大跨度大截面型钢混凝土施工技术

毕彦春

(中铁建工集团有限公司，北京 100160)

1 概念

型钢混凝土(Steel Reinforced Concrete，简称SRC)是指在混凝土中主要配置型钢，并配有一定的纵向受力钢筋和横向箍筋的结构，是钢与混凝土组合结构的一种主要形式。

2 特点

型钢混凝土构件中的型钢和混凝土在箍筋及型钢本身约束下形成一体，让两种材料的强度都能得到充分的利用，其性能优于型钢与混凝土的简单叠加。型钢混凝土结构作为一种新型结构，汇集了钢筋混凝土结构和钢结构各自的主要优点，具有一系列不同的特性。

2.1 型钢混凝土与钢筋混凝土的比较

(1)变形能力强，抗震性能好。钢筋混凝土结构由于混凝土材料的脆特别是同一层柱刚度相差很大、担负剪力不均衡或是当结构存在较大偏心构件容易发生剪切破坏，结构的延性较差。型钢混凝土组合结构构件具有比钢筋混凝土结构构件更好的延性和耗能性能，改善了混凝土构件破坏时的脆性性质，和抗震性能。

(2)承载力高，构件自重小。在抗震设计中，钢筋混凝土柱截面由轴压比决定。由压比限值的限制，混凝土柱的的截面尺寸选取得很大。使用型钢混凝土载力高于同截面钢筋混凝土结构的承载力，从而减小构件截面，不会形成肥梁胖柱，增加使用空间。

2.2 型钢混凝土与纯钢的比较

(1)受力合理，延性好。型钢混凝土构件充分利用混凝土的抗压性能和钢材的抗拉压性能，钢筋混凝土与型钢形成整体，共同受力，有利于提高型钢的整体稳定性和钢板的局部屈曲，不易发生屈曲失稳及梁的侧向失稳，具有很好的延性。

(2)耐久性和耐火性良好。由于型钢埋入混凝土中，混凝土对型钢形成保护层作用，可以很好地钢材锈蚀和火灾危害，具有良好的耐久性和耐火性。

综上所述，型钢混凝土结构是一种很有发展前途的结构，应充分加强对它的研究和应用。

3 背景

随着城市建设的发展与建筑技术的进步，大跨度、大截面以及高层建筑已经成为建筑结构发展的主要方向之一。由于型钢混凝土组合结构承载能力高、刚度大及抗震性能好等优点，已越来越多地应用于大跨度、大截面结构和抗震要求高的建筑及超高层建筑。

型钢混凝土组合结构又称为劲性混凝土结构或包钢混凝土结构，是在型钢结构外面包裹与曾钢筋混凝土外壳形成的型钢混凝土组合结构。型钢混凝土可以做成多种构件，更能组成多种结构，他可代替钢筋混凝土结构和钢结构应用于各类建筑和桥梁中。型钢混凝土组合结构的外包混凝土可防止钢构件的局部屈曲并能提高钢结构的整体刚度，显著改善钢结构的平面扭转屈曲性能，使钢材的轻度得到充分的发挥，此外混凝土增加了结构的耐久性和耐火性。

于家堡站房工程是京津城际延伸线终点站，建筑规模为地下2层。地下部分结构考虑运营期间使用功能及景观要求，车站站台范围不设中间立柱，只能在城际站台两线间设置结构中立柱，中立柱为钢管混凝土柱，横向最大跨度20.5m，柱纵向最大跨度9m。地上为单层网壳ETFE膜结构采光屋面，顶板需要承受屋面巨大的荷载，所以在钢管立柱上设置型钢梁，采用型钢混凝土结构，这样不仅能够保证结构的稳定性，而且提高了车站的抗震性能。

4 工程概况

于家堡站地处滨海新区于家堡中心商务区北端，是于家堡综合交通枢纽工程的一部分，其中于家堡站房建筑面积为86200m2。本项目盖挖区负一层顶板建筑面积19000m2，层高为10.7m，局部降板层高为8.3m，顶板结构为型钢混凝土结构，钢梁为工字型钢梁，截面有H1400*800*16*30、H1800*800*20*40、H2600*850*32*50等截面类型，负一层顶板梁钢筋绑扎难度大、主梁断面尺寸较大，负一层顶板设计厚度500mm，局部降板厚度为300mm。顶板使用型钢混凝土结构很好的承受了穹顶钢结构的巨大荷载，增加了其抗震性能。

