圓鋼棒在超高層建筑中的應用前景分析

高蕤 廖定雄

1.概述

近幾年，我國城市高層、超高層建筑越來越多，結構體系也正朝著多樣化的方向發展，并且設計思路也在持續地變化和更新著。為滿足高度、空間變化和結構受力的要求，許多的高層、超高建筑豎向受力構件采用了型鋼混凝土結構以及鋼管混凝土結構，由于型鋼或鋼管和混凝土形成整體，共同受力，其受力性能要優于型鋼或鋼管和混凝土這兩種結構的簡單疊加，不僅增強了構件的承載力，而且有效提高了建筑物的抗震性能，因此在高層建筑得到了廣泛應用。但是，型鋼混凝土結構或鋼管混凝土結構在核心區設置型鋼、鋼管導致了柱的箍筋布置以及梁的縱筋布置都較為困難，往往因鋼筋無法安裝而需臨時修改設計，不但施工難度大，而且造價昂貴。而鋼棒混凝土柱不僅在力學性能上能完全媲美型鋼或鋼管混凝土柱，有不錯的耐點腐蝕、縫隙腐蝕和應力腐蝕開裂性能，而且韌性好、硬度高、整體程度高，在工程項目中能大大降低工程造價和施工難度[1]。

2.施工工藝及操作要點

圓鋼棒混凝土柱是基于核心區內鋼骨含鋼量相同的原則，在柱內采用鋼棒替代傳統鋼管或實腹式型鋼的一種新型結構柱。其施工工藝及操作要點如下：

2.1 放樣

首先，計算好第一節鋼棒預埋及外露長度，相鄰外露接頭的位置要錯開。然后根據鋼棒所在樓層的層高、每根框架柱里鋼棒的根數，確定好鋼棒安裝長度，一般不大于9m。

2.2 加工、制作

由鋼棒廠家根據放樣尺寸統一加工制作，安排專人駐場監督，保證鋼棒長度、直徑等規格尺寸符合現場需求，保證鋼棒的垂直度以及底面的平整度等相關技術參數不超過規范允許偏差。

2.3 環箍、耳板焊接

圓鋼棒表面比較光滑，為了增加鋼棒與混凝土的摩擦力，采用Φ6mm 圓鋼環鋼棒滿焊接、環箍間距450mm。耳板采用10mm 厚鋼板，沿鋼棒截面三等分位置焊接在鋼棒兩端側面，每塊耳板上下預留兩個螺栓孔，且下部孔為豎向橢圓形。

2.4 堆放

一般將鋼棒放置在槽鋼上，鋼棒間采用木方進行隔離，木方的高度應大于連接節點處耳板的高度，槽鋼和木方間隔2m 放置。為了保障堆放穩定、安全，堆放層數不得超過9 層，應全面檢查地面所有疊放的構件，對堆放的圓鋼棒采取固定措施，防止堆放的鋼棒滾落和傾倒。

2.5 現場安裝

（1）鋼棒的安裝關鍵在于如何就位，一般采用組裝夾具進行整體組裝、整體吊裝安裝。組裝胎架及夾具組裝胎架設置為表面標高一致，表面平整度高的兩根方鋼。將柱按照設計安裝間距放置在方鋼表面后，通過組裝夾具在離節點500mm 處用螺栓連接將柱內連接成一個整體后進行吊裝。可通過小吊車進行組裝，組裝完成后再使用塔吊進行整體吊裝。

（2）為了防止柱中心偏移和焊縫錯邊，現場采用單根上下三個方向耳板通過螺栓連接的方式進行安裝。連接夾板采用上圓孔、下橢圓孔的方式，以便垂直度的微調整。

圖1 鋼棒的現場安裝

（3）待完成水平對口后，馬上校正鋼棒垂直度。校正時，根據測量對接耳板方向的垂直度偏差，微調耳板螺栓調整垂直度，待垂直度校準完成后，擰緊螺栓并連接夾板和耳板，進行焊接固定，防止垂直度因鋼筋綁扎及混凝土澆注發生偏移。

（4）采用線錘和鋼尺分別進行鋼棒的垂直度和各鋼棒間距復核。因單節長度較長，且連接節點位于樓板1m 以上，定位安裝完成后，超出樓板面5m以上，易發生傾斜。為有效防止意外碰撞導致發生傾倒，采用直徑為20mm 的鋼筋將所有鋼棒焊接至整體，焊接位置為鋼棒頂部下500mm，另在鋼棒混凝土柱旁放置預埋件，待安裝完成后使用斜拉桿將鋼柱支撐固定。

