斜扭柱抗剪環梁在高層建筑中的應用

張 蘭

(四川廣播電視臺，四川成都610021)

鋼管混凝土柱抗剪環—環梁節點是近幾年在實際工程中應用不多的一種新型鋼管混凝土柱與混凝土梁相連接的節點形式，經過一定數量試件的試驗研究及近30幢高層建筑工程實踐，目前取得了一定的工程設計經驗。

在四川廣播電視臺的設計中，為了滿足建筑造型的要求，結構中需要有一部分由地下室頂面延伸至結構頂部、最大傾斜75°的鋼管混凝土斜柱，這樣便在結構各層形成了鋼筋混凝土梁板與鋼管混凝土斜柱相交的節點，經設計方—西南建筑設計院研究擬采用抗剪環—環梁節點形式，現將工程中的應用情況總結如下。

1 項目情況介紹

四川廣播電視臺廣電大樓位于成都市天府大道世紀城路66號。該工程主樓地上31層,地下二層,采用框架——核心筒體結構,建筑高度為134.80 m,主要功能為四川廣播電視臺廣播、電視節目的制作、播出和臺綜合辦公(圖1)。

圖1 四川廣播電視臺廣電大樓

該工程主樓核心筒體外圍四周1至5軸與J至Y軸，共設置有28根直徑700 mm,壁厚為14 mm的鋼管圓柱,與核心筒體框架梁連接,東西兩側1至5軸線鋼管圓柱各為5根,分別以KZ3柱-75°、Kza柱-78.4°、KZb柱-80.6°、KZc柱-80.9°、KZd柱-79.1°傾斜成為扭曲狀態,其余全為90°直立式鋼管圓柱。鋼管柱內澆筑C60高強混凝土,突出了圓鋼管對核心混凝土的套箍約束,各樓層鋼管柱與框架梁連接點設置結構復雜的抗剪環形梁,環形抗剪梁與鋼管柱緊密箍抱。框架梁端部的縱筋錨固于環梁內,借環梁傳遞彎距和剪力,對樓蓋梁端剪力起擴散作用。

2 施工技術難點

(1)鋼管斜柱抗剪環形斜梁設計全國應用較少，主要是傳遞彎矩和剪力。項目特邀請重慶大學通過7個按實際工程2/3比例縮尺、以75°傾斜的鋼管混凝土斜柱抗剪環—環梁節點單調及低周反復加載試驗，對斜柱抗剪環—環梁節點的宏觀受力機理、最終破壞形態及受力性能等進行了分析研究。試驗結果表明，通過對環梁合理配筋構造，抗剪環—環梁節點能夠有效地傳遞框架梁端的彎矩和剪力；無論最終破壞發生在框架梁端還是環梁內，試件都能達到所要求的承載能力和延性；由于鋼管混凝土斜柱與環梁的承載能力相對獨立，即使環梁最終發生破壞對鋼管混凝土斜柱的縱向承載力也不會造成明顯影響(圖2)。

圖2 斜柱與抗剪環梁

(2)環形抗剪梁結構復雜、技術含量高、施工難度大。主樓抗剪環形梁從1樓至31層設置在鋼管圓柱上,共計868個不同型號的節點。有直立式、傾斜式和連接式三種,鋼筋規格為Φ25～28 mm的三級鋼。鋼筋總重量達約200 t。環形梁鋼筋制作和安裝結構復雜,施工難度大,在當時的成都地區建筑結構為首例。

直立式環形梁外圓直徑為1 500 mm，環梁高度為800 mm，環梁長度為2 600 mm連接式為橢圓形，寬度為1 450 mm；傾斜式環梁直徑為1 500 mm，高度為800 mm；主筋和箍筋間距密集，圓形和橢圓形鋼筋加工工藝復雜，技術含量高，施工時有如下的難點(圖3、圖4)。

