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泰州文化中心博物館:多層實(shí)腹式鋼骨柱節(jié)點(diǎn)處理

作者:周關(guān)亮 曹建慶    
時(shí)間:2013-01-25 14:36:30 [收藏]
摘要:對(duì)勁性鋼骨柱施工過程與鋼筋連接方式,以及柱對(duì)接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了分析,為類似結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計(jì)提供了可借鑒經(jīng)驗(yàn)。
    關(guān)鍵詞:多層實(shí)腹式鋼骨柱節(jié)點(diǎn)處理 泰州文化中心

    摘要:對(duì)勁性鋼骨柱施工過程與鋼筋連接方式,以及柱對(duì)接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了分析,為類似結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計(jì)提供了可借鑒經(jīng)驗(yàn)。

    關(guān)鍵詞:勁性混凝土鋼骨柱,施工,十字型截面,深化設(shè)計(jì)

    1 工程概況
          泰州文化中心博物館位于泰州市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū),總建筑面積約2.2萬平方米,地上建筑面積14745平方米,地下建筑面積7506平方米,地上1層,地上4層,建筑高度33.70米。主要結(jié)構(gòu)形式框架剪力墻結(jié)構(gòu),二層以上由南北兩側(cè)有懸挑近20m樓層,懸挑部分結(jié)構(gòu)為H型鋼桁架。-1~1層為剪力墻底部加強(qiáng)部位,中間主樓部分柱為勁性鋼骨混凝土柱。

    2 深化設(shè)計(jì)難點(diǎn)
          第一,泰州文化中心博物館懸挑樓層分為東西兩面,東面為二~四層,西面為四~五層,以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的平衡性,不過勁性鋼骨柱混凝土還是會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力,而混凝土抗拉強(qiáng)度較低,拉應(yīng)力就由勁性鋼骨承擔(dān),因此對(duì)于勁性鋼骨柱焊縫和連接要求很高。
          第二,結(jié)構(gòu)布置不規(guī)則,部分節(jié)點(diǎn)鋼筋與勁性鋼骨柱節(jié)點(diǎn)復(fù)雜,需每個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)際放樣定位。
          第三,懸挑H型鋼桁架存在不均勻下繞,需各點(diǎn)預(yù)支起拱,對(duì)于安裝和制作要求精度和難度高。

    3 勁性鋼骨柱深化設(shè)計(jì)
          該工程深化設(shè)計(jì)采用takle structure 軟件進(jìn)行三維實(shí)體放樣,具體建模順序:軸網(wǎng)建立→截面庫輸入→主體模型搭建→節(jié)點(diǎn)細(xì)部處理→結(jié)構(gòu)分層分段→構(gòu)件編號(hào)出圖。

    3.1 柱對(duì)接節(jié)點(diǎn)處理
          該工程勁性鋼骨柱多數(shù)為十字型截面,根據(jù)原設(shè)計(jì)施工圖紙,十字柱對(duì)接節(jié)點(diǎn)為全焊接形式,即柱翼腹板采用全焊透的剖口對(duì)接焊縫(見圖1)。
     

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    圖1 泰州文化中心博物館鋼骨柱焊接示意圖

    第一,由于本工程十字柱截面最小只為600mm,翼板寬度為400mm,這樣造成內(nèi)部腹板對(duì)接焊接操作空間有限,腹板中心焊接難以實(shí)現(xiàn)。第二,十字腹板中心存在焊縫交錯(cuò),焊接時(shí)會(huì)出現(xiàn)焊縫二次融透,而且此處的對(duì)接焊縫等級(jí)為一級(jí),現(xiàn)場(chǎng)焊縫質(zhì)量難以保證?;谝陨蟽牲c(diǎn),深化設(shè)計(jì)提出本工程十字柱腹板現(xiàn)場(chǎng)焊接改為螺栓連接的建議。(見圖2)螺栓數(shù)量規(guī)格計(jì)算按腹板等強(qiáng)連接計(jì)算,假設(shè)十字柱翼板承受彎矩,腹板只承受拉力和剪力。故得以下計(jì)算公式:

          單個(gè)螺栓受剪承載力設(shè)計(jì)值:
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    d0 螺栓孔直徑 tw 腹板厚度 hw 腹板高度
     

