鋼筋混凝土結構與新增鋼結構節(jié)點優(yōu)化設計

潘仲平

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南長沙 410004）

近幾年，我國經濟發(fā)展過程中，隨著我國建筑產業(yè)的整體發(fā)展規(guī)模不斷擴張，各種新型建筑結構越來越多樣化。鋼筋混凝土結構作為建筑工程當中常見的結構之一，鋼筋混凝土結構的強度和穩(wěn)定性直接影響建筑工程的使用安全性。傳統(tǒng)的建筑結構具有鋼結構與混凝土結構的多方面性能優(yōu)勢，在我國各類工程建設工作中應用非常普遍，經過多年的工程實踐積累，該項工程施工體系已經日漸完善，有效解決了工程施工中的重點和難點問題。

1 工程概況

結合我國某地區(qū)一處大型建筑工程施工案例展開分析，本項目工程總建筑面積12 500 m2。建筑首層高度為7.6 m，首層結構設計工作中支模架和模板鋪設工作完成后，其中一條框架梁因為上部結構荷載量的不斷上升，需要在框架梁體結構內部新增加型鋼結構，保證梁體節(jié)內尺寸為300 mm×800 mm。鋼結構配筋形式為上部10Ф28、下部4Ф25，其中新增加的鋼截面尺寸規(guī)格為H200 mm×500 mm，鋼梁結構側方區(qū)域距離鋼翼緣邊緣區(qū)域距離為50 mm。扣除橫梁和縱梁箍筋結構尺寸，只能勉強滿足鋼筋結構的防護層厚度，鋼體結構梁體正上方無法插入振搗棒，造成梁體結構部分混凝土材料均勻程度不足，存在一定的質量安全隱患。梁體結構側向寬度不足，原結構設計工作中存在的支撐鋼筋結構無法進行施工，需要對箍筋部分進行優(yōu)化和設計。

2 鋼筋混凝土結構與新增鋼結構設計

建筑工程首層下部結構設置兩片獨立的剪力墻結構，墻體內部含有型鋼結構，剪力墻結構的內部鋼柱安裝工作完成后，需要在±0.000 m標高位置，新增加外框架梁體結構，與兩片剪力墻結構之間進行連接。

現(xiàn)場型鋼柱安裝工作已結束，安裝規(guī)范要求不允許在工程施工現(xiàn)場直接進行開孔處理，梁體結構的縱向箍筋無法滿足錨固施工需要的長度，應對框架梁結構進行優(yōu)化和處理。在空間優(yōu)化過程中，工程原有的框架結構為構造配筋結構，梁體沒有承擔扭矩作用，原本設計的支箍筋和混凝土提供出該梁體結構斜截面承受的最大承載能力[1]。

通過優(yōu)化原有的支撐箍筋作為雙向支撐結構，可以有效保證鋼筋混凝土結構的整體穩(wěn)定性。在優(yōu)化設計工作方面，確認原本設計的框架結構混凝土層等級，空間設置為HRB400，截面尺寸規(guī)格300 mm×800 mm，防護層厚度為25 mm。對箍筋結構進行優(yōu)化處理后，需要充分符合工程施工規(guī)范要求，通過和設計工作單位之間的有效溝通，同意使用該種配筋形式進行施工，有效避免型鋼翼緣部分需要進行開孔處理。

3 型鋼開孔后補強設計工作

在新增加的型鋼梁翼緣部分寬度為200 mm，框架梁截面的實際寬度僅為300 mm，去除縱向箍筋和橫向箍筋后，實際的寬度大小僅能滿足防護層的基本厚度，鋼筋和型鋼相互之間存在的空隙無法直接插入振搗棒，混凝土材料中的粗骨料也無法實現(xiàn)順利進入梁體結構內部，建筑梁的澆筑施工質量無法得到有效保障。

3.1 箍筋優(yōu)化設計

有效結合鋼骨混凝土結構設計規(guī)范標準，在條文當中明確指出，在某種特殊狀態(tài)下，需要將翼緣部分進行開孔處理時，必須保證型鋼截面的缺損率控制在20%之內，還需要充分保證型鋼達到全塑性彎矩設計工作標準，不能產生明顯的破壞性問題。經過設計計算分析后，充分考慮實際型鋼在使用過程中存在的剪切力以及軸向應力產生的影響，考慮使用鋼材強化階段的不穩(wěn)定性因素、翼緣缺損率在20%以內，保證型鋼材料在達到全塑性彎矩條件下，不會產生明顯的破壞性問題[2]。

