型钢混凝土施工技术研究

李连方

（中铁八局集团第三工程有限公司　贵州贵阳　550002）

1　引言

型钢混凝土有着优越的受力性能，特别在较大空间立柱中应用较多，施工中需要确保混凝土和型钢的良好连接，方可发挥两种材料的功能。为此研究在跨度较大的空间结构中提高型钢混凝土组合结构的施工质量是关键，本研究从型钢混凝土施工技术方法比选、型钢混凝土柱模板支设、型钢混凝土柱与普通钢筋混凝土梁的节点连接、型钢混凝土梁狭小空间结构混凝土自密实方面开展技术研究。

2　工程简要概况

本工程拟建物均为框架结构，其中综合体育馆之游泳馆包含型钢混凝土组合结构，游泳馆建筑面积为3431m2。型钢混凝土组合结构包括：型钢混凝土柱、型钢混凝土梁、普通混凝土梁以及连接节点，型钢混凝土柱高 19.4m，采用型钢型号为 H800×500×23×36（mm），型钢混凝土梁长 5m，采用型钢尺寸为 H950×500×18×38（mm）和 H900×400×18×32（mm），型钢柱与型钢梁的连接采用焊接连接，型钢柱、型钢梁与普通混凝土连接采用套筒连接。

3　关键技术研究

3.1　型钢混凝土组合结构体系施工技术研究

3.1.1型钢混凝土组合结构的分析研究

本工程的型钢混凝土组合结构在游泳馆的框架结构体系中，由12根1000mm×1200mm的实腹式H型钢框架柱作为核心支撑结构，型号尺寸为 H800×500×24×36（mm），在两边翼板焊有 φ19 的栓钉，且水平间距200mm，竖向间距200mm，柱子钢筋是由一层的22根直径为32mm的主筋和直径为14mm间距为100mm的箍筋，二层的22根直径为25mm的主筋和植筋为14mm间距为100mm，以及直径为12mm的斜拉箍筋，三层的26根直径为25mm的主筋和直径为12mm间距为100mm的箍筋组成。

3.1.2型钢混凝土组合结构施工质量控制的分析研究

通过对型钢混凝土组合结构分析和施工质量控制的研究和试验，从各个环节对施工质量方面进行管理、把控，将型钢混凝土组合结构施工质量控制最优化，从型钢混凝土柱焊接，型钢混凝土柱与型钢混凝土梁焊接的试验检测报告可以看出，正常施工情况下，焊缝施工质量是合格的，不需要对型钢焊缝的施工质量进行研究，而选择从单边长度＞1200mm的型钢混凝土柱模板施工质量、型钢混凝土柱与普通钢筋混凝土梁的节点连接施工质量、型钢混凝土梁狭小空间结构混凝土自密实施工质量，这三个方面来剖析研究是对型钢混凝土组合结构施工质量控制的关键点。

3.2　型钢混凝土柱与普通钢筋混凝土梁连接节点施工质量研究

3.2.1原设计型钢混凝土柱与普通钢筋混凝土梁连接节点信息

在游泳馆的4.95m结构层、7.95m结构层均存在型钢混凝土柱与普通混凝土梁连接的情况；通过设计图，筛选在4.95m结构层中，型钢混凝土柱与普通钢筋混凝土梁连接节点钢筋最复杂的节点为例，该节点是型钢柱（Z-1）一边连接上部钢筋为14根直径为25mm，并按6/6/2三排布置，下部钢筋为11根直径为25mm，并按5/6两排布置的梁（L-1）；另一边连接上部钢筋为20根直径为25mm，并按8/8/4三排布置，下部钢筋为13根直径为25mm，并按4/（-4）/9两排布置的梁（L-2）。通过分析，我们可以画出该节点的平面布置图和剖面图，详见图1。

图1　原设计型钢柱与钢筋混凝土梁的连接大样图

根据图1来施工，分析后发现，施工的难度有如下几点：

（1）由于上部、下部钢筋都是两排布置，并且梁的每根主筋都必须连接钢套筒与型钢混凝土柱钢骨的翼缘板焊接，梁的上部钢筋为14根直径为25mm，并按6/6/2三排布置，而翼缘板的宽度为500mm，钢筋保护层厚度为25mm，25mm的钢套筒壁厚为6mm厚。