3.不同混凝土柱的比較分析

鋼管混凝土柱具有較高的承載力、節省鋼材、較好的抗震性能以及抗火性能。但是，與常規的鋼結構和混凝土結構相比，鋼管混凝土柱作為鋼混組合結構，其工藝更復雜。鋼管混凝土柱有兩種形式：（1）在鋼管內填充混凝土而形成的組合結構；（2）在混凝土墻柱內設置鋼管。鋼管混凝土結構能夠更充分有效地發揮鋼材和混凝土兩種材料各自的優點，同時還克服了鋼管結構在施工過程中容易發生的局部屈曲的缺點。鋼管混凝土結構根據所使用鋼管的截面形狀可分為圓形鋼管混凝土柱、矩形鋼管混凝土柱和多邊形鋼管混凝土柱結構等，其中圓形鋼管混凝土柱、矩形鋼管混凝土柱是目前最常用的結構形式[2]。

型鋼混凝土結構具有較好的耐火性和耐久性，型鋼外包裹的混凝土具有抵抗有害介質侵蝕，防止鋼材腐蝕生銹的作用。由于型鋼混凝土結構中的鋼與其外包混凝土結構互相作用，可充分發揮兩種材料的優點。同時，型鋼經混凝土包裹后，不僅能防止部件腐蝕生銹以及局部失穩，還能提高構件整體的承載力和剛度，從而具有更好的延展性和抗震性能。缺點是梁柱連接部位的質量保證難度比較大，施工操作較為不便[3]。

圓鋼棒混凝土柱完美繼承了實腹式型鋼混凝土柱的優點，能充分發揮鋼棒和鋼筋混凝土柱的自身性能，將鋼棒承載力高和延性好的特點與鋼筋混凝土柱的穩定性和耐火性好結合起來。與普通的鋼筋混凝土柱相比，鋼棒混凝土柱中的鋼棒提高了柱子的承載力和延性，并減小了構件的截面尺寸，在擴大建筑物使用空間的同時，還減輕了自身重量；與型鋼混凝土柱相比，鋼棒混凝土柱解決了實腹式型鋼混凝土柱箍筋和梁縱筋布置困難的缺點，不會出現鋼筋無法安裝而需臨時修改設計的困境，施工更加方便。與鋼管混凝土相比，圓鋼棒混凝土可避免鋼管管內商品混凝土的脆性破壞。鋼棒結構可提升結構阻力和剛度，有效防止局部及整體的屈曲。

實驗和理論分析證明，鋼棒混凝土柱水平極限承載力受軸壓比和混凝土強度的影響明顯，而含鋼率和核心鋼棒屈服強度對水平極限承載力影響很小，圓鋼棒混凝土結構在軸向壓力作用下，鋼棒的軸向和徑向受壓，而環向整體受拉，鋼棒混凝土結構則三向皆受壓，處于三向應力狀態。三向受壓的結構抗壓強度大大提高，同時塑性增大，其物理性能發生了質的變化，由原來的脆性材料轉變為塑性材料。正是這種結構力學性質的根本變化，決定了鋼棒混凝土結構的基本性能和特點。鋼棒混凝土柱在核心區域配置的圓鋼棒可以明顯提高混凝土柱的抗震能力，也就提高了建筑結構的整體抗震能力，當建筑物遭遇強烈地震時，可減輕其危害，防止倒塌，因此鋼棒混凝土結構的性能顯示出巨大的生命力和發展前景。

施工注意要點：在進行圓鋼棒構件安裝時，要多次進行規格、垂直度、焊點、工序的復查；利用經緯儀對構件垂直度、軸線、坐標、間距等進行校準，確保施工準確無誤。施工時，安全專員及技術員認真落實安全職責，嚴格要求施工。

4.總結

通過試驗證明，圓鋼棒隨著軸壓比增加，構件的水平極限承載力先增后減，符合壓彎破壞規律，延性系數也隨著混凝土強度的提升而減小，隨著屈服強度的增大而增大。各數據結果表明，該結構具有良好的抗震性能，應鼓勵各相關企業機構進行模擬研究，向各方向普及應用。

目前，鋼棒在高速公路橋梁建設領域中已廣泛應用，但在房屋建設領域中，鋼棒的應用仍未普及。綜上所述，鋼棒混凝土柱可替代實腹式型鋼混凝土柱，更好地應用于工程結構中，其抗震性能完全可與實腹式型鋼混凝土柱媲美，不僅降低了梁柱節點鋼筋及柱箍筋布置與施工的難度，而且可以降低工程造價。因此，鋼棒在工程領域，特別是在高層建筑領域的應用將越來越普遍。