华南国际港航服务中心二期项目钢混结构复杂节点设计优化与施工应用

文勉聪

广州协安建设工程有限公司 广东 广州 510075

随着理论研究的深入和新施工工艺的产生，钢混结构在建筑设计和施工中的应用日益广泛。其中钢管混凝土柱与钢筋混凝土框架组合结构，由于具有良好的受力、施工性能而得到迅速的发展，可进一步发挥传统杆件结构体系的优点，尤其在高层抗震建筑中能较好地满足设计施工一系列要求，目前在建筑领域的高层、超高层建筑中应用广泛。但是钢管混凝土柱由于自身刚度大等原因使得与梁、板等构件连接的有效性，将直接影响建筑整体结构的刚度、稳定性和承载力，故连接节点的设计与施工是该结构质量保证的重点。本文针对常规的钢管混凝土柱与钢筋混凝土框架组合结构节点的优缺点进行研究分析，并以华南国际港航服务中心二期项目为背景进行设计优化与施工应用研究。

1 工程概况

华南国际港航服务中心二期项目，地下共4层，地上包含A、B、C三栋塔楼，其中A塔楼地上33层，结构高度145.1m，由内部核心筒和外部框架及其裙楼组成。本项目为EPC项目，受合同总造价限制，为控制建造成本，在结构设计阶段经过了多方案比选，采用了核心筒为钢筋混凝土框架剪力墙结构，外部钢框架由16根钢管混凝土柱、钢筋混凝土梁组成的框架结构，其中最大截面钢管柱 1100mm(外径)×30mm；最小截面900mm(外径)×20mm。由于基坑设置三道钢筋混凝土内支撑梁，通过审图发现A塔楼16根钢管柱均穿越基坑内支撑梁，如果钢管柱采用桩承式伸入底板落于工程桩上，则在后期钢管柱吊装施工过程将受到非常大的影响。在此基础上通过优化设计，将地下室负一层设置为钢筋混凝土柱向钢管混凝土柱的转换层，转换层楼面以下竖向承重构件为矩形钢筋混凝土柱，钢管混凝土柱则在转换层中嵌入矩形钢筋混凝土柱中，形成钢管混凝土柱与钢筋混凝土柱的组合柱。故在本工程中涉及到的钢混结构连接节点包括钢筋混凝土柱与钢管混凝土柱的转换节点和钢管混凝土柱与混凝土框架梁的连接节点。

2 转换节点的设计施工研究及应用

根据钢筋混凝土柱与钢管混凝土柱转换节点常规做法进行研究分析，结合施工过程存在的难点及关键技术进行优化和深化，实现矩形混凝土柱向钢管混凝土的转换过程，研究关键技术总结如下：

2.1 深化设计

通过深化设计分析超高层建筑中混凝土矩形柱转为钢管柱的转换过程，将整个钢管混凝土柱分解为多个单独杆件和单元件，设计深化施工图，主要包括：柱与框架梁节点平面图、各节钢管柱立面图、节点详图等，从而对各钢构件制作工艺，对钢管柱安装等具有指导作用。优化设计如下图：

图1 地下负二层（插入型钢）、负一层（型钢伸入钢管混凝土柱内）承重柱平面示意图

2.2 钢管混凝土柱吊装

由于钢管柱两层一吊装，质量较大，超出普通塔吊起吊范围，若采用吊车则超出起吊高度，故采用大型塔吊吊装。同时通过深化设计根据塔吊在不同位置的起吊性能对不同位置钢管柱进行合理分段，确保钢管柱重量在塔吊安全吊重范围内[1]。

2.3 预埋螺栓模板安装

图2 对拉螺栓及“3”形扣设置

由于在转换过程中，钢管柱嵌入矩形混凝土柱中，在模板安装过程中，为了不破坏钢管柱的整体性，对拉螺栓受钢管柱的阻碍而不能贯穿，为了保证柱模板的固定，在加工厂时按施工方案设定的间距在钢管外侧壁上焊接对拉螺栓的“3”形扣件，对“3”形扣四周均进行焊接以保证连接牢固。模板现场根据钢管柱上“3”形扣相应位置留孔。模板安装前，用扳手将螺杆拧进螺母并调整好方向，螺杆另一端穿套模板，后背用木方（次楞）和钢管（主楞）锁紧，混凝土浇筑完成并拆模后，切除外露丝杆。

