钢管混凝土柱-型钢梁刚性节点栓焊连接技术

何品祥

(厦门海投工程建设有限公司，福建 厦门 361000)

0 前 言

装配式钢管混凝土柱与钢梁-免支模钢筋混凝土组合楼盖结构体系，发挥了钢管和混凝土两种材料的长处，具有承载力强、塑性和韧性好、抗震性佳、施工方便等优点，在工程实践中得到大量推广与应用，并取得了良好的经济效益和社会效益。装配式建筑结构中，梁-柱连接节点是框架结构设计中的关键部位，也是施工的难点，它在梁构件与柱构件之间起着传递弯矩和剪力、保证结构整体的作用。栓焊混合连接是指梁-柱连接刚性节点的腹板采用摩擦型高强螺栓、翼缘采用焊接的连接方法，在装配式结构的连接中具有施工方便、安装速度快、连接可靠、缩短工期、节约施工成本的优点。本技术在福建省厦门市某写字楼项目中得到了较好的应用,该项目总建筑面积20.4万 m2，由1#、2#楼23层，3#楼24层，地下室3层，最高建筑高度为99.95 m。3幢塔楼的主体结构为装配式钢管混凝土柱-钢梁框架结构、无支撑桁架钢承板体系，裙楼与地下室为钢筋混凝土框架结构。所有的钢柱、钢梁、斜支撑、钢楼梯、钢筋桁架楼承板均在工厂进行加工预制，运输到现场后用焊接和高强螺栓连接的形式进行装配安装。

1 施工技术特点

装配式钢管混凝土柱-H型钢梁刚性节点的框架结构体系包括竖向受力结构采用钢管混凝土柱、横向受力结构采用H型钢梁和免支模钢桁架叠合楼板的框架结构体系。其中钢管混凝土柱与钢梁的刚性节点连接采用焊接、高强螺栓连接的混合连接方式。

钢管混凝土柱与H型钢梁栓焊混合连接节点，H型钢梁包括上翼缘、腹板和下翼缘；方形钢管混凝土柱包括上下相邻设置的在上钢管和下钢管及管芯混凝土。

节点包括焊接于钢管外侧的钢牛腿和H型钢梁。钢牛腿的上、下翼缘与焊接于钢管内部的内隔板对齐。H型钢梁的上、下翼缘与钢管混凝土柱牛腿通过坡口焊缝焊接，腹板与竖直连接板通过摩擦型高强螺栓连接。

H型钢梁的接缝处上翼缘焊接2块外伸的定位马板，外伸定位马板的下边缘与钢梁上翼缘顶面平齐。刚性节点吊装就位时，马板卡在柱侧钢牛腿的上翼缘顶面，起到定位和临时支撑的作用，无需额外安装临时支架，方便快捷，可有效提高安装效率。钢牛腿的上、下翼缘板与H型钢梁两翼缘板对焊，钢牛腿的腹板与H型钢梁的腹板通过连接盖板和摩擦型高强螺栓连接固定，节点安装方便、传力明确、连接牢固。

节点连接先栓后焊：高强螺栓初拧后，对钢管混凝土柱和钢主梁的位置进行精确校正；螺栓终拧后，再进行钢管混凝土柱的焊接和牛腿-钢主梁的焊接施工。具有连接安全可靠、施工速度快、焊接变形小的特点。

2 施工工艺流程

根据工程实际情况和特点，装配式钢管混凝土-H型钢梁刚性节点栓焊混合连接的施工工艺流程图，如图1所示。

图1 混凝土柱-钢梁节点栓焊混合连接工艺流程图

3 施工方法

3.1 吊装设备

1)构件根据吊装顺序组织进场、分类堆放。

2)根据构件定位控制图(根据结构平面图重新制作的构件与控制线的关系位置图)放出楼层控制线和构件定位线，并对各构件定位进行精确复核；首层应准确设置定位点，在浇筑各楼层时，必须在相应的位置预留200 mm×200 mm与首层层面控制点相对应的小方孔。