圖3 圓形環梁

圖4 橢圓形環梁

①鋼管柱傾斜度、旋轉角度繁多,測量定位操作復雜,吊裝就位難度大。

②模板支撐為有圓形傾斜度的,核心筒體框架梁端要錨入環梁內,安裝精度要求高。

③環形抗剪鋼筋制作和安裝結構復雜,鋼筋強度高，施工制作安裝難度大。

④鋼管圓柱在環梁上部開孔要準確,滿足框架梁端錨入鋼管柱內縱筋間距。

⑤環梁鋼筋密集混凝土澆筑振搗難度大。

3 采用的技術方案

為了達到鋼管斜柱和環形抗剪梁準確位置和滿足設計要求，從主樓1層至31層為鋼管斜柱施工部份，因每層樓設置有28根鋼管圓柱，并在鋼管圓柱上設有28個不同類型的環形抗剪梁。

3.1 具體的施工流程

(1)采用塔吊吊裝就位鋼管圓柱,對鋼管柱進行臨時支撐,用全站儀和經緯儀測量坐標、軸線、傾斜度、標高等,符合要求后對鋼管柱進行焊接；澆筑鋼管混凝土。

(2)根據設計圖紙,對環形抗剪梁圓形和橢圓形進行精確放樣,計算出環梁內外圓鋼筋的長度,腰筋長度,箍筋的長度后準確下料。

(3)對采購進入現場的各種環梁鋼筋進行物理化學檢驗。

(4)工廠加工制作環梁圓形和橢圓形鋼筋,焊接鋼筋接頭,制作加工環梁腰筋和箍筋。

(5)對環梁鋼筋焊接接頭作抗拉試驗。

(6)現場綁扎環形抗剪梁鋼筋。

(7)環梁底模支撐。

(8)用塔吊將環梁鋼筋吊裝就位后,進行軸線、標高檢查。

(9)環形梁外側模板支撐。

(10)檢查外側模幾何尺寸和外模穩定性。

(11)混凝土澆筑

3.2 斜鋼管柱安裝及鋼管混凝土澆筑

3.2.1 斜鋼管柱安裝

本工程鋼柱主要是φ700的螺縫鋼管柱和工字綱柱，鋼管柱共計28根，H型鋼柱12根，根據工程的結構特點及塔吊和汽車吊機械性能，在標高22.75 m以下鋼柱每二層分為一節柱，在22.75 m標高以上塔吊能吊二層的按二層分段,其余的按每層分段,每節的鋼柱分段處高于樓層面1 m。采用PH16012塔吊、QY50型起重機吊裝。

施工前采用軟件將工程所有斜柱的運行軌跡及傾斜度、相對應的坐標全部計算出來，施工中采用全站儀在樓地面定位出鋼柱的就位點及傾斜點，即開始安裝鋼柱，鋼柱就位后，利用經緯儀定位樓層面已定好的傾斜點向斜柱端部觀測，另一方向同時也采用經緯儀觀察鋼柱變化。下一節鋼柱安裝前利用全站儀將鋼柱就位點用記號筆反映在下節鋼柱上按照此施工方法可有效地保證斜柱精度(圖5)。

圖5 斜柱定位

本工程斜柱施工時首先吊裝斜柱在吊裝鋼絲繩上設置一個5 t手拉葫蘆，在鋼柱就位前利用手拉葫蘆將斜柱調節成就位角度后方可就位，斜柱對接后利用臨時夾板將其固定，臨時夾板及臨時螺栓對其進行剪力計算后滿足固定斜柱的要求，部分斜柱同時采用鋼性支撐對其進行臨時固定(圖6)。

圖6 斜柱吊裝

3.2.2 環梁外側模安裝

外側模安裝時，應精確對準事先劃好的環梁圓形邊線,測出外側模的傾斜度和中心軸線，以保證傾斜度符合環梁斜度要求.外模制作用100 mm×50 mm的木方，按1比1的比例放環梁圓形，挖成弧形作為圓形龍骨,再用18 mm厚的酚醛木板鋸成100 mm寬，700 mm長的小塊釘在弧形的龍骨木方上,按圓形分為若干塊順環梁的邊線安裝支牢,外側模板隨圓形安裝支撐牢固后，精確進行環梁軸線、標高、傾斜度、幾何尺寸的檢查,做好環梁鋼筋隱蔽記錄，填好各種數據，合格后才下令澆筑混凝土(圖7、圖8)。

