装配式约束混凝土柱—蜂窝钢梁组合结构的研究与应用

陈志彬

(福建省第五建筑工程公司　福建泉州　362000)



装配式约束混凝土柱—蜂窝钢梁组合结构的研究与应用

陈志彬

(福建省第五建筑工程公司福建泉州362000)

装配式约束混凝土柱-蜂窝钢梁组合结构，亦称轻型节能RCS组合结构，是一套新型装配式钢梁—混凝土柱结构体系。该组合结构充分发挥了高强材料优势，改进了装配整体式构造，节省用钢量，减轻自重，既降低工程造价，又较其他类型建筑增加使用面积，而且提升了房屋建造业集成化程度，较纯钢结构和纯混凝土结构，更适用于大跨度的写字楼、办公楼及厂房建造。文章详细分析了装配式密置复合连续螺旋箍筋约束高强混凝土柱工形截面焊接六边形孔蜂窝钢梁组合结构的结构性能和设计构造，并论述其施工技术要点，展望该结构体系的应用前景。

工形截面焊接六边形孔蜂窝钢梁；组合结构；研究；应用

0　引言

在保证结构安全、性能可靠的前提下，实现“节能、节地、节水、节材和环境保护‘四节一环保’”，克服传统建筑结构存在的不足，减少材料用量、减轻自重、增加套内使用面积，推动可持续发展，是今后土木建筑技术科学发展的一大趋势。基于此，福建省第五建筑工程公司与华侨大学等单位开展有效的“产、学、研”协作，通过多年的试验研究和工程实践，研发出一套新型装配式钢梁-混凝土柱结构体系，暨装配式约束混凝土柱-蜂窝钢梁组合结构体系。

1　装配式约束混凝土柱-蜂窝钢梁组合结构创新性

装配式约束混凝土柱-蜂窝钢梁组合结构体系，亦称轻型节能RCS组合结构，见图1。该结构体系主要包括如下内容：密置复合连续高强螺旋箍筋约束高强混凝土柱(为加快施工速度，实现制作工厂化和施工机械化，一般使用装配式柱)、焊接六边形孔蜂窝钢梁和楼面(空心楼板或压型钢板楼板、钢筋楼承板楼板、普通混凝土楼板等)。

与传统装配式混凝土结构或装配式钢结构相比，本结构体系具有如下特点及创新性：

(1)使用高强材料，密置复合连续螺旋箍筋约束高强混凝土柱采用C55级以上混凝土、HRB500级(俗称四级钢)螺旋箍筋，充分发挥高强材料优势。

(2)研发关键应用技术，创新装配整体式结构；改进装配整体式构造，优化结构部品，减轻自重。

(3)与纯钢、纯混凝土装配式结构体系比较，装配式约束混凝土柱-蜂窝钢梁组合结构具有显著的优势和亮点，各类装配式结构体系比较详见表1。

表1　各类装配式结构体系优、缺点比较表

2　装配式约束混凝土柱-蜂窝钢梁组合结构主要构配件及其拼装

2.1主要构配件

(1)密置复合连续螺旋箍筋约束高强混凝土柱，指采用密置连续复合螺旋箍筋对高强混凝土形成有效径向约束，并满足箍筋配箍特征值和构造要求的钢筋混凝土柱。上、下混凝土柱端部的纵向钢筋钢筋套筒灌浆连接；上、下柱锚接处留置水泥基灌浆料的灌注空间，灌注空间四侧围设配有灌注孔的钢板箍[1]，经灌注孔向钢板箍内加压灌注高强无收缩灌浆料，将上、下柱连接形成整体，最后灌浆料灌注孔采用小块等厚钢板焊接封堵。

(2)工形截面焊接六边形孔蜂窝钢梁，指整根H型钢根据图2-a中腹板上的剖分线切割为AB和DC上下两部分后，将下部的DC段作180°水平翻转；翻转后的CD段和上部的AB段拼接满焊焊接，见图2-b，同时补焊图2-b中阴影部位H型钢腹板；将原h1高的H型钢，制成h2高的工形截面焊接六边形孔蜂窝钢梁。

2.2构配件拼装技术要点

(1)梁与柱连接。框架钢梁不穿过节点核心区，通过钢梁端部钢板端板，焊接紧贴于梁柱节点钢板箍；节点钢板箍水平双向锁接高强长杆螺栓，拧紧双螺帽施加预应力[2]。

(2)主、次梁连接。节点宜设在内力较小的位置，采用刚性连接节点，连接构造可选用如下形式：a.翼缘和腹板均采用完全焊透的坡口对接焊缝连接；b.翼缘采用完全焊透的坡口对接焊缝连接，腹板采用摩擦型高强螺栓连接，梁腹板的对接连接板宜两侧成对配置双剪连接。

