裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)公共建筑主要技術(shù)分析

鄭普飛

（甘肅省科工建設(shè)集團有限公司，甘肅 蘭州）

引言

本文以某裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)公共建筑為例闡述了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容，特別是對于大懸挑架構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計和抗震等級設(shè)計、轉(zhuǎn)換大跨度設(shè)計等層面加以詳細闡述。在此基礎(chǔ)上提出了更加符合鋼梁鋼柱連接、鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土梁連接的節(jié)點構(gòu)造，利用此種節(jié)點構(gòu)造能夠?qū)崿F(xiàn)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑節(jié)點的有效連接，提升其便利性、安全性和性價比，對于進一步推動裝配式鋼結(jié)構(gòu)公共建筑設(shè)計水平的提升具有促進作用。

1 工程概況

眾邦國貿(mào)中心位于蘭州市安寧區(qū)，地處銀灘黃河大橋以北，西臨萬新南路，南鄰眾邦金水灣住宅小區(qū)，東臨住宅樓，北臨天居·錦河丹堤住宅小區(qū)，是集5A級寫字樓和超五星級酒店、商務(wù)辦公、餐飲、文娛于一體的地標性超高層城市綜合體，引領(lǐng)西部的豪華大型宴會廳，豪華酒店與高端辦公的完美結(jié)合，填補了安寧區(qū)的空白。該項目的建設(shè)能加快該地區(qū)舊城區(qū)改造步伐。此工程的施工對于提升城市形象、完善城市生態(tài)景觀體系，均有重大價值。

此建筑工程鋼結(jié)構(gòu)工程主要分為B1 區(qū)、B2 區(qū)和B3 區(qū)三個區(qū)域。項目由48 層5A 級寫字樓、36 層超五星級酒店及4 層裙樓組成，建筑總高度239.275 m，總建筑面積161 696.85 m2，結(jié)構(gòu)類型為型鋼混凝土核心筒結(jié)構(gòu)和型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)，總用鋼量約1.6 萬t。該項目主要構(gòu)件采用十字柱、王字柱、H 型等多種形式，組合柱單根最大重量達24.38 t，最大板厚為50 mm，加工、運輸及安裝的困難系數(shù)高。

2 裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)公共建筑設(shè)計和集成技術(shù)

2.1 V 型柱轉(zhuǎn)換大跨度、大懸挑結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計

將該建筑的抗震等級設(shè)定為主樓抗震三級、裙房抗震四級。目的在于利用科學合理結(jié)構(gòu)使得建筑實現(xiàn)小震不壞、大震可修復(fù)的目標。此建筑主要的抗震目標是：抗震防裂度設(shè)定為7 度，場地類型為二類，基礎(chǔ)地震加速度為0.1 g，基本風壓0.35 kN/m2，基本雪壓0.7 kN/m2。建筑不同部分基礎(chǔ)形式有所差異，其中主樓的基礎(chǔ)主要為“人工挖孔樁+筏板基礎(chǔ)”，裙樓的基礎(chǔ)主要為“獨立基礎(chǔ)+防水板”，樓面所用載荷如表1所示。為了滿足強度要求，主樓的混凝土梁和矩形鋼柱進行連接時主要采取的是混凝土梁內(nèi)包鋼結(jié)構(gòu)牛腿的方式，同時要在裙房處的圓管柱位置增設(shè)鋼結(jié)構(gòu)環(huán)板，同時外部包裹鋼筋混凝土環(huán)梁，提升整個連接的強度。地下室部分采用外包型柱腳的形式，可以提升鋼架構(gòu)下半部分總體的剛度，而在頂板位置采取常規(guī)的鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)。

表1 建筑樓面采用載荷值

為了達到設(shè)定外立面空間的標準，利用兩個高9 m 的V 形鋼柱+大尺寸箱梁的方式對裙房進行支撐，從而搭建出大跨度的多層建筑，形成較為美觀的建筑。在工廠車間進行箱梁柱的提前制作，使用等強熔透焊的形式讓其具有設(shè)計形狀，然后將其運輸?shù)阶鳂I(yè)場所組裝。具體到裙房而言，為了滿足外觀的需要，要采用兩組V 形鋼柱（間距13 m）連接大跨度（28 m）的懸挑鋼梁，如圖1 所示。同時以此大跨度梁為基礎(chǔ)來承載上部兩層結(jié)構(gòu)[1]，圖2 為V 型鋼板結(jié)構(gòu)示意。

