體育后勤樓勁性混凝土結構施工技術

楊 宇

（宜興海錫置業有限公司，江蘇 無錫 214000）

0 引言

本文立足某重點學校建設項目，針對體育后勤樓大空間大跨度的建筑特點，鋼結構和勁性混凝土結構形式，又集空間組合緊湊、功能分區多樣，尤其屋頂設有操場跑道、足球場等運動場地的獨特設計形式，施工難度非常大，國內外尚可借鑒的項目案例極少。由此，全篇圍繞建設工期緊、任務重、施工復雜等諸多難題展開，狠抓施工技術難點，對于大空間勁性混凝土結構施工技術更做了重點論述，提出合理的施工方案，完成技術攻關，旨在圓滿完成工程進度和施工質量目標，也為今后類似項目提供可靠有力的技術文獻參考。

1 工程概況

無錫外國語學校宜興校區工程位于宜興市廣匯北路。其中，體育后勤樓單體建筑層高 2 層，總面積23 600 m2，布局緊湊但功能分區齊全，包含地下室及下沉式操場、游泳池、辦公廳、餐廳、停車場等，其中屋頂設計有 17 300 m2的運動場。結構類型是勁性鋼結構+現澆混凝土結構的組合形式。

本單體工程鋼結構主要由 50 根 H 型鋼柱和 6 根十字型鋼柱及 67 根 H 型鋼梁組成（見圖1）。勁性柱截面為 H 型鋼柱和十字型鋼柱，高度9～14 m，截面尺寸為 400 mm×300 mm、500 mm×400 mm、500 m m×500 m m、650 m m×300 m m、700 m m×300 mm、700 mm×700 mm，鋼板厚度有 20、3 0、38、5 0 m m；勁性梁截面為 H 型鋼梁，尺寸為 700 mm×300 mm、850 mm×300 mm、900 mm×300 mm、1 100 mm×400 mm、1 200 mm×600 mm、1 400 mm×300 mm、1 400 mm×600 mm，鋼板厚度有 20、30、38、50 mm。

圖1 鋼結構三維空間布置圖

2 本工程的施工難點重點

1）因本工程中一層有游泳館、報告廳、室內籃球場，大空間局部跨度達 30 m 以上，高度達 10 m 以上。結構設計采用勁性鋼結構和現澆混凝土結構相結合，后澆帶分區中既有現澆混凝土結構，又有勁性鋼結構，鋼結構需要等基礎保養后才吊裝，型鋼結構先施工，后施工混凝土結構，造成同一的分區內無法同時施工。

2）按設計方案先進行澆筑鋼柱下沉基礎并進行保養達到強度要求后，再進行上部型鋼柱的安裝，吊裝鋼柱后才能澆筑基礎，基礎強度滿足要求后，然后在進行鋼梁的吊裝，單獨吊裝鋼柱時對柱下基礎的固定性、安全性和后期固定措施的要求高。先吊裝鋼柱需要對鋼柱預先采取加固措施。吊裝鋼梁前基礎也需要時間進行保養，這給工期帶來了嚴重影響。

3）本項目鋼結構構件形式全部采用整體式。大型鋼構件的吊裝尤為棘手，首先鋼柱吊裝后不能直接吊裝鋼梁，無法形成剛性單元，存在著安全風險。另外，體育后勤樓工程占地面積大，土建全面開挖后鋼結構吊裝道路切斷，施工困難。