（2）由于翼缘板宽度为500mm，6个钢套筒焊接在同一排，间距太小，导致侧面焊缝与焊条焊接不牢固，焊缝不饱满，不满足设计与规范要求，存在安全隐患，无法继续施工。

（3）L-1的钢筋信息为：截面为400mm×900mm，上部钢筋14根直径为25mm的，排布为6/6/2，下部钢筋为11根直径为25mm的，排布为5/6，箍筋为直径10mm的，加密区间距为100mm，非加密区间距为200mm；而通过计算，得第一排上部钢筋的主筋间距为50mm，粗骨料的最大粒径为37.5mm，而在主筋外加钢套筒的间距为38mm，间距约等于最大粒径，得出混凝土浇筑过程中，最大粗骨料不能通过已连接钢套筒区域节点的主筋间距，故容易造该节点振捣不密实，然后出现空洞、蜂窝麻面等情况，影响结构安全性。

综上所述，原设计的型钢混凝土柱与普通钢筋混凝土梁连接节点，存在安全隐患，且无法在现场展开施工。

3.2.2提高型钢混凝土柱与普通钢筋混凝土梁节点施工质量可行性研究

根据上述分析，原设计的型钢混凝土柱与普通钢筋混凝土梁的连接节点施工难度大，可操作性低，且易存在安全隐患，对提高型钢混凝土柱与普通钢筋混凝土梁连接节点施工质量展开研究。

（1）提高连接节点钢套筒焊接施工质量

方案1：通过对初步方案的分析，增大型钢混凝土柱与普通钢筋混凝土梁连接节点的截面尺寸，钢套筒间距为50mm。但对于钢筋直径为25mm的套筒长度为65mm的型号来说，不能满足手工电弧焊的操作要求，施焊角度与套筒呈45°角，所以方案1不可行。

深化方案2：由于初步假设的方案1不能满足规范求，在方案1的基础上重新深化，让方案既能满足规范要求，又能到达预期效果；在增大型钢混凝土柱与普通钢筋混凝土梁连接节点截面尺寸的基础上，将梁边缘纵筋通过梁水平加腋的方式，水平自然弯折绕过钢骨翼缘，梁腰筋沿加腋边缘自然弯折。

深化方案2分析研究：通过对深化方案的分析，钢套筒间距为：71mm；25mm钢套筒长度为65mm，钢套筒间距大于钢套筒长度，满足规范要求；并采用钢筋躲让原则，将梁边缘纵筋通过梁水平加腋的方式，水平自然弯折绕过钢骨翼缘，梁腰筋沿加腋边缘自然弯折，保证了部分钢筋的通长整体性。

（2）加强连接节点的整体结构稳定性

在型钢混凝土组合结构中，一旦有外力（比如地震、结构所支承起的物体的自重等）来临时，一般是结构节点的梁根部受力最严重，而变形就会从梁根部开始，而本工程的型钢混凝土柱与普通钢筋混凝土梁主筋的连接采用的是钢套筒焊接，相比主筋贯通穿过节点处而言，整体连接性、结构安全性等都会有所降低，所以节点的结构不能保证其安全性；在深化方案上增加结构保证措施得出了方案2，详见图2。

图2　方案2剖面施工图

对于原设计的型钢混凝土柱和普通钢筋混凝土梁连接节点结构稳定性差的情况，首先针对普通钢筋混凝土梁主筋与型钢混凝土柱钢骨的焊接连接施工进行分析，原设计的焊接节点由于间距过小，施工难度大极易导致焊接不到位，质量打折扣，出现质量隐患，制定出方案1，让边上的两列主筋在梁水平加腋的情况下自然弯折绕过钢骨，从而也增大了中间主筋的间距，满足规范要求；然后，针对主筋遇型钢钢骨断开以套筒焊接的形式连接这一情况做分析，得出这种连接方式的结构稳定性低于主筋全长贯通的方式，而主筋遇钢骨又不得不采用这种方式，所以制定出方案2。

