華南國際港航服務中心二期項目鋼混結構復雜節點設計優化與施工應用

文勉聰

廣州協安建設工程有限公司 廣東 廣州 510075

隨著理論研究的深入和新施工工藝的產生，鋼混結構在建筑設計和施工中的應用日益廣泛。其中鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土框架組合結構，由于具有良好的受力、施工性能而得到迅速的發展，可進一步發揮傳統桿件結構體系的優點，尤其在高層抗震建筑中能較好地滿足設計施工一系列要求，目前在建筑領域的高層、超高層建筑中應用廣泛。但是鋼管混凝土柱由于自身剛度大等原因使得與梁、板等構件連接的有效性，將直接影響建筑整體結構的剛度、穩定性和承載力，故連接節點的設計與施工是該結構質量保證的重點。本文針對常規的鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土框架組合結構節點的優缺點進行研究分析，并以華南國際港航服務中心二期項目為背景進行設計優化與施工應用研究。

1 工程概況

華南國際港航服務中心二期項目，地下共4層，地上包含A、B、C三棟塔樓，其中A塔樓地上33層，結構高度145.1m，由內部核心筒和外部框架及其裙樓組成。本項目為EPC項目，受合同總造價限制，為控制建造成本，在結構設計階段經過了多方案比選，采用了核心筒為鋼筋混凝土框架剪力墻結構，外部鋼框架由16根鋼管混凝土柱、鋼筋混凝土梁組成的框架結構，其中最大截面鋼管柱 1100mm(外徑)×30mm；最小截面900mm(外徑)×20mm。由于基坑設置三道鋼筋混凝土內支撐梁，通過審圖發現A塔樓16根鋼管柱均穿越基坑內支撐梁，如果鋼管柱采用樁承式伸入底板落于工程樁上，則在后期鋼管柱吊裝施工過程將受到非常大的影響。在此基礎上通過優化設計，將地下室負一層設置為鋼筋混凝土柱向鋼管混凝土柱的轉換層，轉換層樓面以下豎向承重構件為矩形鋼筋混凝土柱，鋼管混凝土柱則在轉換層中嵌入矩形鋼筋混凝土柱中，形成鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土柱的組合柱。故在本工程中涉及到的鋼混結構連接節點包括鋼筋混凝土柱與鋼管混凝土柱的轉換節點和鋼管混凝土柱與混凝土框架梁的連接節點。

2 轉換節點的設計施工研究及應用

根據鋼筋混凝土柱與鋼管混凝土柱轉換節點常規做法進行研究分析，結合施工過程存在的難點及關鍵技術進行優化和深化，實現矩形混凝土柱向鋼管混凝土的轉換過程，研究關鍵技術總結如下：

2.1 深化設計

通過深化設計分析超高層建筑中混凝土矩形柱轉為鋼管柱的轉換過程，將整個鋼管混凝土柱分解為多個單獨桿件和單元件，設計深化施工圖，主要包括：柱與框架梁節點平面圖、各節鋼管柱立面圖、節點詳圖等，從而對各鋼構件制作工藝，對鋼管柱安裝等具有指導作用。優化設計如下圖：

圖1 地下負二層（插入型鋼）、負一層（型鋼伸入鋼管混凝土柱內）承重柱平面示意圖

2.2 鋼管混凝土柱吊裝

由于鋼管柱兩層一吊裝，質量較大，超出普通塔吊起吊范圍，若采用吊車則超出起吊高度，故采用大型塔吊吊裝。同時通過深化設計根據塔吊在不同位置的起吊性能對不同位置鋼管柱進行合理分段，確保鋼管柱重量在塔吊安全吊重范圍內[1]。

2.3 預埋螺栓模板安裝

圖2 對拉螺栓及“3”形扣設置

由于在轉換過程中，鋼管柱嵌入矩形混凝土柱中，在模板安裝過程中，為了不破壞鋼管柱的整體性，對拉螺栓受鋼管柱的阻礙而不能貫穿，為了保證柱模板的固定，在加工廠時按施工方案設定的間距在鋼管外側壁上焊接對拉螺栓的“3”形扣件，對“3”形扣四周均進行焊接以保證連接牢固。模板現場根據鋼管柱上“3”形扣相應位置留孔。模板安裝前，用扳手將螺桿擰進螺母并調整好方向，螺桿另一端穿套模板，后背用木方（次楞）和鋼管（主楞）鎖緊，混凝土澆筑完成并拆模后，切除外露絲桿。

