劲性混凝土节点优化施工技术研究

寇 宇

（中铁十六局集团城市建设发展有限公司，北京 100018）

0 引言

劲性混凝土结构在我国发展的初级阶段主要运用于工业建筑之中，劲性混凝土结构在我国快速发展阶段主要集中在 20 世纪 90 年代之后的各大中型城市超高层建筑中。钢结构这种材料具有可塑性好、强度高、稳定性好等优点，劲性混凝土结构集传统混凝土结构与钢筋混凝土结构优势于一体，即成本低、工期短［1］。

1 工程概况

北京曹妃甸教职城一期项目位于曹妃甸生态城，总建筑面积 28.2 万 m2，由 50 栋单体建筑组成，校级办公楼高度为 80 m、地下 3 层、地上 20 层；结构形式同为核心筒结构。含有型钢柱（见图 1）和型钢梁，型钢柱的尺寸都在 1 m 以上，柱子的混凝土标号为 C 60，同时核心筒内的约束边缘柱也为型钢柱，核心筒混凝土标号为C 60 自密实混凝土。

图1 十字型钢柱大样图（单位：mm）

2 劲性混凝土结构施工改进措施及优化

2.1 焊接变形的调整

钢柱变形协调措施是依据数值计算的结果所确定的，在施工前采用计算机数字仿真技术进行模拟来计算焊接时收缩变形值和需要协调的压缩量，并考虑深化设计中的变形值［2］。

钢柱在深化设计阶段是利用 ANSYS 软件进行预调整，引起结构刚度改变属于几何改变。几何改变分为大位移、应力刚化、大应变 3 类。

在分析时，应该注意单元选择、单元形状、网格密度、荷载和边界条件等问题，并根据欧拉临界公式进行计算。采用 BEAM 单元时，绕单元轴转动的自由度是需要约束的，静力分析进行时会伴有异常屈曲模态（模态分析时会出现零值）。

BEAM 189 是 3 D 二次有限应变梁，是存在均布荷载作用的梁，跨间的集中荷载和部分分布荷载在整个单元长度上是不支持的［3］（见图 2～3）。

图2 构件中点屈曲前后的荷载-挠度曲线

分析结果的判断是建立在对复杂节点制作的经验上，并参照 JGJ 99－2015《高层民用建筑钢结构技术规程》的规定对焊接引起的收缩进行预调整［4］。

2.2 钢筋与型钢柱之间的处理

通过建立实体模型进行钢结构深化设计时，钢结构穿筋需要提前根据设计院的图纸进行放样以满足现场的实际需要［5］。对于复杂位置如梁柱的节点，应进行逐一的检查、放样，并针对不同的问题提出解决措施。

图3 构件顶点屈曲前后的位移-荷载曲线

2.2.1 改变箍筋形式

一般情形下箍筋穿腹板需要断开。断开的箍筋一分为二。当每根柱子的箍筋都需要穿腹板时，这样累积起来焊接的箍筋数量将十分巨大。所以钢结构生产厂家在深化过程中发现该问题后，改变非节点区域的箍筋穿越腹板，通过调整为 2 根单肢箍筋穿过腹板后进行焊接，优化之后减少了大量的焊接工程量［6］（见图 4～5）。

图4 型钢柱配筋图

图5 箍筋形式示意图

2.2.2 钢筋接驳器搭接牛腿的使用

众所周知，一般结构的柱底剪力非常大，梁柱节点处钢筋密集且不能在钢柱底部开大量穿筋洞让梁钢筋通过。而接驳器的使用将很好地解决这个问题。接驳器是通过使用直螺纹套筒焊接在钢柱的翼缘板上，而直螺纹套筒焊接前必须进行拉拔试验。一般情况下劲性混凝土梁钢筋一端连接接驳器，另一端的梁钢筋与搭接板焊接，其少数情况下梁两端钢筋都与接驳器连接［7］。

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2.2.3 型钢梁与型钢柱主筋位置的处理

当柱子竖向受力钢筋无法穿过型钢梁，并与型钢梁的钢骨相撞时，可以调整柱子受力钢筋的位置，使从型钢梁两侧通过。竖向钢筋按照 1∶6 弯折，是因在钢筋无法调整时，为了避开型钢梁改变主筋位置。

2.2.4 腹板开孔直径

常规条件下十字型钢腹板上框架梁主筋穿过时，按照设计要求必须开孔通过。开孔分为两种规格。当腹板开孔直径为 45 mm 时，框架梁钢筋直径＞32 mm；当腹板开孔直径为 35 mm 时，框架梁钢筋直径为≤32 mm。