3.3　型钢混凝土梁狭小空间混凝土施工技术研究

3.3.1型钢混凝土梁狭小空间混凝土施工设计研究

由于本工程为使用年限50年的民用建筑工程，对于结构的耐久性能有较高要求，其次，本工程所属地为贵州省贵阳市，亚高原地区冬天气候寒冷，并且，在贵阳市调查，多家商混站均不生产自密实混凝土，所以放弃选用自密实混凝土。

在排除自密实混凝土之后，考虑一种流动性大、对振捣要求不高、密实性良好的混凝土，所以选择研究细石混凝土。细石混凝土原材料中，砂采用粒径0.3～0.5mm的中粗砂，粗骨料最大粒径不大于15mm，含泥量不应大于1%，细骨料含泥量不应大于2%，水采用自来水或可饮用的天然水，每立方米混凝土水泥用量不少于330kg，水灰比不应大于0.55，含砂率宜为 35～40%，灰砂比宜为 1：2～1：2.5。

通过分析在型钢混凝土梁狭小空间所需混凝土的性能，排除自密实混凝土，确定细石混凝土作为研究对象。

3.3.2细石混凝土不同型号的对比研究

原设计采用C30P6混凝土进行浇筑，通过对C30P6细石混凝土进行试配，发现C30P6细石混凝土的和易性并不是我们想要的效果，现讨论将C30P6提高等级，提升至C40P6细石混凝土，不仅提升了狭小空间的混凝土强度，还确保其和易性，确定选用C40P6细石混凝土。

3.3.3狭小空间细石混凝土施工技术研究

对细石混凝土在型钢混凝土梁的狭小空间的密实度、流动性能以及到达龄期后的强度展开研究。

（1）型钢混凝土梁1：1钢筋模型制作

首先对将要施工的型钢混凝土梁制作1：1的钢筋模型，在梁中用木制模板按照型钢钢骨的尺寸大小制作模型，然后按照设计图纸的梁配筋信息进行配筋，最后再进行模板安装。

（2）细石混凝土浇筑

在制作安装好型钢混凝土1：1模型后，开始浇筑混凝土，结合研究要求，采用C40P6的细石混凝土进行浇筑，并对梁两侧底部进行轻微的振捣，在对型钢混凝土梁底部进行细石混凝土浇筑之后，待7d养护龄期完后，开始进行拆模工作，观察期对外观质量和混凝土强度进行检测，可得之，细石混凝土的流动性和自密实度能够满足研究要求；另外，试验人员对该部位进行回弹试验，7d与28d后的回弹混凝土强度满足设计和规范要求。

（3）细石混凝土与普通混凝土浇筑质量比较研究

用同样的方法试验制作型钢混凝土梁1：1模型，采用同型钢梁的钢筋配筋信息进行配筋，模板安装，因自密实混凝土的缺陷，放弃选用自密实混凝土，经过讨论选用细石混凝土，并且通过试配放弃了原设计的C30P6细石混凝土，确定选用C40P6细石混凝土；然后通过制作型钢混凝土梁1：1模型，按照型钢混凝土梁的钢筋配筋信息进行配筋，钢筋绑扎，模板安装，并采用细石混凝土将底部狭小空间浇筑完成，到达混凝土龄期后，拆除模板，外观质量和混凝土实体强度都能满足设计和规范要求，经实验研究确定，选用C40P6细石混凝土可行。

3.4　型钢柱单边＞1200mm模板加固施工技术

游泳馆型钢柱大小尺寸为1000mm×1200mm，层高分别为4m、3m、7m，对于普通模板加固技术是不能满足施工安全要求的，对型钢柱单边＞1200mm的模板加固施工技术展开研究。3.4.1与传统的模板加固技术研究对比

