钢和混凝土组合结构技术.docx

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钢和混凝土组合结构技术

钢和混凝土组合结构技术

摘要：

钢与混凝土的组合结构，就是指把钢材埋入钢筋混凝土中的一种结构型式。

通过实际项目工作和学习，就型钢和混凝土组合结构施工技术进行了探讨，重点叙述型钢混凝土组合结构施工工艺及施工难点，并通过对型钢混凝土二次深化设计，对关键节点进行优化处理，合理安排工序，确保质量及工程施工。

主要介绍型钢砼框架（钢梁-钢骨柱）-砼核心筒混合结构中型钢深化、钢结构的现场安装以及钢筋工程等几个方面遇到的问题及具体的解决技术措施和质量控制措施进行深化设计。

关键词：

型钢混凝土；组合结构；施工技术 

1实例工程项目概况 4

2技术关键点和难点 5

3二次深化设计 6

4确保节点贯通施工技术 7

4.1强化深化设计 7

4.2筏板钢筋处理 7

4.3梁筋处理方式 7

5型钢柱施工过程质量控制 8

5.1吊装过程成品保护 8

5.2安装过程误差控制 9

5.3型钢柱混凝土浇筑 9

5.4型钢砼框架柱9

5.5型钢砼框架柱内主筋分布与箍筋调整10

5.6.型钢砼框架梁、柱节点控制11

5.6.1型钢柱与混凝土梁的连接11

5.6.2钢柱与型钢框梁连接时梁中主筋及拉钩的处理12

5.6.4型钢砼框架柱与组合楼板的连接12

5.6.5型钢混凝土混合结构牛腿下翼缘的加腋处理13

【左图为原设计图节点，右图为二次详图设计后的节点】14

6应用总结14

7实施效果 14

参考文献：

15

结论致谢：

16

前言

型钢混凝土结构又称劲性混凝土结构，这种结构型式是在普通钢筋混凝土结构的基础上，增加型钢骨架构成的组合结构，从而使得具有钢结构和混凝土结构的双重优点。

与钢结构相比，它节省钢材，增加构件及建筑物的刚度。

与混凝土结构相比，它减少截面，减轻重量，增加构件的延性，并具有更高的强度。

因此，正日益广泛地被应用于各类建筑与桥梁结构中。

本文将结合具体实例工程，对型钢混凝土组合结构的施工技术作了详细探讨研究，旨在为型钢混凝土组合结构的施工提供参考。

　　1实例工程项目概况 

　　该项目工程的总建筑面积为35600平方米，建筑总高度为99.3m，结构形式为框架核心筒结构，其中地下2层、地上23层。

由于本工程存在以下超限内容：

　　1.1扭转不规则：

本工程通过SATWE软件计算，在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移大于该楼层平均值的1.2倍。

　　1.2楼板不连续：

本工程2-4层东侧楼板大开洞，开洞面积均大于30%。

　　1.3偏心布置：

本工程2-4层东侧楼板大开洞，相邻层上下质心偏差较大。

大于相应边长15%。

　　1.4其他不规则：

本工程2-4层东侧楼板大开洞，柱子和梁无连接，形成穿层柱。

　　因此按设计中采用型钢混凝土结构，分别为T字型、工字型及十字型型钢。

　　结构体系为型钢砼框架（钢梁-钢骨柱）-砼核心筒混合结构，标准层高4m，标准层单层面积约2500㎡，其中核心筒640㎡，核心筒墙内配置22颗构造型钢柱，8道钢骨砼梁；框架部分1900㎡，配置20颗钢骨柱，36道钢框梁及147道钢次梁。

2技术关键点和难点 

　　劲性结构在梁柱节点位置形成大量劲性节点，其施工难度体现在以下方面：

　　2.1部分结构柱上下变化大，存在“方柱变圆柱，小柱变大柱”的现象。

　　2.2由于型钢柱底落于底板底5处不同标高段上，核心筒部位底板底面标高-17.70m，顶面标高-12.40m，高差为5.30m型钢柱埋入底板深度为1.10m，存在4.20m高差，临时固定要求精准、牢靠。