(a)環梁圓形外側模板

(b)立面圖7 環梁外側模安裝

圖8 鋼管斜柱斜抗剪環形梁立面

3.3 環形抗剪梁鋼筋吊裝就位

環形梁鋼筋綁扎和環形梁底模檢查完畢符合要求后,用塔吊對以綁扎好的環梁進行吊裝就位,吊裝時派專人負責指揮,吊勾勾住環梁主筋,將環梁內圓套入鋼管圓柱頂部,緩緩下降,準確就位在環梁的底模上。就位后對環梁軸線、標高、傾斜度、鋼筋間距、鋼筋保護層進行認真檢查,滿足規范要求合格后進入下一道工序(圖9)。

圖9 傾斜環形梁鋼筋安裝

3.4 環梁混凝土澆筑

因環梁傾斜度的不同變化,鋼筋排距及間距隨之密集,加之核心筒體框架梁端受力鋼筋錨入環梁內，使混凝土澆筑很困難。為此,環梁在保證混凝土強度的情況下，必須采用和配制高流態的混凝土,坍落度控制在180～220 mm之間，用泵管壓送。為更好地保證環梁澆筑混凝土密實度效果,采用直徑30 mm插入式振搗棒并結合皮錘敲擊外側模板的方式進行振搗。環梁頂部混凝土澆入環梁內，必須按混凝土澆筑的操作規程進行振搗,環梁混凝土澆滿后，須停2 min的時間再進行補振,主要是趕出混凝土微小氣泡,以保證環梁混凝土密實度表面質量。澆筑完畢后用麻袋復蓋養護(圖10)。

圖10 傾斜度環形抗剪梁成品

4 總結與改進

(1)主樓鋼管柱傾斜度，旋轉角度多，有10根75°～80.9°斜扭鋼管混凝土柱。測量定位復雜，在施工前采用軟件計算機模擬技術將工程中所有斜柱的在安裝過程中的運行軌跡進行模擬控制，并計算出相對應的坐標，安裝過程中，用全站儀測定出鋼管柱定位點及傾斜點，用兩臺經緯儀縱橫方向架設，測距一致，兩個方向同時觀察鋼管柱變化，進行精確定位。

(2)橢圓型、圓型環梁Ⅲ鋼筋場外綁扎、整體吊裝，用軟件計算機模擬技術根據施工圖紙對各個環梁節點進行模擬，精確計算出各節點環梁鋼筋大樣及下料長度，用機械卷板機進行環梁加工制作。

(3)環梁外箍分兩次彎鉤，避免影響主筋，先彎至90°，待主筋定位后再彎至設計要求的135°。

(4)橢圓型、圓形混凝土斜環梁模板加工安裝。在工程建設的實施中，在鋼管柱節點轉換處，由于兩根鋼管柱相距太近，不便于環形梁鋼筋綁扎施工，經設計同意也將原設計進行了改進，即采用14 mm厚鋼板制成鋼環板，加豎向鋼板肋代替環形梁鋼筋。

5 結束語

鋼管混凝土柱與混凝土梁相連接的節點形式，經過一定數量試件的試驗研究及本工程主樓31層建筑的實踐經驗，加之我國正在修訂的《鋼管混凝土結構設計與施工規程》中，已納入近幾年的實際工程中應用較為廣泛的鋼環—環梁節點的相關設計規定。鋼管斜柱和抗剪環形斜梁設計及施工，本工程為全國首例，主要是傳遞框架梁端的彎距和剪力，有效減小了柱子截面尺寸，提高了柱子的延性，滿足了建筑的造型，促進了建筑施工技術的發展，使鋼管混凝土柱的應用向前邁進了一步，相信此技術會具有廣闊的應用前景。

在工程經歷2008年5月12日大地震后，經省、市質檢站部門檢測，結果是結構完好，未受地震的影響。現在該工程已竣工驗收，正式啟用了三年,工程也獲得了建筑的最高獎項—魯班獎和四川建筑—天府杯金獎。該技術在本項目的應用，對今后施工此類的結構儲備和提供充分的實際工程技術經驗。