变截面劲性混凝土结构深化设计方法

2021-12-22李婷婷宋丹雅

建筑施工 2021年9期

李婷婷宋丹雅

上海建工一建集团有限公司上海 200120

为适应建筑的发展趋势，结构设计越来越多地采用了钢筋混凝土劲性（SRC）结构。与钢结构相比，SRC结构一般可比纯钢结构节约钢材50%以上，比纯钢结构具有更大的刚度和阻尼，有利于控制结构的变形。SRC结构还在多方面优化了钢材的性能：SRC结构可以有效防止钢构件的局部屈曲，显著提高钢构件的整体刚度，明显改善钢构件出平面后的扭转屈曲性能。与钢筋混凝土结构相比，SRC结构的承载力更高，大大改善了结构的抗震性能。钢骨架本身具有一定的承载力，可以利用它承受施工阶段的荷载，可将模板悬挂在钢骨架上，省去支撑，有利于加快施工速度，缩短施工周期。

作为SRC结构的关键部位，梁柱节点的可靠连接是保证结构安全的前提。而SRC结构中劲性钢骨截面形式的多样性使得梁柱节点的深化设计更为复杂，梁柱节点域内钢骨变化的定位、劲性钢骨与钢筋的可靠连接、加劲板的布设、密集钢筋的碰撞避让等问题的解决迫在眉睫。目前工程中劲性结构梁柱节点连接处理方式主要有：连接板焊接钢筋、套筒连接钢筋、钢板开孔穿过钢筋、劲性钢骨上加外伸式连接件、钢筋直接锚固和弯曲锚固等方式。不同的连接处理方式直接影响节点的受力性能，针对不同的劲性钢骨的截面形式，如何去选择连接方式并进行深化设计至关重要。针对这些问题，在工程设计阶段必须给予细致的考虑，采用科学、绿色的深化设计方法，减少现场施工中钢筋搭接数量及钢筋现场焊接数量，以保证工程质量和工程进度。本文将结合上海徐家汇中心项目，对钢骨变截面劲性节点的深化设计方法展开研究。

1 工程概况

1.1 工程项目概况

上海徐家汇中心项目地块东至恭城路、南至虹桥路、西北至宜山北路、北邻名仕苑住宅区，总用地面积66 017 m2，如图1、图2所示。轨道交通9号线区间隧道横穿地块北部，基地东侧紧贴轨道交通11号线车站。该综合体项目包括2幢超高层塔楼T1和T2、商业裙房和酒店，T1塔楼为钢筋混凝土框架核心筒结构，高220 m；T2塔楼为SRC框架核心筒结构，高370 m；商业裙房为钢筋混凝土框架结构，地下部分是劲性钢柱，1层梁是混凝土梁，2—7层是钢柱钢梁加压型钢板组合楼板结构；酒店为钢筋混凝土框架剪力墙结构。

图1 项目效果图

图2 项目周边环境示意

1.2 变截面劲性节点特点

1.2.1 劲性节点变截面形式多样化

上海徐家汇中心项目中裙房和塔楼部分存在大量的劲性梁柱节点，这些节点又包含了丰富的劲性钢骨截面变化形式：柱内钢骨十字钢变工字钢、柱内钢骨由小工字钢变大工字钢、柱内钢骨工字钢变方钢、柱内钢骨斜方钢变直方钢、梁内钢骨截面渐变等，如图3所示。

图3 劲性钢骨截面变化示意

在劲性钢骨截面变化的情况下，梁柱节内点钢筋多数非常密集，需要在钢骨、栓钉、套筒、加劲板、连接件等构件之外的空间里进行梁和柱钢筋的相互避让，同时还需要预留出梁和柱的保护层。

这就要求在深化设计中慎重处理密集钢筋的碰撞避让问题，避免深化返工。

1.2.2 劲性节点变截面部位的不确定性

本项目中，不同节点劲性钢骨截面变化的区域也不尽相同。劲性钢骨截面变化位置按照是否存在于节点域内可以分为在节点域内和不在节点域内；按照截面变化的本体可以分为节点内梁钢骨变化，节点内柱钢骨变化和节点内梁柱钢骨均变化。劲性钢骨变截面区域的变化，使得不同劲性节点的钢筋连接方式的选用灵活性较大，设计和施工难度也相应增大。

1.2.3 劲性节点变截面构件定位难度大

梁柱节点内钢骨变化的精确定位是变截面劲性节点深化设计的前提，然而劲性钢骨截面的变化将会导致梁主筋与钢骨变化面单向斜交或者双向斜交，从而大幅度增加设计时的定位难度。这对深化设计、钢结构制作、现场施工的相互沟通提出了更高的要求，必要时需结合Tekla模型，利用BIM进行辅助设计[1]。

2 变截面劲性节点域深化设计基本原则

2.1 垂直相交

垂直相交一般指钢骨变截面区域不在节点域内的情况，此时节点内情况相对简单。柱主筋在钢梁的翼缘附近时，可以将套筒焊接在型钢梁翼缘上，柱主筋与套筒连接在一起。柱箍筋被钢梁隔断无法形成闭环时，可以在钢梁腹板上附加加劲板，柱箍筋焊接在加劲板上，也可以在钢梁腹板上开孔，使箍筋穿过形成闭环。梁主筋与钢柱的翼缘板垂直相交时，可以将套筒焊接在型钢柱翼缘上，梁主筋与套筒连接在一起；梁主筋与钢柱的翼缘板的连接，也可以采用焊接的处理方式，在钢柱翼缘上焊连接板，梁主筋焊接在连接板上。梁主筋与钢柱的腹板相交时，可以将梁主筋焊接在钢柱的加劲板上；在满足弯锚长度要求和空间允许的情况下也可采用弯锚方式进行连接。