　　2.3型钢柱翼缘板均为25mm，腹板厚度±0.00以下为25mm，±0.00以上为20mm。

钢柱的翼缘与翼缘之间均采用熔透坡口焊缝，腹板与腹板之间采用高强度螺栓摩擦型连接。

连接节点众多，质量要求高。

　　2.4核心筒外筒墙厚600mm，型钢尺寸为350mm，扣除保护层厚度余下空间狭小，两侧仅为100mm。

尤其在门洞上方连梁钢筋布置区域。

不仅需要克服钢筋密度大，现场操作难度高的问题，还需考虑浇筑混凝土过程中如何确保骨料振捣密实等问题。

　　2.5本工程型钢柱从基础底板到六层屋面，其中8根十字圆柱位于门厅高大模板区域，支撑高度18.95m。

型钢柱安装、梁钢筋焊接施工周期长，施工难度大。

　　2.6型钢柱截面尺寸大，自重大，给成品保护及现场吊装带来不便。

2.7由于型钢柱与各主梁之间的轴线关系，截面尺寸，配筋规格及数量不同，导致节点众多，如未进行详尽交底极易造成错漏。

2.8钢结构的连接方式中柱与柱对接为焊接、钢骨柱与钢筋砼梁连接为焊接形式，钢骨柱、型钢梁连接为栓焊混合形式，梁梁连接少量为栓焊混合。

主要节点详图及连接形式如下图所示，钢梁截面形式为H型，最大截面积为H1000×400×25×36，最小截面为H250×250×8×12；十字型钢最大截面积为700×500（400）×25×36，最小截面积为500×300×18×30，相对于劲性结构截面较大。

【节点详图及梁柱连接形式】

　　3二次深化设计 

　　3.1设计初期，安排人员熟悉图纸，绘制型钢柱平面布置图并对其逐一进行独立编号。

　　3.2制表统计不用编号型钢柱在各楼层标高段内，X、Y两个方向上所需穿孔钢筋的规格及数量。

特别需要注意的是，设计时往往仅专注于梁柱核心区穿孔钢筋的统计而忽略连梁、暗梁、剪力墙水平分布筋穿孔钢筋的统计。

　　3.3通过数据统计，将孔位在型钢柱全长立面图中体现（分为X、Y两个方向），并将楼层标高引入，再根据楼层层数，将型钢柱分切成相应数量的柱节，并绘制以详图。

　　3.4通过CAD模拟钢筋孔位进行排版，找出钢筋密度过大区域，将信息反馈至设计院进行配筋改良并重新排布孔位，期间如遇配筋无法改良的部位，则商定可否采取并孔处理方法。

　　3.5分切型钢柱节时，应考虑其焊接接缝标高与钢筋机械连接节点错位，宜控制在楼层结构标高+1200mm处，方便施焊人员操作。

　　3.6应核算型钢柱节自重，选择匹配类型塔吊。

如不满足要求，则继续对型钢柱节进行拆分或选择载重能力符合要求的塔吊。

　　3.7应充分考虑柱箍与牛腿腹板间交叉位置孔洞的预留；同时规避平面位置上栓钉与柱箍布置上的重合。

因为施工过程中往往会由此产生箍筋无法下套的情况。

　4确保节点贯通施工技术 

　　由于设计总则中要求，所有孔洞均需在厂家进行加工，不得在现场进行氧气吹割；并且根据相关图集要求（型钢混凝土组合结构构造――04SG523）孔洞的最大公称直径不能比所穿钢筋大8mm以上，孔洞边距型钢焊缝须≥500mm，孔洞与孔洞间距应≥250mm；此外，翼缘板不允许开孔，仅允许在满足上述条件下对腹板进行取孔。

为此我方采取如下措施：

　　4.1强化深化设计 

　　4.1.1与设计密切配合，将钢筋过于密集区域进行统计，对部分梁柱主筋直径加大，从而增大主筋间的间距，有利于钢筋排布及截面尺寸的确定。

　　4.1.2对钢筋过密且主筋不允许调整部分，经原设计许可采取并孔处理。

为更好的使混凝土振捣密实，经原设计许可，对梁柱结构节点处，水平加劲板的标高进行抬高10cm，并按原图留设排气孔。

　　4.2筏板钢筋处理 

　　4.2.1由于原设计底板底部落在5个不同标高断面上，致使部分型钢柱无法按原设计要求埋入筏板。

经与原设计协商，决定采取临时固定措施，钢管Φ89mm，T3mm，上下制作500×500mm，T2.5mm钢板与钢管连接，并加固以8mm加劲板，支撑起临时固定后采用缆风绳对支撑垂直度尽行调整复合。

