超高层结构劲性柱的节点处理与研究

中建七局总承包公司 郑州 450004

1 工程概况

洛阳泉舜豪生国际商务中心工程为一类超高层，地下2 层，地上27 层，建筑高度180.25 m，总建筑面积82 772.05 m2，结构形式为钢筋混凝土核心筒-框架剪力墙结构体系。框架柱采用型钢-混凝土结构，钢骨柱为钢板拼焊对称型钢及工型钢，最大截面800 mm×400 mm×50 mm，材质Q345B。筒体剪力墙四角设置钢骨暗柱，与框架钢骨柱采用焊接工字钢梁连接，梁、楼板采用现浇钢筋混凝土结构。

该工程的6～27 层设置夹层，夹层部分采用钢柱、钢梁及压型钢板结构形式，梁柱节点的钢筋施工成为结构施工中的难点及重点，钢筋与钢结构的连接是难点中的重点，为此项目部成立攻关研究小组。

2 劲性柱节点类型分析

2.1 钢筋混凝土梁-型钢混凝土柱

节点形式主要有以下两种[1-3]：

第一种，柱的翼缘较窄，梁所有纵筋都从柱型钢翼缘边通过，又穿过腹板，该种形式既不会造成型钢翼缘的截面损失，又能保证梁纵筋的贯通和锚固，同时也方便施工。

第二种，梁内部分主筋穿过型钢混凝土柱连续配置，部分主筋可在柱两侧截断，与型钢混凝土柱伸出的钢牛腿可靠焊接，钢牛腿的长度应满足焊接强度的要求。

连接型钢混凝土柱与钢筋混凝土梁的节点，梁筋应尽量在柱型钢两侧通过，对于必须与柱中型钢相交的钢筋，梁筋在柱型钢两侧断开，但应与柱翼缘可靠焊接。并在柱型钢翼缘之间，梁筋水平处设置足够刚强的加劲肋。为了便于浇灌节点核心区的混凝土，加劲肋可以不是通长的，仅在柱型钢翼缘附近一段长度内局部设置，此时节点抗剪强度不应考虑翼缘框的作用。对于加劲肋的设置，要求加劲肋的强度应不小于梁钢筋换算后的强度，这样才能保证梁翼缘的拉力能可靠地传递到节点，并可防止柱型钢翼缘板发生局部弯曲。

2.2 型钢梁-型钢混凝土柱

对于型钢混凝土柱-型钢梁的情况，钢梁在型钢混凝土柱的两侧断开，型钢混凝土柱内型钢与型钢梁的连接应采用刚性连接，且钢梁翼缘与柱内型钢翼缘应采用全熔透焊缝连接；梁腹板与柱宜采用摩擦型高强螺栓连接，悬臂梁段与柱应采用全焊缝连接。

3 劲性柱节点解决方案

3.1 钢筋混凝土梁-型钢混凝土柱

3.1.1 三种连接方案

梁为钢筋混凝土结构，而柱为劲性结构，如何将钢筋混凝土梁中的钢筋和柱中的钢结构有效地连接便成为首要的技术难题。为此，讨论了3 套施工方案：在钢柱上焊钢筋接驳器作为钢筋和钢柱的连接手段；在梁的末端增加钢筋弯头，与钢柱焊接；在钢结构出厂前，预先在钢结构上开孔，使得梁内钢筋穿过柱钢结构，达到锚固长度。

3.1.2 三种连接方法的利弊分析

（a）采用钢筋接驳器连接：其优点是接驳器在钢结构出厂前根据施工深化图纸，预先在厂内进行焊接，其焊接质量及空间位置可以得到有效保证。现场钢筋施工时只需将钢筋拧入接驳器即可。现场施工速度快。缺点是前期准备工作要求较高，需根据结构施工图纸准确定位每一个钢筋接驳器的空间位置。同时对时间要求高，必须考虑到钢结构的加工周期。

（b）采用钢筋弯头进行连接：其优点是钢筋弯头进行现场加工，对精度要求较低，可以根据现场的施工偏差对钢筋的位置进行调整，前期准备工作周期短。缺点是需要进行现场焊接，现场施工周期长。由于焊接条件不好，故焊接质量难以得到有效保证。由于洛阳泉舜豪生国际商务中心工程现浇混凝土梁的钢筋直径达到32 mm，根据规范要求，单面焊焊接长度达到320 mm，其焊接质量难以得到有效控制。另外，其焊接面通常在平台操作面以下，对焊接施工和质量的验收造成困难。同时，由于劲性柱内钢结构柱面到混凝土面仅为200 mm，且劲性柱内的竖向钢筋直径为32 mm，故采用此方法会导致柱内钢筋过密，浇筑混凝土容易产生蜂窝、空洞等质量缺陷。

（c）采用劲性柱开孔连接：其优点是钢结构上开孔在钢结构厂内进行，其成孔位置容易得到保证，现场钢筋混凝土梁钢筋施工只需将钢筋穿过预先开孔的孔洞即可，现场施工速度快，可缩短现场施工工期。缺点是前期准备工作要求较高，需根据结构施工图纸准确定位每个空洞的空间位置。但是，结构设计规定，在采取加强措施的前提下，钢结构的开孔面积不得大于30%，限制了开孔的数量和尺寸，由于梁配筋较多，开孔无法保证全部钢筋的通过，还需与其他方法相结合。

