大跨度大截面型鋼混凝土施工技術(shù)

畢彥春

(中鐵建工集團有限公司，北京 100160)

1 概念

型鋼混凝土(Steel Reinforced Concrete，簡稱SRC)是指在混凝土中主要配置型鋼，并配有一定的縱向受力鋼筋和橫向箍筋的結(jié)構(gòu)，是鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)的一種主要形式。

2 特點

型鋼混凝土構(gòu)件中的型鋼和混凝土在箍筋及型鋼本身約束下形成一體，讓兩種材料的強度都能得到充分的利用，其性能優(yōu)于型鋼與混凝土的簡單疊加。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)作為一種新型結(jié)構(gòu)，匯集了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)各自的主要優(yōu)點，具有一系列不同的特性。

2.1 型鋼混凝土與鋼筋混凝土的比較

(1)變形能力強，抗震性能好。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于混凝土材料的脆特別是同一層柱剛度相差很大、擔負剪力不均衡或是當結(jié)構(gòu)存在較大偏心構(gòu)件容易發(fā)生剪切破壞，結(jié)構(gòu)的延性較差。型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件更好的延性和耗能性能，改善了混凝土構(gòu)件破壞時的脆性性質(zhì)，和抗震性能。

(2)承載力高，構(gòu)件自重小。在抗震設(shè)計中，鋼筋混凝土柱截面由軸壓比決定。由壓比限值的限制，混凝土柱的的截面尺寸選取得很大。使用型鋼混凝土載力高于同截面鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載力，從而減小構(gòu)件截面，不會形成肥梁胖柱，增加使用空間。

2.2 型鋼混凝土與純鋼的比較

(1)受力合理，延性好。型鋼混凝土構(gòu)件充分利用混凝土的抗壓性能和鋼材的抗拉壓性能，鋼筋混凝土與型鋼形成整體，共同受力，有利于提高型鋼的整體穩(wěn)定性和鋼板的局部屈曲，不易發(fā)生屈曲失穩(wěn)及梁的側(cè)向失穩(wěn)，具有很好的延性。

(2)耐久性和耐火性良好。由于型鋼埋入混凝土中，混凝土對型鋼形成保護層作用，可以很好地鋼材銹蝕和火災(zāi)危害，具有良好的耐久性和耐火性。

綜上所述，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)是一種很有發(fā)展前途的結(jié)構(gòu)，應(yīng)充分加強對它的研究和應(yīng)用。

3 背景

隨著城市建設(shè)的發(fā)展與建筑技術(shù)的進步，大跨度、大截面以及高層建筑已經(jīng)成為建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的主要方向之一。由于型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)承載能力高、剛度大及抗震性能好等優(yōu)點，已越來越多地應(yīng)用于大跨度、大截面結(jié)構(gòu)和抗震要求高的建筑及超高層建筑。

型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)又稱為勁性混凝土結(jié)構(gòu)或包鋼混凝土結(jié)構(gòu)，是在型鋼結(jié)構(gòu)外面包裹與曾鋼筋混凝土外殼形成的型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)。型鋼混凝土可以做成多種構(gòu)件，更能組成多種結(jié)構(gòu)，他可代替鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用于各類建筑和橋梁中。型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的外包混凝土可防止鋼構(gòu)件的局部屈曲并能提高鋼結(jié)構(gòu)的整體剛度，顯著改善鋼結(jié)構(gòu)的平面扭轉(zhuǎn)屈曲性能，使鋼材的輕度得到充分的發(fā)揮，此外混凝土增加了結(jié)構(gòu)的耐久性和耐火性。

