钢筋混凝土结构与新增钢结构节点优化设计

潘仲平

（中国水利水电第八工程局有限公司，湖南长沙 410004）

近几年，我国经济发展过程中，随着我国建筑产业的整体发展规模不断扩张，各种新型建筑结构越来越多样化。钢筋混凝土结构作为建筑工程当中常见的结构之一，钢筋混凝土结构的强度和稳定性直接影响建筑工程的使用安全性。传统的建筑结构具有钢结构与混凝土结构的多方面性能优势，在我国各类工程建设工作中应用非常普遍，经过多年的工程实践积累，该项工程施工体系已经日渐完善，有效解决了工程施工中的重点和难点问题。

1 工程概况

结合我国某地区一处大型建筑工程施工案例展开分析，本项目工程总建筑面积12 500 m2。建筑首层高度为7.6 m，首层结构设计工作中支模架和模板铺设工作完成后，其中一条框架梁因为上部结构荷载量的不断上升，需要在框架梁体结构内部新增加型钢结构，保证梁体节内尺寸为300 mm×800 mm。钢结构配筋形式为上部10Ф28、下部4Ф25，其中新增加的钢截面尺寸规格为H200 mm×500 mm，钢梁结构侧方区域距离钢翼缘边缘区域距离为50 mm。扣除横梁和纵梁箍筋结构尺寸，只能勉强满足钢筋结构的防护层厚度，钢体结构梁体正上方无法插入振捣棒，造成梁体结构部分混凝土材料均匀程度不足，存在一定的质量安全隐患。梁体结构侧向宽度不足，原结构设计工作中存在的支撑钢筋结构无法进行施工，需要对箍筋部分进行优化和设计。

2 钢筋混凝土结构与新增钢结构设计

建筑工程首层下部结构设置两片独立的剪力墙结构，墙体内部含有型钢结构，剪力墙结构的内部钢柱安装工作完成后，需要在±0.000 m标高位置，新增加外框架梁体结构，与两片剪力墙结构之间进行连接。

现场型钢柱安装工作已结束，安装规范要求不允许在工程施工现场直接进行开孔处理，梁体结构的纵向箍筋无法满足锚固施工需要的长度，应对框架梁结构进行优化和处理。在空间优化过程中，工程原有的框架结构为构造配筋结构，梁体没有承担扭矩作用，原本设计的支箍筋和混凝土提供出该梁体结构斜截面承受的最大承载能力[1]。

通过优化原有的支撑箍筋作为双向支撑结构，可以有效保证钢筋混凝土结构的整体稳定性。在优化设计工作方面，确认原本设计的框架结构混凝土层等级，空间设置为HRB400，截面尺寸规格300 mm×800 mm，防护层厚度为25 mm。对箍筋结构进行优化处理后，需要充分符合工程施工规范要求，通过和设计工作单位之间的有效沟通，同意使用该种配筋形式进行施工，有效避免型钢翼缘部分需要进行开孔处理。

3 型钢开孔后补强设计工作

在新增加的型钢梁翼缘部分宽度为200 mm，框架梁截面的实际宽度仅为300 mm，去除纵向箍筋和横向箍筋后，实际的宽度大小仅能满足防护层的基本厚度，钢筋和型钢相互之间存在的空隙无法直接插入振捣棒，混凝土材料中的粗骨料也无法实现顺利进入梁体结构内部，建筑梁的浇筑施工质量无法得到有效保障。

3.1 箍筋优化设计

有效结合钢骨混凝土结构设计规范标准，在条文当中明确指出，在某种特殊状态下，需要将翼缘部分进行开孔处理时，必须保证型钢截面的缺损率控制在20%之内，还需要充分保证型钢达到全塑性弯矩设计工作标准，不能产生明显的破坏性问题。经过设计计算分析后，充分考虑实际型钢在使用过程中存在的剪切力以及轴向应力产生的影响，考虑使用钢材强化阶段的不稳定性因素、翼缘缺损率在20%以内，保证型钢材料在达到全塑性弯矩条件下，不会产生明显的破坏性问题[2]。