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    圖2 泰州文化中心博物館鋼骨柱栓焊示意圖
     

    對(duì)于十字柱截面對(duì)接一般設(shè)計(jì)院出的節(jié)點(diǎn)多數(shù)采用全焊透的剖口對(duì)接焊縫,這樣連接對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單明確。焊接本身屬于等強(qiáng)連接,設(shè)計(jì)無需對(duì)于對(duì)接節(jié)點(diǎn)再做設(shè)計(jì)分析。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)施工,由于十字型截面的特殊性,截面限制了焊接的操作空間,而且一般柱對(duì)接節(jié)點(diǎn)都在高空進(jìn)行,十字柱腹板焊接質(zhì)量難以保證。如改為腹板螺栓連接,翼板焊接這種栓焊組合的形式,這樣即可保證現(xiàn)場(chǎng)施工的質(zhì)量,也可以保證結(jié)構(gòu)的安全性。
          3.2 鋼筋與勁性鋼骨柱節(jié)點(diǎn)處理
          鋼筋與勁性鋼骨柱連接的處理問題,一直這一類結(jié)構(gòu)的處理難題和重點(diǎn)。如規(guī)范上要求混凝土梁中上下主筋需在節(jié)點(diǎn)區(qū)域貫通,而這一區(qū)域有鋼骨柱的話,規(guī)范上要求十字柱翼板不宜開孔,腹板開孔率不允許超過25%,這就是矛盾點(diǎn)??偨Y(jié)現(xiàn)行的鋼筋與勁性鋼骨柱的連接方式有三種:勁性鋼骨柱開孔鋼筋貫通連接、勁性鋼骨柱設(shè)連接牛腿或者勁板與鋼筋焊接連接和勁性鋼骨柱設(shè)鋼筋套筒與鋼筋機(jī)械連接。
          3.2.1勁性鋼骨柱開孔鋼筋貫通連接
          這種連接方式為車間加工時(shí)在鋼骨柱上定位鉆孔,現(xiàn)場(chǎng)鋼筋穿孔通過。深化設(shè)計(jì)時(shí)需注意,根據(jù)規(guī)范鋼骨柱開孔只允許在腹板,而且腹板開孔超過截面的25%時(shí),需對(duì)腹板截面進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng),具體補(bǔ)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)可以參見《04SG523》。(見圖3)  
       

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    圖3 泰州文化中心博物館柱上開孔示意圖
     

    一般開孔大小為鋼筋直徑增大8mm,即直徑為28mm的鋼筋柱上開孔為36mm。一般這種鋼筋開孔不允許現(xiàn)場(chǎng)氣割泰州文化中心博物館施工圖設(shè)計(jì)說明中也明確規(guī)格了這點(diǎn),而且十字柱成形后,再想在腹板上開孔操作,鉆孔機(jī)操作空間沒有。故這種連接方式對(duì)于鋼筋定位要求較高,在深化建模時(shí)需對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)域所有連接方向的梁鋼筋放樣定位,然后再在腹板上開孔。泰州文化中心博物館項(xiàng)目中一個(gè)節(jié)點(diǎn)的鋼筋數(shù)量不少于幾十根,工作量相當(dāng)大。

    穿孔連接的優(yōu)點(diǎn)在于第一,鋼筋貫穿,符合混凝土規(guī)范要求。第二,鋼筋受力與鋼骨分離對(duì)于鋼骨本身受力不影響。缺點(diǎn)在于第一鋼筋定位精度要求較高,往往出現(xiàn)混凝土施工時(shí)綁扎鋼筋定位與鋼骨放樣鋼筋開孔定位不符。第二,貫通鋼筋一般是整體綁扎厚貫通,孔位限制很難貫穿。一般處理方法為先取一段貫穿鋼筋,穿過鋼骨柱后與整體綁扎鋼筋對(duì)接焊接,施工較為費(fèi)時(shí)費(fèi)工。
          3.2.2 勁性鋼骨柱設(shè)連接牛腿或者勁板與鋼筋焊接連接
          連接方式是在勁性鋼骨柱上設(shè)置H型牛腿,梁的主筋焊與牛腿翼板,并在牛腿翼板出十字柱內(nèi)部設(shè)置加勁板。(見圖4)
     

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    圖4 泰州文化中心博物館鋼筋與鋼骨柱牛腿連接示意圖
     

