變截面勁性混凝土結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)方法

李婷婷 宋丹雅

上海建工一建集團(tuán)有限公司 上海 200120

為適應(yīng)建筑的發(fā)展趨勢，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來越多地采用了鋼筋混凝土勁性（SRC）結(jié)構(gòu)。與鋼結(jié)構(gòu)相比，SRC結(jié)構(gòu)一般可比純鋼結(jié)構(gòu)節(jié)約鋼材50%以上，比純鋼結(jié)構(gòu)具有更大的剛度和阻尼，有利于控制結(jié)構(gòu)的變形。SRC結(jié)構(gòu)還在多方面優(yōu)化了鋼材的性能：SRC結(jié)構(gòu)可以有效防止鋼構(gòu)件的局部屈曲，顯著提高鋼構(gòu)件的整體剛度，明顯改善鋼構(gòu)件出平面后的扭轉(zhuǎn)屈曲性能。與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，SRC結(jié)構(gòu)的承載力更高，大大改善了結(jié)構(gòu)的抗震性能。鋼骨架本身具有一定的承載力，可以利用它承受施工階段的荷載，可將模板懸掛在鋼骨架上，省去支撐，有利于加快施工速度，縮短施工周期。

作為SRC結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，梁柱節(jié)點(diǎn)的可靠連接是保證結(jié)構(gòu)安全的前提。而SRC結(jié)構(gòu)中勁性鋼骨截面形式的多樣性使得梁柱節(jié)點(diǎn)的深化設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，梁柱節(jié)點(diǎn)域內(nèi)鋼骨變化的定位、勁性鋼骨與鋼筋的可靠連接、加勁板的布設(shè)、密集鋼筋的碰撞避讓等問題的解決迫在眉睫。目前工程中勁性結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)連接處理方式主要有：連接板焊接鋼筋、套筒連接鋼筋、鋼板開孔穿過鋼筋、勁性鋼骨上加外伸式連接件、鋼筋直接錨固和彎曲錨固等方式。不同的連接處理方式直接影響節(jié)點(diǎn)的受力性能，針對不同的勁性鋼骨的截面形式，如何去選擇連接方式并進(jìn)行深化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。針對這些問題，在工程設(shè)計(jì)階段必須給予細(xì)致的考慮，采用科學(xué)、綠色的深化設(shè)計(jì)方法，減少現(xiàn)場施工中鋼筋搭接數(shù)量及鋼筋現(xiàn)場焊接數(shù)量，以保證工程質(zhì)量和工程進(jìn)度。本文將結(jié)合上海徐家匯中心項(xiàng)目，對鋼骨變截面勁性節(jié)點(diǎn)的深化設(shè)計(jì)方法展開研究。

1 工程概況

1.1 工程項(xiàng)目概況

上海徐家匯中心項(xiàng)目地塊東至恭城路、南至虹橋路、西北至宜山北路、北鄰名仕苑住宅區(qū)，總用地面積66 017 m2，如圖1、圖2所示。軌道交通9號線區(qū)間隧道橫穿地塊北部，基地東側(cè)緊貼軌道交通11號線車站。該綜合體項(xiàng)目包括2幢超高層塔樓T1和T2、商業(yè)裙房和酒店，T1塔樓為鋼筋混凝土框架核心筒結(jié)構(gòu)，高220 m；T2塔樓為SRC框架核心筒結(jié)構(gòu)，高370 m；商業(yè)裙房為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，地下部分是勁性鋼柱，1層梁是混凝土梁，2—7層是鋼柱鋼梁加壓型鋼板組合樓板結(jié)構(gòu)；酒店為鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)。

圖1 項(xiàng)目效果圖

圖2 項(xiàng)目周邊環(huán)境示意

1.2 變截面勁性節(jié)點(diǎn)特點(diǎn)