3.2 型钢梁-型钢混凝土柱

3.2.1 两种施工方案

对于此类节点，梁为钢梁，柱子为劲性柱，如何将劲性柱内钢筋有效、合理地穿过钢梁成为了我们在施工过程中第2个技术难题。为此，我们讨论了两种施工方案：

（a）在钢梁上开孔，在开孔周围加焊加劲肋；（b）在钢梁上焊钢板，然后将钢筋与钢板焊接。

3.2.2 两种施工方法利弊分析

（a）在钢梁上开孔：其优点是钢梁开孔及加劲板在钢结构厂内完成，可以加快现场施工进度，但对于复杂的节点而言（尤其在夹层，其柱节点处多为箱型粱，且交错复杂），由于留给其开孔的位置很小，若几道梁开孔位置存在偏差，则柱纵向钢筋无法穿过。

（b）在梁上焊接钢板，将柱纵向钢筋与钢板焊接。其优点是在钢筋施工时，可以不考虑钢梁对柱纵向钢筋的影响。钢板的位置在钢结构厂进行焊接。但此方法现场焊接施工量大，一般为仰焊和立焊，其焊接质量难以控制，需派专人进行监督，并对焊接质量进行抽查。

4 劲性柱节点施工技术

通过对方案的对比分析，在考虑工期、安全、成本、进度等因素的情况下，本工程采用了以下连接形式。

（a）梁上皮和下皮钢筋中没有2 层钢筋时，当梁截面均一致时，梁钢筋与柱翼缘相碰，焊在柱翼缘牛腿上，梁钢筋能贯通的自然贯通，既不与柱翼缘相碰也不能贯通的焊在钢骨柱隔板上，连接形式见图1。

图1 梁截面一致时连接形式

当梁截面不一致时，梁钢筋与柱翼缘相碰的焊在柱翼缘牛腿上，梁钢筋能贯通的自然贯通，既不与柱翼缘相碰也不能贯通的焊在钢骨柱隔板上，无隔板处的钢筋在腹板上穿孔，连接形式见图2。

图2 梁截面不一致时连接形式

当梁截面不一致时且横梁钢筋与纵梁钢筋在一侧打架时，梁钢筋与柱翼缘相碰的焊在柱翼缘牛腿上，梁钢筋能贯通的自然贯通，既不与柱翼缘相碰也不能贯通的焊在钢骨柱隔板上，与焊在隔板上的钢筋打架的钢筋在腹板上穿孔，无隔板处的钢筋在腹板上穿孔，连接形式见图3。

图3 纵横梁钢筋打架时连接形式

（b）梁上皮和梁下皮钢筋中均有2 层钢筋及梁上皮或梁下皮中一个有2 层钢筋时，当梁截面均一致时，梁钢筋与柱翼缘相碰的焊在柱翼缘牛腿上，梁钢筋能贯通的自然贯通，既不与柱翼缘相碰也不能贯通的1 层钢筋焊在钢骨柱隔板上，2 层钢筋腹板开孔穿筋，连接形式见图4。

图4 梁截面一致时连接形式

当梁截面不一致时，梁钢筋与柱翼缘相碰的焊在柱翼缘牛腿上，梁钢筋能贯通的自然贯通，既不与柱翼缘相碰也不能贯通的1 层钢筋焊在钢骨柱隔板上，2 层钢筋腹板开孔穿筋，无隔板处的钢筋全部开孔，连接形式见图5。

图5 两截面不一致时连接形式

当梁截面不一致且横梁钢筋与纵梁钢筋在一侧打架时，梁钢筋与柱翼缘相碰的焊在柱翼缘牛腿上，梁钢筋能贯通的自然贯通，既不与柱翼缘相碰也不能贯通的1 层钢筋焊在钢骨柱隔板上，与焊在隔板上的钢筋打架的钢筋在腹板上穿孔，2 层钢筋腹板开孔穿筋，无隔板处的钢筋全部开孔，连接形式见图6。

图6 纵、横梁钢筋打架时连接形式

当有3 根以上（含3 根）钢筋需要穿孔时，由于腹板宽度限制，只能在腹板上开2 个孔，其他的钢筋焊接在钢骨柱隔板上或直接从柱边拐出（图7）。

5 施工质量保证措施[4-9]

（a）以上节点中所有采用钢筋与连接板及钢筋与隔板搭接焊的节点，当采用双面角焊缝时，焊缝长度L＞5d（d为钢筋直径）当采用单面角焊缝时，焊缝长度L＞10d（d为钢筋直径）。

图7 3 根以上钢筋需穿孔时连接形式

（b）凡焊接到隔板处的钢筋，腹板上所对应的钢筋的位置均在车间加工时开孔，现场钢筋绑扎时能穿则穿，不能穿的情况下焊接到隔板上。

（c）当南北方向的梁高于东西方向的梁时，先安装南北方向的梁，后安装东西方向的梁。当南北方向的梁低于东西方向的梁时，先安装东西方向的梁，后安装南北方向的梁。

（d）根据现场情况将钢骨柱翼缘处的牛腿开孔向柱身方向加深10 mm。以消除钢柱现场安装误差对柱子钢筋位置的影响。

6 结语

对于超高层结构，在确保质量受控的前提下，要求我们事先对各种可能出现的情况进行分析，兼顾施工工艺的可操作性、可检查性和经济性，选定一种工艺为主、数种工艺为辅的施工方案。从技术上确定每个节点的做法，并在施工过程中予以全过程监控，是保证工程顺利进行、确保工期的前提。