4）高大支模排架體系對地基承載力要求很高，原設計地坪無法滿足要求，需對大空間鋼梁支撐加強處理。

3 針對上述施工難點提出如下施工措施

3.1 分區施工

為了便于勁性鋼結構和現澆混凝土結構的施工，經和原設計單位溝通，調整施工后澆帶位置，把勁性鋼結構和混凝土結構的區域分開，使得互補干擾。

體育后勤樓從北往南分成 10 個區，總施工順序從南和北往中間施工。1 區為混凝土框架結構（S-A0/1-10 軸線），2 區為混凝土框架結構（S-A0/10-16 軸線），3 區為混凝土框架結構（1-10 軸交 R-L），4 區為勁性鋼結構（L-R/F 交 11-16 軸線），5 區為混凝土框架結構（1-9 交 H-1/K 軸線），6 區為勁性鋼結構（G-1/K 交 11-16 軸線），7 區為勁性鋼結構（C-F 交 1-1/5+F-G/1-9 軸線），8 區為勁性鋼結構（A-1/E 交 1/5-12 軸線），軸），9 區為勁性鋼結構（C-1/F 交 11-16 軸線），10 區為混凝土框架結構（1-5+13-16 軸交 A-C）。把勁性鋼結構和混凝土結構劃分開，避免因鋼結構影響框架結構施工，每個區從基礎至屋面可以不干擾，獨立地從一層至屋面施工，可以合理安排勞動力。分區后的屋面板在施工縫中加設置 3 mm 厚、300 mm 寬的鋼板止水帶，施工縫用鋼板網封閉。

3.2 鋼柱預埋與加固

針對 2.2 條內容，為了增加鋼柱吊裝的穩定性、可靠度，采用如下的施工措施，以滿足鋼柱吊裝后的穩定性。現場分兩種處理方式，第一種是針對位于獨立基礎內的鋼柱預埋（見圖 2），第二種是針對在基礎筏板部位的鋼柱加固處理，見 3.2.1，3.2.2 和 3.2.3 節。

圖2 鋼柱基礎位于獨立基礎中施工圖（單位：mm）

3.2.1 型鋼柱施工工藝

承臺區域型鋼柱施工工藝：鋼柱下沉式基礎開挖澆筑墊層→放十字線、綁扎下沉基礎鋼筋網→澆筑 100 mm 厚 C50 混凝土，固定鋼筋網→預埋固定鋼柱螺栓→澆筑下沉基礎 C50 混凝土，全保養達到 C35 強度后進行鋼柱吊裝→張拉纜風繩固定，澆筑獨立基礎→全保養強度滿足后進行鋼梁的吊裝。

預埋鋼柱螺栓，按柱鋼筋形式四周焊接分布鋼筋形成整體，再采用 18～20 mm 鋼筋與基礎鋼筋網整體焊接加固。

鋼柱下面 100 mm 厚采用 C50 灌漿料，灌漿前（為了把不同標號區分開）用鋼絲網進行封堵，每邊擴出柱邊 150 mm，高度比鋼板高 100 mm，便于施工。

鋼柱基礎校正加固，把柱腳底板用調平螺栓調平，再在柱底板下四角采用三角形鋼靴墊平墊緊，后用 C50 自流混凝土進行灌漿處理。

在鋼柱頂上設拉結點，用鋼絲纜風繩四角拉結調平拉緊，下部埋于基礎內。

3.2.2 基礎筏板區域型鋼柱施工工藝

背包鋼筋綁扎→底部 100 mm 厚混凝土澆筑、固定鋼筋→型鋼柱螺栓預埋→背包混凝土澆筑→筏板混凝土澆筑（型鋼柱位置預留孔洞，柱邊線出 600 mm，焊接鋼筋骨架豎向φ25@400，橫向φ12@150，斜撐φ25@1 000 封鋼絲網隔斷，并設置閉合止水鋼板）→待筏板混凝土達到圖紙設計要求強度后，機械設備架設在筏板上，進行型鋼柱梁吊裝施工。注意：采用先施工鋼柱下基礎（預埋螺栓），再綁扎筏板鋼筋，在筏板鋼柱部位預留后安裝孔預留孔寬 2 m×2 m 底板面鋼筋預留錯開 50 % 接頭、后期鋼筋焊接，型鋼柱上設套筒，在預留口中部的四周設置鋼板止水帶。澆筑筏板后等強度滿足吊裝要求后，即進行吊裝鋼結構的吊裝鋼柱，鋼柱吊裝后進行預留口的二次施工，采用提高一級的混凝土澆筑。澆筑養護 14 d 后進行鋼梁吊裝。