3)吊装前根据构件不同形式和大小准备，选用不同吊具，并检查是否符合规定。

4)吊装前将控制线投放在构件上，根据钢柱实际几何尺寸确定各层柱底标高50 cm线及各层梁标高的10 cm线，应从柱顶反量确定。

3.2 钢管混凝土柱吊装

吊装流程为：接头清理→测量放线→构件起吊检查→构件对位安装→安装临时螺栓和斜撑。

技术控制要点如下。

1)接头清理：试件起吊前，应对各接头部位的接缝及螺栓孔进行检查，清理异物、油污、检查衬板、引弧板、熄弧板等，保证结合面清理干净，且基面应干燥。

2)测量放线：根据构件定位图，放出楼层控制线。经复查无误后再根据控制线，在楼面上用墨斗弹出框架柱的定位线；并在柱下接缝放置调节垫片精确调整构件标高，如图2所示。

图2 钢管混凝土柱吊装位置示意图(一节柱)

3)构件起吊检查：起吊前检查柱构件的质量证明文件和表面标识，其外观质量、尺寸偏差及结构性能符合设计要求。

4)构件对位安装：柱起吊就位时，应缓慢进行，当柱一端提升500 mm时，暂停提升，经检查柱身、绑点、吊钩、吊索等处安全可靠后，再继续提升。柱脚离楼面柱接头上方300～500 mm后，工人在接头周边辅助将柱脚缓缓就位，并使柱身定位线与楼面定位线对齐，初步校正柱身位置。

5)安装临时螺栓和斜撑：柱吊装就位后将临时螺栓穿过对接柱端的上下连接耳板，校正柱身水平标高，并对柱身垂直度进行调节。在同跨的两个框架柱间设置可调节长度的交叉斜撑，用作柱身的临时斜撑。拧紧耳板的临时螺栓，然后对柱子的垂直度进行复核，若不满足再进行调整，直至垂直度满足要求，固定临时螺栓和斜撑。

3.3 钢主梁吊装

吊装流程为：接头清理→测量放线→构件起吊检查→吊装→定位马板卡固。

技术控制要点如下。

1)接头清理：试件起吊前，应对各接头部分的焊缝及螺栓孔进行检查，清理异物、油污、检查衬板、引弧板、熄弧板等，保证结合面清理干净，且基面应干燥。

2)测量放线：根据楼层控制线，在楼面上用墨斗弹出钢梁的轴线；根据构件定位图，在钢管混凝土柱的牛腿上用墨斗弹出钢梁的定位卡线。

3)钢主梁起吊检查：起吊前检查钢主梁的质量证明文件和表面标识，其外观质量、尺寸偏差及结构性能符合设计要求。

4)吊装：每根梁设置两个吊点，为确保吊装安全，采用Φ31 mm(6×19)的钢丝绳进行吊装作业，钢丝绳与钢主梁的夹角约60°；起吊就位时，应缓慢进行，当钢主梁提升到500 mm时，先暂停提升，经检查钢主梁、绑点、吊钩、吊索等处安全可靠后，再继续提升。当钢主梁提升到接近钢管混凝土柱牛腿高度时，工人通过爬梯在接头处辅助将钢主梁头缓缓就位安放。

5)定位马板卡固：工人根据钢管混凝土柱牛腿上的钢梁定位线，缓慢调整钢主梁接头，使定位马板卡固在牛腿顶面，见图3所示。

图3 定位马板卡固

3.4 梁-柱节点的部件组装

梁-柱节点的部件组装的流程为：临时螺栓、冲钉准备→孔口检查→钢梁位置校正→临时螺栓安装→钢梁位置复检→冲钉安装。

技术控制要点如下。

1)临时螺栓、冲钉准备：①工具准备：准备好螺栓工具、紧固工具，并对工具进行检查；②普通螺栓准备：领用普通螺栓，并对螺栓进行检查；③冲钉准备：领用冲孔钉，并对冲孔钉进行检查。