本次工程施工型鋼結構上翼緣部分，會直接影響混凝土工程施工質量，充分考慮型鋼上翼緣部分開混凝土的進料口和振搗口，根據(jù)上述分析得出型鋼材料翼緣部分的缺損率控制在20%以下，因此開孔直徑大小需要小于40 mm，符合標準的規(guī)范設計工作要求。該框架結構上部鋼筋和下部型鋼翼緣部分受到外部壓力作用相對較大，翼緣部分的上開孔對于抗彎效果會產生不利影響，在上部翼緣開孔部分需要對型鋼梁一端1/3范圍內進行控制，考慮開挖工孔后的集中應力的影響?；炷凉こ淌┕ね瓿珊笮枰a強處理。

箍筋優(yōu)化設計如圖1所示。

圖1 箍筋優(yōu)化設計（單位：mm）

3.2 型鋼材料上翼緣的開孔部分優(yōu)化設計

型鋼材料上翼緣的開孔部分需要在加工廠內部直接進行加工，現(xiàn)場模板安裝鋼筋綁扎工作完成后，需要分為兩次進行混凝土澆筑施工。

第一次混凝土澆筑過程中，需要在振搗棒表面焊接Ф18鋼筋直接插入型鋼開孔位置，對混凝土材料進行振搗處理，采取邊振搗邊澆筑的方法，充分實現(xiàn)型鋼上下翼緣部分混凝土材料的充分振搗和密實，直到混凝土表面浮漿上浮到翼緣孔洞位置，停止混凝土澆筑施工。

型鋼材料上翼緣部分如圖2所示。

圖2 型鋼材料上翼緣部分

第一次混凝土澆筑施工完成后，混凝土構件具有一定強度后，刮掉翼緣部分表面多余的混凝土材料，使用工業(yè)丙酮材料清理翼緣區(qū)域，焊接40 mm×60 mm的加強板結構，厚度和型鋼的翼緣部分厚度保持相同。在型鋼翼緣部分進行等面積補強處理，可以進一步提高型鋼結構的抗彎折能力補強板，焊接完成后可以進行后續(xù)的混凝土梁澆筑施工[3]。

4 增加搭筋板節(jié)點優(yōu)化設計

原建筑梁體結構沒有設置框架梁，施工完成后的型鋼在腹板位置上沒有提前加工框架梁到縱向箍筋和扭筋孔洞。根據(jù)型鋼混凝土鋼筋排布和構造分析可以得出，梁體結構的上部縱向鋼筋和扭筋平直段錨固長度超過標準預定長度，但因為規(guī)范要求當中的規(guī)定，定型鋼禁止在現(xiàn)場進行開孔處理。

通過BIM模型分析可以得出，梁體結構上部縱筋一側方向上的扭筋無法有效穿過型鋼腹板位置，如果在型鋼腹板表面直接焊接搭筋板，需要將框架梁結構從縱向鋼筋和扭筋部分直接焊接在搭筋板表面，保證鋼筋和鋼柱之間形成一個整體，使得錨固能力更安全可靠。

但在框架梁受力過程中，由于上部結構鋼筋的拉應力，可以全部傳遞到鋼柱的腹板位置，鋼柱腹板只能承受來自橫向方向上受到的剪應力作用。軸向方向上的拉力對腹板的作用力相對較大，會對腹板的結構穩(wěn)定性產生影響，縱向鋼筋和扭筋的拉應力不能通過腹板直接進行承受，需要通過鋼筋自身的錨固能力來進行承擔。

搭筋板如圖3所示。

圖3 增加搭筋板

本次工程型鋼腹板距離剪力墻的邊緣位置200 mm框架梁，縱向方向根據(jù)設計規(guī)范的要求，平直段的長度需要超過350 mm，需要重新需要穿過腹板150 mm，在腹板的另外一側需要設置出規(guī)格相同的搭筋板，將剩余的150 mm平直段鋼筋材料，彎折處理后直接焊接在拉筋板表面，提供相應的拉力作用。

搭筋板的設置工作需要保證在兩端的同一標高進行，縱向鋼筋和拉筋板的焊接屬于雙面焊接形式，焊接縫的有效厚度作為主筋直徑大小的30%，焊縫的有效高度為主筋直徑的80%。在腹板兩側區(qū)域同時設置標高搭筋板后，作為不參與框架梁結構的內部受力鋼筋，受到的拉應力全部通過錨固段進行承受[4]。

5 結語

綜上所述，現(xiàn)階段對于鋼筋材料和型鋼的連接，已經具備一套比較成熟的處理技術，主要包含套筒連接型鋼開孔、鋼構件焊接等相關工作流程，相關工程施工單位需要在新增鋼結構之前，對節(jié)點部分進行全面優(yōu)化與設計，制定針對性的節(jié)點設計優(yōu)化方案，提高鋼筋混凝土結構的整體穩(wěn)定性，全面提升工程質量。