斜扭柱抗剪环梁在高层建筑中的应用

张 兰

(四川广播电视台，四川成都610021)

钢管混凝土柱抗剪环—环梁节点是近几年在实际工程中应用不多的一种新型钢管混凝土柱与混凝土梁相连接的节点形式，经过一定数量试件的试验研究及近30幢高层建筑工程实践，目前取得了一定的工程设计经验。

在四川广播电视台的设计中，为了满足建筑造型的要求，结构中需要有一部分由地下室顶面延伸至结构顶部、最大倾斜75°的钢管混凝土斜柱，这样便在结构各层形成了钢筋混凝土梁板与钢管混凝土斜柱相交的节点，经设计方—西南建筑设计院研究拟采用抗剪环—环梁节点形式，现将工程中的应用情况总结如下。

1 项目情况介绍

四川广播电视台广电大楼位于成都市天府大道世纪城路66号。该工程主楼地上31层,地下二层,采用框架——核心筒体结构,建筑高度为134.80 m,主要功能为四川广播电视台广播、电视节目的制作、播出和台综合办公(图1)。

图1 四川广播电视台广电大楼

该工程主楼核心筒体外围四周1至5轴与J至Y轴，共设置有28根直径700 mm,壁厚为14 mm的钢管圆柱,与核心筒体框架梁连接,东西两侧1至5轴线钢管圆柱各为5根,分别以KZ3柱-75°、Kza柱-78.4°、KZb柱-80.6°、KZc柱-80.9°、KZd柱-79.1°倾斜成为扭曲状态,其余全为90°直立式钢管圆柱。钢管柱内浇筑C60高强混凝土,突出了圆钢管对核心混凝土的套箍约束,各楼层钢管柱与框架梁连接点设置结构复杂的抗剪环形梁,环形抗剪梁与钢管柱紧密箍抱。框架梁端部的纵筋锚固于环梁内,借环梁传递弯距和剪力,对楼盖梁端剪力起扩散作用。

2 施工技术难点

(1)钢管斜柱抗剪环形斜梁设计全国应用较少，主要是传递弯矩和剪力。项目特邀请重庆大学通过7个按实际工程2/3比例缩尺、以75°倾斜的钢管混凝土斜柱抗剪环—环梁节点单调及低周反复加载试验，对斜柱抗剪环—环梁节点的宏观受力机理、最终破坏形态及受力性能等进行了分析研究。试验结果表明，通过对环梁合理配筋构造，抗剪环—环梁节点能够有效地传递框架梁端的弯矩和剪力；无论最终破坏发生在框架梁端还是环梁内，试件都能达到所要求的承载能力和延性；由于钢管混凝土斜柱与环梁的承载能力相对独立，即使环梁最终发生破坏对钢管混凝土斜柱的纵向承载力也不会造成明显影响(图2)。

图2 斜柱与抗剪环梁

(2)环形抗剪梁结构复杂、技术含量高、施工难度大。主楼抗剪环形梁从1楼至31层设置在钢管圆柱上,共计868个不同型号的节点。有直立式、倾斜式和连接式三种,钢筋规格为Φ25～28 mm的三级钢。钢筋总重量达约200 t。环形梁钢筋制作和安装结构复杂,施工难度大,在当时的成都地区建筑结构为首例。

直立式环形梁外圆直径为1 500 mm，环梁高度为800 mm，环梁长度为2 600 mm连接式为椭圆形，宽度为1 450 mm；倾斜式环梁直径为1 500 mm，高度为800 mm；主筋和箍筋间距密集，圆形和椭圆形钢筋加工工艺复杂，技术含量高，施工时有如下的难点(图3、图4)。