2)孔口检查：检查钢梁孔口，清除浮锈、飞刺和油污。

3)钢梁位置校正：工人通过爬梯辅助塔吊缓慢校正钢梁位置，如图4所示。

图4 钢主梁安装校正

4)普通螺栓安装：工人一只手固定连接板时，另外一只手在适当位置插入临时螺栓，然后用扳手拧紧，使连接面结合紧密。

5)钢梁位置复检：工人继续通过爬梯辅助塔吊缓慢校正钢梁位置。

6)冲钉安装：对准孔位，安装不多于临时螺栓的30%的冲钉。

3.5 高强螺栓的安装、初拧

高强螺栓的安装、初拧流程为：高强螺栓准备→安装高强度螺栓→高强度螺栓初拧和标识。

技术控制要点如下。

1)高强螺栓准备：准备好高强螺栓和电动扳手，试验确定紧固轴力系数控制值，确认高强螺栓轴力试验合格和连接面摩擦系数试验合格，确认电板手检验合格。

2)安装高强度螺栓：拆除临时螺栓和拆卸冲孔钉，安装高强度螺栓。

3)高强度螺栓初拧和标识：用电动扳手初拧高强度螺栓，并作标识。

3.6 柱、梁精确校正

柱、梁精确校正的流程为：校正工具准备→柱精确校正→钢主梁精确校正。

技术控制要点如下。

1)校正工具准备：准备花篮螺丝、钢丝、葫芦、激光经纬仪、水平尺等校正工具，并检查激光经纬仪、水平尺等的精度符合要求。

2)钢柱精确校正：①安装拉设调节杆：在钢管混凝土柱上沿柱顶外侧设置斜向调节杆；②垂直度校正：采用激光经纬仪以基准点为依据对钢管混凝土柱进行竖直观测，对钢柱顶部进行垂直度校正；③柱子间距校正：用钢丝绳和葫芦进行微调；④柱轴线位移校正：以下节柱顶部的实际柱中心线为准，吊装柱的底部对准下节钢柱的中心线即可。

3)钢主梁精确校正：钢主梁就位时确保钢主梁中心线对齐已安装钢管混凝土柱测设的定位线；利用地面上的定位线采用“借线法”复核钢主梁节点中心线。

3.7 高强螺栓的复拧、终拧

高强螺栓的复拧、终拧：钢管混凝土柱与钢主梁精确校正后，对高强螺栓进行复拧、终拧，见图所示5。

图5 高强螺栓施拧顺序示意图

对高强螺栓的紧固检查：对高强螺栓进行紧固检查，拆除不合格的高强螺栓，更换新的高强螺栓。吊装终拧后的梁-柱刚性节点，见图6所示。

图6 高强螺栓终拧紧固

3.8 钢管混凝土柱接缝焊接

1)检验焊条、垫板和引弧焊，焊条必须符合设计要求的规格，应保持表面干燥；焊接工具、设备和电源准备；对柱与柱接缝的坡口进行清理，去除对焊接有影响的水分、油污、锈迹等。

2)钢柱和钢梁精确校正后，两个焊工同时从钢管混凝土柱两侧不同方向对称焊接，保证两焊工同步，在柱转角处注意成型。

3)焊缝质量检查，对不符合技术要求所允许的缺陷需及时返修。

4)切割、打磨连接耳板。

3.9 次梁吊装及螺栓安装

1)钢管混凝土柱接缝焊接完毕后，进行次梁吊装和螺栓安装准备。

2)采用塔吊吊装次梁。

3)主梁与次梁间采用高强螺栓进行连接。

3.10 柱牛腿与钢梁的翼缘焊接

1)检验焊条、垫板和引弧焊，焊条必须符合设计要求的规格，应保持表面干燥；焊接工具、设备和电源准备；对柱牛腿与钢梁翼缘的坡口进行清理，去除对焊接有影响的水分、油污、锈迹等。