2.2 单向斜交

单向斜交的情况有：梁与柱斜交导致梁主筋与钢柱的翼缘板斜交；梁与柱垂直相交，且梁主筋与柱钢骨倾斜变化面斜交；梁与柱垂直相交，且梁钢骨渐变导致梁底钢筋与柱钢骨斜交。梁主筋与钢柱的翼缘板轻微斜交时，可将套筒切角后焊接在型钢柱翼缘上，梁纵筋与套筒连接在一起，也可采用焊接的处理方式。梁主筋与柱钢骨倾斜变化面斜交时，若钢骨变化面倾斜幅度较小（＜30°），可采用套筒连接梁纵筋和柱钢骨。梁钢骨渐变导致梁钢筋与柱钢骨斜交时，可采用套筒连接梁纵筋和柱钢骨。

2.3 双向斜交

双向斜交主要分为两类：梁柱节点内，柱的劲性钢骨的变化将导致梁主筋与柱钢骨变化面斜交，若此梁在结构平面上与柱也是斜交关系，会导致梁主筋与柱钢骨变化面双向斜交。另外一些梁柱节点内，梁的截面随劲性钢骨一起渐变，此时梁主筋与柱钢骨斜交，若此梁在结构平面上与柱也是斜交关系，同样会导致主筋与变化面双向斜交。

针对梁柱节点内钢筋与劲性钢骨的双向斜交问题，本文中提到采用“改斜归正”的方法，通过外伸式套筒连接件，使双向斜交转化为单向斜交，达到简化设计的目的。

3 变截面劲性节点深化关键设计方法

3.1 变截面部位劲性节点区化繁为简

在本项目T1塔楼区域，型钢骨在22层从十字形变为T字形，33层从T字形变为工字形，按设计图纸进行深化时发现，钢骨变截面位置开始位置在楼层标高处，变截面位置对节点内钢筋连接方式产生很大影响，主要体现在梁顶受力主筋因钢骨截面变化导致的弯折锚固长度不足、与梁纵筋焊接的节点板因钢骨截面变化位置外移与柱纵筋冲突、梁底纵筋与上下柱2排纵筋交叉排布困难，这些问题很难在深化设计中调整解决，经与设计单位协商，改变钢骨变截面位置至楼层标高平面以下，并且过渡段终止位置低于梁底，如图4所示。变化后，钢骨变截面部位与梁柱相交节点位置分离，将复杂的节点简单化，梁主筋锚固长度增加，可通过1∶6弯折避让钢骨进行弯折锚固；所需焊接连接板随钢骨截面减小而往中心收缩，变截面位置柱主筋与焊接连接板位置冲突问题解决。

图4 变截面劲性节点化繁为简示意

3.2 梁柱斜交区域“改斜归正”

在本项目裙房区域，型钢柱截面变化位置处于楼层标高向下，钢骨变化通过1∶6斜率过渡，此时梁顶标高若与楼层标高相同，梁顶纵筋必与过渡区域斜板碰撞，若无法使纵筋弯锚或通过节点板焊接，则需使用套筒与钢骨连接，此时套筒需在竖直方向按1∶6斜率切角，方便焊接于钢骨，同时，若梁与柱在水平方向为斜交，即出现“双向斜交”的情况，则套筒需在水平方向也进行切角来保证钢筋与套筒正面连接。当任意方向所需的切角大于30°时，无法通过套筒切角“改斜归正”，此时，建议采用一种外伸式套筒连接件，如图5所示，不受角度限制，可以通过调整节点板尺寸使套筒连接件与梁纵筋垂直，“改斜归正”，方便纵筋锚固。

图5 在型钢柱上的外伸式套筒连接件

在部分变截面型钢梁中，在高度变化过渡区域，梁底纵筋会与过渡部分的斜钢板发生碰撞，由于过渡区域钢板角度偏缓，与竖直方向夹角较大，无法直接使用套筒焊接于型钢梁，此时仍采用外伸式套筒连接件，将型钢梁连接部位“改斜归正”，与纵筋连接，如图6所示。

图6 在变截面型钢梁上的外伸式套筒连接件

3.3 多截面形式综合分析

在进行存在变截面型钢柱的劲性混凝土梁柱节点深化时，因截面变化，节点处同时存在多种钢骨形式，不同标高处对应不同形式，因此，深化工作的第一步是确定钢骨形式与各梁顶、底的标高，通过梁纵筋所在不同标高位置，可以初步确定纵筋在柱内的锚固方式，然后通过平面和立面综合考虑，确定具体的锚固方式。

在此类变截面型钢节点中，存在很多钢骨焊接的情况，如图7所示。在工字型钢变为大号方钢管的示例中，上下型钢通过与1∶6的斜板焊接进行过渡，此时，2-2剖面两侧为高低梁，其梁顶纵筋恰巧分别处于上下焊接处，为方便套筒焊接、保证焊接处有效，可适当增加保护层厚度，上下调整套筒位置，避免焊缝密集[5]。同理，在遇到外节点板与钢骨焊接处接近时，可适当调整节点板的位置，避开焊接处。由图7可知，除与钢骨套筒连接的梁纵筋外，梁两侧还存在弯锚至柱对面的纵筋，考虑到与垂直方向纵筋的碰撞问题，现场施工时需要注意纵筋的上下避让。