 m和43.35 m。本工程分为地上、地下两个不同结构，其中地下为框架，地上为钢筋混凝土筒体-钢桁架。美术馆新馆结构如图1所示。

图1 美术馆新馆结构示意图

3层以上是以核心筒为基础的钢桁架结构，纵横向交叉构成一圈双层框架结构，结构长宽分别为147.46 m和103.29 m，高度从31.76 m至39.3 m。由箱型柱、圆管柱、钢板剪力墙等钢构件组成的核心筒结构和劲性柱构成了美术馆的地下钢结构；由箱型柱、圆管柱、钢板剪力墙、H型钢梁、桁架等构件组成的核心筒结构、桁架结构以及中庭结构构成了美术馆的地上钢结构。

地下钢结构由核心筒结构和劲性柱组成，主要钢构件为箱型柱、圆管柱、钢板剪力墙；地上钢结构由核心筒结构、桁架结构及中庭结构组成，主要钢构件为箱型柱、圆管柱、钢板剪力墙、H型钢梁、桁架。钢材的主要材质是Q345C、Q345GJC两种，钢结构的总重量约为1.4万t；钢筋桁架楼承板约2.7万m2。核心筒结构如图2所示。

图2 核心筒结构示意图

1.2 核心筒结构概况

布置四个核心筒，核心筒采用箱型柱，柱间布置劲性钢梁及劲性钢板墙，核心筒地下2层，地上4层(含夹层)，核心筒钢柱柱底标高为-12.15 m，柱顶标高为31.827 m，核心筒平面尺寸如下：1号核心筒平面尺寸为11.1 m×13.82 m;2号核心筒平面尺寸为11.1 m×10.24 m;3号核心筒，地下室平面尺寸为16.8 m×15.3 m，从正负零开始到三层桁架层平面尺寸渐变为19.5 m×15.3 m(桁架层)；4号核心筒地下室平面尺寸为16.8 m×12.4 m，从正负零开始到3层桁架层平面尺寸渐变为19.5 m×12.4 m(桁架层)。

核心筒钢柱为焊接型箱柱，规格为BOX1000×1000×50×50，桁架层节点位置壁厚调整为60 mm，材质为Q345GJC；钢板剪力墙为单层劲性结构，剪力墙板与核心筒箱型柱焊接连接，钢板墙板厚为30 mm，材质为Q345GJC;劲性梁为焊接H型钢梁，主要规格为：BH1000×300×30×40、BH1200×300×30×40、BH700×300×30×40、BH1000×300×30×60，材质为Q345GJC。

2 施工重难点

2.1 地脚螺栓埋设

结构的底部施工时，通常会采用预埋地脚螺栓来连接基础底板与预埋钢板或者是垂直边缘构件。施工的难度则取决于地脚螺栓的直径和数量。地脚螺栓施工的关键技术便在于如何保证地脚螺栓预埋的精度以及在基础上进行混凝土浇筑时如何保持地脚螺栓的稳定性。

2.2 箱型柱吊装

通过选择良好的核心筒箱型柱的吊装与安装的方案，不仅可以提高钢结构工程施工的进度、质量和安全，还能对整个工程施工的进度产生良好的影响。方案的关键点在于吊装与安装时箱型柱中心点以及垂直度的控制。

2.3 混凝土浇筑、振捣

在钢骨外绑扎的钢筋时常过于密集，钢筋与钢筋、钢筋与型钢间的间距便会比较紧凑，钢筋跟型钢间相互穿插时也会时而出现位置上的冲突，这也导致了混凝土进行浇筑时会出现入料以及振捣不充分的情况。如何确保绑扎时钢筋的合理布置以及浇筑时混凝土的密实度控制，也是本工程的重难点。

3 施工措施及效果

3.1 地脚螺栓埋设方法

地脚螺栓一般由螺杆、垫片、紧固螺母和止退螺母这四个部分组成，在构件需要灌浆的条件下则还需要配备调整垫片和调节螺母。地脚螺栓的钢材选择有Q235和Q345两种，Q345钢材的强度大但制作较为困难。通过对螺栓所受剪力、拉力等受力因素来确定螺栓的直径、构造与埋入深度，通常情况下，埋深为直径的25倍。

地脚螺栓的端部在设计时采用了钩式、爪式和锚板式等端部构造，其中钩式可以分为弯钩和直钩，这些端部构造加强了地脚螺栓的牢固性。在基础里钢筋错综复杂的情况下，锚板式更为合适。

通常会采用预埋法进行地脚螺栓的埋设，预留孔法则使用较少。预埋法的优缺点也很明显，它的优势在于一次成型的混凝土使得混凝土整体性能、强度各方面都很好，缺点在于一旦螺栓位置出现偏差，则需要整个开凿重做。地脚螺栓的安装精度问题是十分重要的，因为它决定着上部结构的安装精度。采用预埋法安装的地脚螺栓允许偏差值见表1。

表1 地脚螺栓(锚栓)位置、尺寸允许偏差 单位：mm

施工前在计算机模型中复查地脚螺栓和底板钢筋的排列布局是十分有必要的，尤其值得关注的是锚板大小与钢筋间距的关系。可以通过在基础中安放由竖向支撑和螺栓定位两部分框架组成的钢支架来保证螺栓的稳定性。在进行大底板基础地脚螺栓预埋施工时，可以在垫层上直接安放支撑框架，优点在于稳定，缺点在于用钢量大。在进行混凝土梁等结构地脚螺栓预埋时，可以将梁内主筋与螺栓定位框架连接固定。