　　4.2.1若遇到面筋或底筋与腹板相交，则对应采取开孔；若与翼缘板相交，则采用15d弯头弯锚且要满足LaE锚固长度。

　　4.3梁筋处理方式 

　　4.3.1为确保梁筋能一次性穿孔，所有型钢柱节标高及偏移数据均在现场实测实量，并将数据反馈至厂家，厂家根据要求进行微调，并在出场前进行预拼装。

　　4.3.2由于型钢柱与交接处梁的轴线关系、截面尺寸以及钢筋的规格数量均不同，因此加工过程中需对每个型钢柱节进行独立编号，并在柱身注明方向，避免现场吊装过程中由于方向不正确导致钢筋不能穿过。

5型钢柱施工过程质量控制 

　　5.1吊装过程成品保护 

型钢柱节均由厂家直接运送至现场进行复查，符合规范要求后允许进场进行吊装。

吊装过程中，吊绳与耳板连接稳定后起吊，并在柱脚处需加设垫木。

吊装前先将缆绳（棕绳）栓在钢梁端头，一端一根，大约20m长，以控制钢梁在吊装过程中来回晃动，同时在利于钢梁的就位，严防碰撞。

吊装前在大梁上先作好安全防护绳（由4分铀绳及脚手管组成，脚手管与钢梁焊接，使用完后将管切割掉并焊接处打磨补漆），高1.2m。

如单根钢梁重量不大，满足一机多吊的要求时，可通过吊装孔多件串吊，如下图：

【两点平衡吊装】

【钢梁串吊示意图】

就位后→带上螺栓→脱钩→校正梁与柱垂直度复测→高强度螺栓（初拧）→高强度螺栓（终拧）→上下翼缘焊接。

5.2安装过程误差控制 

　　在吊装完成后，在纵横两个方向上架设经纬仪实时监测上部型钢柱垂直度变化情况，通过千斤顶或缆风绳进行调整至垂直度偏差<3.6′，并且在焊缝施焊完成后温度趋于稳定，卸除临时固定装置前进行二次垂直度测放，符合要求时卸除临时固定装置。