圖1 V 型鋼板連接加固的鋼結(jié)構(gòu)梁柱結(jié)構(gòu)示意

圖2 V 型鋼板結(jié)構(gòu)示意

第一，巨型V 形柱。該V 型鋼柱采取截面1 000 mm×1 000 mm 的矩形截面，為了提升整體強度，要在鋼柱的局部增加壁厚，采取外包式的柱腳（外包厚度≥250 mm）。所在區(qū)域的基礎(chǔ)為獨立型基礎(chǔ)，利用寬底板來承載柱腳的彎矩載荷。設(shè)計時要對不同工況實施充分分析，嚴控鋼柱的受力變形。另外，在對鋼柱上部和鋼梁進行連接時主要采取的是鋼梁貫通的方式，以此來確保整體的強度。同時要在柱端內(nèi)合適位置設(shè)置加強筋，保證其焊接質(zhì)量[2]。

第二，轉(zhuǎn)換大跨度、大懸挑框架。裙房共兩層樓，主梁跨度在28 m 左右，上半部分的轉(zhuǎn)換發(fā)揮對樓面進行支撐的作用。與此同時另向樓面梁外部挑高是8 m，使用鋼筋混凝土樓板，厚度具體為120 mm，主跨采取的是截面尺寸為650 mm×1 500 mm 的箱型梁，確保鋼梁的撓度≤1/600 跨度。對其進行設(shè)計計算時要充分考量上下部結(jié)構(gòu)的協(xié)作性問題，同時也要考慮到地震的影響，要確保主跨鋼梁水平轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性。為了保證其良好的抗震性，需要對關(guān)鍵桿件、關(guān)鍵節(jié)點設(shè)置必要的加強措施，對于主鋼梁應(yīng)力比進行嚴格管控。

第三，抗震性能的設(shè)計。鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能設(shè)計是非常關(guān)鍵的，在進行性能設(shè)計過程中要遵照如下流程：對小震情況進行核定，保證其承載性能、層間位移符合《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）的規(guī)定；所選定的塑性耗能區(qū)性能等級為Ⅳ級；明確抗震等級標準下鋼結(jié)構(gòu)的載荷能力；了解節(jié)點延性級別、地震預(yù)防舉措、核心構(gòu)件等與有關(guān)要求是否一致；對于地震等級較高情況下層間移動情況進行核定。

在具體操作時要按照結(jié)構(gòu)特性、使用功能等確定結(jié)構(gòu)的塑性耗能區(qū)等級，以此為基礎(chǔ)確定出各種彈性負載力狀況下所使用的延性管控形式，進而確保地震狀況下架構(gòu)能夠依照所設(shè)計的延性結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性形狀變化。

2.2 裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)建筑關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計

為防止構(gòu)件銜接點過多而影響安裝效率，設(shè)計了與鋼筋混凝土梁、鋼管混凝土、鋼柱鋼梁銜接的有關(guān)構(gòu)件，可以使裝配式建筑不同構(gòu)件連接問題得到有效處理。

第一，對于裝配式建筑來說，疊合板是最為重要的部分之一，在具體工程中有著非常廣泛的應(yīng)用。一般情況下為了加強梁柱節(jié)點中弱構(gòu)件的連接，常常采取如下兩種方式，一種是在梁翼緣粘貼蓋板，但是需要對疊合板的某些位置進行切槽；另一種是加寬翼緣，這會造成梁外包不夠便利[3]。采取傳統(tǒng)方式會對疊合板受力造成較大影響，同時也會對施工造成限制，并不利于裝配式建筑運用。對于這種情況下，設(shè)計了可以穩(wěn)定銜接、施工十分便捷并且性價比較高的裝配式建筑梁柱連接節(jié)點，如圖3 所示。

圖3 梁柱連接節(jié)點

此種節(jié)點可以確保梁翼緣處表面非常平直，進而保證疊合板底層平直度，可以保證疊合板和鋼梁更高質(zhì)量的連接。

此種連接方式的具體特征在于：將加強段梁焊接到鋼梁的端部來增強梁體的性能，使得梁伸到鋼柱側(cè)板外壁強度有所提升，確保增強梁體上下翼緣外表面的平整性，將其和鋼柱栓焊相連。要保證所增強梁體翼緣厚度比鋼梁翼緣厚一些，另外應(yīng)當保證兩者寬度一致。此外，應(yīng)當在鋼梁頂端設(shè)立加強段的同時也要增加加強段翼緣的厚度，將原有截面梁和加強段梁實施有效連接形成整體，之后將加強以后鋼柱與梁體進行栓焊銜接，另外把疊合板放至梁體上翼緣部位。在梁柱的節(jié)點位置增設(shè)加強段梁可以進一步增加梁翼緣表層的平整性，更便于疊合板和鋼梁的有效連接，可以有效解決疊合樓板破損以及安裝便利性不足等問題。同時遵照了“強節(jié)點、弱構(gòu)件”的基本設(shè)計原則，能夠確保疊合樓板底層的平整性，防止為了增強梁柱節(jié)點而導(dǎo)致切槽或者外漏缺陷，更利于運用到裝配式建筑中。

