預制裝配式螺栓連接型輕鋼構(gòu)造柱施工技術(shù)研究

林顯志，許曉鐘

(福建省惠東建筑工程有限公司,福建 惠安 362100)

0 引言

為了推進我國關(guān)于大力發(fā)展綠色建筑,實現(xiàn)建筑產(chǎn)品標準化生產(chǎn),促進裝配式建筑快速發(fā)展,全國各地逐步建立起了綠色鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑產(chǎn)業(yè)基地,并尋求傳統(tǒng)構(gòu)件新的替代品。隨著框剪結(jié)構(gòu)的普遍運用,砌筑填充墻越來越多。根據(jù)抗震規(guī)范要求,需要在相關(guān)部位設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱,以增加墻體的剛度,提高抗震性能。傳統(tǒng)構(gòu)造柱的施工涉及工種多、工序復雜、工期長、工人勞動強度大,存在馬牙槎留置偏差、鋼筋偏位、混凝土側(cè)漏、不密實等質(zhì)量通病,顯然無法滿足現(xiàn)代建筑產(chǎn)業(yè)化,綠色施工的要求。《新型構(gòu)造柱支模體系施工工法》對模板安裝提出一種免支模的工藝,但其存在構(gòu)造柱有效截面被削弱的問題,無法從根本上解決鋼筋混凝土等質(zhì)量缺陷[1-3]。

針對這種現(xiàn)象,在工程實踐中,大膽創(chuàng)新改造,提出了一種可代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋混凝土構(gòu)造柱的輕鋼構(gòu)造柱施工工藝。該工藝最初的連接方法:在混凝土內(nèi)部預埋鋼筋或鋼板,然后與輕鋼焊接。但是初步實踐發(fā)現(xiàn),其存在預埋偏位和焊接工作量大兩個主要問題。為此,經(jīng)技術(shù)攻關(guān),進一步改進,最終形成一套比較成熟的預制裝配式螺栓連接型輕鋼構(gòu)造柱的施工技術(shù),并在工程項目成功運用,受到建設(shè)單位和當?shù)刭|(zhì)監(jiān)部門的一致肯定,取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益[4]。

1 工藝特點

1)輕鋼構(gòu)造柱采用高效輕型薄壁型材,自重輕、強度高、占用面積小、抗震強。2)現(xiàn)場免預埋,位置靈活,通過膨脹螺栓連接,可實現(xiàn)快速組裝,工效高,降低勞動強度。3)借助鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑產(chǎn)業(yè)基地,可實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),非常符合現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢。4)輕鋼代替鋼筋混凝土構(gòu)造柱,免支模和澆筑混凝土,滿足綠色建筑的要求,對鋼材去產(chǎn)能、優(yōu)化產(chǎn)能結(jié)構(gòu)具有重大意義。

2 工藝原理

根據(jù)抗震規(guī)范,構(gòu)造柱屬于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件,不參與主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算。但是必須通過拉結(jié)筋與填充墻連成整體,共同工作。地震作用時,務(wù)必保證構(gòu)造柱自身強度,剛度和填充墻不被破壞。用輕鋼代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼筋混凝土,在型鋼上下兩端焊接兩塊鋼板。上下端板主要受壓和受剪[5]。根據(jù)JGJ 145—2013混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程即表4.0.1,選用扭矩控制式膨脹螺栓。通過膨脹螺栓,將輕鋼構(gòu)造柱上端固定在框架梁底,下端固定在混凝土樓板上。借助上下樓板間的約束力,來維持構(gòu)造柱的整體穩(wěn)定。拉結(jié)筋通過焊接在腹板上或在腹板預留洞口,通過拉結(jié)筋與框架柱植筋相連(見圖1)。再加上翼緣的有效長度對填充墻進行束縛,形成核心抗力,從而使構(gòu)造柱,框架柱和墻體形成一體,有效工作[6]。