2.4 鋼管柱外側混凝土分段澆筑

由于在轉換處，鋼管柱外側鋼筋綁扎較密集，如果一次性澆筑外側混凝土將無法振搗密實，故外側采用塌落度較大的混凝土，并根據負一層層高5.4m均分為三次澆筑，將下層混凝土振搗密實后，并在其初凝之前澆筑上層混凝土，同時采用小型振動棒（25型）輔助振搗，本層混凝土振搗時，振動棒的前端應插入前一層澆筑的混凝土中不小于50mm，以利于結合部位的緊密，每一次振搗的持續時間為10-30秒，當混凝土表面無明顯塌陷、有水泥漿泛出、不再冒氣泡時，應結束本次振搗，依次澆筑完成，鋼筋密集的部位嚴格按分層澆筑的要求，澆筑至梁底面。混凝土澆筑過程中應經常觀察對拉絲螺帽和柱箍的情況，若發現雙對拉絲螺帽有松動的跡象，應立即對其進行緊固，并應隨時觀察柱箍的情況，確保混凝土澆筑密實。

2.5 鋼管柱內高拋自密實混凝土澆筑

鋼管柱兩層一吊裝，長度達8-9m，鋼管柱內若采用普通混凝土澆筑，容易產生離析并且不方便振搗密實，采用高拋自密實混凝土能很好的解決這個問題，同時也避免了采用底部泵送法對鋼管柱整體性的破壞，確保鋼管柱內澆筑質量?；炷劣晒芸趦A入，利用自重力不需振搗即使混凝土密實，混凝土澆拋高度應不小于4m，一次澆拋量宜控制在0.7-0.9m3，料斗的下口尺寸宜比鋼管直徑小150mm左右。每次澆灌混凝土前先澆一層約150mm厚與混凝土相同等級的水泥砂漿，防止混凝土粗骨料產生彈跳現象。集料斗架設在管口中央并保持垂直，泵送混凝土至料斗，當料斗集滿混凝土后，開啟料斗封底板，使混凝土一次性拋落，并利用混凝土下落時產生的動能振實混凝土。重復以上流程直至完成該管混凝土的澆筑。施工過程應有專職質檢人員，使用小錘敲擊管壁，以辨識混凝土澆筑密實情況[2]。

2.6 應用效果

從該工程的應用情況來看，完全體現出該技術的費用低、操作簡便、效率高、施工速度快等優點，其安全、工期及成本控制均達到了預期目標。故該技術適用于超高層建筑中矩形混凝土柱與鋼管混凝土柱轉換節點結構的施工，能確保實現施工目標，保證施工質量，提高施工速度的要求。

3 鋼管混凝土柱與混凝土框架梁的連接節點設計施工研究及應用

3.1 常規連接節點施工中存在問題以及原因分析

從以往鋼管混凝土結構柱梁鋼骨節點施工的施工情況來看，鋼管混凝土剛性節點的類型以及存在問題主要有：

（1）外加強環式節點：由于外加強環的尺寸較大，用鋼量較大，且用于鋼筋混凝土樓蓋時施工困難，主要是梁縱筋與加強環的焊接麻煩，影響鋼筋籠就位，在實用中的適用性和靈活性較差。

（2）承重銷式和穿心鋼板式：由于穿孔對鋼管的削弱，影響了鋼管的受力性能，鋼材用量相對較大，且當管經較小時，承重銷或鋼板在鋼管內的焊接較困難。

（3）肋板式節點：缺點是用鋼量較大，由于鋼管角部與肋板焊接處焊縫容易先破壞，節點的整體剛度偏小，多用于節點的內力較小的情況。

（4）鋼筋環繞式節點：節點對樓蓋梁氏布置的影響較大，而且節點的剛度較小，樓板框架梁向鋼管混凝土柱所傳遞彎矩的能力低，鋼管混凝土柱參與彎矩分配的份額較少，該類節點施工較為不便。