　　5.3型钢柱混凝土浇筑 

　　本工程圆柱位于门厅部位，支撑高度高达18.95m，操作架体布设需考虑钢筋绑扎、钢模支撑、混凝土浇捣3道工序平台处理。

由于型钢混凝土柱内有十字型型钢架，且周围6道不同形式箍筋环绕，混凝土浇筑及振捣的死角较多，易出现混凝土不密实现象。

为此，浇筑时混凝土从型钢柱四侧均匀下料。

每根柱采用四根振捣棒进行振捣，浇筑至顶。

　　尤其在梁柱接头部位，混凝土浇筑是有部分空气不易排出，在型钢柱的腹板上预留排出空气的孔洞。

考虑到梁柱节点部位有十字型钢、钢筋，间隙小，普通混凝土振捣棒不易插入，故采用φ30振捣棒和附着式振捣器进行振捣，确保该部位混凝土振捣密实。

5.4型钢砼框架柱

型钢柱生根锚固是钢结构现场施工的第一道工序，其安装精度直接影响到上部钢结构的安装精度和整体质量，是一项极其重要的工序。

型钢柱底板全部为Q345B的36mm钢板，锚栓为Q235B的Φ30钢筋。

设计图中型钢柱锚固位置在-4.600m标高，此标高为地下一层地面结构标高。

如按照原设计施工，下部混凝土梁、柱结构中钢筋密集，柱脚的锚筋平面位置难以与设计图中的位置相符，且柱底板无调节水平及标高的空间。

为解决柱脚锚固的问题，只能调整钢柱锚固的标高。

经过二次详图设计，将柱底板标高调整为-4.514m，留出50mm调节螺母调节柱底板水平度及垂直度的空间。

调整好后，再用C40细实混凝土进行二次灌浆，将柱底板与下部混凝土结构之间的空隙填充严实。

通过现场的施工实践检验，此方案较为合理，既未影响到土建结构的施工，也为钢柱的生根锚固创造了有利的条件。

实现了不同工序有效合理的搭接。

如下图所示：

【柱脚做法示意图】

5.5型钢砼框架柱内主筋分布与箍筋调整

由于型钢柱与混凝土梁连接需在混凝土梁方向加焊牛腿，梁筋与牛腿焊接连接，通过二次详图设计图及三维模型中，反映出柱主筋及箍筋的主要问题，由于型钢柱（700×400（500）×25×36）相对于混凝土截面（1000×1000）较大，钢筋布置密集、规格较大等问题，实际施工中需根据牛腿位置重新布置柱、梁主筋，且型钢柱柱上的栓钉及牛腿导致柱箍筋无法自上而下施工，对施工带来极大的困难，对于以上等问题，采取针对钢柱栓钉及牛腿位置调整柱主筋位置，改变箍筋肢距，使满足设计要求。

针对箍筋无法施工的问题，改变箍筋形式，即改小封闭箍筋为符合箍筋再焊接封闭，原八角箍筋改为拉钩。

如下图所示：

【原设计】【详图设计后】

5.6.型钢砼框架梁、柱节点控制

5.6.1型钢柱与混凝土梁的连接

混凝土梁与型钢混凝土柱的节点区位置施工时，梁的主筋处理主要本着能通则通不通则焊的原则，但是同时又要避开柱内主筋位置，因此结合本工程设计，对节点区位置进行放样，选择最优布筋位置，严格要求现场按二次详图设计图纸进行施工。

如下图所示：

并且针对本工程结构设计施工图中，偏心梁与型钢混凝土柱节点区位置的梁筋，为了保证钢筋与牛腿焊接焊缝长度要求及焊接质量，采取了将牛腿加长100mm，将能够通过的钢筋通长设置。

如下图所示：

5.6.2钢柱与型钢框梁连接时梁中主筋及拉钩的处理

由于为型钢混凝土劲性梁，因此型钢构件相较混凝土梁截面尺寸较小，梁主筋与型钢柱翼缘相撞，根据规范及设计要求，型钢柱翼缘不能开孔，而此位置牛腿为满足型钢梁的连接，高度不能满足梁筋高度的设计要求，针对此问题进行二次详图设计，设计时并未考虑传统型钢混凝土梁与型钢柱连接时所采用的钢筋连接器连接的方法，而是在型钢柱翼缘上焊接立板，再将梁内钢筋与立板焊接，焊缝长度单面焊不小于10d。

如下图所示：

原设计详图设计后

5.6.3型钢砼框架柱与钢梁的连接

在原设计结构施工图中，部分节点，型钢梁截面逐渐减小，但按照原设计柱内箍筋形式放样后，根据二次详图设计图纸显示，由于节点区箍筋需加密，且受四周连接钢梁牛腿影响，多为复合箍筋，采取焊接方式封闭，需要在牛腿腹板长穿孔布筋，但按此施工，腹板则被箍筋孔打穿，尤其将使钢梁根部的抗剪能力大大削弱，不利于结构整体的稳定性和抗震要求，因此，通过二次详图设计，改变部分箍筋形式，如右表所示，将原复合箍筋改为双复合C型箍筋，待箍筋穿孔绑扎后与型钢牛腿腹板焊接，并且满足单面焊不小于10d的要求，采取这样的做法既提高了型钢梁根部的抗剪性能，同时还保证了梁、柱节点区的可靠性。