图1 工程地理位置示意图

图2 工程总平面效果图

5 施工工艺原理

通过型钢与高强混凝土之间相互约束，使各自的强度得到了提高，增加了结构和构件的延性，从而改善由于高强混凝土本身延性差而带来的不利于抗震的脆性特性，增加了结构及构件的抗震性能。

6 关键施工技术

6.1 施工工艺流程

型钢柱：深化设计各节点图→型钢柱加工制作、运输→钢柱测量定位→地脚螺栓与预埋底板埋设→底板下混凝土浇筑→底板无收缩混凝土灌缝→起吊→就位→临时固定→型钢安装与较正(轴线及垂直度)→预埋底板与钢柱焊接连接(必须对称施焊)→焊缝处理→焊接外观检验→超声波探伤检验→合格后外围柱子钢筋绑扎→柱子模板安装→柱子混凝土浇筑(只能浇筑到梁底)。

型钢梁：深化设计各节点图→型钢梁加工制作、运输→起吊→就位→临时固定→调节水平、竖向调节丝杆→校正轴线垂直度、标高→焊接固定点→焊接腹板侧边→焊接翼缘抗剪连接件→焊缝处理→焊接外观检验→超声波探伤检验→合格后外围梁钢筋绑扎→梁模板安装→梁混凝土浇筑。

6.2 施工操作要点

6.2.1 型钢梁深化设计

绘制每一个梁纵向钢筋穿过钢管柱顶部及补强的节点大样。绘制每一个钢柱、钢梁内肢箍需穿孔的大样图。

6.2.2 型钢构件的制作与安装

型钢构件及其制作与补强均由工厂集中制作。型钢构件应根据设计图纸及深化设计，按1：1的比例翻样后下料。翻样是，应加工艺要求预留制作与安装所需的焊接收缩量及切割、刨边和铣平等加工余量参考值如下表1，表2。

表1 焊接收缩量

表2 及切割、刨边和铣平等加工余量

6.2.3 型钢柱的安装

(1)型钢柱脚埋置。型钢混凝土柱脚有埋入式和非埋入式两种处理方法。于家堡工程所使用的为埋入式及非埋入式两种方法的结合，在桩基础混凝土浇筑前埋入地脚螺栓，地脚螺栓位于承台底部，型钢柱下部有钢底板，利用地脚螺栓将钢底板锚固，后浇筑承台混凝土使得该节点被混凝土埋住，这样处理更能有效地保证型钢柱基础的受力。

图3 钢柱连接示意图

(2)型钢柱施工时，必须注意以下几点：1)型钢柱加工时，必须根据施工图及深化设计，画出准确的钢筋排列图即钢筋穿孔定位图，钢筋孔位图必须准确无误，同时在排图时还需考虑到X、Y两个方向的钢筋走向，两个方向的钢筋间必须让开5～8mm，同时按照设计间距排列时有可能出现钢筋与型钢柱腹板在同一位置上或钢筋孔位于焊缝上，此时必须让出腹板和焊缝，距焊缝距离不小于12mm。2)在型钢柱脚混凝土浇筑前，应对柱脚底钢板进行再次定位复核和钢柱的定位，钢柱具体方法与通常的测量定位一样处理，但必须对型钢柱的垂直度进行控制，定位安装必须控制在规范允许偏差内。每次加节时都应对型钢柱的垂直度进行控制。3)本工程型钢柱每节连接采用焊接及连接板连接。焊接处需打45度坡口。

6.2.4 型钢梁安装要点

将制作好的钢梁用平板运输车至现场，用汽车吊吊至地面，钢梁吊装前应先在钢梁腹板侧边焊吊耳，用人字扒杆及卷扬机将钢梁移至塔吊回转半径范围内。用塔吊将钢梁吊运至钢柱的牛腿上，做临时连接，并找正位置，割掉钢梁腹板吊耳。钢梁翼缘中心线应对正牛腿中心线，以保证钢梁轴线位置，在安装钢梁过程中，利用钢梁腹板两侧安装设备上的水平调节丝杆来调节钢梁的垂直度，利用自行设计在钢柱牛腿上的竖向调节丝杆来调整钢梁的标高。

高速安装钢梁时，需要反复观测并纠正其轴线、标高、垂直度偏差值，直至符合规范要求后，方可进行对接焊，型钢梁翼缘与型钢柱翼缘采用坡口全熔透焊连接(如图4)。钢梁焊接完毕后，割掉钢梁翼缘上的吊耳，并对钢梁的垂直度、标高进行复验。在焊接好的钢梁上下翼缘确定抗剪连接件的轴线位置，做到焊接牢固可靠。为防止组合钢梁垂直度、标高轴线偏差值积累超过允许值。要求每次组合钢梁安装时严格校验钢柱垂直度以及钢柱上牛腿的轴线位置、标高。