（5）鋼筋混凝土環梁式節點：節點處鋼筋密集，鋼材用量大且施工不便，給混凝土澆筑帶來困難[3]。

針對這些問題，經過分析可得出如下結論：

（1）把框架梁縱筋焊接于穿芯型鋼，由于穿孔對鋼管的削弱，影響了鋼管的力學性能，鋼管內的焊接較為困難，無法保證焊接質量導致節點剛度較弱。

（2）采用連續雙梁使縱向鋼筋連續繞過鋼管的施工方法鋼材用量較大，且由于鋼筋密集導致施工困難，適用性和靈活性較差。

（3）節點處由于鋼牛腿伸入梁內部的型鋼上翼緣板以及加密箍筋導致“暗角”位置混凝土缺失、空鼓及出現薄弱層，嚴重影響“強節點”的施工質量。

3.2 梁柱連接節點設計

綜合以上分析，對鋼管混凝土柱與框架梁之間的連接節點優化設計如下：

圖3 鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土框架梁連接節點示意圖

3.3 梁柱連接節點的施工

3.3.1 鋼骨節點梁主筋錨固

鋼管混凝土柱中由于外層鋼管，導致梁主筋錨固無法按照常規平法配筋伸入柱內進行鋼筋錨固。該技術通過鋼牛腿翼緣分隔板及卡板將一端裝有錨固板的鋼筋進行固定，通過該方式進行鋼筋錨固。該鋼筋錨固方法能準確的將主筋按照分隔板準確的保證鋼筋間距，保證強節點強錨固效果的同時能減少鋼材使用量。

3.3.2 鋼骨節點混凝土澆筑

（1）梁板模板因加工工藝的限制，無法與柱鋼管表面完全契合，模板接縫不嚴，致使混凝土澆筑施工過程中接縫位置出現漏漿現象，導致蜂窩、麻面甚至是粘結強度等危害。為解決該問題，模板安裝施工過程中通過采用泡沫塑料膠條進行縫隙封堵，加強模板與鋼管柱之間的密封性，有效地防止漏漿現象。

（2）混凝土澆筑過程中，節點處由于鋼牛腿伸入梁內部的型鋼上翼緣板以及加密箍筋的的存在，在混凝土澆搗過程中存在“暗角”，振動棒無法到達，或在振搗過程中混凝土發生流淌，導致“暗角”位置混凝土缺失、空鼓及出現薄弱層，嚴重影響“強節點”的施工質量。為防止出現“暗角”，混凝土澆筑采用多次澆筑（節點→跨中→節點），配合振動棒，利用振搗過程中混凝土的自流進行節點澆筑。第一、二次澆筑時，混凝土用量以不蓋過型鋼上翼緣為宜，第三次澆筑時從兩側慢慢將混凝土灌入（切勿一次灌滿），利用振動棒使混凝土緩慢填滿空隙，排除空氣，完成此工作后方可進行樓板大面積澆筑。

圖4 多次澆筑順序示意圖

3.4 應用效果

現場實際來看，相對于常規的梁柱節點處理方法，該技術準確的保證鋼筋間距，保證強節點強錨固效果的同時還節省了鋼材的用量，符合“強柱弱梁，節點更強”的抗震要求，加強了模板與鋼管柱之間的密封性，有效地防止漏漿現象，剛梁節點“暗角”位置混凝土缺失、空鼓及出現薄弱層的情況也得到有效地改善，明顯加快了節點處施工速度，為服務中心按時按質完成提供保障。

4 結束語

通過本工程的測算，使用鋼管混凝土柱與使用鋼結構柱相對比，節約鋼材用量40%以上，與使用鋼筋混凝土柱相比，節約混凝土50%以上，柱子尺寸減小55% ，總體增加使用面積約4%。故在此高層建筑中使用鋼管混凝土柱，在控制建造成本與提高建筑物使用面積上均取得良好的效果，對于EPC項目而言，既提升建筑物使用空間又降低施工成本，達到雙贏。同時通過對鋼筋混凝土梁柱與鋼管混凝土柱各連接節點的設計施工方面的優化，使它具有更高的承載力，更好的塑性和韌性，同時也減低施工安裝難度，對確保施工質量和加快施工進度都起到積極作用。