1.2.1 勁性節(jié)點(diǎn)變截面形式多樣化

上海徐家匯中心項(xiàng)目中裙房和塔樓部分存在大量的勁性梁柱節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)又包含了豐富的勁性鋼骨截面變化形式：柱內(nèi)鋼骨十字鋼變工字鋼、柱內(nèi)鋼骨由小工字鋼變大工字鋼、柱內(nèi)鋼骨工字鋼變方鋼、柱內(nèi)鋼骨斜方鋼變直方鋼、梁內(nèi)鋼骨截面漸變等，如圖3所示。

圖3 勁性鋼骨截面變化示意

在勁性鋼骨截面變化的情況下，梁柱節(jié)內(nèi)點(diǎn)鋼筋多數(shù)非常密集，需要在鋼骨、栓釘、套筒、加勁板、連接件等構(gòu)件之外的空間里進(jìn)行梁和柱鋼筋的相互避讓，同時(shí)還需要預(yù)留出梁和柱的保護(hù)層。

這就要求在深化設(shè)計(jì)中慎重處理密集鋼筋的碰撞避讓問題，避免深化返工。

1.2.2 勁性節(jié)點(diǎn)變截面部位的不確定性

本項(xiàng)目中，不同節(jié)點(diǎn)勁性鋼骨截面變化的區(qū)域也不盡相同。勁性鋼骨截面變化位置按照是否存在于節(jié)點(diǎn)域內(nèi)可以分為在節(jié)點(diǎn)域內(nèi)和不在節(jié)點(diǎn)域內(nèi)；按照截面變化的本體可以分為節(jié)點(diǎn)內(nèi)梁鋼骨變化，節(jié)點(diǎn)內(nèi)柱鋼骨變化和節(jié)點(diǎn)內(nèi)梁柱鋼骨均變化。勁性鋼骨變截面區(qū)域的變化，使得不同勁性節(jié)點(diǎn)的鋼筋連接方式的選用靈活性較大，設(shè)計(jì)和施工難度也相應(yīng)增大。

1.2.3 勁性節(jié)點(diǎn)變截面構(gòu)件定位難度大

梁柱節(jié)點(diǎn)內(nèi)鋼骨變化的精確定位是變截面勁性節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)的前提，然而勁性鋼骨截面的變化將會導(dǎo)致梁主筋與鋼骨變化面單向斜交或者雙向斜交，從而大幅度增加設(shè)計(jì)時(shí)的定位難度。這對深化設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)制作、現(xiàn)場施工的相互溝通提出了更高的要求，必要時(shí)需結(jié)合Tekla模型，利用BIM進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)[1]。

2 變截面勁性節(jié)點(diǎn)域深化設(shè)計(jì)基本原則

2.1 垂直相交

垂直相交一般指鋼骨變截面區(qū)域不在節(jié)點(diǎn)域內(nèi)的情況，此時(shí)節(jié)點(diǎn)內(nèi)情況相對簡單。柱主筋在鋼梁的翼緣附近時(shí)，可以將套筒焊接在型鋼梁翼緣上，柱主筋與套筒連接在一起。柱箍筋被鋼梁隔斷無法形成閉環(huán)時(shí)，可以在鋼梁腹板上附加加勁板，柱箍筋焊接在加勁板上，也可以在鋼梁腹板上開孔，使箍筋穿過形成閉環(huán)。梁主筋與鋼柱的翼緣板垂直相交時(shí)，可以將套筒焊接在型鋼柱翼緣上，梁主筋與套筒連接在一起；梁主筋與鋼柱的翼緣板的連接，也可以采用焊接的處理方式，在鋼柱翼緣上焊連接板，梁主筋焊接在連接板上。梁主筋與鋼柱的腹板相交時(shí)，可以將梁主筋焊接在鋼柱的加勁板上；在滿足彎錨長度要求和空間允許的情況下也可采用彎錨方式進(jìn)行連接。