第二，鋼筋混凝土梁與鋼管混凝土柱銜接節(jié)點。在當前時期有關(guān)要求的情況下，對于特殊位置（例如地下室頂板梁）的梁來說，往往采取鋼筋混凝土梁來實現(xiàn)良好的人防要求，同時要采取箱型鋼管混凝土柱加以輔助，然而兩者相連的穩(wěn)定性是需格外重視的。從目前來看，主要采取的連接模式是梁穿過柱子進行連接，然而該種形式會導(dǎo)致鋼管混凝土柱硬度降低，對其性能造成影響，同時施工不夠便利[4]。針對此，為了能夠更加便利、安全地對梁和柱進行連接，設(shè)計了用于鋼管混凝土柱與多層配筋鋼筋混凝土梁連接的節(jié)點和運用到鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土梁相連方面的節(jié)點，具體情況如圖4、圖5 所示。

圖4 鋼管混凝土柱與多層配筋鋼筋混凝土梁連接的節(jié)點

圖5 鋼管混凝土柱與單層配筋鋼筋混凝土梁連接的節(jié)點

（1） 對于鋼管混凝土柱與多層配筋鋼筋混凝土梁連接的節(jié)點來說，鋼管混凝土柱鋼管外部與鋼筋混凝土梁相連，在連接節(jié)點范疇中設(shè)計了套筒、栓釘、牛腿等，具體而言水平方向的連接板與套筒設(shè)定在牛腿的上下翼緣板中間。同時鋼筋混凝土梁設(shè)置了多排的梁縱筋，按照上下順序進行排列，上下排的梁縱筋分別和牛腿的上下翼緣板進行固定，其他排的梁縱筋和相對應(yīng)的橫向連接板或套筒實施固定。同時，在鋼管外部節(jié)點位置設(shè)置鋼筋混凝土外包環(huán)，此環(huán)主要是在內(nèi)部嵌有外包鋼筋籠的混凝土環(huán)，將此環(huán)的內(nèi)側(cè)壁和鋼管外側(cè)壁緊密貼合，同時將其外側(cè)壁和鋼筋混凝土梁進行搭接，確保整個外包環(huán)可以將鋼管外部的牛腿、栓釘、橫向連接板和套筒全部包裹住，同時也要保證鋼筋混凝土外包環(huán)可以將鋼筋混凝土梁的上下表層全部覆蓋。

（2） 對于鋼管混凝土柱與單層配筋鋼筋混凝土梁連接的節(jié)點來說，鋼管混凝土柱鋼管外部和鋼筋混凝土梁進行連接，在連接節(jié)點的范圍內(nèi)設(shè)置了牛腿和栓釘?shù)葍?nèi)容，同時將牛腿上翼緣板和鋼筋混凝土梁梁頂縱筋進行充分連接，并且要將牛腿下翼緣板和鋼筋混凝土梁梁底縱筋進行連接。同時，在鋼管外部節(jié)點位置設(shè)置鋼筋混凝土外包環(huán)，將此環(huán)的內(nèi)側(cè)壁和鋼管外側(cè)壁緊密貼合，同時將其外側(cè)壁和鋼筋混凝土梁進行搭接，確保整個外包環(huán)可以將鋼管外部的牛腿、栓釘、橫向連接板和套筒全部包裹住，同時也要保證鋼筋混凝土外包環(huán)可以將鋼筋混凝土梁的上下表層全部覆蓋。其做法如圖6 所示。

圖6 鋼柱柱腳節(jié)點做法

對于與單層配筋鋼筋混凝土梁銜接的節(jié)點而言，大多是運用鋼筋混凝土梁縱筋與牛腿進行固定，而且加之外包鋼筋混凝土保證鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土梁能夠更穩(wěn)固地相連。使用該種連接形式可以防止鋼筋混凝土梁從鋼管混凝土柱內(nèi)穿行，可以保證鋼管混凝土柱的完備，如此便可以保證鋼管混凝土柱硬度達標，可以防止安全風險的產(chǎn)生。此外，因為其無需從鋼管混凝土柱穿行，為此可以讓施工成本下降、便捷度提高。

結(jié)束語

綜上所述，本文以眾邦國貿(mào)中心為工程背景展開探究，其裝配式高層鋼框架公共建筑核心技術(shù)能夠運用到房地產(chǎn)等公共構(gòu)筑類項目中，客戶具體有設(shè)計企業(yè)、投資企業(yè)、原料供給企業(yè)、施工企業(yè)等，工程運用能夠當做我國其他裝配式鋼架構(gòu)公共建筑參照，另外在社會效益、利潤賺取方面也有很大價值。