3.2.3 施工驗算書

1）計算說明。根據鋼柱施工方案，鋼柱安裝完成時，鋼柱為獨立懸臂狀態，最高鋼柱懸臂長度達 13 m，為確保鋼柱施工完成后的安全性，需對該懸臂狀態下的鋼柱作受力驗算。鋼柱選擇 H 型和十字型兩種分別驗算（見圖 3、圖 4），選擇驗算鋼柱如下。

圖3 H型鋼柱 H700×700×30×50（單位：mm）

圖4 十字型柱 700×300×20×50（單位：mm）

2）計算邊界條件。根據施工圖紙及施工方案，鋼柱安裝完成后，鋼柱底部錨栓以下部分混凝土澆筑完成（含二次灌漿），即：鋼柱錨栓以下為固接約束。

3）計算荷載。計算荷載保守估計，按宜興當地十年一遇風載計算（見圖 5）：w0=0.30 kN/m2。

圖5 鋼柱受風載簡圖

根據 GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》，βz=1.0，μz=0.65（表 8.2.1 C 類，13 m 高度），μs=1.3（表 8.3.1 第 32 項）。

4）H 型鋼柱驗算（見圖 6）。

圖6 H 型鋼柱錨栓示意圖（單位：mm）

鋼柱受風載線荷載為：

鋼柱底部彎矩為：

鋼柱底部剪力為：

鋼柱自重為：Nk=110 kN

保守計算，鋼柱底部彎矩全部由底部錨栓承擔，則，錨栓承受最大拉力為：

單個 M24 錨栓受拉承載力設計值為：

鋼柱底部剪力由柱腳底板和其下部的混凝土之間的摩擦力承擔，其摩擦力為：

滿足。

5）十字型鋼柱驗算（見圖 7）。

圖7 十字型鋼柱錨栓示意圖（單位：mm）

鋼柱受風載線荷載為：

鋼柱底部彎矩為：

鋼柱底部剪力為：

鋼柱自重為：Nk=123 kN

保守計算，鋼柱底部彎矩全部由底部錨栓承擔，則，錨栓承受最大拉力為：

單個 M24 錨栓受拉承載力設計值為：

鋼柱底部剪力由柱腳底板和其下部的混凝土之間的摩擦力承擔，其摩擦力為：

Vfb=0.4N=0.4×123=49.2 kN＞V=1.4×1.17=1.64 kN

滿足。

6）骨柱基礎抗傾覆驗，以 H 型鋼為例（見圖 8）。在風載水平作用下，驗算鋼柱基礎抗傾覆。

圖8 鋼柱基礎抗傾覆示意圖（單位：mm）

傾覆彎矩：

Mq=FH=1/2×0.18×132×2/3×13=132 kN·m

抗傾覆彎矩：

Mr=NL=［110+25×1/2×（2.5+1.3）×0.7×2.5］

×1.25=241 kN·m，Mr/Mq=241/132=1.82＞1.3，滿足。

由計算可知，鋼柱在 13 m 懸臂狀態下受力滿足要求，其基礎抗傾覆滿足要求，加之施工過程中設置攬風繩作為控制鋼柱穩定性的第二道安全措施，鋼柱安裝的安全性滿足要求。

3.3 吊裝方案

根據體育后勤樓工程占地面積大、鋼結構吊裝工作量較大、構件較多等特點，為減少土建施工影響，縮短工期，減少型鋼與混凝土施工的交叉作業，本工程安排鋼結構柱一次性吊裝完成，再進行混凝土施工。

