大跨度大截面勁性梁安裝施工技術

涂剛要，程玉柱，李 新

(合肥建工集團有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引言

勁性混凝土結構的應用，可成功滿足大跨度、超高層等復雜構造節(jié)點形式的結構受力要求，但也帶來了新的施工問題[1]。由于勁性結構鋼骨的存在，勁性結構節(jié)點處的連接非常復雜，框架現(xiàn)澆混凝土梁鋼筋遇到勁性柱無法全部貫通，而直接在型鋼上開孔又會降低結構安全性，因此梁柱節(jié)點通常存在鋼筋施工困難、質量難以保證等問題[2-3]。

武大偉[4]發(fā)現(xiàn)高層建筑中應用勁性結構易在節(jié)點位置存在問題，利用BIM技術重點對高層建筑結構勁性柱與梁、樓板、剪力墻等節(jié)點進行研究。侯建軍[5]結合案例針對復雜勁性混凝土梁柱逆作法施工技術難點進行控制研究。金壬根等[6]針對框架現(xiàn)澆混凝土結構中勁性結構鋼筋綁扎、支設模板等難點問題，重點在勁性結構內型鋼鋼骨的設計、加工、安裝、綁扎及模板等環(huán)節(jié)進行深化設計研究。張怡等[7]結合國家速滑館項目，闡述異形勁性結構施工工藝及高效、高質量施工技術。

本文結合某框架結構工程實例，闡述綜合考慮塔式起重機吊裝能力及勁性梁鋼骨安裝精度，采用勁性梁鋼骨節(jié)段吊裝組拼的施工方法，保證了梁柱節(jié)點、梁梁節(jié)點的安裝質量及項目整體施工進度。該工程采用MIDAS Gen有限元軟件對大跨度大截面勁性梁施工階段、正常使用階段進行驗算分析，從而驗證大跨度大截面勁性梁安裝方法的可行性，為同類工程提供參考。

1 工程概況

XZQTD175地塊禹洲(銀河park)商業(yè)項目主體為高層框架結構，總建筑面積171 437m2，其中地下建筑面積97 150.1m2，地上建筑面積74 286.9m2。 地上結構主體部分6層，裙房部分4層，主要功能包括商業(yè)、餐飲、兒童活動、溜冰場、電影院等。該工程使用大量混凝土梁及大跨度勁性梁結構，大跨度勁性梁結構分布在各樓層中，其中4層結構大跨度勁性梁分布最多。以項目A區(qū)為研究對象，對大跨度大截面勁性梁安裝施工技術進行闡述。A區(qū)結構平面如圖1所示。A區(qū)大跨度勁性梁構件尺寸如表1所示。

圖1 A區(qū)結構平面

表1 A區(qū)大跨度勁性梁構件尺寸 mm

2 勁性梁安裝施工技術

施工時，型鋼梁在專業(yè)鋼結構加工廠分段加工，編號運送至施工現(xiàn)場集中堆放。勁性梁安裝施工流程為：施工準備→鋼梁運輸及堆放→鋼柱施工→搭設梁底支撐架→梁底模支設→鋼梁吊裝就位→鋼梁拼裝→勁性梁鋼筋綁扎→梁側模板支設→混凝土澆筑。

1)施工準備 熟識圖紙，配合鋼結構生產單位完成鋼梁分段設計，復驗鋼材質量，參與鋼結構的加工制作、焊接與安裝。

2)BIM技術應用 利用BIM技術對梁柱鋼骨節(jié)點、梁梁鋼骨節(jié)點進行三維建模(見圖2)，分析鋼骨安裝及鋼筋綁扎的碰撞問題，對施工人員進行可視化交底。

圖2 BIM三維整體模型

3)鋼梁運輸及堆放 對鋼梁按位置、尺寸等信息進行詳細編號，根據(jù)塔式起重機起重性能，每段鋼梁重應≤6t。運輸至施工現(xiàn)場后，集中堆放在便于吊裝的場地，并做好鋼梁防污染及防變形措施。

4)鋼柱施工 定位測量放線完成后，分段吊裝鋼柱，每根柱分2節(jié)吊裝，下一節(jié)用地腳螺栓固定，鋼柱下一節(jié)垂直度校正后再吊裝上一節(jié)，兩節(jié)間采用焊接連接。

