裝配式約束混凝土柱—蜂窩鋼梁組合結構的研究與應用

陳志彬

(福建省第五建筑工程公司　福建泉州　362000)

?

裝配式約束混凝土柱—蜂窩鋼梁組合結構的研究與應用

陳志彬

(福建省第五建筑工程公司福建泉州362000)

裝配式約束混凝土柱-蜂窩鋼梁組合結構，亦稱輕型節能RCS組合結構，是一套新型裝配式鋼梁—混凝土柱結構體系。該組合結構充分發揮了高強材料優勢，改進了裝配整體式構造，節省用鋼量，減輕自重，既降低工程造價，又較其他類型建筑增加使用面積，而且提升了房屋建造業集成化程度，較純鋼結構和純混凝土結構，更適用于大跨度的寫字樓、辦公樓及廠房建造。文章詳細分析了裝配式密置復合連續螺旋箍筋約束高強混凝土柱工形截面焊接六邊形孔蜂窩鋼梁組合結構的結構性能和設計構造，并論述其施工技術要點，展望該結構體系的應用前景。

工形截面焊接六邊形孔蜂窩鋼梁；組合結構；研究；應用

0　引言

在保證結構安全、性能可靠的前提下，實現“節能、節地、節水、節材和環境保護‘四節一環?！?，克服傳統建筑結構存在的不足，減少材料用量、減輕自重、增加套內使用面積，推動可持續發展，是今后土木建筑技術科學發展的一大趨勢。基于此，福建省第五建筑工程公司與華僑大學等單位開展有效的“產、學、研”協作，通過多年的試驗研究和工程實踐，研發出一套新型裝配式鋼梁-混凝土柱結構體系，暨裝配式約束混凝土柱-蜂窩鋼梁組合結構體系。

1　裝配式約束混凝土柱-蜂窩鋼梁組合結構創新性

裝配式約束混凝土柱-蜂窩鋼梁組合結構體系，亦稱輕型節能RCS組合結構，見圖1。該結構體系主要包括如下內容：密置復合連續高強螺旋箍筋約束高強混凝土柱(為加快施工速度，實現制作工廠化和施工機械化，一般使用裝配式柱)、焊接六邊形孔蜂窩鋼梁和樓面(空心樓板或壓型鋼板樓板、鋼筋樓承板樓板、普通混凝土樓板等)。

與傳統裝配式混凝土結構或裝配式鋼結構相比，本結構體系具有如下特點及創新性：

(1)使用高強材料，密置復合連續螺旋箍筋約束高強混凝土柱采用C55級以上混凝土、HRB500級(俗稱四級鋼)螺旋箍筋，充分發揮高強材料優勢。

(2)研發關鍵應用技術，創新裝配整體式結構；改進裝配整體式構造，優化結構部品，減輕自重。

(3)與純鋼、純混凝土裝配式結構體系比較，裝配式約束混凝土柱-蜂窩鋼梁組合結構具有顯著的優勢和亮點，各類裝配式結構體系比較詳見表1。

表1　各類裝配式結構體系優、缺點比較表

2　裝配式約束混凝土柱-蜂窩鋼梁組合結構主要構配件及其拼裝

2.1主要構配件

(1)密置復合連續螺旋箍筋約束高強混凝土柱，指采用密置連續復合螺旋箍筋對高強混凝土形成有效徑向約束，并滿足箍筋配箍特征值和構造要求的鋼筋混凝土柱。上、下混凝土柱端部的縱向鋼筋鋼筋套筒灌漿連接；上、下柱錨接處留置水泥基灌漿料的灌注空間，灌注空間四側圍設配有灌注孔的鋼板箍[1]，經灌注孔向鋼板箍內加壓灌注高強無收縮灌漿料，將上、下柱連接形成整體，最后灌漿料灌注孔采用小塊等厚鋼板焊接封堵。

(2)工形截面焊接六邊形孔蜂窩鋼梁，指整根H型鋼根據圖2-a中腹板上的剖分線切割為AB和DC上下兩部分后，將下部的DC段作180°水平翻轉；翻轉后的CD段和上部的AB段拼接滿焊焊接，見圖2-b，同時補焊圖2-b中陰影部位H型鋼腹板；將原h1高的H型鋼，制成h2高的工形截面焊接六邊形孔蜂窩鋼梁。

2.2構配件拼裝技術要點

(1)梁與柱連接?？蚣茕摿翰淮┻^節點核心區，通過鋼梁端部鋼板端板，焊接緊貼于梁柱節點鋼板箍；節點鋼板箍水平雙向鎖接高強長桿螺栓，擰緊雙螺帽施加預應力[2]。

(2)主、次梁連接。節點宜設在內力較小的位置，采用剛性連接節點，連接構造可選用如下形式：a.翼緣和腹板均采用完全焊透的坡口對接焊縫連接；b.翼緣采用完全焊透的坡口對接焊縫連接，腹板采用摩擦型高強螺栓連接，梁腹板的對接連接板宜兩側成對配置雙剪連接。