根据传统模板加固技术，墙柱等竖向构件模板面板在混凝土成形过程中大体经历以下几个阶段：混凝土初凝前，塑性状态的构件所产生的侧压力完全作用在模板上；在振捣作用下，混凝土会呈现液态形状，此时产生的侧压力是模板受力的最大值；模板材料随之发生弹性变形，振捣停止后变形随之得到恢复（模板的弹性变形需要拆模后才得以全部恢复）；如果模板材料在构件成形过程中超过了材料的弹性变形能力，将造成不可恢复的塑性变形。所以模板材料和横向支撑构件必须满足要求。

（1）传统模板加固技术

根据传统模板加固技术，对高度超过4m单边尺寸＞1000mm的柱模板，加固技术如图3所示，传统的模板支撑体系为：扣件式钢管脚手架架体，方木龙骨和模板共同组成。主要材料有圆形钢管、对拉螺杆、钢管扣件、蝴蝶卡、木制模板等。

图3　柱子单边＞1000mm的传统模板加固施工方法

（2）型钢混凝土柱单边＞1200mm的模板加固技术对比

根据与传统模板加固方式的对比，制定了针对型钢混凝土柱单边＞1200mm的专项加固技术方案1，详见图4所示，离地200mm开始排布横向支撑圆形钢管，每道横向支撑杆件设置3根圆形钢管，间距600mm/道，在另一边1000mm宽度的加固方法均与1200mm宽度的加固方法相同。

图4　型钢混凝土柱单边＞1200mm的模板加固施工方法（立面图）

3.4.2型钢混凝土柱单边＞1200mm的模板加固技术研究

综合各方面的因素，在型钢混凝土柱单边＞1200mm的模板加固技术基础上，重新调整对圆形钢管的使用数量和布局，采用在B和H截面增加对拉螺杆的方法，减少对每道横向支撑杆件的钢管使用数量，详见图5。

图5　型钢混凝土柱单边＞1200mm的模板加固施工方法（平面图）

遵循型钢钢骨腹板可穿孔，翼缘板不可穿孔的原则，在腹板面中轴线偏移300mm竖向间距每隔600mm设置一道对拉螺杆，在翼缘板面中轴线偏移250mm（确保紧贴钢骨翼缘边）竖向间距每隔600mm设置一道对拉螺杆；且在底部往上，前三道横向支撑杆件采用三根圆形钢管，往上的其余横向支撑杆件均采用两根圆形钢管做加固。

4　结束语

通过对型钢混凝土组合结构分析和施工质量控制的研究，对普通钢筋混凝土梁主筋与型钢混凝土柱钢骨的焊接连接施工进行分析，制定出让边上的两列主筋在梁水平加腋的情况下自然弯折绕过钢骨，从而也增大了中间主筋的间距，满足规范要求的前提下，改变原设计的焊接节点由于间距过小，施工难度大极易导致焊接不到位的情况，提高了施工质量，同时也保证了结构节点质量，避免出现质量隐患；对主筋遇型钢钢骨断开以套筒焊接的形式连接这一情况进行研究分析，制定出在主筋断开的钢骨位置，先加水平加劲板，增强主筋断开处的连接性，并增加了钢骨的水平抗力，然后在水平加劲板的上下分别加小型的纵向加劲板，从而增强了水平加劲板的抗滑移能力；通过制作型钢混凝土梁1：1模型，采用细石混凝土提高在型钢混凝土梁底部狭小空间浇筑后的外观质量和混凝土实体强度；通过在框架柱传统模板加固施工技术的基础上，对型钢混凝土柱模板加固施工技术的研究，通过改变加固间距、钢管数量和增加钢骨腹板面和翼缘板面的对拉螺杆来增加其稳定性，从而减少横向支撑杆件的圆形钢管数量，提升模板支撑体系中的可利用施工空间，来提高型钢混凝土柱单边＞1200mm的模板加固施工质量。

[1]《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2017）.

[2]袁小兰.型钢混凝土结构施工技术研究[J].科技研究，2014（1）：34，36.

[3]徐 锐，景瑞平.型钢混凝土施工技术[J].科技风杂志，2012，13.

[4]李扬.型钢混凝土转换结构施工技术研究[J].华南理工大学，2015.