    深化設(shè)計(jì)時(shí)需注意:第一,牛腿的標(biāo)高定位問題?,F(xiàn)場(chǎng)焊接要避免仰焊,所以混凝土梁主筋布置與H型牛腿上翼板。故牛腿上翼板標(biāo)高=h-a-d。h為混凝土梁頂標(biāo)高,a為梁保護(hù)層厚度,d是鋼筋直徑。牛腿截面高度=H-2a-2d+t。H為混凝土截面高度,t為H型牛腿翼板厚度。這里還有一點(diǎn)深化時(shí)要注意,一般鋼筋都是縱橫交錯(cuò)的,鋼筋有一個(gè)相互疊加的問題,因此深化時(shí)要考慮到橫向牛腿比高要比縱向牛腿標(biāo)高低或者高一個(gè)鋼筋直徑。第二,柱上箍筋和主筋與新加牛腿相碰處理。箍筋處理比較簡(jiǎn)單,直接在牛腿腹板上開孔,然后箍筋穿過?;炷林鹘?,一般最好的方式在柱開始排布主筋時(shí)候盡量靠近柱角落,少數(shù)幾根與牛腿翼板相碰時(shí)候,可以采用連接板與鋼筋焊接的形式或者采用鋼筋套筒連接。第三,牛腿長(zhǎng)度確定。規(guī)范規(guī)定鋼筋與牛腿焊縫長(zhǎng)度不小于5d,所以牛腿長(zhǎng)度需大于5d。
          設(shè)置牛腿這種連接方式的優(yōu)點(diǎn):第一,牛腿定位精度要求較其他兩種方式低,現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)能力強(qiáng)。第二,對(duì)于鋼筋綁扎的定位要求也較其他兩種方式低。其缺點(diǎn):第一,牛腿對(duì)于混凝土主筋有一定影響,需從柱底開始配筋時(shí)調(diào)整主筋位置,否則會(huì)與牛腿相碰過多。第二,一般現(xiàn)場(chǎng)焊接要避免仰焊,故牛腿連接不適用于多排鋼筋連接需與其他連接方式配合。
          3.2.3勁性鋼骨柱設(shè)鋼筋套筒與鋼筋機(jī)械連接
          鋼筋套筒又名鋼筋接頭,用以連接鋼筋并有與絲頭螺紋相對(duì)應(yīng)內(nèi)螺紋的連接件。它是將鋼筋  端部用滾軋工藝加工成直螺紋,并用相應(yīng)的連接套筒將兩根鋼筋相互連接。它的結(jié)構(gòu)原理是將待連接鋼筋端部的縱肋和橫肋用切削的方法剝掉一部分,然后直接滾軋成普通直螺紋后,用特制的直螺紋鋼筋連接套筒連接起來,形成鋼筋的連接.(見圖5)
     

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    圖5 泰州文化中心博物館鋼筋與鋼骨柱套筒連接示意圖+