2.2 單向斜交

單向斜交的情況有：梁與柱斜交導(dǎo)致梁主筋與鋼柱的翼緣板斜交；梁與柱垂直相交，且梁主筋與柱鋼骨傾斜變化面斜交；梁與柱垂直相交，且梁鋼骨漸變導(dǎo)致梁底鋼筋與柱鋼骨斜交。梁主筋與鋼柱的翼緣板輕微斜交時(shí)，可將套筒切角后焊接在型鋼柱翼緣上，梁縱筋與套筒連接在一起，也可采用焊接的處理方式。梁主筋與柱鋼骨傾斜變化面斜交時(shí)，若鋼骨變化面傾斜幅度較?。ǎ?0°），可采用套筒連接梁縱筋和柱鋼骨。梁鋼骨漸變導(dǎo)致梁鋼筋與柱鋼骨斜交時(shí)，可采用套筒連接梁縱筋和柱鋼骨。

2.3 雙向斜交

雙向斜交主要分為兩類：梁柱節(jié)點(diǎn)內(nèi)，柱的勁性鋼骨的變化將導(dǎo)致梁主筋與柱鋼骨變化面斜交，若此梁在結(jié)構(gòu)平面上與柱也是斜交關(guān)系，會導(dǎo)致梁主筋與柱鋼骨變化面雙向斜交。另外一些梁柱節(jié)點(diǎn)內(nèi)，梁的截面隨勁性鋼骨一起漸變，此時(shí)梁主筋與柱鋼骨斜交，若此梁在結(jié)構(gòu)平面上與柱也是斜交關(guān)系，同樣會導(dǎo)致主筋與變化面雙向斜交。

針對梁柱節(jié)點(diǎn)內(nèi)鋼筋與勁性鋼骨的雙向斜交問題，本文中提到采用“改斜歸正”的方法，通過外伸式套筒連接件，使雙向斜交轉(zhuǎn)化為單向斜交，達(dá)到簡化設(shè)計(jì)的目的。

3 變截面勁性節(jié)點(diǎn)深化關(guān)鍵設(shè)計(jì)方法

3.1 變截面部位勁性節(jié)點(diǎn)區(qū)化繁為簡

在本項(xiàng)目T1塔樓區(qū)域，型鋼骨在22層從十字形變?yōu)門字形，33層從T字形變?yōu)楣ぷ中?，按設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行深化時(shí)發(fā)現(xiàn)，鋼骨變截面位置開始位置在樓層標(biāo)高處，變截面位置對節(jié)點(diǎn)內(nèi)鋼筋連接方式產(chǎn)生很大影響，主要體現(xiàn)在梁頂受力主筋因鋼骨截面變化導(dǎo)致的彎折錨固長度不足、與梁縱筋焊接的節(jié)點(diǎn)板因鋼骨截面變化位置外移與柱縱筋沖突、梁底縱筋與上下柱2排縱筋交叉排布困難，這些問題很難在深化設(shè)計(jì)中調(diào)整解決，經(jīng)與設(shè)計(jì)單位協(xié)商，改變鋼骨變截面位置至樓層標(biāo)高平面以下，并且過渡段終止位置低于梁底，如圖4所示。變化后，鋼骨變截面部位與梁柱相交節(jié)點(diǎn)位置分離，將復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)簡單化，梁主筋錨固長度增加，可通過1∶6彎折避讓鋼骨進(jìn)行彎折錨固；所需焊接連接板隨鋼骨截面減小而往中心收縮，變截面位置柱主筋與焊接連接板位置沖突問題解決。

圖4 變截面勁性節(jié)點(diǎn)化繁為簡示意

3.2 梁柱斜交區(qū)域“改斜歸正”

