型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)施工技術(shù)及應(yīng)力分析

柴文靜 張新愛 孫 超

(保定職業(yè)技術(shù)學(xué)院,，河北保定 071051)

摘 要：某工程結(jié)構(gòu)類型為型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu),，總建筑面積43 238 m2,。針對(duì)型鋼混凝土鋼筋密集,，型鋼預(yù)埋件多且截面大，施工協(xié)調(diào)難等特點(diǎn),，進(jìn)行深入研究,；確定型鋼穿孔的形式和方法，并分析節(jié)點(diǎn)細(xì)部做法,，保證型鋼與鋼筋混凝土的工序銜接順暢,。通過采用有限元軟件對(duì)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)分析得出，型鋼的存在使得柱身變形明顯減??；混凝土的存在保證了型鋼腹板不發(fā)生局部屈曲；鋼筋孔周圍的翼緣應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重,，應(yīng)限制開孔的大小,，使之不致影響整個(gè)構(gòu)件的承載力。

關(guān)鍵詞：型鋼混凝土； 型鋼穿孔,； 有限元,； 變形； 應(yīng)力集中

1 概 述

某工程地下3層,，地上5層,，建筑物主體高度29.6 m，總建筑面積43 238 m2,。結(jié)構(gòu)類型為型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu),，主要鋼構(gòu)件為實(shí)腹式H型鋼，十字型鋼柱,；柱,、梁、核心筒約束邊緣構(gòu)件,、構(gòu)造邊緣構(gòu)件等多采用型鋼混凝土,。

型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)是在型鋼結(jié)構(gòu)外面包裹一層鋼筋混凝土外殼形成的型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)。型鋼混凝土可代替鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用于各類建筑和橋梁結(jié)構(gòu)中,。型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的外包混凝土可以防止鋼構(gòu)件的局部屈曲并能提高鋼構(gòu)件的整體剛度,，顯著改善鋼構(gòu)件的平面扭轉(zhuǎn)屈曲性能，使鋼材的強(qiáng)度得到充分發(fā)揮,，此外混凝土也增加了結(jié)構(gòu)的耐久性和耐火性,。

2 施工特點(diǎn)及難點(diǎn)分析

本工程型鋼混凝土結(jié)構(gòu)是型鋼周圍布置鋼筋并澆筑混凝土而成的結(jié)構(gòu)。型鋼與混凝土形成整體并共同受力,，受力性能優(yōu)于兩種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的疊加,。與鋼結(jié)構(gòu)相比，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件整體剛度強(qiáng),，增強(qiáng)了鋼構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)屈曲性能,。該工程大量采用鋼結(jié)構(gòu)及型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)，其中柱為型鋼混凝土結(jié)構(gòu),，核心筒約束邊緣構(gòu)件,、構(gòu)造邊緣構(gòu)件多采用型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)，上述結(jié)構(gòu)具有鋼筋密集,，型鋼預(yù)埋件多且截面大,，施工協(xié)調(diào)復(fù)雜等特點(diǎn)，施工難點(diǎn)如下,。

2.1 梁-柱節(jié)點(diǎn)復(fù)雜

外懸挑梁,、框架梁與H型鋼柱交叉布置，鋼筋密集,，箍筋加工復(fù)雜,，綁扎不便,。同時(shí)由于勁性柱截面偏大使得鋼筋可調(diào)節(jié)空間小，梁-柱節(jié)點(diǎn)鋼筋穿插密集,、復(fù)雜,，此部位混凝土澆筑也需要重點(diǎn)控制。

2.2 鋼筋穿孔難度大

鋼筋直徑的大小,、鋼筋根數(shù),、梁方向、梁標(biāo)高位置,、梁截面尺寸以及鋼柱安裝精度等因素均直接影響鋼筋能否順利穿過鋼柱上的穿筋孔,。鋼筋穿過以后，受兩對(duì)面穿筋孔誤差以及鋼筋接頭連接誤差的影響,，須保證鋼柱之間的鋼筋在同一標(biāo)高和同一直線上,，施工難度大。如果孔定位不準(zhǔn)或缺孔,，造成鋼筋無(wú)法綁扎,、構(gòu)件返工，將會(huì)增加材料費(fèi),、人工費(fèi),，而且影響施工進(jìn)度。

2.3 定位及垂直度控制要求高

核心筒部位約束邊緣構(gòu)件,、構(gòu)造邊緣構(gòu)件中,，H型鋼柱最大截面規(guī)格為H800×400×22×28，最小截面規(guī)格為H500×400×20×24,，H型鋼柱定位及垂直度控制要求高,。