2)柱牛腿与钢梁的翼缘坡口焊接，两名焊工分别对上、下翼缘对称施焊，见图7所示。

图7 柱牛腿与钢梁的翼缘坡口焊接示意图

3)焊接质量检查，对不符合技术要求所允许的缺陷需及时返修。

4)切割、打磨定位马板。

3.11 浇筑柱芯混凝土

1)浇筑前，检查混凝土的强度等级、和易性、塌落度等指标，满足设计要求。

2)浇筑前，混凝土的温度应维持在10℃～32℃。

3)混凝土应连续浇筑，并采用振捣棒振捣均匀。

4 质量控制标准

施工时，工程质量控制与验收应严格按照下列规范执行：①《钢结构焊接规范》(GB50661—2011)；②《钢结构高强度螺栓连接技术规程》(JGJ82—2011)；③《钢结构工程施工规范》(GB50755—2012)；④《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205—2001)；⑤《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》(GB11345—2013)；⑥《建筑工程施工质量验收统一标准》(GB50300—2013)。

5 施工注意事项

1)定位测量应按照设计方案和施工要求现场放线，进行总包控制网复核；关键在于钢管混凝土柱和钢主梁的准确定位。现场构件验收主要是焊缝质量、构件外观和尺寸检查，质量控制重点在构件制作工厂。

2) 第一节钢柱柱底标高必须严格保证精度，吊装之前按柱底标高定出柱脚的四个角标高(用厚度不同的标高垫片调整)，将标高垫片焊死，保证标高偏差≤1 mm。

3)在首层平面布设多个高程基准点，用S3水准仪精确测定钢管混凝土柱的高程。高程的竖向传递采用50 m钢尺，通过预留孔洞向上量测，量测时应充分考虑温差、尺长、拉力等的影响，以保证量距精度。每层传递的高程都要进行联测，相对误差应<2 mm。

4)高强度螺栓连接板接触面应平整，当接触有间隙时，小于1.0 mm的间隙可不处理，1.0～3.0 mm的间隙应将高出的一侧磨成1∶10的斜面，使间隙小于1.0 mm，打磨方向应与受力方向垂直，大于3.0 mm的间隙应加垫板，垫板两面处理方法应与构件相同。

5)高强度螺栓初拧、复拧和终拧应在24 h内完成。高强度螺栓连接副初拧、复拧、终拧时，由螺栓群节点中心位置顺序向外缘拧紧的方向施拧。栓焊混合连接，当设计无特殊要求时，应按先栓后焊的顺序施工。

6)柱-柱的对接施焊，应由两名焊工同时从两侧不同方向对称焊接。两人先焊接A，B(C，D)焊缝高度的40%，再进行C，D (A，B)焊缝40%的焊接，之后再进行A，B(C，D)焊缝剩余60%的焊接，最后结束C，D(A，B)焊缝的焊接。

7)柱-梁对接施焊，先焊接梁的下翼缘板与柱牛腿连接处，再焊接梁的上翼缘板与柱牛腿的连接；焊接梁的下翼板时，在腹板两侧坡口内轮换分层填充至填满坡口，下翼缘填充焊通过腹板圆弧孔时各道焊缝的熄弧点要适当错开，以避免夹渣、未熔合等缺陷集中。

8)在焊接过程中要防止层间温度过高。当焊缝过长时，可采用分段跳焊法，但要保证两名焊工同步，减少变形。在焊接最后一层时需一次焊完，不得分段焊接。在柱转角处注意成型。

9)在施工中制定详细安全操作规程，经有关部门批准后方可施工。建立安全管理措施责任制，施工前，应进行安全技术教育与交底，落实所有安全技术措施和人身防护用品，未经落实不得进行施工。划分吊装区域，并在吊装区域内设置警示带，派专人负责警示带区域安全工作，吊装施工时严禁闲杂人员进入警示带内。

10)起重设备必须保养良好，运行正常，所选起吊用工具和钢丝绳必须有足够的安全系数，一般不得小于5～7倍。使用的手拉葫芦必须经过安检及正常保养，并有备用。

11)工程施工过程中严格控制强噪作业时，一般不超过12 h，减少及避免夜间施焊；必须昼夜连续作业时，要采取封闭降噪措施。同时，做好周围居民工作，报环保部门备案后，方可施工。

12)施工中产生的工业垃圾，如焊条的残渣、被切割下的钢筋头、废木板及木方、残留混凝土，集中回收，严禁乱丢乱弃，造成周边环境污染。

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