以電影院工程為例談加層鋼結構設計與安裝

2012-12-31 00:00:00董令科

現代裝飾·理論 2012年7期

摘要：本文介紹了某大型影院采用鋼框架加層設計的有關結構選型、體系布置及植筋做法等問題。結合實際工作中的體會，提出一些看法供參考。

關鍵詞：植筋；鋼框架；焊接；設計

一引言

近年來，輕鋼結構憑借其自身具有的輕便快捷、抗震抗風、耐久性強等特點被廣泛的應用于工業及民用建筑。隨著鋼產量的不斷提高，經濟的不斷發展，對綠色環保型建筑的不斷要求，鋼材應用于現代建筑主體結構是歷史所趨。我國也正在加速發展鋼結構建筑產業化進程，發展以標準化、系列化、通用化，以專業化、社會化生產和商品化供應為基本方向。

二工程概況

該影院位于唐山市某區，原有建筑為混凝土框架，地下1層，地上4層，地下室做停車用，地上1~3層做商場用，第4層做電影演播廳。原設計考慮電影演播廳上局部加層，做一個放影廳和一個電影大廳。當時因經濟原因沒有建設，隨著經濟的發展，生意的興隆，原有面積已遠遠不夠使用，決定再加建兩層。原設計套用的舊規范，不能滿足新規范的要求，而且甲方要求不影響正常營業且施工周期短的情況下考慮設計。因此選用了質量輕、施工速度快的鋼結構。

本加建工程為框架支撐結構體系。加層平面圖如圖一、圖二和圖三所示，鋼柱采用H300X300X10X15；臥梁采用H900X300X10X12主梁采用H700x300x10x12和H400X300X10X12，次梁H294X200X8X10；樓板采用YX60-200-600x1.2壓型鋼板和強度等級為C30混凝土組合樓板。柱與柱連接為焊接，柱與梁，梁與梁連接為栓焊混合連接，加層高度為6.78m，風壓為0.50KN/m2，設防烈度為7度，抗震等級為3級，墻體材料與原建筑一致為輕質空心隔板，現已投入使用。

三工程的設計思路

1. 本工程在混凝土框架結構加建鋼框架，兩種結構體系不同，阻尼比不同，剛度不同。在《建筑抗震設計規范》又無依據可尋，為了避免剛度突變，同時因為柱頂部鋼筋特別密集，在此情況下柱頂預埋件或植筋很難施工，決定采用等剛度轉換方法，用剛度與原混凝土梁相等的鋼梁代替，沿加層柱軸線加鋼臥梁，避開原結構柱柱頭鋼筋密集區植筋，通過與混凝土鋼梁來轉換和分散柱內力，使剛度不至于發生大的突變。

2. 鋼柱柱底與原混凝土連接方式采用鉸接，通過降低柱底彎矩達到原有結構正常承載力，經pkpm計算，內力圖如圖四。框架柱按兩個主軸方向分別進行強度和穩定性計算。在風荷載作用下頂點的橫向水平位移不宜大于H/500（H為框架柱總高），層間相對位移不宜大于h/400（h為層高），多遇地震進行抗震設計，層間側移不應大于層高的1/250。

3. 支撐和樓板計算，在框架柱間設豎向柱間支撐，抵抗水平側向力，提高整個結構平面外的穩定性。本工程柱間支撐截面為H300X300X10X15。同時在平面內局部穩定性不夠的梁上加設加筋肋板，臥梁采用在工字梁腹板兩側對稱加肋板，同時在工字梁兩側封板，形成一個類似箱型梁結構體系，提高局部穩定性和抗剪扭性。壓型鋼板的凸肋頂面至鋼筋混凝土板頂面的距離為80mm，壓型鋼板僅起模板作用，但應進行壓型鋼板強度及變形驗算，此時壓型鋼板的允許撓度取L/200（L為板的跨度）并不大于20mm。鋼槽中的焊釘直徑為19mm，焊釘長度為100mm，釘頭直徑為28mm。

4. 化學螺栓的設計

化學螺栓在混凝土中的埋深與混凝土的標號及所選用的螺栓標號有關，結合本工程螺栓主要考慮受剪，應該考慮兩種情況：

4.1 桿件受剪

此時只需要驗算螺桿的抗剪，這時膠體是抗壓的，一般抗壓力為100kPa以上。

4.2 膠體受剪

此時桿件是受拉，需要通過現場的拔拉實驗確定，如發現鋼筋超過屈曲或拉斷，加大截面從新實驗，直到可找到屈服點沒發生破壞的作為設計參考值。

在實際應用中本工程采用以桿件受剪為主，膠體受剪為輔的復合情況，眾所周知，在復合應力作用下的材料是有所提高的。

5 鋼筋錨固設計

5.1 設計原則：

在鋼筋混凝土和素混凝土中的植筋會產生不同的力的傳遞。

5.1.1 素混凝土：

對于素混凝土，拉力N是通過連接鋼筋傳遞給混凝土，可傳遞的力的大小取決于可能隨鋼筋拉出的混凝土的大小，還受錨固長度、邊距和間距的影響。

5.1.2 鋼筋混凝土：

對于鋼筋混凝土而言，邊距和間距并不是很重要，因為拉力是由連接鋼筋通過鋼筋之間的混凝土傳遞給預埋鋼筋的。總的原則：用植筋粘結灰漿進行的鋼筋錨固，其工作特性與預埋件相同。