(3)楼面与梁柱端板螺栓节点、主次梁，通过栓钉可靠固定。

2.3技术特点

(1)密置复合连续螺旋箍筋约束高强混凝土柱，采用连续复合螺旋箍筋，有效约束混凝土，正截面承载力和变形性能大大优于普通箍筋混凝土柱[3]。

(2)六边形孔蜂窝钢梁自重轻，抗弯刚度大，腹板六边形孔便于敷设管道和电缆，跨度较大、剪力较小时不失为一种经济实用型楼盖梁。

(3)上、下柱组合链接接头，接头端部钢板箍约束有力，大大提高抗剪强度，实现“强剪弱弯”原则[4]，抗震性能显著。

(4)梁柱端板螺栓节点，节点钢板箍和螺旋箍筋有效约束节点核心区混凝土，形成刚连接，实现“强柱弱梁、强节点弱构造” 原则[1]，抗震性能优越。

2.4施工优势

(1)可提供较大的空间，布置分割灵活，建筑系数达85%，较其他类型建筑可增加使用面积约10%，自重约为砖混结构的1/2，地基处理可大为简化，从而降低了工程造价。

(2)蜂窝钢梁、约束高强混凝土柱和梁柱端板螺栓节点均工厂化制作，大面积推广使用时，蜂窝钢梁有望炼钢厂一次成型锻制，各构配件使用的钢材均为可循环利用、可再生环保材料，且用钢量可控制在50kg/m2以下，用钢量较省。

(3)构件自重轻，可实现建筑构配件工厂化、施工作业机械化，提升房屋建造专业化、集成化程度。

3　上、下柱链接

3.1上、下柱接头

接头纵向主筋应采用钢筋套筒灌浆连接，端部应采用外包钢板箍连接，组合链接上、下柱。理论上讲，柱接头最佳位置应避开柱底塑性铰区，并尽可能靠近反弯点，考虑施工方便和安装时的临时固定，并结合预制节点的受力特点，柱接头位置可考虑距离柱底0.5m，这既避开了受力最大点，也可兼顾安装施工的方便。

3.2柱底设置抗剪凹槽

预制柱底应设置抗剪凹槽，抗剪凹槽构造做法见图3。柱底接缝宜设置为45°斜缝，或为水平缝；缝高宜15mm，采用水泥基灌浆料灌实。

3.3钢筋套筒灌浆连接和外包钢板箍连接的组合链接

构造应符合下列要求:

(1)钢板箍壁厚不应小于4mm。

(2)柱接头两端钢筋，应采用金属钢筋套筒灌浆连接。

(3)外包钢板箍作为上、下柱节点端部外模，应与预制柱混凝土浇筑同时成型；上、下柱连接节点外包钢板箍应与该节点接缝处外包钢板箍焊接形成一体，并预留浇筑灌浆料的槽孔、灌浆孔。

(4)外包钢板箍高度不应小于L(L为该处纵向受力钢筋搭接长度)+500mm。

4　梁柱端板螺栓节点安装

(1)柱节点端板长杆螺栓连接节点简称端板螺栓节点，属于混凝土钢板箍加强型节点。本构造节点柱贯通，钢梁不进入节点核心区，钢梁翼缘和腹板均在柱外表面断开，通过设置节点钢板箍、端板、加劲肋、预应力长杆螺栓等构造实现梁柱连接，见图4。梁端弯矩通过高强长杆螺栓传递，梁端通过压摩擦抗剪，节点受剪承载力主要包括混凝土部分、节点钢板箍部分、箍筋部分[4]。本节点承载力超过连接的梁、柱，并且具有足够的延性。

(2)节点钢板箍竖向高度不应小于钢梁截面高度，节点钢板箍外表面宜与柱外表面平齐，一级、二级和三、四级抗震等级节点钢板箍厚度不应小于1/100、1/140和1/180柱长边宽度，且不应小于3mm。

(3)节点钢板箍内表面应焊接水平条形钢板，条形钢板厚度、宽度、间距分别不应小于 5mm、20mm、100mm。

5　构配件安装施工要求

(1)装配式约束混凝土柱-蜂窝钢梁组合结构，施工前应根据设计要求和施工方案进行必要的施工验算，施工验算应包括下列内容：

①构件运输、码放及吊装过程，应根据吊装工况进行承载力验算。

②构件安装期间施工临时荷载作用下，应对构件支架系统、临时固定装置进行承载力验算。

③应对现场吊装设备与运输设备的转弯半径进行核实，确保施工现场构件运输、吊装顺利进行。

(2) 预制构件安装，应符合下列规定：

①预制构件混凝土强度，不宜小于设计强度。

②应根据预制构件形状、尺寸及重量要求选择适宜的吊具，吊装时，吊索水平夹角不宜小于60°，不应小于45°；尺寸较大或形状复杂的预制构件，应选择设有分配梁或分配桁架的吊具，吊车主钩位置、吊具及构件重心应在竖直方向重合。