     鋼筋螺紋加工
          (1) 加工鋼筋螺紋的絲頭、牙形、螺距等必須與連接套牙形、螺距一致,且經(jīng)配套的量規(guī)檢查合格。
          (2) 加工鋼筋螺紋時(shí),應(yīng)采用水溶性切削潤(rùn)滑液;當(dāng)溫度低于0℃時(shí),應(yīng)摻入、15%—20%亞硝酸鈉,不得用機(jī)油做潤(rùn)滑液或不加潤(rùn)滑液套絲。
          (3) 操作人員應(yīng)逐個(gè)檢查鋼筋絲頭的外觀質(zhì)量并做出操作者標(biāo)記。
          (4) 經(jīng)自檢合格的鋼筋絲頭,應(yīng)對(duì)每種規(guī)格加工量隨機(jī)抽檢10%,且不少于10個(gè),如有一個(gè)不合格,即對(duì)該加工批全數(shù)檢查,不合格絲頭應(yīng)重加工,經(jīng)再次檢驗(yàn)合格后可使用。
          (5) 已檢驗(yàn)合格的絲頭,應(yīng)加以保護(hù)戴上保護(hù)帽,并按規(guī)格分類整齊待用。
    這種連接方法的優(yōu)點(diǎn)如下:
          1).力學(xué)性能好、連接安全可靠:由于鋼筋端部經(jīng)滾壓成形,鋼筋材質(zhì)經(jīng)冷作處理,螺紋和鋼筋強(qiáng)度都有所提高,彌補(bǔ)了螺紋底徑小于鋼筋母材基圓直徑對(duì)強(qiáng)度削弱帶來的影響,使連接的接頭強(qiáng)度高于母材強(qiáng)度,能使母材充分發(fā)揮其強(qiáng)度和延性。
          2).連接方便:在狹小場(chǎng)地鋼筋排列密集處均能靈活操作。施工方便、效率高:鋼筋連接套筒在工廠預(yù)制,質(zhì)量保證:現(xiàn)場(chǎng)滾軋絲頭設(shè)備每臺(tái)每班可加工接頭近400個(gè),在大工程量及地下室底版等施工時(shí)具有無可比擬的優(yōu)勢(shì),施工時(shí)無污染,無明火作業(yè),安全環(huán)保好,可全天候施工。
           3).便于檢測(cè):施工時(shí)不需要用特定檢測(cè)設(shè)備,只需看鋼筋外露絲牙情況即可測(cè)定接頭的質(zhì)量。適用性強(qiáng):適用于一切抗震和非抗震的鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)工程的鋼筋連接,且對(duì)彎曲鋼筋、固定鋼筋、鋼筋籠、超長(zhǎng)鋼筋等及不能轉(zhuǎn)動(dòng)的場(chǎng)合均適用。
           80年代末期,通過引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的機(jī)械連接技術(shù),再加上我國(guó)一些科研院所的相關(guān)專家的不斷努力,我國(guó)鋼筋機(jī)械連接技術(shù)得以發(fā)展迅速。機(jī)械連接經(jīng)歷了套筒冷擠壓、錐螺紋,鐓粗直螺紋直到目前滾軋直螺紋等不同的發(fā)展階段,技術(shù)不斷成熟穩(wěn)定,成本也不斷降低。搭接的連接方式已不能用于大規(guī)格鋼筋的連接,再加上焊接有很多不足之處,焊接質(zhì)量均無法保證。鋼筋機(jī)械連接能避開上述種種困難,顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)。
          近十年來,我國(guó)在鋼筋的機(jī)械連接技術(shù)方面取得了很大發(fā)展,其中擠壓連接做為一種新型機(jī)械式鋼筋連接措施,與傳統(tǒng)的搭接和焊接相比具有接頭性能可靠、質(zhì)量穩(wěn)定、不受氣候及焊工技術(shù)水平的影響、連接速度快、安全、無明火、不需大功率電源、可焊與不可焊鋼筋均能可靠連接等優(yōu)點(diǎn)。通過在各類高層建筑、大跨結(jié)構(gòu)、橋梁、水工結(jié)構(gòu)、電視塔、核電站等多項(xiàng)重大工程中應(yīng)用,套筒擠壓連接受到了普遍好評(píng)。
          我國(guó)的錐螺紋連接技術(shù)和國(guó)外相比還存在一定差距,最突出的一個(gè)問題就是螺距單一,從直徑16~40mm鋼筋采用螺距都為2.5mm,而2.5mm螺距最適合于直徑22mm鋼筋的連接。雖然在一些方面還存在著差距,隨著中國(guó)套筒生產(chǎn)技術(shù)的不斷成熟,會(huì)把這些差距最小化的。
           深化設(shè)計(jì)時(shí)要注意:第一,套筒為車間焊接定位,所以對(duì)于定位精度要求很高。基本誤差不超過1~2mm。第二,套筒鋼骨柱焊接部位需設(shè)置加勁板。
          3.2.4 鋼筋連接要求:
          (1) 連接鋼筋時(shí),鋼筋規(guī)格和連接套的規(guī)格一致,鋼筋螺紋的形式、螺距、螺紋外徑應(yīng)與連接套匹配。并確保鋼筋連接套的絲扣干凈、完好無損。
          (2) 連接鋼筋時(shí)應(yīng)對(duì)準(zhǔn)軸線將鋼筋擰入連接套。
          (3) 接頭拼接完成后,應(yīng)使兩個(gè)絲頭在套筒中央位置互相頂緊,套筒每端不得有一扣以上的完整絲扣外露,加長(zhǎng)型接頭的外露扣數(shù)不受限制,但有明顯標(biāo)記,以檢查進(jìn)入套筒的絲頭長(zhǎng)度是否滿足要求。
           鋼筋與鋼骨柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域非常復(fù)雜,深化設(shè)計(jì)時(shí)需要三種方式結(jié)合使用。節(jié)點(diǎn)處理需注意:第一,鋼筋盡量避免碰到勁性鋼骨柱,可以適當(dāng)采用折彎繞過或者是直接彎錨入住(彎錨長(zhǎng)度見混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范)。第二,鋼筋不能避免時(shí),要適當(dāng)對(duì)這些鋼筋進(jìn)行排布,一般鋼筋的最小間距是1.5d,最小不小于25mm。根據(jù)原則這個(gè)分布需貫穿腹板的鋼筋和與翼板連接的鋼筋。第三,鋼筋貫穿方向只遇腹板,宜選擇第一種方式貫穿連接。一般由于截面和開孔數(shù)量的限制,同一排鋼筋最多一側(cè)貫穿兩根(十字型柱截面)。鋼筋貫穿方向遇到腹板和兩側(cè)翼板時(shí),如果鋼筋只有單排可采用第二種牛腿焊接方式連接;如果鋼筋由兩排或者更多時(shí),前面幾排采用第三種套筒連接方式,最后一排采用第二種牛腿焊接方式。下圖6是泰州文化中心博物鋼筋與鋼骨典型節(jié)點(diǎn)中一個(gè),是三種方式結(jié)合使用,供大家參考。
     