(3)樓面與梁柱端板螺栓節點、主次梁，通過栓釘可靠固定。

2.3技術特點

(1)密置復合連續螺旋箍筋約束高強混凝土柱，采用連續復合螺旋箍筋，有效約束混凝土，正截面承載力和變形性能大大優于普通箍筋混凝土柱[3]。

(2)六邊形孔蜂窩鋼梁自重輕，抗彎剛度大，腹板六邊形孔便于敷設管道和電纜，跨度較大、剪力較小時不失為一種經濟實用型樓蓋梁。

(3)上、下柱組合鏈接接頭，接頭端部鋼板箍約束有力，大大提高抗剪強度，實現“強剪弱彎”原則[4]，抗震性能顯著。

(4)梁柱端板螺栓節點，節點鋼板箍和螺旋箍筋有效約束節點核心區混凝土，形成剛連接，實現“強柱弱梁、強節點弱構造” 原則[1]，抗震性能優越。

2.4施工優勢

(1)可提供較大的空間，布置分割靈活，建筑系數達85%，較其他類型建筑可增加使用面積約10%，自重約為磚混結構的1/2，地基處理可大為簡化，從而降低了工程造價。

(2)蜂窩鋼梁、約束高強混凝土柱和梁柱端板螺栓節點均工廠化制作，大面積推廣使用時，蜂窩鋼梁有望煉鋼廠一次成型鍛制，各構配件使用的鋼材均為可循環利用、可再生環保材料，且用鋼量可控制在50kg/m2以下，用鋼量較省。

(3)構件自重輕，可實現建筑構配件工廠化、施工作業機械化，提升房屋建造專業化、集成化程度。

3　上、下柱鏈接

3.1上、下柱接頭

接頭縱向主筋應采用鋼筋套筒灌漿連接，端部應采用外包鋼板箍連接，組合鏈接上、下柱。理論上講，柱接頭最佳位置應避開柱底塑性鉸區，并盡可能靠近反彎點，考慮施工方便和安裝時的臨時固定，并結合預制節點的受力特點，柱接頭位置可考慮距離柱底0.5m，這既避開了受力最大點，也可兼顧安裝施工的方便。

3.2柱底設置抗剪凹槽

預制柱底應設置抗剪凹槽，抗剪凹槽構造做法見圖3。柱底接縫宜設置為45°斜縫，或為水平縫；縫高宜15mm，采用水泥基灌漿料灌實。

3.3鋼筋套筒灌漿連接和外包鋼板箍連接的組合鏈接

構造應符合下列要求:

(1)鋼板箍壁厚不應小于4mm。

(2)柱接頭兩端鋼筋，應采用金屬鋼筋套筒灌漿連接。

(3)外包鋼板箍作為上、下柱節點端部外模，應與預制柱混凝土澆筑同時成型；上、下柱連接節點外包鋼板箍應與該節點接縫處外包鋼板箍焊接形成一體，并預留澆筑灌漿料的槽孔、灌漿孔。

(4)外包鋼板箍高度不應小于L(L為該處縱向受力鋼筋搭接長度)+500mm。

4　梁柱端板螺栓節點安裝

(1)柱節點端板長桿螺栓連接節點簡稱端板螺栓節點，屬于混凝土鋼板箍加強型節點。本構造節點柱貫通，鋼梁不進入節點核心區，鋼梁翼緣和腹板均在柱外表面斷開，通過設置節點鋼板箍、端板、加勁肋、預應力長桿螺栓等構造實現梁柱連接，見圖4。梁端彎矩通過高強長桿螺栓傳遞，梁端通過壓摩擦抗剪，節點受剪承載力主要包括混凝土部分、節點鋼板箍部分、箍筋部分[4]。本節點承載力超過連接的梁、柱，并且具有足夠的延性。

(2)節點鋼板箍豎向高度不應小于鋼梁截面高度，節點鋼板箍外表面宜與柱外表面平齊，一級、二級和三、四級抗震等級節點鋼板箍厚度不應小于1/100、1/140和1/180柱長邊寬度，且不應小于3mm。

(3)節點鋼板箍內表面應焊接水平條形鋼板，條形鋼板厚度、寬度、間距分別不應小于 5mm、20mm、100mm。

5　構配件安裝施工要求

(1)裝配式約束混凝土柱-蜂窩鋼梁組合結構，施工前應根據設計要求和施工方案進行必要的施工驗算，施工驗算應包括下列內容：

①構件運輸、碼放及吊裝過程，應根據吊裝工況進行承載力驗算。

②構件安裝期間施工臨時荷載作用下，應對構件支架系統、臨時固定裝置進行承載力驗算。

③應對現場吊裝設備與運輸設備的轉彎半徑進行核實，確保施工現場構件運輸、吊裝順利進行。

(2) 預制構件安裝，應符合下列規定：

①預制構件混凝土強度，不宜小于設計強度。

②應根據預制構件形狀、尺寸及重量要求選擇適宜的吊具，吊裝時，吊索水平夾角不宜小于60°，不應小于45°；尺寸較大或形狀復雜的預制構件，應選擇設有分配梁或分配桁架的吊具，吊車主鉤位置、吊具及構件重心應在豎直方向重合。