本工程鋼柱約有 24 根重量在 8～12 t，其余鋼柱重量均在 6 t 以內；本工程采用汽車式起重機（130 t）；鋼梁約有 16 根重量為 7～16 t，其余鋼梁重量均在 5 t 以內、主桁架、次桁架等將采用 25 t 吊機安裝；對于單件重量＜30 kg 的輕型小梁將通過人力搬運或使用鋼托盤統一吊裝上各層平臺。

主桁架單件長度約 34.4 m，結構形式為：上下弦桿為挑臂箱型截面 WB300-12-20×550-69，直腹桿為方管 150×6，斜腹桿為拼接 H 型鋼 HI300-8-14×230。

3.3.1 吊裝順序

為保證優質、安全、高效地完成吊裝任務，把體育后勤樓劃分 3 個吊裝區域，每個吊裝區設 2 個汽車吊吊裝位置，每個吊裝點，按照進度計劃與其他工種穿插作業，并嚴格按照鋼結構吊裝流程施工（見圖 9）。

圖9 鋼結構構件吊裝示意圖

鋼構件分 3 段出廠 ，現場組對拼裝后，整體提升吊裝。將鋼柱之間的主桁架先提升至設計位置，然后將主桁架之間的次桁架及次構件吊裝到位。鋼構件吊裝先吊裝軸線 9-11 交軸線 C-D 的鋼柱和鋼梁，形成穩定結構之后再吊裝相鄰的鋼構件，逐步完成吊裝任務。

3.3.2 吊點設置

1）鋼梁吊點設置。最大鋼梁尺寸為 6 0 0 m m×1 400 m m×19 280 m m，重量約 16 t，鋼梁上設置 2 個 12 t 吊點。

2）鋼柱吊點設置。最重鋼柱長度為 13.2 m，重量 12.3 t，使用鋼柱上端的吊耳板作為吊點通過 2 根鋼絲繩及 2 個卸扣連接。

3）其他小件吊點設置。重量＜ 8 t 的其他小件將使用吊帶（5 t）進行吊裝。

3.3.3 吊裝時對構件的保護

1）吊裝時采用焊接吊耳，在構件本身用鋼絲繩綁扎時對構件及鋼絲繩進行保護。

2）在構件四角包角（用半圓鋼管內夾角鋼），以防止鋼絲繩刻斷，在綁扎點處為防止工字鋼或 H 型鋼柱局部擠壓破壞，可增加加勁板，綁扎點處增加支撐桿。

3.4 技術措施

針對高大模板論證中提到的問題采取以下技術措施。

1）地基承載力不足，原設計圖紙混凝土地坪采用 100 mm 厚碎石，120 mm 厚 C25 混凝土墊層澆筑；對橫向 11-15 軸交 J-A0 軸、以及 2-1/5 軸交線 A-E 軸，斷面為 700×1 200、500×1 500、800×1 100、1 000×1 800、800×1 800 mm 等截面較大或自重大的梁，按 120 mm 厚混凝土墊層計算不滿足要求，為此在該位置的梁下混凝土地坪，沿梁寬每邊各擴出 2 m，厚度增加至 200 mm，通長布置。

2）針對大空間中沒有柱，鋼管排架無法進行有效拉結固定的情況，在游泳池寬度 33 m 的大空間梁下，分別在位于 9 軸、11 軸交 E 軸設工字鋼柱（見圖 10、圖 11）；在報告廳大跨和風雨操場東西方向的 24 m 大梁跨中設 1 個獨立的工字鋼柱；該部位大梁分兩層澆筑，第一層先行澆筑 800 mm 混凝土，待混凝土與型鋼梁柱形成框架，間隔 7 d 再澆筑梁板。

圖10 型鋼支撐剖面圖（單位：mm）

4 結語

無錫外國語學校宜興校區工程作為江蘇省重點項目，其中體育后勤樓獲評江蘇省“揚子杯”優質工程獎。在勁性混凝土結構施工中，狠抓施工技術難點，提出合理的施工方案，并經參建多方配合協作，完成技術攻關。最終，確保了工程進度和施工質量，取得了良好的社會效益。Q