5)梁底支撐架搭設 編制高支模專項方案，并組織專家論證，嚴格按專家論證通過后的方案搭設。

6)梁底模支設 依據(jù)標高控制線、梁起拱高度等明確梁底標高，并支設梁底模板，然后在梁底模上間隔設置支撐，用于臨時支撐型鋼梁及控制梁底標高，支撐高度為200mm。

7)鋼梁吊裝就位 吊裝起重設備為現(xiàn)場施工塔式起重機，每段鋼梁加工時均在翼緣部位設置2個吊環(huán)，用鋼絲繩綁牢固，平穩(wěn)起吊。鋼梁就位前需進行微調，司索工和塔式起重機駕駛員須密切配合，確保鋼梁平穩(wěn)、準確就位，就位后再次進行標高、軸線誤差檢查及校正。

8)鋼梁拼裝 型鋼梁與型鋼柱、型鋼梁間的連接，上、下翼緣采用坡口焊接，腹板采用高強螺栓連接，同一根梁上、下翼板先焊下翼板，后焊上翼板。

9)勁性梁鋼筋綁扎 勁性梁縱向受力鋼筋采用機械連接，混凝土梁柱節(jié)點處，當梁縱向鋼筋不能穿過柱鋼骨時，經(jīng)設計單位確認并同意后，將梁縱向鋼筋沿柱鋼骨表面彎起,并在鋼柱表面焊接搭接板，縱向鋼筋與搭接板、柱鋼骨表面焊接。

10)梁側模板支設 梁側模對拉螺栓焊接在腹板兩邊，在梁側模底部開φ30小孔，然后用硬質透明材料嵌填，觀察混凝土澆筑時振搗是否密實。

11)混凝土澆筑 勁性梁混凝土強度等級為C40，選擇粒徑小、級配良好的骨料，配合比設計時考慮提高和易性，摻入粉煤灰，選用小直徑振動棒進行混凝土振搗，并適當增加振搗時間。

12)勁性梁拆模 混凝土澆筑7d后開始拆除側模，從混凝土澆筑完畢起28d，且混凝土強度等級達到100%后方可拆除梁底模。

3 勁性梁施工重難點

1)大跨度大截面勁性梁箍筋綁扎采用先開口后搭接綁扎的施工技術。

2)大跨度大截面勁性梁安裝后，為解決梁下部鋼筋綁扎困難的問題，改變傳統(tǒng)施工順序，采用先綁扎梁底部鋼筋，后架設梁底板的措施。

3)大跨度大截面梁鋼筋密集，混凝土澆筑困難，因此采用自密實混凝土施工。

4)大截面勁性梁縱向鋼筋連接優(yōu)化 梁兩端與矩形鋼柱上預留套筒連接，預留套筒在鋼柱出廠時已焊接在鋼柱上。勁性梁主筋(φ32)在梁中部時按常規(guī)做法只能采取綁扎或單面焊連接，但按現(xiàn)行驗收規(guī)范要求，直徑>28mm的鋼筋需采用機械連接，若按常規(guī)做法不符合規(guī)范要求。針對這一技術難點，在勁性鋼筋混凝土梁主筋中部采用長絲套筒進行連接，即在中部主筋加工1段絲扣，長度剛好等于1個套筒長度，先將套筒全部擰入，待與之連接的另一根主筋到位后將套筒后退擰入，解決梁縱筋在中部的連接問題。

5)鋼柱、鋼梁變形優(yōu)化調整 混凝土和鋼材2種材料彈性模量差別較大，隨著結構高度的不斷增加，混凝土結構和鋼材壓縮變形不斷增大，變形絕對值差別也較大，且混凝土材料還存在干縮變形，鋼柱、鋼梁存在焊接收縮變形。為確保施工階段結構變形不影響結構安全和工程竣工后的使用功能，采取以下措施。①施工前采用計算機仿真技術模擬實際施工過程，并根據(jù)計算結果確定變形協(xié)調措施，計算出每層鋼柱、鋼梁需協(xié)調的壓縮、焊接收縮變形值，在深化設計中進行考慮。通過測量對變形值進行偏差校核，對后期施工的型鋼骨架進行調整。②利用ANSYS軟件進行模擬分析，然后根據(jù)復雜節(jié)點制作經(jīng)驗判斷分析結果，在深化設計時進行調整，同時參照JGJ 99—2015《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》中第11.8.10條規(guī)定對鋼結構施工階段柱與柱、梁與柱焊接引起的收縮進行預調整。

