体育场超大椭圆截面型钢混凝土柱施工技术

潘玉珀，高善友，田 辉，康彦彪，张文超，邵珠令（中国建筑第八工程局第二建设有限公司，山东 济南 250014）

河北某体育场主体结构为框架结构，环向部分设计为型钢混凝土柱，共计 64 颗。

其中在 1、2、4 区结构单元中，沿环向 G 轴线、径向 18 道轴线交点设计有超大椭圆形截面的型钢混凝土柱，该钢骨柱下插钢筋混凝土承台 1 950 mm。型钢混凝土柱上部柱顶高出屋面看台结构，一作为主体结构的一部分，二作为上部钢结构罩棚的主要支撑，为达到装饰美观效果设计为椭圆形截面。型钢混凝土柱设计详细情况见表 1 所示。

型钢混凝土柱环向间距约 29 m，其中位于 2、4 区罩棚钢结构端头封边柱的椭圆形截面达 2.0 m×2.4 m，其余中间 16 根椭圆形截面为 1.7 m ×2.4 m，混凝土强度等级 C 40，钢筋 HPB 300 级，HRB 400（Ⅲ）级，柱内型钢柱材质 Q 345 B。

1 椭圆钢骨柱施工难点

(1) 本工程型钢柱地脚螺栓规格为 M 30，预埋长度 900 mm，外露长度 260 mm。该地脚螺栓需精准定位，以保证型钢柱的设计位置。

(2) 型钢柱底钢板截面尺寸达 1 580 mm×2 050 mm，厚度 80 mm，该型钢柱底板底部混凝土密实度必须控制好。

(3) 型钢柱的纵向钢筋较为密集，需处理好梁柱节点处各类构件钢筋关系。型钢柱翼缘板上焊有抗剪锚栓，套柱箍时受其影响，安装后需要保证设计的形状完好，并保证箍筋与纵筋紧密贴合，否则型钢柱模板无法安装。设计的箍筋密集，部分内置箍筋需要穿过型钢柱的腹板，深化设计时设计穿筋孔，实际施工中箍筋拉钩两头都带钩，普通箍筋无法穿过预留穿筋孔。

(4) 由于内置为实腹式十字形钢骨柱，截面较大，型钢柱影响普通对拉螺栓的贯通,且该钢骨截面单边长度超过 1 200 mm，需采取有效措施保证该型钢混凝土柱模板施工质量，以达到装饰的效果。

(5) 型钢混凝土柱与钢筋混凝土梁纵向受力的钢筋采用钢筋连接器，即在型钢上焊接直螺纹套筒。本工程部分大梁与内置型钢柱不正交，梁纵筋与型钢柱存在夹角，需专门加工斜向端面的套筒，且本工程大梁上下排纵向受力钢筋中存在三排钢筋形式居多，钢筋连接器需按设计位置在厂内完成焊接连接。

表1 椭圆形型钢柱设计情况表

2 施工关键点及优化措施

2.1 型钢混凝土柱脚相关施工

经过深化设计，地脚螺栓埋置深度 900 mm，型钢柱底深入所在承台基础深度为 1 950 m，根据承台钢筋仅为底部单层钢筋网片的特点，确定了“绑扎承台底层钢筋网片-固定型钢柱地脚螺栓-浇筑承台第 1 层混凝土-安装第 1 节钢骨柱-灌注柱底灌浆料-绑扎型钢柱钢筋-绑扎底板梁板钢筋-基础梁板承台混凝土浇筑”的施工顺序。

为保证型钢柱底板与第 1 层承台混凝土之间 40 mm 厚空隙设计和混凝土密实，最初设计了“C 40 微膨胀细石混凝土，待型钢柱安装就位后压力注浆”的施工工艺。由于型钢柱底板较大，40 mm 厚空隙较小，柱底中间部分无法保证混凝土密实，且采用后注浆工艺，需要对注浆部位采取密封措施，工序多，时间长。经过设计优化为高强度自流态的灌浆材料，采用“自重灌浆法”，完全依靠灌浆料自重自行流平并填充整个柱底灌注空间。经过优化后具有早强、高强等特点，缩短工期，并保证了柱底与承台混凝土之间紧密接触。