于家堡站房工程是京津城際延伸線終點站，建筑規(guī)模為地下2層。地下部分結(jié)構(gòu)考慮運營期間使用功能及景觀要求，車站站臺范圍不設(shè)中間立柱，只能在城際站臺兩線間設(shè)置結(jié)構(gòu)中立柱，中立柱為鋼管混凝土柱，橫向最大跨度20.5m，柱縱向最大跨度9m。地上為單層網(wǎng)殼ETFE膜結(jié)構(gòu)采光屋面，頂板需要承受屋面巨大的荷載，所以在鋼管立柱上設(shè)置型鋼梁，采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，這樣不僅能夠保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而且提高了車站的抗震性能。

4 工程概況

于家堡站地處濱海新區(qū)于家堡中心商務(wù)區(qū)北端，是于家堡綜合交通樞紐工程的一部分，其中于家堡站房建筑面積為86200m2。本項目蓋挖區(qū)負一層頂板建筑面積19000m2，層高為10.7m，局部降板層高為8.3m，頂板結(jié)構(gòu)為型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，鋼梁為工字型鋼梁，截面有H1400*800*16*30、H1800*800*20*40、H2600*850*32*50等截面類型，負一層頂板梁鋼筋綁扎難度大、主梁斷面尺寸較大，負一層頂板設(shè)計厚度500mm，局部降板厚度為300mm。頂板使用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)很好的承受了穹頂鋼結(jié)構(gòu)的巨大荷載，增加了其抗震性能。

圖1 工程地理位置示意圖

圖2 工程總平面效果圖

5 施工工藝原理

通過型鋼與高強混凝土之間相互約束，使各自的強度得到了提高，增加了結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的延性，從而改善由于高強混凝土本身延性差而帶來的不利于抗震的脆性特性，增加了結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的抗震性能。

6 關(guān)鍵施工技術(shù)

6.1 施工工藝流程

型鋼柱：深化設(shè)計各節(jié)點圖→型鋼柱加工制作、運輸→鋼柱測量定位→地腳螺栓與預(yù)埋底板埋設(shè)→底板下混凝土澆筑→底板無收縮混凝土灌縫→起吊→就位→臨時固定→型鋼安裝與較正(軸線及垂直度)→預(yù)埋底板與鋼柱焊接連接(必須對稱施焊)→焊縫處理→焊接外觀檢驗→超聲波探傷檢驗→合格后外圍柱子鋼筋綁扎→柱子模板安裝→柱子混凝土澆筑(只能澆筑到梁底)。

型鋼梁：深化設(shè)計各節(jié)點圖→型鋼梁加工制作、運輸→起吊→就位→臨時固定→調(diào)節(jié)水平、豎向調(diào)節(jié)絲桿→校正軸線垂直度、標高→焊接固定點→焊接腹板側(cè)邊→焊接翼緣抗剪連接件→焊縫處理→焊接外觀檢驗→超聲波探傷檢驗→合格后外圍梁鋼筋綁扎→梁模板安裝→梁混凝土澆筑。

6.2 施工操作要點

6.2.1 型鋼梁深化設(shè)計

繪制每一個梁縱向鋼筋穿過鋼管柱頂部及補強的節(jié)點大樣。繪制每一個鋼柱、鋼梁內(nèi)肢箍需穿孔的大樣圖。

6.2.2 型鋼構(gòu)件的制作與安裝

型鋼構(gòu)件及其制作與補強均由工廠集中制作。型鋼構(gòu)件應(yīng)根據(jù)設(shè)計圖紙及深化設(shè)計，按1：1的比例翻樣后下料。翻樣是，應(yīng)加工藝要求預(yù)留制作與安裝所需的焊接收縮量及切割、刨邊和銑平等加工余量參考值如下表1，表2。

表1 焊接收縮量

表2 及切割、刨邊和銑平等加工余量

6.2.3 型鋼柱的安裝

(1)型鋼柱腳埋置。型鋼混凝土柱腳有埋入式和非埋入式兩種處理方法。于家堡工程所使用的為埋入式及非埋入式兩種方法的結(jié)合，在樁基礎(chǔ)混凝土澆筑前埋入地腳螺栓，地腳螺栓位于承臺底部，型鋼柱下部有鋼底板，利用地腳螺栓將鋼底板錨固，后澆筑承臺混凝土使得該節(jié)點被混凝土埋住，這樣處理更能有效地保證型鋼柱基礎(chǔ)的受力。