图3 圆形环梁

图4 椭圆形环梁

①钢管柱倾斜度、旋转角度繁多,测量定位操作复杂,吊装就位难度大。

②模板支撑为有圆形倾斜度的,核心筒体框架梁端要锚入环梁内,安装精度要求高。

③环形抗剪钢筋制作和安装结构复杂,钢筋强度高，施工制作安装难度大。

④钢管圆柱在环梁上部开孔要准确,满足框架梁端锚入钢管柱内纵筋间距。

⑤环梁钢筋密集混凝土浇筑振捣难度大。

3 采用的技术方案

为了达到钢管斜柱和环形抗剪梁准确位置和满足设计要求，从主楼1层至31层为钢管斜柱施工部份，因每层楼设置有28根钢管圆柱，并在钢管圆柱上设有28个不同类型的环形抗剪梁。

3.1 具体的施工流程

(1)采用塔吊吊装就位钢管圆柱,对钢管柱进行临时支撑,用全站仪和经纬仪测量坐标、轴线、倾斜度、标高等,符合要求后对钢管柱进行焊接；浇筑钢管混凝土。

(2)根据设计图纸,对环形抗剪梁圆形和椭圆形进行精确放样,计算出环梁内外圆钢筋的长度,腰筋长度,箍筋的长度后准确下料。

(3)对采购进入现场的各种环梁钢筋进行物理化学检验。

(4)工厂加工制作环梁圆形和椭圆形钢筋,焊接钢筋接头,制作加工环梁腰筋和箍筋。

(5)对环梁钢筋焊接接头作抗拉试验。

(6)现场绑扎环形抗剪梁钢筋。

(7)环梁底模支撑。

(8)用塔吊将环梁钢筋吊装就位后,进行轴线、标高检查。

(9)环形梁外侧模板支撑。

(10)检查外侧模几何尺寸和外模稳定性。

(11)混凝土浇筑

3.2 斜钢管柱安装及钢管混凝土浇筑

3.2.1 斜钢管柱安装

本工程钢柱主要是φ700的螺缝钢管柱和工字纲柱，钢管柱共计28根，H型钢柱12根，根据工程的结构特点及塔吊和汽车吊机械性能，在标高22.75 m以下钢柱每二层分为一节柱，在22.75 m标高以上塔吊能吊二层的按二层分段,其余的按每层分段,每节的钢柱分段处高于楼层面1 m。采用PH16012塔吊、QY50型起重机吊装。

施工前采用软件将工程所有斜柱的运行轨迹及倾斜度、相对应的坐标全部计算出来，施工中采用全站仪在楼地面定位出钢柱的就位点及倾斜点，即开始安装钢柱，钢柱就位后，利用经纬仪定位楼层面已定好的倾斜点向斜柱端部观测，另一方向同时也采用经纬仪观察钢柱变化。下一节钢柱安装前利用全站仪将钢柱就位点用记号笔反映在下节钢柱上按照此施工方法可有效地保证斜柱精度(图5)。

图5 斜柱定位

本工程斜柱施工时首先吊装斜柱在吊装钢丝绳上设置一个5 t手拉葫芦，在钢柱就位前利用手拉葫芦将斜柱调节成就位角度后方可就位，斜柱对接后利用临时夹板将其固定，临时夹板及临时螺栓对其进行剪力计算后满足固定斜柱的要求，部分斜柱同时采用钢性支撑对其进行临时固定(图6)。

图6 斜柱吊装

3.2.2 环梁外侧模安装

外侧模安装时，应精确对准事先划好的环梁圆形边线,测出外侧模的倾斜度和中心轴线，以保证倾斜度符合环梁斜度要求.外模制作用100 mm×50 mm的木方，按1比1的比例放环梁圆形，挖成弧形作为圆形龙骨,再用18 mm厚的酚醛木板锯成100 mm宽，700 mm长的小块钉在弧形的龙骨木方上,按圆形分为若干块顺环梁的边线安装支牢,外侧模板随圆形安装支撑牢固后，精确进行环梁轴线、标高、倾斜度、几何尺寸的检查,做好环梁钢筋隐蔽记录，填好各种数据，合格后才下令浇筑混凝土(图7、图8)。