2.4 型鋼吊裝、拼裝復(fù)雜

由于本工程型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼柱,、鋼梁構(gòu)件較長(zhǎng),、較大，鋼柱最高46.8 m, 鋼柱單位長(zhǎng)度質(zhì)量608.66 kg/m,，鋼梁最長(zhǎng)23.2 m,鋼梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度質(zhì)量373.41 kg/m,。為了便于運(yùn)輸及考慮塔吊起吊重量,，需將鋼柱構(gòu)件按每層高度尺寸進(jìn)行分節(jié),，拼裝難度大。

3 型鋼混凝土施工

3.1 型鋼穿孔

圖1 型鋼預(yù)留穿筋孔效果

型鋼穿筋孔精確定位是施工的重點(diǎn)和難點(diǎn),，鋼柱穿筋孔是指鋼筋在梁,、柱節(jié)點(diǎn)處需穿過鋼柱而在其上預(yù)留穿鋼筋的孔洞，型鋼預(yù)留穿筋孔效果如圖1所示,。為了保證鋼筋一次性穿孔成功,，鋼骨柱首次安裝施工應(yīng)確定統(tǒng)一標(biāo)高,，安裝時(shí)在環(huán)板下面加螺栓來(lái)調(diào)節(jié)標(biāo)高，鋼柱校正后對(duì)使鋼柱底部采用等強(qiáng)度無(wú)收縮混凝土灌漿使鋼柱底部密實(shí),，并使標(biāo)高誤差控制在GB 50026—2007《工程測(cè)量規(guī)范》允許范圍之內(nèi),。

每個(gè)鋼骨柱須繪制出深化圖，明確鋼骨柱的穿筋孔位置,，現(xiàn)場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)安裝方面,，采用經(jīng)緯儀放出鋼柱的軸線，便于鋼結(jié)構(gòu)安裝及以后的模板校正,，避免因安裝誤差導(dǎo)致鋼筋無(wú)法穿入,。梁筋穿筋孔以軸線、標(biāo)高確定穿筋孔的位置,，保證了孔位準(zhǔn)確,。把不同直徑的鋼筋孔位分類，繪制梁柱節(jié)點(diǎn)鋼筋孔詳圖,，嚴(yán)格依照?qǐng)D紙加工鋼柱,。保證梁筋孔位準(zhǔn)確，均勻分布,，確保梁筋間距符合GB 50026—2007要求,，型鋼穿筋后效果如圖2所示。

圖2 型鋼穿筋后效果

3.2 鋼筋綁扎施工

為便于型鋼施工,，應(yīng)將勁性柱鋼筋的綁扎放在型鋼施工后,。型鋼與勁性柱主筋間采用拉鉤連接。先在型鋼壓板上劃出拉鉤位置線,，拉鉤帶拐頭(長(zhǎng)度為5倍鋼筋直徑)雙面焊接在型鋼腹板上,。拉鉤焊接后綁扎柱箍筋。為保證柱箍筋形狀和尺寸準(zhǔn)確,，勁性柱箍筋加工時(shí)先在鋼板上放出柱箍筋大樣,，焊接短鋼筋頭制作柱箍筋加工胎具。

勁性混凝土柱內(nèi)型鋼與梁,、墻,、板的縱向鋼筋相交時(shí)，相互穿插復(fù)雜,，同時(shí)此處也是結(jié)構(gòu)的重要位置,，故需嚴(yán)格按設(shè)計(jì)和JGJ 138—2016《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求精心施工。梁縱筋與勁性混凝土柱內(nèi)的型鋼正交時(shí),，可在型鋼上現(xiàn)場(chǎng)開孔,，嚴(yán)格保證開孔直徑只大于鋼筋直徑2 mm。梁主筋穿過型鋼后,，重新焊接穿筋孔并封閉孔洞,，焊接時(shí)不傷害梁主筋,，以保證梁、柱受力不削弱,。焊接時(shí)在鋼筋坡口下面用銅片做成瓦片狀,，兜住焊接鋼筋，靠緊型鋼腹板施焊,，防止焊水遺漏,，確保等強(qiáng)焊接。加勁混凝土梁鋼筋較密且內(nèi)包工字鋼,，穿筋孔須定位準(zhǔn)確,，以保證梁筋的順利綁扎。