③構件應根據施工方案要求的順序進行吊裝。構件吊裝就位并校準定位后，應及時設置臨時支撐或采取臨時固定措施。

④施工全過程，宜對構件及其建筑附件、預埋件、預埋吊件等采取施工保護措施，不得出現破損或污染。

6　工程案例

2012年5月，隆基泰和實業有限公司開發的“國際箱包交易中心”工程，建筑面積503 726m2，東西跨度800m，南北跨度130m，地上5層，為最早運用“裝配式約束混凝土柱-蜂窩鋼梁組合結構”成套技術組織實體施工的建設項目，施工現場照片見(圖5)。

工程中采用的32 635根約束混凝土柱、53 572根蜂窩鋼梁均為工廠化成批制作，總用鋼量達2.42萬噸，單位用鋼量48.0kg/m2，使用QAY200等型號汽車起重機17臺現場裝配安裝，上、下柱鋼筋套筒灌漿鏈接，柱、主次梁和空心板樓面分別選用高強螺栓、坡口對焊或栓釘連接，板縫微膨脹混凝土灌實。

項目從開工到主體封頂耗時僅232d，工程質量可靠，安全文明標準化施工，社會、經濟等綜合效益顯著，得到開發商、設計單位、施工單位等的充分肯定。

7　結語

(1) 裝配式約束混凝土柱-蜂窩鋼梁組合結構，依據現行國家標準GB50010、 GB50011、 GB50017等25部標準、規范和華僑大學焊接環式復合箍筋約束高強混凝土柱抗震性能擬靜力實驗等20多次試驗成果為依據，結合日本近10次地震震害案例，從福建省實際地質條件等情況出發進行研發、創新，抗震、生產、施工性能優越，社會、環境效益顯著，體現了建筑部件產品綠色化、建筑建造工業化理念，為我省建筑產業現代化提供了技術借鑒。

(2) 該結構體系適用于8m以上的大跨度空間，抗震設防烈度可達8度；構件自重3～5t，并采用梁柱剛節點創新連接方式，部品工廠化制作化難為易，施工作業成套機械化，房屋建造專業化、集成化程度高，質量可靠，工期大為縮短，實現精益化建造。

(3)該結構關鍵技術《輕型鋼-混凝土組合結構新技術研究》科技成果，榮獲“2014年度福建省科學技術進步獎三等獎”；總結制訂的《裝配式約束混凝土柱蜂窩鋼梁組合結構技術規程》(編號：2014-B-49)，為“福建省住房和城鄉建設系統2014年第二批科學技術項目計劃項目”，現已完成有關研發項目，先后進行了蜂窩鋼梁復合螺旋箍筋約束高強混凝土柱組合節點抗震性能擬靜力等相關試驗，該規程初稿已結稿，正在申報審批。

(4)近年來，全國框架結構體系辦公、寫字樓等公共用房年建造總體量近3億平方米，福建省約2 000hm2，由此可見，裝配式約束混凝土柱-蜂窩鋼梁組合結構在我省乃至我國建筑市場有著廣闊的應用前景。

[1]羅小慶.焊接環式復合箍筋約束高強混凝土柱抗震性能試驗研究[D]. 泉州：華僑大學，2010.

[2]李賢. 端板螺栓連接鋼-混凝土組合節點的抗震性能研究[D]. 長沙: 湖南大學, 2009.

[3]北京金土木軟件技術有限公司. Pushover分析在建筑工程抗震設計中的應用[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2010.

[4]GB50011-2010 建筑結構抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

陳志彬(1973- )，男，高級工程師，碩士生導師，主要從事房建施工技術方面的研究。

Research and Application of Composite Construction of Prefabricated Confined Concrete Column and Honeycomb-section Beam

CHENZhibin

(The No.5 Construction Engineering Company of Fujian Province，Quanzhou 362000)

Assembly type confined concrete column and steel beam combination structure, also known as light energy-saving RCS composite structure, is a new type of assembled steel beam concrete column structure system.The composite structure give full play to the high strength material advantage, save the amount of steel, reduce weight, both to reduce project cost, and other type of construction and increase the use of space, but also to enhance the degree of integration of industry of housing construction, compared with the pure steel structure and concrete structure, more suitable for in large span of the office, office building and plant construction.This paper analyses in detail the assembly when meters pay and continuous spiral stirrup confined high strength concrete columns I-section welding hexagonal air honeycombed steel beam composite structure and structural properties of the structural design, and discusses the points of construction technology, prospect of the architecture of the application.

I-section welding hexagonal honeycomb-section beam; composite structure; research; application

陳志彬(1973-)，男，高級工程師。

E-mail:540385900@qq.com

2016-01-16

TU37

A

1004-6135(2016)02-0056-04