(a)环梁圆形外侧模板

(b)立面图7 环梁外侧模安装

图8 钢管斜柱斜抗剪环形梁立面

3.3 环形抗剪梁钢筋吊装就位

环形梁钢筋绑扎和环形梁底模检查完毕符合要求后,用塔吊对以绑扎好的环梁进行吊装就位,吊装时派专人负责指挥,吊勾勾住环梁主筋,将环梁内圆套入钢管圆柱顶部,缓缓下降,准确就位在环梁的底模上。就位后对环梁轴线、标高、倾斜度、钢筋间距、钢筋保护层进行认真检查,满足规范要求合格后进入下一道工序(图9)。

图9 倾斜环形梁钢筋安装

3.4 环梁混凝土浇筑

因环梁倾斜度的不同变化,钢筋排距及间距随之密集,加之核心筒体框架梁端受力钢筋锚入环梁内，使混凝土浇筑很困难。为此,环梁在保证混凝土强度的情况下，必须采用和配制高流态的混凝土,坍落度控制在180～220 mm之间，用泵管压送。为更好地保证环梁浇筑混凝土密实度效果,采用直径30 mm插入式振捣棒并结合皮锤敲击外侧模板的方式进行振捣。环梁顶部混凝土浇入环梁内，必须按混凝土浇筑的操作规程进行振捣,环梁混凝土浇满后，须停2 min的时间再进行补振,主要是赶出混凝土微小气泡,以保证环梁混凝土密实度表面质量。浇筑完毕后用麻袋复盖养护(图10)。

图10 倾斜度环形抗剪梁成品

4 总结与改进

(1)主楼钢管柱倾斜度，旋转角度多，有10根75°～80.9°斜扭钢管混凝土柱。测量定位复杂，在施工前采用软件计算机模拟技术将工程中所有斜柱的在安装过程中的运行轨迹进行模拟控制，并计算出相对应的坐标，安装过程中，用全站仪测定出钢管柱定位点及倾斜点，用两台经纬仪纵横方向架设，测距一致，两个方向同时观察钢管柱变化，进行精确定位。

(2)椭圆型、圆型环梁Ⅲ钢筋场外绑扎、整体吊装，用软件计算机模拟技术根据施工图纸对各个环梁节点进行模拟，精确计算出各节点环梁钢筋大样及下料长度，用机械卷板机进行环梁加工制作。

(3)环梁外箍分两次弯钩，避免影响主筋，先弯至90°，待主筋定位后再弯至设计要求的135°。

(4)椭圆型、圆形混凝土斜环梁模板加工安装。在工程建设的实施中，在钢管柱节点转换处，由于两根钢管柱相距太近，不便于环形梁钢筋绑扎施工，经设计同意也将原设计进行了改进，即采用14 mm厚钢板制成钢环板，加竖向钢板肋代替环形梁钢筋。

5 结束语

钢管混凝土柱与混凝土梁相连接的节点形式，经过一定数量试件的试验研究及本工程主楼31层建筑的实践经验，加之我国正在修订的《钢管混凝土结构设计与施工规程》中，已纳入近几年的实际工程中应用较为广泛的钢环—环梁节点的相关设计规定。钢管斜柱和抗剪环形斜梁设计及施工，本工程为全国首例，主要是传递框架梁端的弯距和剪力，有效减小了柱子截面尺寸，提高了柱子的延性，满足了建筑的造型，促进了建筑施工技术的发展，使钢管混凝土柱的应用向前迈进了一步，相信此技术会具有广阔的应用前景。

在工程经历2008年5月12日大地震后，经省、市质检站部门检测，结果是结构完好，未受地震的影响。现在该工程已竣工验收，正式启用了三年,工程也获得了建筑的最高奖项—鲁班奖和四川建筑—天府杯金奖。该技术在本项目的应用，对今后施工此类的结构储备和提供充分的实际工程技术经验。