2.4 钢管柱外侧混凝土分段浇筑

由于在转换处，钢管柱外侧钢筋绑扎较密集，如果一次性浇筑外侧混凝土将无法振捣密实，故外侧采用塌落度较大的混凝土，并根据负一层层高5.4m均分为三次浇筑，将下层混凝土振捣密实后，并在其初凝之前浇筑上层混凝土，同时采用小型振动棒（25型）辅助振捣，本层混凝土振捣时，振动棒的前端应插入前一层浇筑的混凝土中不小于50mm，以利于结合部位的紧密，每一次振捣的持续时间为10-30秒，当混凝土表面无明显塌陷、有水泥浆泛出、不再冒气泡时，应结束本次振捣，依次浇筑完成，钢筋密集的部位严格按分层浇筑的要求，浇筑至梁底面。混凝土浇筑过程中应经常观察对拉丝螺帽和柱箍的情况，若发现双对拉丝螺帽有松动的迹象，应立即对其进行紧固，并应随时观察柱箍的情况，确保混凝土浇筑密实。

2.5 钢管柱内高抛自密实混凝土浇筑

钢管柱两层一吊装，长度达8-9m，钢管柱内若采用普通混凝土浇筑，容易产生离析并且不方便振捣密实，采用高抛自密实混凝土能很好的解决这个问题，同时也避免了采用底部泵送法对钢管柱整体性的破坏，确保钢管柱内浇筑质量。混凝土由管口倾入，利用自重力不需振捣即使混凝土密实，混凝土浇抛高度应不小于4m，一次浇抛量宜控制在0.7-0.9m³，料斗的下口尺寸宜比钢管直径小150mm左右。每次浇灌混凝土前先浇一层约150mm厚与混凝土相同等级的水泥砂浆，防止混凝土粗骨料产生弹跳现象。集料斗架设在管口中央并保持垂直，泵送混凝土至料斗，当料斗集满混凝土后，开启料斗封底板，使混凝土一次性抛落，并利用混凝土下落时产生的动能振实混凝土。重复以上流程直至完成该管混凝土的浇筑。施工过程应有专职质检人员，使用小锤敲击管壁，以辨识混凝土浇筑密实情况[2]。

2.6 应用效果

从该工程的应用情况来看，完全体现出该技术的费用低、操作简便、效率高、施工速度快等优点，其安全、工期及成本控制均达到了预期目标。故该技术适用于超高层建筑中矩形混凝土柱与钢管混凝土柱转换节点结构的施工，能确保实现施工目标，保证施工质量，提高施工速度的要求。

3 钢管混凝土柱与混凝土框架梁的连接节点设计施工研究及应用

3.1 常规连接节点施工中存在问题以及原因分析

从以往钢管混凝土结构柱梁钢骨节点施工的施工情况来看，钢管混凝土刚性节点的类型以及存在问题主要有：

（1）外加强环式节点：由于外加强环的尺寸较大，用钢量较大，且用于钢筋混凝土楼盖时施工困难，主要是梁纵筋与加强环的焊接麻烦，影响钢筋笼就位，在实用中的适用性和灵活性较差。

（2）承重销式和穿心钢板式：由于穿孔对钢管的削弱，影响了钢管的受力性能，钢材用量相对较大，且当管经较小时，承重销或钢板在钢管内的焊接较困难。

（3）肋板式节点：缺点是用钢量较大，由于钢管角部与肋板焊接处焊缝容易先破坏，节点的整体刚度偏小，多用于节点的内力较小的情况。

（4）钢筋环绕式节点：节点对楼盖梁氏布置的影响较大，而且节点的刚度较小，楼板框架梁向钢管混凝土柱所传递弯矩的能力低，钢管混凝土柱参与弯矩分配的份额较少，该类节点施工较为不便。

