体育后勤楼劲性混凝土结构施工技术

2023-03-21杨宇

工程质量 2023年2期

杨宇

（宜兴海锡置业有限公司，江苏无锡 214000）

0 引言

本文立足某重点学校建设项目，针对体育后勤楼大空间大跨度的建筑特点，钢结构和劲性混凝土结构形式，又集空间组合紧凑、功能分区多样，尤其屋顶设有操场跑道、足球场等运动场地的独特设计形式，施工难度非常大，国内外尚可借鉴的项目案例极少。由此，全篇围绕建设工期紧、任务重、施工复杂等诸多难题展开，狠抓施工技术难点，对于大空间劲性混凝土结构施工技术更做了重点论述，提出合理的施工方案，完成技术攻关，旨在圆满完成工程进度和施工质量目标，也为今后类似项目提供可靠有力的技术文献参考。

1 工程概况

无锡外国语学校宜兴校区工程位于宜兴市广汇北路。其中，体育后勤楼单体建筑层高 2 层，总面积23 600 m2，布局紧凑但功能分区齐全，包含地下室及下沉式操场、游泳池、办公厅、餐厅、停车场等，其中屋顶设计有 17 300 m2的运动场。结构类型是劲性钢结构+现浇混凝土结构的组合形式。

本单体工程钢结构主要由 50 根 H 型钢柱和 6 根十字型钢柱及 67 根 H 型钢梁组成（见图1）。劲性柱截面为 H 型钢柱和十字型钢柱，高度9～14 m，截面尺寸为 400 mm×300 mm、500 mm×400 mm、500 m m×500 m m、650 m m×300 m m、700 m m×300 mm、700 mm×700 mm，钢板厚度有 20、3 0、38、5 0 m m；劲性梁截面为 H 型钢梁，尺寸为 700 mm×300 mm、850 mm×300 mm、900 mm×300 mm、1 100 mm×400 mm、1 200 mm×600 mm、1 400 mm×300 mm、1 400 mm×600 mm，钢板厚度有 20、30、38、50 mm。

图1 钢结构三维空间布置图

2 本工程的施工难点重点

1）因本工程中一层有游泳馆、报告厅、室内篮球场，大空间局部跨度达 30 m 以上，高度达 10 m 以上。结构设计采用劲性钢结构和现浇混凝土结构相结合，后浇带分区中既有现浇混凝土结构，又有劲性钢结构，钢结构需要等基础保养后才吊装，型钢结构先施工，后施工混凝土结构，造成同一的分区内无法同时施工。

2）按设计方案先进行浇筑钢柱下沉基础并进行保养达到强度要求后，再进行上部型钢柱的安装，吊装钢柱后才能浇筑基础，基础强度满足要求后，然后在进行钢梁的吊装，单独吊装钢柱时对柱下基础的固定性、安全性和后期固定措施的要求高。先吊装钢柱需要对钢柱预先采取加固措施。吊装钢梁前基础也需要时间进行保养，这给工期带来了严重影响。

3）本项目钢结构构件形式全部采用整体式。大型钢构件的吊装尤为棘手，首先钢柱吊装后不能直接吊装钢梁，无法形成刚性单元，存在着安全风险。另外，体育后勤楼工程占地面积大，土建全面开挖后钢结构吊装道路切断，施工困难。

4）高大支模排架体系对地基承载力要求很高，原设计地坪无法满足要求，需对大空间钢梁支撑加强处理。

3 针对上述施工难点提出如下施工措施

3.1 分区施工

为了便于劲性钢结构和现浇混凝土结构的施工，经和原设计单位沟通，调整施工后浇带位置，把劲性钢结构和混凝土结构的区域分开，使得互补干扰。

体育后勤楼从北往南分成 10 个区，总施工顺序从南和北往中间施工。1 区为混凝土框架结构（S-A0/1-10 轴线），2 区为混凝土框架结构（S-A0/10-16 轴线），3 区为混凝土框架结构（1-10 轴交 R-L），4 区为劲性钢结构（L-R/F 交 11-16 轴线），5 区为混凝土框架结构（1-9 交 H-1/K 轴线），6 区为劲性钢结构（G-1/K 交 11-16 轴线），7 区为劲性钢结构（C-F 交 1-1/5+F-G/1-9 轴线），8 区为劲性钢结构（A-1/E 交 1/5-12 轴线），轴），9 区为劲性钢结构（C-1/F 交 11-16 轴线），10 区为混凝土框架结构（1-5+13-16 轴交 A-C）。把劲性钢结构和混凝土结构划分开，避免因钢结构影响框架结构施工，每个区从基础至屋面可以不干扰，独立地从一层至屋面施工，可以合理安排劳动力。分区后的屋面板在施工缝中加设置 3 mm 厚、300 mm 宽的钢板止水带，施工缝用钢板网封闭。