4 勁性梁施工階段安全計算

4.1 模型建立

利用MIDAS Gen對結構施工階段安全進行分析，A區(qū)結構整體模型如圖3所示。

圖3 A區(qū)結構整體模型

由于A區(qū)整體構件數(shù)量眾多，且構件包含混凝土梁與勁性梁構件，因此主要選擇A區(qū)結構典型不利區(qū)域進行分析(見圖4)。該區(qū)域主要由大截面勁性梁構成，主要為結構～軸與軸覆蓋區(qū)域。

圖4 典型不利區(qū)域

典型區(qū)域勁性梁混凝土外包部分強度等級為C40，內部H型鋼材料為Q345，結構約束主要為勁性梁與底部支撐交接位置采用點約束，以此簡化柱對梁的約束。施工階段分為鋼骨安裝CS1和混凝土澆筑CS2 2個階段，CS1階段施工荷載為鋼梁自重；CS2階段施工荷載主要考慮增加的混凝土自重，以線荷載形式進行考慮。

混凝土容重取25kN/m3，A區(qū)所選典型區(qū)域勁性梁構件包括JXL-1，JXL-2，JXL-3，JXL-6，JXL-12 5種，經(jīng)計算，線荷載分別為40，30，24，18，7kN/m。

4.2 撓度變形結果分析

典型不利區(qū)域在不同施工階段撓度變形結果如圖5所示。CS1階段結構整體最大變形為3.41mm；CS2階段結構整體最大變形為26.21mm。規(guī)范允許撓度最大值為L/250=49.1mm，結構撓度變形滿足要求。

4.3 應力結果分析

典型不利區(qū)域在不同施工階段的組合應力結果如圖6所示。CS1階段結構組合應力最大值為10.3MPa，CS2階段結構組合應力最大值為80.4MPa，Q345鋼材屈服強度為310MPa，滿足施工安全要求。

圖6 不同施工階段組合應力(單位：MPa)

5 勁性梁正常使用階段安全計算

5.1 模型簡述

由于模板支設難度大，在施工過程中支撐數(shù)量相對較少，從而導致鋼骨承受了大部分現(xiàn)澆混凝土自重，結構在正常使用前就存在初始應力，因此考慮在施工階段初始應力存在的情況下，驗算結構在正常使用過程中是否滿足要求。在施工階段安全計算后繼續(xù)對結構進行分析，保留施工階段計算結果，并在典型區(qū)域繼續(xù)增加混凝土梁板構件(見圖7)，在施工階段POSTCS后考慮正常使用下結構荷載對結構進行計算。

圖7 正常使用下結構模型

典型區(qū)域結構在正常使用情況下，按原結構設計要求考慮樓面恒荷載D=2.7kN/m2，樓面活荷載L=4.0kN/m2，計算分析的荷載組合為：①組合1 1.35D+1.4×0.7×1.0L；②組合2 1.3D+1.5×1.0L。

5.2 撓度變形結果分析

典型區(qū)域在荷載組合2下?lián)隙茸冃谓Y果最不利，如圖8所示。結構的最大撓度變形值為20.0mm<49.1mm，滿足規(guī)范要求。

圖8 正常使用下?lián)隙茸冃?單位：mm)

5.3 應力結果分析

典型不利區(qū)域在正常使用下梁單元應力如圖9所示。結構在荷載組合2下應力值最大，為119.2MPa<310MPa，結構在正常使用下仍有較大的安全儲備，滿足正常使用要求。

圖9 正常使用下梁應力(單位：MPa)

6 結語

1)針對大跨度大截面勁性梁安裝施工，形成了大跨度大截面勁性梁安裝施工技術，在保證勁性梁鋼骨架安裝質量與精度的同時，降低了施工難度。

2)通過有限元建模計算分析，在勁性梁鋼骨安裝階段、混凝土澆筑階段及正常使用階段，典型區(qū)域勁性梁構件的撓度變形、應力均滿足規(guī)范要求，具有良好的安全儲備，形成的大跨度大截面勁性梁安裝施工技術在工程上具有安全、適用特點，可為類似工程項目施工提供經(jīng)驗。