5.2 錨固設計：

錨固設計的工作原理，是基于“植筋可能出現的破壞模式并制定相應的使用極限”。

A、錨固的設計負荷：F=min{F1、F2、F3}

其中F1為鋼筋的使用極限

其中F2為粘結灰漿的使用極限

其中F3為混凝土的使用極限

5.2.1 鋼筋的使用極限F1（KN）：

鋼筋被充分利用時的設計拉力F1（KN），等于鋼筋的橫截面積乘以鋼的特征強度σ（N/mm2）。

即：F1=πr2σ×10-3其中r為鋼筋半徑（mm）

當錨固安裝深度＞標準錨固深度時，該數值尤其重要。

5.2.2 粘結灰漿的使用極限F2（KN）：

粘結破壞可能發生在鋼筋與粘結灰漿之間也可能發生在混凝土與粘結灰漿之間。綜合分析所得：

F2=πDh0τ×10-3/rb其中D為鉆孔直徑（mm）h0為鉆孔深度（mm）

τ為粘結膠粘結強度單位N/mm2

建議安全系數rb為1.5～2.5

當錨固安裝深度＜標準錨固深度時，該數值尤其重要。

5.2.3 混凝土的使用極限F3（KN）：

由混凝土破壞分析得：

F3=Ch02×10-3/rc√fck，其中C為系數0.85 h0為鉆孔深度（mm）

fck為混凝土的抗壓強度

建議安全系數rc為1.5～2.5

當混凝土的等級小于C30時，該數值尤其重要。

B、標準錨固深度h0（mm）

當植筋深度超過h0，則鋼材充分利用，標準錨固深度h0由以下公式所得：

式1：F1≤F2（鋼筋強度≤粘結強度）

式2：F1≤F2（鋼筋強度≤混凝土使用強度）

即：{πr2σ×10-3≤πDh0τ×10-3/rb

{πr2σ×10-3≤Ch02×10-3/rc√fake，

由此得：h0=max{r2σrb/（Dτ）；r√πσrc/（C√fake）

由分析得：對于C30及以下等級的混凝土，混凝土的等級起主要作用。

對于C30及以上等級的混凝土，粘結劑起主要作用。

四工程安裝過程

1. 植筋及梁柱安裝

1.1 植筋用的植筋粘結灰漿是一種利用粘著和鎖健原理產生固持力的固定劑，適用于混凝土、多孔性磚塊或較低級石材上的固定，其特點是施工周期短，沒有膨脹性，不會破壞基材，且有補強作用，抗高溫、耐酸堿性、其主要成份為二氧化硅，適用于≥C15的混凝土。植筋時首先剔開保護層，露出原結構鋼筋位置，避開主筋進行放線植筋，植筋位置可在預埋板允許的條件下在鋼柱的底板部分鉆孔，鉆完孔后清理干凈孔洞，灌注粘結灰漿，緩緩旋入穿過鋼板的螺桿，植入原混凝土梁或柱中，鋼柱再與鋼板焊接。

1.2 等膠體固化，強度達到設計要求后吊裝柱子，鋼柱在初擰前用水平尺粗略控制垂直度，待形成框架后用精緯儀精確校正，焊接后進行復測，使每層相對誤差小于2mm，與終擰測量結果作比較，作為施工依據。

1.3 首先用安裝螺栓固定好梁和柱，然后調整到設計所要求的位置，最后進行圍焊，焊接質量嚴格按現場焊接工藝指導書，柱與柱、梁與柱、梁與梁焊縫的一次超聲波探傷合格率達到B1級質量的焊縫均為95%以上。

2. 樓板的安裝

2.1 組合樓蓋的抗剪連接栓釘的焊接采用穿透焊，鋪設鍍鋅壓型鋼板作永久模板，因考慮到含鋅量少的鋼板年代久遠后板材易失去鍍鋅膜生銹，含鋅量多的鋼板，在焊接過程中易發生氧化，生成氧化鋅熔融再金屬中，形成多孔金屬，影響焊接質量，故鍍鋅壓型鋼板選用熱鍍鋅冷軋卷板。

2.2 鋼梁上翼緣表面在制作中不應涂刷防銹漆，因油漆會使焊縫金屬中產生氣孔，影響焊接質量。

2.3 鋪設壓型板時梁表面的間隙不能太大，太大會造成金屬融化量不足，影響焊縫成型。

2.4 除去栓釘焊接面上水、銹、油垢等有害物質，確保焊接質量。

2.5 施焊電流為1600A，施焊時間為1.1S，栓釘植筋為φ20，壓型鋼板厚度為0.8mm。

2.6 樓板混凝土采用泡沫混凝土，自重為4~6KN/m3，標號為C25，100mm厚，澆筑時用震動棒震搗密實。

五結語

本工程采用全鋼結構，是在混凝土框架上加建梁框架的全新嘗試，通過對該工程的設計和實踐，為以后類似建筑積累了寶貴的經驗，為需要加建的工程提供了借鑒。

參考文獻：