（5）钢筋混凝土环梁式节点：节点处钢筋密集，钢材用量大且施工不便，给混凝土浇筑带来困难[3]。

针对这些问题，经过分析可得出如下结论：

（1）把框架梁纵筋焊接于穿芯型钢，由于穿孔对钢管的削弱，影响了钢管的力学性能，钢管内的焊接较为困难，无法保证焊接质量导致节点刚度较弱。

（2）采用连续双梁使纵向钢筋连续绕过钢管的施工方法钢材用量较大，且由于钢筋密集导致施工困难，适用性和灵活性较差。

（3）节点处由于钢牛腿伸入梁内部的型钢上翼缘板以及加密箍筋导致“暗角”位置混凝土缺失、空鼓及出现薄弱层，严重影响“强节点”的施工质量。

3.2 梁柱连接节点设计

综合以上分析，对钢管混凝土柱与框架梁之间的连接节点优化设计如下：

图3 钢管混凝土柱与钢筋混凝土框架梁连接节点示意图

3.3 梁柱连接节点的施工

3.3.1 钢骨节点梁主筋锚固

钢管混凝土柱中由于外层钢管，导致梁主筋锚固无法按照常规平法配筋伸入柱内进行钢筋锚固。该技术通过钢牛腿翼缘分隔板及卡板将一端装有锚固板的钢筋进行固定，通过该方式进行钢筋锚固。该钢筋锚固方法能准确的将主筋按照分隔板准确的保证钢筋间距，保证强节点强锚固效果的同时能减少钢材使用量。

3.3.2 钢骨节点混凝土浇筑

（1）梁板模板因加工工艺的限制，无法与柱钢管表面完全契合，模板接缝不严，致使混凝土浇筑施工过程中接缝位置出现漏浆现象，导致蜂窝、麻面甚至是粘结强度等危害。为解决该问题，模板安装施工过程中通过采用泡沫塑料胶条进行缝隙封堵，加强模板与钢管柱之间的密封性，有效地防止漏浆现象。

（2）混凝土浇筑过程中，节点处由于钢牛腿伸入梁内部的型钢上翼缘板以及加密箍筋的的存在，在混凝土浇捣过程中存在“暗角”，振动棒无法到达，或在振捣过程中混凝土发生流淌，导致“暗角”位置混凝土缺失、空鼓及出现薄弱层，严重影响“强节点”的施工质量。为防止出现“暗角”，混凝土浇筑采用多次浇筑（节点→跨中→节点），配合振动棒，利用振捣过程中混凝土的自流进行节点浇筑。第一、二次浇筑时，混凝土用量以不盖过型钢上翼缘为宜，第三次浇筑时从两侧慢慢将混凝土灌入（切勿一次灌满），利用振动棒使混凝土缓慢填满空隙，排除空气，完成此工作后方可进行楼板大面积浇筑。

图4 多次浇筑顺序示意图

3.4 应用效果

现场实际来看，相对于常规的梁柱节点处理方法，该技术准确的保证钢筋间距，保证强节点强锚固效果的同时还节省了钢材的用量，符合“强柱弱梁，节点更强”的抗震要求，加强了模板与钢管柱之间的密封性，有效地防止漏浆现象，刚梁节点“暗角”位置混凝土缺失、空鼓及出现薄弱层的情况也得到有效地改善，明显加快了节点处施工速度，为服务中心按时按质完成提供保障。

4 结束语

通过本工程的测算，使用钢管混凝土柱与使用钢结构柱相对比，节约钢材用量40%以上，与使用钢筋混凝土柱相比，节约混凝土50%以上，柱子尺寸减小55% ，总体增加使用面积约4%。故在此高层建筑中使用钢管混凝土柱，在控制建造成本与提高建筑物使用面积上均取得良好的效果，对于EPC项目而言，既提升建筑物使用空间又降低施工成本，达到双赢。同时通过对钢筋混凝土梁柱与钢管混凝土柱各连接节点的设计施工方面的优化，使它具有更高的承载力，更好的塑性和韧性，同时也减低施工安装难度，对确保施工质量和加快施工进度都起到积极作用。