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 工藝流程

輕鋼構(gòu)造柱專項施工方案的編制→輕鋼構(gòu)造柱的預制→構(gòu)造柱放樣→構(gòu)造柱安裝→拉結(jié)筋的焊接→砌筑→特殊部位處理→驗收。

3.2 操作要點

3.2.1 輕鋼構(gòu)造柱專項施工方案的編制

輕鋼構(gòu)造柱代替鋼筋混凝土構(gòu)造柱[7],因涉及到結(jié)構(gòu)變更,應(yīng)編制詳細的專項施工方案,并報送原設(shè)計單位復核合格后,報送相關(guān)參建單位審批,有必要時可組織專家論證。技術(shù)負責人應(yīng)以現(xiàn)行的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范為指導,結(jié)合施工平面圖進行設(shè)計。主要包括以下幾個方面:

1)截面選擇。根據(jù)構(gòu)造柱所在位置,設(shè)計不同的輕鋼截面形式。以200 mm厚墻體為例,直線形墻體采用H型(見圖2),丁字形墻體采用T型(見圖3),十字形墻體采用“出”型(見圖4),端頭墻體采用槽型(見圖5),直角形墻體采用“雙L”型(見圖6)。根據(jù)實際需要,選擇不同的截面型式。

2)截面的尺寸。輕鋼構(gòu)造柱截面尺寸應(yīng)根據(jù)計算確定。

3)構(gòu)造柱的高度。高度比原構(gòu)造柱凈高小5 mm,以便安裝。

4)構(gòu)造柱的位置。與原施工平面圖與結(jié)構(gòu)平面圖確定的原構(gòu)造柱的位置一致。

5)拉結(jié)筋。沿著構(gòu)造柱高度,每隔500 mm,設(shè)置兩根直徑8 mm,長度1 000 mm的HRB300E的鋼筋。

主要內(nèi)容包括:輕鋼構(gòu)造柱布置平面圖;立面圖和節(jié)點詳圖;下料單;安裝說明書及驗算計算書[8]。輕鋼構(gòu)造柱下料單統(tǒng)計表見表1。

表1 輕鋼構(gòu)造柱下料單統(tǒng)計表

3.2.2 輕鋼構(gòu)造柱的預制

輕鋼構(gòu)造柱的制作應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)?？衫矛F(xiàn)有的鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑產(chǎn)業(yè)基地,根據(jù)下料單,進行流水線生產(chǎn)。沒有條件的施工單位,可委托有資質(zhì)的鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)廠家加工制作。構(gòu)件制作完成后,需提供相應(yīng)的出廠合格證和構(gòu)件檢測報告。當施工單位現(xiàn)場自己焊接時,應(yīng)由專業(yè)資質(zhì)的電焊人員進行。焊接應(yīng)滿焊,焊縫高度hf為8 mm,焊縫質(zhì)量等級三級,保證構(gòu)件制作尺寸準確。制作完成后由質(zhì)量檢測人員進行外觀檢查,檢查焊縫厚度,焊縫厚度不均勻、不飽滿的應(yīng)補焊。協(xié)同監(jiān)理單位按標準抽樣送至委托的檢測機構(gòu)進行焊縫密實度檢測。驗收合格后,在其表面涂刷鍍鋅涂料,起防銹和防腐作用。輕鋼構(gòu)造柱制作完成可運至施工現(xiàn)場,根據(jù)設(shè)計尺寸要求進行全數(shù)驗收,驗收合格后,進行編號、分類堆放。樓層清理完成后,通過懸挑卸料平臺運輸?shù)礁鳂菍?。調(diào)運時,輕吊輕放,不得擠壓變形[9-11]。