在本項(xiàng)目裙房區(qū)域，型鋼柱截面變化位置處于樓層標(biāo)高向下，鋼骨變化通過1∶6斜率過渡，此時(shí)梁頂標(biāo)高若與樓層標(biāo)高相同，梁頂縱筋必與過渡區(qū)域斜板碰撞，若無法使縱筋彎錨或通過節(jié)點(diǎn)板焊接，則需使用套筒與鋼骨連接，此時(shí)套筒需在豎直方向按1∶6斜率切角，方便焊接于鋼骨，同時(shí)，若梁與柱在水平方向?yàn)樾苯?，即出現(xiàn)“雙向斜交”的情況，則套筒需在水平方向也進(jìn)行切角來保證鋼筋與套筒正面連接。當(dāng)任意方向所需的切角大于30°時(shí)，無法通過套筒切角“改斜歸正”，此時(shí)，建議采用一種外伸式套筒連接件，如圖5所示，不受角度限制，可以通過調(diào)整節(jié)點(diǎn)板尺寸使套筒連接件與梁縱筋垂直，“改斜歸正”，方便縱筋錨固。

圖5 在型鋼柱上的外伸式套筒連接件

在部分變截面型鋼梁中，在高度變化過渡區(qū)域，梁底縱筋會與過渡部分的斜鋼板發(fā)生碰撞，由于過渡區(qū)域鋼板角度偏緩，與豎直方向夾角較大，無法直接使用套筒焊接于型鋼梁，此時(shí)仍采用外伸式套筒連接件，將型鋼梁連接部位“改斜歸正”，與縱筋連接，如圖6所示。

圖6 在變截面型鋼梁上的外伸式套筒連接件

3.3 多截面形式綜合分析

在進(jìn)行存在變截面型鋼柱的勁性混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)深化時(shí)，因截面變化，節(jié)點(diǎn)處同時(shí)存在多種鋼骨形式，不同標(biāo)高處對應(yīng)不同形式，因此，深化工作的第一步是確定鋼骨形式與各梁頂、底的標(biāo)高，通過梁縱筋所在不同標(biāo)高位置，可以初步確定縱筋在柱內(nèi)的錨固方式，然后通過平面和立面綜合考慮，確定具體的錨固方式。

在此類變截面型鋼節(jié)點(diǎn)中，存在很多鋼骨焊接的情況，如圖7所示。在工字型鋼變?yōu)榇筇柗戒摴艿氖纠?，上下型鋼通過與1∶6的斜板焊接進(jìn)行過渡，此時(shí)，2-2剖面兩側(cè)為高低梁，其梁頂縱筋恰巧分別處于上下焊接處，為方便套筒焊接、保證焊接處有效，可適當(dāng)增加保護(hù)層厚度，上下調(diào)整套筒位置，避免焊縫密集[5]。同理，在遇到外節(jié)點(diǎn)板與鋼骨焊接處接近時(shí)，可適當(dāng)調(diào)整節(jié)點(diǎn)板的位置，避開焊接處。由圖7可知，除與鋼骨套筒連接的梁縱筋外，梁兩側(cè)還存在彎錨至柱對面的縱筋，考慮到與垂直方向縱筋的碰撞問題，現(xiàn)場施工時(shí)需要注意縱筋的上下避讓。

圖7 某變截面型鋼節(jié)點(diǎn)

同時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)處存在多種鋼骨形式，不同標(biāo)高處對應(yīng)不同形式，在選擇內(nèi)節(jié)點(diǎn)板形狀尺寸時(shí)，需綜合考慮四周套筒標(biāo)高、縱筋彎錨或焊接、混凝土澆搗等因素，選擇合適的節(jié)點(diǎn)板形狀。

4 結(jié)語

本文提出了3種變截面勁性節(jié)點(diǎn)深化的設(shè)計(jì)方法——化繁為簡、“改斜歸正”和綜合分析，有效解決了變截面勁性節(jié)點(diǎn)深化過程中節(jié)點(diǎn)區(qū)域復(fù)雜、梁柱密集縱筋難協(xié)調(diào)、梁筋在柱內(nèi)難錨固、節(jié)點(diǎn)板在多種因素下難選擇與定位等問題，提高了深化設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確性，降低了現(xiàn)場施工的難度。