图4 型钢梁吊装

现场型钢梁、柱节点焊接的方法与措施：

(1)选用低氢型的焊接材料，考虑到焊接接头与母材等强的原则选用E5015型电焊条。底氢型焊条在常温下超过4h应重新烘熔，烘熔温度为350℃ ～400℃，时间为1.2h。

(2)焊接方法及参数：采用手工电弧焊。焊接电流，为了避免焊缝组织粗大，造成冲击韧性下降必须采用以下措施：选用小直径焊条、窄焊道、薄焊层、多层多道的焊接工艺。焊道的宽度不大于焊条的3倍，焊层厚度不大于5mm。第一层至第三层采用Ф3.2的电焊条，焊接电流110～130A;第四层至第六层采用Ф4.0的电焊条，焊接电流130～180A。

6.3 钢筋绑扎

6.3.1 型钢梁的钢筋绑扎

于家堡站站房工程型钢梁的主筋钢筋分别从型钢上部及型钢底部穿过，不需要穿过型钢梁的截面，而箍筋内箍需从型钢梁截面穿过当开孔的削弱面积大于截面积的25%时需做补强处理。型钢梁的箍筋通常采用的做法如下图5示。

图5 型钢混凝土梁箍筋配置示意图

6.3.2 重要节点部位钢筋连接

型钢混凝土梁与钢柱相交处，按照设计节点要求进行钢筋连接，钢筋、型钢与钢柱的节点连接详见图6，图7。

当钢筋必须穿过型钢柱腹板时，采用焊接套筒与型钢腹板进行焊接，钢筋套丝与焊接套筒进行连接。

6.4 型钢混凝土结构模板的安装

(1)由于截面内型钢，梁、柱侧模安装加固采用的对拉螺栓无法拉通，因此采用在型钢腹板纵向每隔不大于1.5m，对拉螺栓尾部弯成直角，尾部焊接在型钢梁上，与侧模板外部楞木形成牢固拉结。如图8示。

(2)对拉钢柱螺栓直接焊在钢柱腹板上，焊接时对拉螺栓在钢骨柱弯曲焊接，保证焊缝长度不小于10d，具体如图9。

6.5 型钢混凝土结构的混凝土浇筑

型钢混凝土浇筑与普通混凝土浇筑基本相同，都应遵循国家现行《混凝土结构工程施工及验收规范》的规定，在施工中由于型钢梁柱接头处和梁型钢翼缘下部等部位混凝土不易充分填满，应着重进行浇筑和振捣，在型钢梁柱加工时，应根据不同部位设置排气孔。

由于型钢混凝土结构中有型钢，且设计钢筋也较密，在混凝土浇筑前根据实际情况进行混凝土配合比设计，为保证混凝土浇灌密实，必须采取一系列控制措施。

(1)型钢加工时，根据结构特点，在不影响和消弱结构的前提下留出足够的排气孔。如下图10。

图10 型钢梁柱、柱混凝土不易浇筑部位预留空气口示意图

(2)设计配合比时先用石子粒径仅为5～25mm，坍落度也控制在160～180mm，充分保证混凝土流动性。

(3)混凝土施工时，先从一边浇筑和振捣，待看到排气孔中出现混凝土并上冒混凝土浆时停止振捣，再从侧面浇筑混凝土，待另外一侧混凝土满时，再灌满混凝土并进行仔细振捣。

图11 混凝土浇筑过程

7 结束语

京津城际延伸线于家堡站站房工程采用型钢混凝土结构大大的缩短了施工周期，通过深化设计减少了钢筋用量，比优化设计前钢筋用量减少约20%，商品混凝土的需求也大大地减小了，还减少了施工机械台班及各种人工等费用。所以采用型钢混凝土结构对大跨度，大高度的结构及高层结构具有非常大的经济效益和社会效益。

[1]型钢混凝土组合结构技术规程JGJ138-2001.

[2]建筑施工手册编写组.建筑施工手册(第四版)[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[3]范涛.浅谈型钢混凝土结构的特点及应用.四川建筑科学研究[J]，2004.

[4]姜维山，赵世春，孙慧中，喻磊.型钢混凝土结构构件的研究[J].建筑钢结构进展，2002.

[5]中铁建工集团有限公司天津于家堡站站房工程施工组织总设计.2010.