圖3 鋼柱連接示意圖

(2)型鋼柱施工時，必須注意以下幾點：1)型鋼柱加工時，必須根據(jù)施工圖及深化設(shè)計，畫出準確的鋼筋排列圖即鋼筋穿孔定位圖，鋼筋孔位圖必須準確無誤，同時在排圖時還需考慮到X、Y兩個方向的鋼筋走向，兩個方向的鋼筋間必須讓開5～8mm，同時按照設(shè)計間距排列時有可能出現(xiàn)鋼筋與型鋼柱腹板在同一位置上或鋼筋孔位于焊縫上，此時必須讓出腹板和焊縫，距焊縫距離不小于12mm。2)在型鋼柱腳混凝土澆筑前，應(yīng)對柱腳底鋼板進行再次定位復(fù)核和鋼柱的定位，鋼柱具體方法與通常的測量定位一樣處理，但必須對型鋼柱的垂直度進行控制，定位安裝必須控制在規(guī)范允許偏差內(nèi)。每次加節(jié)時都應(yīng)對型鋼柱的垂直度進行控制。3)本工程型鋼柱每節(jié)連接采用焊接及連接板連接。焊接處需打45度坡口。

6.2.4 型鋼梁安裝要點

將制作好的鋼梁用平板運輸車至現(xiàn)場，用汽車吊吊至地面，鋼梁吊裝前應(yīng)先在鋼梁腹板側(cè)邊焊吊耳，用人字扒桿及卷揚機將鋼梁移至塔吊回轉(zhuǎn)半徑范圍內(nèi)。用塔吊將鋼梁吊運至鋼柱的牛腿上，做臨時連接，并找正位置，割掉鋼梁腹板吊耳。鋼梁翼緣中心線應(yīng)對正牛腿中心線，以保證鋼梁軸線位置，在安裝鋼梁過程中，利用鋼梁腹板兩側(cè)安裝設(shè)備上的水平調(diào)節(jié)絲桿來調(diào)節(jié)鋼梁的垂直度，利用自行設(shè)計在鋼柱牛腿上的豎向調(diào)節(jié)絲桿來調(diào)整鋼梁的標高。

高速安裝鋼梁時，需要反復(fù)觀測并糾正其軸線、標高、垂直度偏差值，直至符合規(guī)范要求后，方可進行對接焊，型鋼梁翼緣與型鋼柱翼緣采用坡口全熔透焊連接(如圖4)。鋼梁焊接完畢后，割掉鋼梁翼緣上的吊耳，并對鋼梁的垂直度、標高進行復(fù)驗。在焊接好的鋼梁上下翼緣確定抗剪連接件的軸線位置，做到焊接牢固可靠。為防止組合鋼梁垂直度、標高軸線偏差值積累超過允許值。要求每次組合鋼梁安裝時嚴格校驗鋼柱垂直度以及鋼柱上牛腿的軸線位置、標高。

圖4 型鋼梁吊裝

現(xiàn)場型鋼梁、柱節(jié)點焊接的方法與措施：

(1)選用低氫型的焊接材料，考慮到焊接接頭與母材等強的原則選用E5015型電焊條。底氫型焊條在常溫下超過4h應(yīng)重新烘熔，烘熔溫度為350℃ ～400℃，時間為1.2h。

(2)焊接方法及參數(shù)：采用手工電弧焊。焊接電流，為了避免焊縫組織粗大，造成沖擊韌性下降必須采用以下措施：選用小直徑焊條、窄焊道、薄焊層、多層多道的焊接工藝。焊道的寬度不大于焊條的3倍，焊層厚度不大于5mm。第一層至第三層采用Ф3.2的電焊條，焊接電流110～130A;第四層至第六層采用Ф4.0的電焊條，焊接電流130～180A。