3.2 钢柱预埋与加固

针对 2.2 条内容，为了增加钢柱吊装的稳定性、可靠度，采用如下的施工措施，以满足钢柱吊装后的稳定性。现场分两种处理方式，第一种是针对位于独立基础内的钢柱预埋（见图 2），第二种是针对在基础筏板部位的钢柱加固处理，见 3.2.1，3.2.2 和 3.2.3 节。

图2 钢柱基础位于独立基础中施工图（单位：mm）

3.2.1 型钢柱施工工艺

承台区域型钢柱施工工艺：钢柱下沉式基础开挖浇筑垫层→放十字线、绑扎下沉基础钢筋网→浇筑 100 mm 厚 C50 混凝土，固定钢筋网→预埋固定钢柱螺栓→浇筑下沉基础 C50 混凝土，全保养达到 C35 强度后进行钢柱吊装→张拉缆风绳固定，浇筑独立基础→全保养强度满足后进行钢梁的吊装。

预埋钢柱螺栓，按柱钢筋形式四周焊接分布钢筋形成整体，再采用 18～20 mm 钢筋与基础钢筋网整体焊接加固。

钢柱下面 100 mm 厚采用 C50 灌浆料，灌浆前（为了把不同标号区分开）用钢丝网进行封堵，每边扩出柱边 150 mm，高度比钢板高 100 mm，便于施工。

钢柱基础校正加固，把柱脚底板用调平螺栓调平，再在柱底板下四角采用三角形钢靴垫平垫紧，后用 C50 自流混凝土进行灌浆处理。

在钢柱顶上设拉结点，用钢丝缆风绳四角拉结调平拉紧，下部埋于基础内。

3.2.2 基础筏板区域型钢柱施工工艺

背包钢筋绑扎→底部 100 mm 厚混凝土浇筑、固定钢筋→型钢柱螺栓预埋→背包混凝土浇筑→筏板混凝土浇筑（型钢柱位置预留孔洞，柱边线出 600 mm，焊接钢筋骨架竖向φ25@400，横向φ12@150，斜撑φ25@1 000 封钢丝网隔断，并设置闭合止水钢板）→待筏板混凝土达到图纸设计要求强度后，机械设备架设在筏板上，进行型钢柱梁吊装施工。注意：采用先施工钢柱下基础（预埋螺栓），再绑扎筏板钢筋，在筏板钢柱部位预留后安装孔预留孔宽 2 m×2 m 底板面钢筋预留错开 50 % 接头、后期钢筋焊接，型钢柱上设套筒，在预留口中部的四周设置钢板止水带。浇筑筏板后等强度满足吊装要求后，即进行吊装钢结构的吊装钢柱，钢柱吊装后进行预留口的二次施工，采用提高一级的混凝土浇筑。浇筑养护 14 d 后进行钢梁吊装。

3.2.3 施工验算书

1）计算说明。根据钢柱施工方案，钢柱安装完成时，钢柱为独立悬臂状态，最高钢柱悬臂长度达 13 m，为确保钢柱施工完成后的安全性，需对该悬臂状态下的钢柱作受力验算。钢柱选择 H 型和十字型两种分别验算（见图 3、图 4），选择验算钢柱如下。

图3 H型钢柱 H700×700×30×50（单位：mm）

图4 十字型柱 700×300×20×50（单位：mm）

2）计算边界条件。根据施工图纸及施工方案，钢柱安装完成后，钢柱底部锚栓以下部分混凝土浇筑完成（含二次灌浆），即：钢柱锚栓以下为固接约束。

3）计算荷载。计算荷载保守估计，按宜兴当地十年一遇风载计算（见图 5）：w0=0.30 kN/m2。

图5 钢柱受风载简图

根据 GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》，βz=1.0，μz=0.65（表 8.2.1 C 类，13 m 高度），μs=1.3（表 8.3.1 第 32 项）。