3.2.3 構(gòu)造柱放樣

樓層地面落地灰,松動浮漿應(yīng)清理干凈。樓板必須密實,表面平整,當混凝土不能符合安裝要求時,應(yīng)進行混凝土修補、打磨等。放樣時,通過控制點,利用激光垂直儀、水平儀、鋼尺和墨線放出建筑各層墻體軸線。根據(jù)輕鋼構(gòu)造柱布置平面圖,彈出構(gòu)造柱的位置。填充墻的邊線,構(gòu)造柱的位置線應(yīng)準確,偏差控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

3.2.4 構(gòu)造柱安裝

將輕鋼構(gòu)造柱人工搬運至安裝位置線,并臨時扶正。人工調(diào)整H型鋼上下端板與構(gòu)造柱位置線重合后,用沖擊鉆,對準端板的預留洞口在上下樓板上打孔,深度最好比膨脹管的長度深5 mm左右,再將孔內(nèi)清理干凈[12]。每個端板用2M10的膨脹螺栓(扭矩控制式),將輕鋼構(gòu)造柱臨時固定在上下混凝土樓板上。確認其型號、位置、軸線、中心線復核無誤后,最終擰緊。膨脹螺栓安裝見圖7。

3.2.5 拉結(jié)筋的焊接

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》,填充墻應(yīng)沿框架柱全高每隔500 mm設(shè)φ6拉筋,水平每100寬墻不少于1根。拉筋伸入墻內(nèi)的長度,在抗震設(shè)防烈度為6度、7度時不應(yīng)小于墻長的1/5且不小于700 mm;8度時,應(yīng)沿墻全長貫通。因此,在實際施工時,應(yīng)結(jié)合圖紙的抗震設(shè)防烈度進行分析[13]。

當抗震設(shè)防烈度為6度、7度時,沿著構(gòu)造柱高度,每隔500 mm,設(shè)置兩根直徑8 mm,長度1 000 mm,末端彎鉤40 mm的 HRB300E的鋼筋。一端深入墻體1 000 mm,另一端與H型鋼腹板焊接。焊接應(yīng)滿焊,嚴禁點焊。

當抗震設(shè)防烈度為8度時,輕鋼構(gòu)造柱制作時,每隔500 mm在腹板預留10 mm直徑的孔洞。當砌筑至安放拉結(jié)筋時,鋼筋一端穿過預留孔,另一端與框架柱植筋錨固,沿著墻體通長配置。砌筑時,應(yīng)把腹板預留孔用砂漿擠滿。

3.2.6 砌筑

填充墻底部應(yīng)砌三皮或不小于200 mm的標準磚(水泥灰砂磚)。底部遇到輕鋼構(gòu)造柱端板膨脹螺栓凸起時,可采用砂漿坐漿或砍磚,以保證每皮磚的平整度(見圖8)[14]。砌筑時,砌塊應(yīng)插入輕鋼構(gòu)造柱的翼緣內(nèi)(有效約束長度,每端不小于30 mm),灰縫寬度8 mm～10 mm,與H型鋼接觸的砂漿應(yīng)密實、飽滿,以保證約束區(qū)范圍內(nèi)填充墻與構(gòu)造柱共同工作。當填充墻砌至梁底時,預留30 mm～50 mm的空隙,待至少7 d后,用灰砂磚,以45°～60°角頂緊斜砌,并嵌實灰縫。

3.2.7 特殊部位處理

粉刷時,填充墻與輕鋼構(gòu)造柱的交界面,應(yīng)進行特殊處理,可參照混凝土構(gòu)造柱的處理方法。先配置水泥漿內(nèi)摻水重3%～5%的108膠或海菜粉進行甩漿,然后掛鍍鋅鋼絲網(wǎng),鋼絲網(wǎng)的直徑不小于0.7 mm,網(wǎng)孔不小于12.7 mm,用金屬網(wǎng)卡或節(jié)能釘進行固定,每側(cè)的搭接寬度不小于200 mm。由于翼緣外邊界凸出墻面5 mm～10 mm,普通抹灰(厚度一般20 mm)時,翼緣處應(yīng)采用薄抹灰,以保證整個墻面的平整度[15]。