6.3 鋼筋綁扎

6.3.1 型鋼梁的鋼筋綁扎

于家堡站站房工程型鋼梁的主筋鋼筋分別從型鋼上部及型鋼底部穿過，不需要穿過型鋼梁的截面，而箍筋內(nèi)箍需從型鋼梁截面穿過當開孔的削弱面積大于截面積的25%時需做補強處理。型鋼梁的箍筋通常采用的做法如下圖5示。

圖5 型鋼混凝土梁箍筋配置示意圖

6.3.2 重要節(jié)點部位鋼筋連接

型鋼混凝土梁與鋼柱相交處，按照設(shè)計節(jié)點要求進行鋼筋連接，鋼筋、型鋼與鋼柱的節(jié)點連接詳見圖6，圖7。

當鋼筋必須穿過型鋼柱腹板時，采用焊接套筒與型鋼腹板進行焊接，鋼筋套絲與焊接套筒進行連接。

6.4 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)模板的安裝

(1)由于截面內(nèi)型鋼，梁、柱側(cè)模安裝加固采用的對拉螺栓無法拉通，因此采用在型鋼腹板縱向每隔不大于1.5m，對拉螺栓尾部彎成直角，尾部焊接在型鋼梁上，與側(cè)模板外部楞木形成牢固拉結(jié)。如圖8示。

(2)對拉鋼柱螺栓直接焊在鋼柱腹板上，焊接時對拉螺栓在鋼骨柱彎曲焊接，保證焊縫長度不小于10d，具體如圖9。

6.5 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土澆筑

型鋼混凝土澆筑與普通混凝土澆筑基本相同，都應(yīng)遵循國家現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范》的規(guī)定，在施工中由于型鋼梁柱接頭處和梁型鋼翼緣下部等部位混凝土不易充分填滿，應(yīng)著重進行澆筑和振搗，在型鋼梁柱加工時，應(yīng)根據(jù)不同部位設(shè)置排氣孔。

由于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中有型鋼，且設(shè)計鋼筋也較密，在混凝土澆筑前根據(jù)實際情況進行混凝土配合比設(shè)計，為保證混凝土澆灌密實，必須采取一系列控制措施。

(1)型鋼加工時，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，在不影響和消弱結(jié)構(gòu)的前提下留出足夠的排氣孔。如下圖10。

圖10 型鋼梁柱、柱混凝土不易澆筑部位預(yù)留空氣口示意圖

(2)設(shè)計配合比時先用石子粒徑僅為5～25mm，坍落度也控制在160～180mm，充分保證混凝土流動性。

(3)混凝土施工時，先從一邊澆筑和振搗，待看到排氣孔中出現(xiàn)混凝土并上冒混凝土漿時停止振搗，再從側(cè)面澆筑混凝土，待另外一側(cè)混凝土滿時，再灌滿混凝土并進行仔細振搗。

圖11 混凝土澆筑過程

7 結(jié)束語

京津城際延伸線于家堡站站房工程采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)大大的縮短了施工周期，通過深化設(shè)計減少了鋼筋用量，比優(yōu)化設(shè)計前鋼筋用量減少約20%，商品混凝土的需求也大大地減小了，還減少了施工機械臺班及各種人工等費用。所以采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)對大跨度，大高度的結(jié)構(gòu)及高層結(jié)構(gòu)具有非常大的經(jīng)濟效益和社會效益。

[1]型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ138-2001.

[2]建筑施工手冊編寫組.建筑施工手冊(第四版)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[3]范濤.淺談型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的特點及應(yīng)用.四川建筑科學(xué)研究[J]，2004.

[4]姜維山，趙世春，孫慧中，喻磊.型鋼混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的研究[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進展，2002.

[5]中鐵建工集團有限公司天津于家堡站站房工程施工組織總設(shè)計.2010.