4）H 型钢柱验算（见图 6）。

图6 H 型钢柱锚栓示意图（单位：mm）

钢柱受风载线荷载为：

钢柱底部弯矩为：

钢柱底部剪力为：

钢柱自重为：Nk=110 kN

保守计算，钢柱底部弯矩全部由底部锚栓承担，则，锚栓承受最大拉力为：

单个 M24 锚栓受拉承载力设计值为：

钢柱底部剪力由柱脚底板和其下部的混凝土之间的摩擦力承担，其摩擦力为：

满足。

5）十字型钢柱验算（见图 7）。

图7 十字型钢柱锚栓示意图（单位：mm）

钢柱受风载线荷载为：

钢柱底部弯矩为：

钢柱底部剪力为：

钢柱自重为：Nk=123 kN

保守计算，钢柱底部弯矩全部由底部锚栓承担，则，锚栓承受最大拉力为：

单个 M24 锚栓受拉承载力设计值为：

钢柱底部剪力由柱脚底板和其下部的混凝土之间的摩擦力承担，其摩擦力为：

Vfb=0.4N=0.4×123=49.2 kN＞V=1.4×1.17=1.64 kN

满足。

6）骨柱基础抗倾覆验，以 H 型钢为例（见图 8）。在风载水平作用下，验算钢柱基础抗倾覆。

图8 钢柱基础抗倾覆示意图（单位：mm）

倾覆弯矩：

Mq=FH=1/2×0.18×132×2/3×13=132 kN·m

抗倾覆弯矩：

Mr=NL=［110+25×1/2×（2.5+1.3）×0.7×2.5］

×1.25=241 kN·m，Mr/Mq=241/132=1.82＞1.3，满足。

由计算可知，钢柱在 13 m 悬臂状态下受力满足要求，其基础抗倾覆满足要求，加之施工过程中设置揽风绳作为控制钢柱稳定性的第二道安全措施，钢柱安装的安全性满足要求。

3.3 吊装方案

根据体育后勤楼工程占地面积大、钢结构吊装工作量较大、构件较多等特点，为减少土建施工影响，缩短工期，减少型钢与混凝土施工的交叉作业，本工程安排钢结构柱一次性吊装完成，再进行混凝土施工。

本工程钢柱约有 24 根重量在 8～12 t，其余钢柱重量均在 6 t 以内；本工程采用汽车式起重机（130 t）；钢梁约有 16 根重量为 7～16 t，其余钢梁重量均在 5 t 以内、主桁架、次桁架等将采用 25 t 吊机安装；对于单件重量＜30 kg 的轻型小梁将通过人力搬运或使用钢托盘统一吊装上各层平台。

主桁架单件长度约 34.4 m，结构形式为：上下弦杆为挑臂箱型截面 WB300-12-20×550-69，直腹杆为方管 150×6，斜腹杆为拼接 H 型钢 HI300-8-14×230。

3.3.1 吊装顺序

为保证优质、安全、高效地完成吊装任务，把体育后勤楼划分 3 个吊装区域，每个吊装区设 2 个汽车吊吊装位置，每个吊装点，按照进度计划与其他工种穿插作业，并严格按照钢结构吊装流程施工（见图 9）。

图9 钢结构构件吊装示意图

钢构件分 3 段出厂，现场组对拼装后，整体提升吊装。将钢柱之间的主桁架先提升至设计位置，然后将主桁架之间的次桁架及次构件吊装到位。钢构件吊装先吊装轴线 9-11 交轴线 C-D 的钢柱和钢梁，形成稳定结构之后再吊装相邻的钢构件，逐步完成吊装任务。

3.3.2 吊点设置

1）钢梁吊点设置。最大钢梁尺寸为 6 0 0 m m×1 400 m m×19 280 m m，重量约 16 t，钢梁上设置 2 个 12 t 吊点。

2）钢柱吊点设置。最重钢柱长度为 13.2 m，重量 12.3 t，使用钢柱上端的吊耳板作为吊点通过 2 根钢丝绳及 2 个卸扣连接。

3）其他小件吊点设置。重量＜ 8 t 的其他小件将使用吊带（5 t）进行吊装。

3.3.3 吊装时对构件的保护

1）吊装时采用焊接吊耳，在构件本身用钢丝绳绑扎时对构件及钢丝绳进行保护。

2）在构件四角包角（用半圆钢管内夹角钢），以防止钢丝绳刻断，在绑扎点处为防止工字钢或 H 型钢柱局部挤压破坏，可增加加劲板，绑扎点处增加支撑杆。

3.4 技术措施

针对高大模板论证中提到的问题采取以下技术措施。

1）地基承载力不足，原设计图纸混凝土地坪采用 100 mm 厚碎石，120 mm 厚 C25 混凝土垫层浇筑；对横向 11-15 轴交 J-A0 轴、以及 2-1/5 轴交线 A-E 轴，断面为 700×1 200、500×1 500、800×1 100、1 000×1 800、800×1 800 mm 等截面较大或自重大的梁，按 120 mm 厚混凝土垫层计算不满足要求，为此在该位置的梁下混凝土地坪，沿梁宽每边各扩出 2 m，厚度增加至 200 mm，通长布置。

2）针对大空间中没有柱，钢管排架无法进行有效拉结固定的情况，在游泳池宽度 33 m 的大空间梁下，分别在位于 9 轴、11 轴交 E 轴设工字钢柱（见图 10、图 11）；在报告厅大跨和风雨操场东西方向的 24 m 大梁跨中设 1 个独立的工字钢柱；该部位大梁分两层浇筑，第一层先行浇筑 800 mm 混凝土，待混凝土与型钢梁柱形成框架，间隔 7 d 再浇筑梁板。