本次工程施工型钢结构上翼缘部分，会直接影响混凝土工程施工质量，充分考虑型钢上翼缘部分开混凝土的进料口和振捣口，根据上述分析得出型钢材料翼缘部分的缺损率控制在20%以下，因此开孔直径大小需要小于40 mm，符合标准的规范设计工作要求。该框架结构上部钢筋和下部型钢翼缘部分受到外部压力作用相对较大，翼缘部分的上开孔对于抗弯效果会产生不利影响，在上部翼缘开孔部分需要对型钢梁一端1/3范围内进行控制，考虑开挖工孔后的集中应力的影响。混凝土工程施工完成后需要补强处理。

箍筋优化设计如图1所示。

图1 箍筋优化设计（单位：mm）

3.2 型钢材料上翼缘的开孔部分优化设计

型钢材料上翼缘的开孔部分需要在加工厂内部直接进行加工，现场模板安装钢筋绑扎工作完成后，需要分为两次进行混凝土浇筑施工。

第一次混凝土浇筑过程中，需要在振捣棒表面焊接Ф18钢筋直接插入型钢开孔位置，对混凝土材料进行振捣处理，采取边振捣边浇筑的方法，充分实现型钢上下翼缘部分混凝土材料的充分振捣和密实，直到混凝土表面浮浆上浮到翼缘孔洞位置，停止混凝土浇筑施工。

型钢材料上翼缘部分如图2所示。

图2 型钢材料上翼缘部分

第一次混凝土浇筑施工完成后，混凝土构件具有一定强度后，刮掉翼缘部分表面多余的混凝土材料，使用工业丙酮材料清理翼缘区域，焊接40 mm×60 mm的加强板结构，厚度和型钢的翼缘部分厚度保持相同。在型钢翼缘部分进行等面积补强处理，可以进一步提高型钢结构的抗弯折能力补强板，焊接完成后可以进行后续的混凝土梁浇筑施工[3]。

4 增加搭筋板节点优化设计

原建筑梁体结构没有设置框架梁，施工完成后的型钢在腹板位置上没有提前加工框架梁到纵向箍筋和扭筋孔洞。根据型钢混凝土钢筋排布和构造分析可以得出，梁体结构的上部纵向钢筋和扭筋平直段锚固长度超过标准预定长度，但因为规范要求当中的规定，定型钢禁止在现场进行开孔处理。

通过BIM模型分析可以得出，梁体结构上部纵筋一侧方向上的扭筋无法有效穿过型钢腹板位置，如果在型钢腹板表面直接焊接搭筋板，需要将框架梁结构从纵向钢筋和扭筋部分直接焊接在搭筋板表面，保证钢筋和钢柱之间形成一个整体，使得锚固能力更安全可靠。

但在框架梁受力过程中，由于上部结构钢筋的拉应力，可以全部传递到钢柱的腹板位置，钢柱腹板只能承受来自横向方向上受到的剪应力作用。轴向方向上的拉力对腹板的作用力相对较大，会对腹板的结构稳定性产生影响，纵向钢筋和扭筋的拉应力不能通过腹板直接进行承受，需要通过钢筋自身的锚固能力来进行承担。

搭筋板如图3所示。

图3 增加搭筋板

本次工程型钢腹板距离剪力墙的边缘位置200 mm框架梁，纵向方向根据设计规范的要求，平直段的长度需要超过350 mm，需要重新需要穿过腹板150 mm，在腹板的另外一侧需要设置出规格相同的搭筋板，将剩余的150 mm平直段钢筋材料，弯折处理后直接焊接在拉筋板表面，提供相应的拉力作用。

搭筋板的设置工作需要保证在两端的同一标高进行，纵向钢筋和拉筋板的焊接属于双面焊接形式，焊接缝的有效厚度作为主筋直径大小的30%，焊缝的有效高度为主筋直径的80%。在腹板两侧区域同时设置标高搭筋板后，作为不参与框架梁结构的内部受力钢筋，受到的拉应力全部通过锚固段进行承受[4]。

5 结语

综上所述，现阶段对于钢筋材料和型钢的连接，已经具备一套比较成熟的处理技术，主要包含套筒连接型钢开孔、钢构件焊接等相关工作流程，相关工程施工单位需要在新增钢结构之前，对节点部分进行全面优化与设计，制定针对性的节点设计优化方案，提高钢筋混凝土结构的整体稳定性，全面提升工程质量。