具体实施步骤见表 2。

表2 型钢混凝土柱脚施工步骤

2.2 型钢柱椭圆形箍筋施工要点

本工程型钢混凝土柱设计为椭圆形，外围箍筋规格为 14、16，箍筋 2 规格钢筋硬度较大，加工成椭圆形难度大，成形后张力很大自身会弹开，需临时绑牢。

(1) 外围箍筋 2 加工成设计要求的平滑椭圆形难度大，现有的钢筋加工机械无法满足要求，项目部利用 QC 公关，确定利用钢筋自己制作椭圆箍筋加工模具。① 椭圆形箍筋的放样。我们先利用画椭圆的方法对椭圆箍筋按 1∶1进行了现场放样。② 制作椭圆钢筋加工模具。椭圆完成放样后，开始加工椭圆箍筋模具，采用 Φ 22 的 3 级钢筋作为模具椭圆箍筋模具的主龙骨，竖向按照所放大样每隔 5 cm 取一个点；采用 10 cm 的短钢筋头进行定位焊接；中间用钢筋对撑，保证模具有足够的强度和刚度，加工箍筋时不变形。并根据现场已有的箍筋加工设备，选择可靠的连接方式，直接套放在钢筋弯曲机即可，方便模具的安拆。③ 椭圆箍筋的加工。将直条钢筋按照下料长度下料，先进行两侧箍筋的弯钩加工。将一端弯钩挂在模具上，开动钢筋弯曲机转动一圈，绑扎好后码放待用即可，经测算加工效率提高了 30%。第 1 步：将箍筋加工模具放在钢筋弯曲机上；第 2 步：直条箍筋弯头端头挂在模具上；第 3 步：开动弯曲机旋转一圈；第 4 步：绑扎码放整齐待用。④ 由于椭圆形箍筋加工成形后张力较大，需要及时绑扎，因此现场外围椭圆箍筋采用“从柱顶沿型钢柱纵筋箍码箍筋放到设计位置”的安装方法。

(2) 设计的椭圆矩形箍筋 1 为封闭箍,且需要穿过型钢柱腹板,采取对型钢柱腹板预留穿筋孔的方式，以便于箍筋穿入。与设计院沟通确认后将箍筋 1 优化设计，拆分为对称两个箍筋，现场采用焊接连接形式。

2.3 模板工程及混凝土工程关键点

由于内置型钢柱腹板影响普通对拉螺栓的贯通，且型钢混凝土截面大，截面为椭圆形，普通木模板施工难度大，所以采用组拼式定型大钢模板。

(1) 组拼式椭圆形大钢模设计：18 颗椭圆形柱面板厚度 6 mm，背楞为 10 号槽钢，柱模螺栓采用 M 20 mm×50 mm，根据椭圆形柱截面尺寸分为 1 700 mm×2 400 mm 和 2 000 mm ×2 400 mm 两种，综合考虑层高、周转利用等因素，确定每套钢模制作高度 7 m，竖向分为 4 节，其中 3 节高度 2 m，一节高度 1 m，为便于模板拆除，平面每节分为半椭圆对称 4 块。

(2) 现场采用竖向型钢混凝土柱构件先行施工，待拆除模板后，再组织水平梁板结构施工，此种方法需要在型钢柱上层层高最低梁底位置处留设水平施工缝，经与设计院沟通确认，柱顶水平施工缝设在柱顶框架梁底部 20 mm 处。

(3) 由于型钢梁凝土设计等级为 C 45，梁板混凝土强度等级为 C 30、C 35 两种，强度等级相差 3 级，在图纸会审中提出经设计院核算确认，梁柱节点核心区混凝土可同梁板混凝土强度等级，现场可组织梁柱节点混凝土同梁板水平结构同时浇筑。

2.4 型钢混凝土柱与混凝土梁连接优化

体育场“内椭外圆”的平面设计特点，决定了部分大梁纵向受力钢筋与型钢混凝土柱翼缘钢板不正交（非 90 °），如图 1 所示。

图1 梁纵筋与型钢柱平面关

原设计中型钢混凝土柱与梁纵筋采用钢筋连接器的做法，钢筋连接器与型钢混凝土柱连接端头存在夹角，斜向端头套筒要专门定做，每颗型钢柱每层梁位置钢筋连接器均需深化设计，存在设计量大、时间长等问题，现场实际操作难度大；斜向大梁上下纵筋设计为 3 排钢筋钢排布形式，在与型钢柱连接部位钢筋密集，混凝土浇筑质量难以控制，尤其是 3 排纵筋连接板之间空隙。针对以上难点，采取了一下两方面的优化。

(1) 联系设计院沟将 3 排钢筋尽量优化为 2 排布置。

(2) 将连接方式优化为“在型钢上设置纵向钢筋连接板”，无法优化的 3 排钢筋中的第 2 排、第 3 排联合设计为折板形连接板，见图 2。

图2 钢筋优化布置示意图

3 结 语

本工程 18 颗大椭圆形型钢混凝土柱，确定了“绑扎承台底层钢筋网片—固定型钢柱地脚螺栓—浇筑承台第 1 层混凝土—安装第 1 节钢骨柱—灌注柱底灌浆料—绑扎型钢柱钢筋—绑扎底板梁板钢筋—基础梁板承台混凝土浇筑”的施工顺序，保证了地脚螺栓精准定位及柱底空间混凝土密实。对设计的椭圆形箍筋加工制作了专门的椭圆形箍筋加工装置，提高了加工效率，针对该形状的箍筋不稳定的特点，确定了“从柱顶沿柱纵筋由上到下码放箍筋”的安装方法，对型钢混凝土柱由钢筋连接器连接优化为钢筋连接板连接，并优化梁纵筋排数，由 3 排优化为 2 排，3 排纵筋的连接钢板联合设计为折板形式，保证了梁柱节点核心区混凝土密实。该柱的施工采用组拼式大钢模板，确定了先行组织竖向框架柱施工，再组织上层梁板结构施工的顺序，保证了该超大椭圆形钢混凝土施工质量。