2.2.5 优化后的梁主筋连接

按照现有规范，在框架梁中部采用机械连接时，梁主筋在 2 根钢柱之间将无法按照常规方法施工。可采用一个完整套筒长度的丝扣加工长度在梁筋中部连接，通过将套筒完全拧入一端，待与另一端主筋连接后再退拧，此方式连接也符合现有规范要求［8］。

2.3 型钢柱焊缝优化

按照现有设计要求，当焊缝要求为 I 级时，钢构件必须进行 100 % 检测，钢构件的检测应采用超声波探伤。焊接质量不合格的主要原因是由于坡口焊缝清理不干净造成的，同时焊缝形式的改变也能很好地满足质量要求，由原来的焊缝 45°K 型改为 35°V 型，很好地解决了这个问题［9］（见图6～7）。

图6 原设计 K 形坡口焊缝（单位：mm）

图7 优化后 V 形坡口焊缝（单位：mm）

2.4 型钢柱混凝土浇筑

1）钢柱浇筑时在第一节与支座平面临接触处有间隙，间隙的宽度为 50 mm 左右。采用无收缩且流动性能好的灌浆料进行间隙填充。在柱脚底处钢板开 4 个小洞，无收缩灌浆料从间隙的一层灌入，间隙的其余侧面使用模板挡住，灌浆过程不能间断，灌浆完成之后覆盖塑料薄膜并对灌浆料进行养护［10］。

2）外框柱及核心筒中都含有钢结构，使用普通混凝土浇筑将带来诸多不便，只有使用自密实混凝土浇筑才能够保证混凝土的质量。

3）剪力墙中的连梁与暗柱都为钢结构，两者的交界处空间狭小，混凝土振捣棒无法正常振捣，通过连梁钢筋从直锚入墙体改为弯锚措施后，振捣棒方可正常振捣。

4）通过增大加劲板上开孔的直径，振捣棒可以顺利地在箱型柱内振捣，提高了混凝土的密实度。

3 质量控制

3.1 原材料的质量控制

按照工程质量控制要求，不合格的材料不能在本工程中使用，只有具备复试检测报告和合格证的材料才能在本工程上使用，这是钢构件进厂和出厂时质量控制的两个关键环节。钢构件在加工完成之后必须按照规范要求进行验收，验收完成之后方可出厂。

3.2 型钢柱的吊装与焊接

钢骨柱施工质量控制难点是安装精度控制，通过控制位移和垂直度偏差来满足规范要求，同时钢骨柱的施工效率也间接得到了提高。施工中垂直度控制依靠使用激光经纬仪实现，这样既提高了精度，也提高了施工人员的工效［11］。

坡口焊透对接焊缝在翼缘和腹板接头部分的焊接中使用，焊缝要求为一级焊缝，为了确保焊缝质量采用 CO2气体保护焊。由于上下柱拼接产生的间隙在焊缝根部，故焊接前应清除焊缝坡口附近水份、铁锈，防止引弧伤害母材。钢柱焊接时采取对称焊接，现场钢柱的截面积较大，需要 2 个焊工面对面沿着同一个时针进行焊接。焊接过程中使用全站仪对钢柱的焊接进行全过程监测，监测过程中发现钢柱产生偏位时应通过调整焊流大小以及焊接速度这两方面及时校正偏差。焊缝表面打磨应在钢柱焊接完成且自然冷却并通过超声波探伤检测之后进行。超声波检测发现焊接出现问题后，应及时查清焊接不合格原因，返修后再探伤检测直至焊缝合格。

3.3 钢筋的翻样和加工

核心筒模板需采用对拉螺栓对木胶板进行加固，当核心筒剪力墙的钢筋直径＞28 mm 时会与对拉螺栓产生冲突，因此首层模板加工时应确定对拉螺栓开孔的位置，以避开剪力墙内钢筋，并克服调整钢筋位置难度大的困难。当剪力墙钢筋安装产生偏位时，已开孔的模板需重新开孔，开孔过多会造成模板的周转次数降低和混凝土的外观质量降低，可通过设置定位卡来解决主筋和墙筋的偏位问题［12］。

4 结语

在北京曹妃甸保税区教职城一期项目施工中，结合项目本身的特点通过对劲性混凝土施工技术的优化提高钢构件在车间的加工精度、钢结构之间对接焊缝的质量、钢结构吊装过程中精度的控制、钢结构钢筋绑扎的质量，为项目按期实现结构封顶、降低工程施工成本、提高可靠性等方面带来了良好的经济和社会效益。