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    圖6 泰州文化中心博物館鋼骨與鋼骨柱節(jié)點(diǎn)區(qū)連接示意圖

         
    3.3 懸挑桁架起拱問題處理
          現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)起拱方式有三種,第一,成型構(gòu)件利用火烤或者機(jī)械頂壓起拱。適用于簡(jiǎn)單的H型梁截面。第二,深化設(shè)計(jì)時(shí)放樣起拱,適用于大型跨度門式鋼架。第三,安裝時(shí)焊縫起拱,適用于大截面桁架。
          泰州文化中心博物館采用第三種方式起拱,原設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)模型提供各個(gè)控制點(diǎn)下繞值,放樣根據(jù)下繞值抬高。深化設(shè)計(jì)時(shí),takle structure先不起拱放樣,全部結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)完成是,轉(zhuǎn)化為CAD,然后定點(diǎn)抬高。此時(shí)要注意,部分螺栓是否要調(diào)整,一般螺栓孔可以調(diào)節(jié)1~2mm,看差值是否在這以內(nèi)。博物館東面桁架,懸挑長(zhǎng)度不一,因此下繞值不同,故每個(gè)點(diǎn)起拱值不一樣,需分別放樣確定。
          4.結(jié)束語:
          勁性混凝土鋼骨結(jié)構(gòu)具有鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的雙重優(yōu)點(diǎn),型鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提高了結(jié)構(gòu)的承載能力和抗震能力,減少了柱的節(jié)目尺寸和結(jié)構(gòu)本身的自重,這種結(jié)構(gòu)越來越受各種高層和超高層及橋梁結(jié)構(gòu)的青睞。隨之帶來的節(jié)點(diǎn)處理難點(diǎn),以及鋼骨存在對(duì)于混凝土澆筑帶來一些難度,這些需深化設(shè)計(jì)時(shí)處理。勁性鋼骨柱能夠適應(yīng)現(xiàn)代化工程結(jié)構(gòu)大跨、高聳和重載的發(fā)展趨勢(shì),符合施工技術(shù)工業(yè)化的要求,因而開會(huì)越來越多應(yīng)用于高層和超高層、工業(yè)廠房以及橋梁等結(jié)構(gòu),并且已經(jīng)在實(shí)踐中取得良好的經(jīng)驗(yàn)效益和建筑效果。鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)時(shí)節(jié)點(diǎn)處理有著廣闊的推廣應(yīng)用前景,并且獲得越來越廣泛的應(yīng)用。
                                  
    參 考 文 獻(xiàn):
          [1] 陳富生,邱國(guó)樺,范重 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(第二版) 中國(guó)建筑工業(yè)出版社
          [2] 劉亞維 型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)造和計(jì)算手冊(cè)     中國(guó)建筑工業(yè)出版社
          [3] 王建軍 吳桂榮 高層建筑實(shí)腹式勁性鋼骨混凝土施工技術(shù) 山西建筑

    作者簡(jiǎn)介:周關(guān)亮(1983-),浙江中南建設(shè)集團(tuán)鋼結(jié)構(gòu)有限公司深化設(shè)計(jì)工程師,主要從事鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)。
           聯(lián)系地址:浙江省杭州市濱江區(qū)浙江中南建設(shè)集團(tuán)鋼結(jié)構(gòu)有限公司(310052)
     

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