③构件应根据施工方案要求的顺序进行吊装。构件吊装就位并校准定位后，应及时设置临时支撑或采取临时固定措施。

④施工全过程，宜对构件及其建筑附件、预埋件、预埋吊件等采取施工保护措施，不得出现破损或污染。

6　工程案例

2012年5月，隆基泰和实业有限公司开发的“国际箱包交易中心”工程，建筑面积503 726m2，东西跨度800m，南北跨度130m，地上5层，为最早运用“装配式约束混凝土柱-蜂窝钢梁组合结构”成套技术组织实体施工的建设项目，施工现场照片见(图5)。

工程中采用的32 635根约束混凝土柱、53 572根蜂窝钢梁均为工厂化成批制作，总用钢量达2.42万吨，单位用钢量48.0kg/m2，使用QAY200等型号汽车起重机17台现场装配安装，上、下柱钢筋套筒灌浆链接，柱、主次梁和空心板楼面分别选用高强螺栓、坡口对焊或栓钉连接，板缝微膨胀混凝土灌实。

项目从开工到主体封顶耗时仅232d，工程质量可靠，安全文明标准化施工，社会、经济等综合效益显著，得到开发商、设计单位、施工单位等的充分肯定。

7　结语

(1) 装配式约束混凝土柱-蜂窝钢梁组合结构，依据现行国家标准GB50010、 GB50011、 GB50017等25部标准、规范和华侨大学焊接环式复合箍筋约束高强混凝土柱抗震性能拟静力实验等20多次试验成果为依据，结合日本近10次地震震害案例，从福建省实际地质条件等情况出发进行研发、创新，抗震、生产、施工性能优越，社会、环境效益显著，体现了建筑部件产品绿色化、建筑建造工业化理念，为我省建筑产业现代化提供了技术借鉴。

(2) 该结构体系适用于8m以上的大跨度空间，抗震设防烈度可达8度；构件自重3～5t，并采用梁柱刚节点创新连接方式，部品工厂化制作化难为易，施工作业成套机械化，房屋建造专业化、集成化程度高，质量可靠，工期大为缩短，实现精益化建造。

(3)该结构关键技术《轻型钢-混凝土组合结构新技术研究》科技成果，荣获“2014年度福建省科学技术进步奖三等奖”；总结制订的《装配式约束混凝土柱蜂窝钢梁组合结构技术规程》(编号：2014-B-49)，为“福建省住房和城乡建设系统2014年第二批科学技术项目计划项目”，现已完成有关研发项目，先后进行了蜂窝钢梁复合螺旋箍筋约束高强混凝土柱组合节点抗震性能拟静力等相关试验，该规程初稿已结稿，正在申报审批。

(4)近年来，全国框架结构体系办公、写字楼等公共用房年建造总体量近3亿平方米，福建省约2 000hm2，由此可见，装配式约束混凝土柱-蜂窝钢梁组合结构在我省乃至我国建筑市场有着广阔的应用前景。

[1]罗小庆.焊接环式复合箍筋约束高强混凝土柱抗震性能试验研究[D]. 泉州：华侨大学，2010.

[2]李贤. 端板螺栓连接钢-混凝土组合节点的抗震性能研究[D]. 长沙: 湖南大学, 2009.

[3]北京金土木软件技术有限公司. Pushover分析在建筑工程抗震设计中的应用[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010.

[4]GB50011-2010 建筑结构抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

陈志彬(1973- )，男，高级工程师，硕士生导师，主要从事房建施工技术方面的研究。

Research and Application of Composite Construction of Prefabricated Confined Concrete Column and Honeycomb-section Beam

CHENZhibin

(The No.5 Construction Engineering Company of Fujian Province，Quanzhou 362000)

Assembly type confined concrete column and steel beam combination structure, also known as light energy-saving RCS composite structure, is a new type of assembled steel beam concrete column structure system.The composite structure give full play to the high strength material advantage, save the amount of steel, reduce weight, both to reduce project cost, and other type of construction and increase the use of space, but also to enhance the degree of integration of industry of housing construction, compared with the pure steel structure and concrete structure, more suitable for in large span of the office, office building and plant construction.This paper analyses in detail the assembly when meters pay and continuous spiral stirrup confined high strength concrete columns I-section welding hexagonal air honeycombed steel beam composite structure and structural properties of the structural design, and discusses the points of construction technology, prospect of the architecture of the application.

I-section welding hexagonal honeycomb-section beam; composite structure; research; application

陈志彬(1973-)，男，高级工程师。

E-mail:540385900@qq.com

2016-01-16

TU37

A

1004-6135(2016)02-0056-04