5.6.4型钢砼框架柱与组合楼板的连接

因本工程外围框架部分为压型钢板组合楼板，于框架柱及钢梁节点部分，混凝土施工缝留置方法为斜向施工缝（见附图1），而现场实际施工时，考虑在顶板施工时因压型钢板与顶板钢筋绑扎需穿插施工，实际施工顺序无法满足设计要求，且设计单位并未给出梁柱节点的压型钢板铺装及钢筋的节点做法，为此对局部砼接茬进行调整，在符合施工规范及设计要求的前提下，将型钢混凝土柱一次浇筑至高于压型钢板底标高100mm（楼板厚度120mm），将板筋上铁搭于砼浇筑完成面上，锚入型钢砼柱支座，框架柱与楼板砼的施工缝留置在柱主筋外皮的方式进行施工，如附图2所示。

【附图1】

【附图2】

5.6.5型钢混凝土混合结构牛腿下翼缘的加腋处理

按《混凝土结构工程质量验收规范》中的要求，为了保证结构整体稳定性及钢筋的使用年限，根据规范和施工图集要求需要保证钢筋的混凝土保护层厚度。

而对于型钢柱梁连接的牛腿未对保护层做明确要求，在以往工程中，牛腿与（型钢）混凝土梁下标高为同一标高位置，而对于此部位的处理方法也仅仅是在梁混凝土浇筑完成后涂刷防锈漆的方法进行处理。

但是，由于（型钢）混凝土梁需与牛腿焊接，将型钢混凝土混合结构有效的连接、锚固在一起，使之成为一个有效的整体，因此，在钢筋与牛腿焊接后，牛腿已与钢筋成为一个整体，成为结构主要的受力构件，并且在节点区位置也要承受极大的剪力作用；牛腿与钢筋焊接后，牛腿与钢筋的性质是相同的。

如果按照原设计图施工，所有外露的牛腿下翼缘钢板均需在拆模板后现场进行除锈、刷漆处理，而现场除锈刷漆的防腐效果和耐久性难以保证。

基于以上两个原因，我们同设计院设计师多次沟通讨论，特别为型钢牛腿下翼缘位置进行加腋处理，使其拥有保护层。

如下图所示：

【左图为原设计图节点，右图为二次详图设计后的节点】

6应用总结

钢骨混凝土组合结构中的钢构件布置灵活，但是在施工前需首先考虑混凝土内部的钢结构与钢筋的穿插问题，尤其是梁柱节点处钢构件需设牛腿且钢筋密度高，在钢结构深化设计时必须在钢构件上留设穿筋孔，避免在施工过程土建施工与钢结构发生不必要冲突，影响施工质量及耽误工期。

随着经济和科技的进步，人们对组合结构的认识和研究也越来越深入，全国各地高层、超高层建设正全面展开，组合结构大有用武之地，我们将进一步对组合结构做更全面的应用技术研究。

7实施效果 

　　通过本工程型钢混凝土柱的设计和要求了解了型钢混凝土柱施工的难点所在，介于结构形式的施工复杂、工期紧、质量要求高。

我们通过在施工前和施工中不断对型钢混凝土柱进行研讨和优化设计，并在施工中严把质量关，经过与设计密切沟通，配以详细罗列的数据统计表及二次深化设计图等一系列技术工作，为通达国际中心办公楼项目的顺利进行提供了有力支持，确保其如期保质保量完成。

实施过程中，科学划分2个流水段，充分考虑各作业班组间相互关系，安排操作架搭设、钢筋安装、型钢吊装及钢模拼接，成功解决材料周转及劳动力分配问题，保证了工期进度，具有良好的社会和经济效益。

参考文献：

[1]企业总部中心大厦工程钢混结构设计论证方案

[2]JGJ138-2001型钢混凝土组合结构技术规程 

[3]朱红刚.型钢混凝土组合结构施工技术[J].城市建设理论研究.2011（16）. 

　　[4]马庆斌.温州鹿城广场住宅型钢混凝土组合结构施工技术[J].施工技术.2010（S1）.

结论致谢：

综上所述，型钢混凝土组合结构作为一种新型的结构型式，被广泛地应用于高层与超高层建筑中。

但由于其施工工艺不同于普通混凝土结构，若想做好型钢混凝土组合结构的工程，确保型钢混凝土组合结构的施工质量，就要合理解决材料周转及劳动力分配问题，保证了工期进度，还要充分考虑各作业班组间相互关系，促进工程的顺利，从而使得工程具有良好的社会和经济效益。