待地脚螺栓与钢板剪力墙安装完成后，用C45混凝土二次浇筑100 mm厚无收缩细石混凝土层。剪力墙地脚螺栓节点见图3。

图3 剪力墙钢板地脚螺栓节点

3.2 箱型柱吊装工艺

箱型柱的生产及现场施工必须充分考虑现场吊装环境，针对现场吊机的位置制定合理的吊装路线，同时需要掌握各起吊点的吊重，严格安全施工生产。

分析各吊装点起重量，严格控制大型机械的安全使用，严禁超重作业。本工程核心筒钢柱-2层至地上2层，根据现场塔吊进行分段，分段的原则以设计连接节点为主，辅以塔吊的吊装性能来考虑箱型柱吊装长度和重量；地上3层及以上采用一层一段，尽量减少箱型柱分段。

首先是柱脚的施工，箱型柱柱脚采用埋入式施工方法，如图4所示。埋入式施工中，钢柱施加给混凝土的压力先传递给柱脚再传递给基础。所埋入的柱脚的4个侧面都会熔焊Φ22 mm@200 mm的栓钉用来加强钢构件与混凝土间的粘结力。

图4 埋入式柱脚图

整个结构的安装质量都会被埋入式柱脚施工质量所影响，所以埋入式施工是尤为关键的。埋入式施工第一步是底平面标高和钢柱支架位置线的测量。在垫层浇筑后便需要将支架与基础钢筋绑扎就位，并调整好支架的标高并进行固定。支架安装完毕后便可以吊装首节钢柱，将钢柱吊至支架上方200 mm时，需要缓缓下落，保证其稳定性，下落完毕后，利用在四角设置的楔铁调节标高并跟踪测量，使首节钢柱精准安装到位。

首节钢柱吊装完成后便需要吊装上节钢柱。每节钢柱相对应的位置均焊有厚度16 mm的连接耳板，待钢柱吊装到位，用撬棍和缆风绳调整好位置后用大六角螺栓并配合两块10 mm厚的连接板将上下柱的耳板临时固定连接起来，焊接完成后方可进行耳板的切割。箱型柱现场拼接节点如图5所示。钢柱外侧所熔焊的栓钉是严禁攀爬的，必须通过搭建的云梯上下。初步吊装到位后需对钢柱用经纬仪进行校正，严格控制误差，并估算可能出现的误差方向和数值，通过预留焊接预倾量的方法来减小误差。当天所吊装的所有钢构件需要和整体形成一个稳定的钢结构空间体系。

图5 箱型柱拼接节点图

3.3 混凝土浇筑、振捣技术

混凝土浇筑振捣工艺也是工程的重难点之一。圆钢管混凝土柱以及核心筒剪力墙筒体角部矩形钢管混凝土柱均采用C45无收缩自密实混凝土，这是因为振捣棒不好伸入钢柱内。

免振自密实混凝土最大的优点就是无需振捣便能浇筑均匀并且质量也很高。自密实混凝土的浇筑应按箱型柱分层分节高度一段一段浇筑，每层需待箱型柱焊接完焊缝等检测合格后方可实行浇筑。

核心筒墙板区域因为剪力墙钢板的存在不仅使得钢筋排列十分密集，加大混凝土下料、振捣难度，也将钢筋阻隔，使之无法满足锚固长度要求。所以决定采用以下三种连接技术优化钢板墙与钢筋的连接方式。

1)首要之选是利用开孔技术对钢板墙进行开孔处理，在钢筋直径都不大的情况下，尽可能的统以孔洞的孔径，减小现场施工的难度。

2)对于节点上不可以开孔的板面或其他构件，采用焊接机械连接套筒的方式。钢筋机械连接套筒要求在工厂加工好，直接焊接在构件的相应位置上，对工厂焊接质量有较高的要求，同时需要注意的是节点区域布置的连接套筒需要考虑纵横向的空间位置关系，以防连接钢筋时钢筋位置发生冲突。这种连接方式的优势在于现场施工操作方便，同时连接速度快，对构件自身的破坏较小。

3)若以上两种方法都不适用时，可以采取焊接连接板的方式。这种方法的优势在于钢筋可以直接焊接在连接板上，施工难度小，焊接对截面的削弱小，但焊接工作量较大，所需费用也相对较高。

对于核心筒墙板区域混凝土的浇筑，用C45高强混凝土根据层高分层浇筑。下料时，先采用直径为50 mm的振捣棒在下料点振捣下料进行初振，而后用直径30 mm的振捣棒进行插入式振捣。模板外侧同时派专人用铁锤敲击，提高混凝土密实度和外观成型质量。模板上每隔1m通过用手钻钻孔的方式来观察内部翻浆情况。最后做好对混凝土浇筑时的实时监控并做好相应记录。

4 结 语

尽管劲性混凝土具有节约钢材、减少成本、强度高等优势，但劲性混凝土的施工十分复杂。该美术馆工程在劲性混凝土柱、墙施工中，对地脚螺栓埋设精度和箱型柱吊装垂直度进行了良好的控制，优化了钢筋与钢板墙的连接方式，并且通过制定合理的振捣方法等一系列有效方法，保证了劲性结构的施工质量，对以后类似的劲性柱、墙的施工提供了有益的参考。

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