4 質(zhì)量控制

4.1 質(zhì)量控制標準

質(zhì)量控制標準,規(guī)范可參照JGJ 2010—36輕鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)程和GB/T 22795—2008混凝土用膨脹型錨栓型式與尺寸執(zhí)行,見表2,表3。

表2 質(zhì)量控制標準

表3 膨脹螺栓安裝試驗參數(shù)

4.2 質(zhì)量保證措施

1)輕鋼構(gòu)造柱由專業(yè)廠家加工制作的,進場前對構(gòu)件進行取樣抽檢,主要檢測項目為焊縫的表觀質(zhì)量(有無氣泡、裂縫,是否飽滿)、抗拉強度與抗剪強度等。2)使用前應(yīng)對每個H型鋼高度與斷面尺寸進行檢查。3)砌磚與輕鋼構(gòu)造柱之間的砂漿飽滿度不得低于95%。4)輕鋼構(gòu)造柱與中心線應(yīng)重合。5)膨脹螺栓應(yīng)進場入場檢測,型號必須通過監(jiān)理單位和建設(shè)單位的確認,并提供出場檢測報告和合格證明。6)在電錘上安裝限位卡環(huán),以保證鉆孔深度。電錘應(yīng)垂直向內(nèi),嚴禁抖動,防止擴孔,造成螺栓不夠牢固。

5 結(jié)語

以一字型輕鋼構(gòu)造柱(H-220×110×6×7.5)替代200 mm×200 mm鋼筋混凝土構(gòu)造柱為例。構(gòu)造柱的混凝土等級采用C20,配4根直徑12 mm的縱筋,箍筋直徑6 mm,間距200 mm,均采用HRB400鋼筋,計算鋼筋混凝土每米單價:綜合人工費55元/m,混凝土20元/m(C20單價500元/m3,0.2×0.2×1×500=20元/m),鋼筋20元/m,合計費用95元/m。經(jīng)實踐證明,輕鋼構(gòu)造柱工期與傳統(tǒng)鋼筋混凝土相比,裝配速度快,每層每百平方米,可節(jié)約工期3 d。將每日塔吊,施工電梯,水電費,管理費折算到每米構(gòu)造柱,統(tǒng)計分析合計費用30元/m。

綜上所述,200 mm×200 mm鋼筋混凝土構(gòu)造柱綜合費用約95+30×3=185元/m。

經(jīng)應(yīng)用調(diào)查,一字型輕鋼構(gòu)造柱(H-220×110×6×7.5),每米質(zhì)量20 kg,當前板材價格每噸4 000元,制作加工費用1 500元,輕鋼構(gòu)造柱每米單價0.02×(4 000+1 500)=110元/m,安裝費用20元/m,其他5元/m,綜合費用約110+20+5=135元/m。

兩種構(gòu)造柱比較,輕鋼構(gòu)造柱每層每百平方米可節(jié)約工期3 d,折算各種費用后,可節(jié)約成本185-135=50元/m。若輕鋼構(gòu)造柱的量比較大(50 t),可委托熱軋型鋼廠家大批量生產(chǎn),可免去焊接加工費,成本將進一步降低[16]。

鋼材價格波動大,輕鋼構(gòu)造柱的直接成本可能會比傳統(tǒng)鋼筋混凝土構(gòu)造柱高。但是不能只看到表面賬目,還要綜合考慮其在工期和質(zhì)量控制上所帶來的優(yōu)越性。

通過輕鋼構(gòu)造柱的應(yīng)用,大大縮短了工期約15 d,同時降低工人勞動強度,關(guān)鍵是提高了構(gòu)造柱的施工質(zhì)量,克服了傳統(tǒng)鋼筋混凝土質(zhì)量通病,具有較大的經(jīng)濟和社會效益,是一種可靠、高效的新技術(shù),具有廣闊的應(yīng)用前景。