3.3 節(jié)點(diǎn)做法

在梁柱節(jié)點(diǎn)部位,，柱的箍筋需從型鋼梁腹板上已留好的孔中穿過,，由于整根箍筋無(wú)法穿過，只能將箍筋分段,，再用電弧焊焊接,。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)處受力較復(fù)雜，不宜將箍筋焊在梁的腹板上,。為使梁柱接頭處的交叉鋼筋貫通并互不干擾,，加工柱的型鋼骨架時(shí)，在型鋼腹板上預(yù)留穿鋼筋的孔洞,，而且要相互錯(cuò)開,。預(yù)留孔洞的孔徑，既要便于穿鋼筋,，又不能過多削弱型鋼腹板,，預(yù)留孔洞的孔徑較鋼筋直徑大6 mm。箍筋穿型鋼腹板及牛腿腹板時(shí),應(yīng)預(yù)先在工廠采用相應(yīng)的機(jī)床或?qū)Ｓ迷O(shè)備制孔,嚴(yán)禁現(xiàn)場(chǎng)氧氣切割開孔,。

由于型鋼柱在地下2層頂板,、地下1層頂板部位有鋼牛腿，±0.000 m以上各層頂板部位鋼梁梁端,，型鋼截面尺寸大于型鋼柱的箍筋尺寸,，使箍筋無(wú)法順利套在型鋼柱上。為方便施工操作,，在型鋼柱焊接完成而牛腿或鋼梁梁端未焊接施工前,，將每層型鋼柱之間所需的箍筋提前套在型鋼柱上，再焊接牛腿或鋼梁梁端,?；炷亮号c型鋼混凝土柱連接時(shí),，鋼筋遇型鋼腹板時(shí),，在腹板上穿孔而過,；鋼筋遇型鋼翼緣板時(shí)，鋼筋焊接在翼緣牛腿上,?；炷林兄c型鋼梁連接形式如圖3所示。

a—SRC中柱與RC梁連接示意(A型,，用于XGZ1—XGZ3,，XGZ5)；b—SRC中柱與RC梁連接示意(B型,，用于XGZ4),；c—SRC中柱與RC梁連接示意(B型，用于XGZ1—XGZ3),。
1—y向負(fù)筋雙面焊接于鋼牛腿上,，焊縫長(zhǎng)度Lw=200 mm;2—x向負(fù)筋雙面焊接于鋼墊板上，焊縫長(zhǎng)度Lw=200 mm;3—x向負(fù)筋雙面焊接于鋼墊板上,，焊縫長(zhǎng)度Lw=200 mm,，鋼墊板工廠焊接于牛腿上；4—穿牛腿板或柱腹板鋼筋,。
圖3 混凝土中柱與型鋼梁連接形式

混凝土邊柱與型鋼梁連接形式如圖4所示,。

a—SRC邊柱與RC梁連接示意(A型，用于XGZ1,、XGZ5),；b—SRC邊柱與RC梁連接示意(B型，用于XGZ4),。
1—負(fù)筋雙面焊接于鋼牛腿上,，焊縫長(zhǎng)度Lw=200 mm;2—錨入支座鋼筋。
圖4 混凝土邊柱與型鋼梁連接形式

混凝土梁與墻內(nèi)型鋼連接時(shí),，或與牛腿焊接,，或穿過型鋼腹板，如圖5所示,。

柱箍筋遇鋼柱腹板打孔穿過并搭接焊成封閉箍,，遇鋼梁腹板處采用搭接焊，其他均采用搭接連接方式,。箍筋上,、下焊接位置宜錯(cuò)開，并注意焊接位置避開主筋,，以免傷及主筋,。箍筋主要形式如圖6所示。

4 梁柱節(jié)點(diǎn)有限元分析

根據(jù)對(duì)稱性原理,，取偏壓試件的1/4進(jìn)行建模,，采用非線性有限元軟件ABAQUS進(jìn)行分析計(jì)算,。柱采用型鋼混凝土柱，梁為普通鋼筋混凝土梁,。型鋼翼緣開孔,，梁內(nèi)縱向鋼筋穿過節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)的柱截?cái)辔恢眠x擇在反彎點(diǎn)處,，故可以用鉸接模擬柱的邊界條件,。模擬荷載為集中單調(diào)荷載，加在梁懸臂截?cái)嗵帯?/p>

4.1 整體變形

節(jié)點(diǎn)模型是按實(shí)際工程制作的“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”設(shè)計(jì)的,，開裂和破壞都集中在梁端,，最終梁端出現(xiàn)塑性鉸，并表現(xiàn)出很好的延性,。圖7為節(jié)點(diǎn)在接近承載力極限狀態(tài)時(shí)的整體變形,。破壞時(shí)梁端出現(xiàn)塑性鉸，可以看出試件梁端產(chǎn)生明顯的豎向變形,。柱身在正彎矩區(qū)段有明顯的彎曲變形,，型鋼也隨柱身產(chǎn)生變形,，通過對(duì)比分析，由于型鋼的存在,，柱身變形明顯減小,。

a—混凝土墻(含構(gòu)造型鋼)與RC梁連接示意(A型),；b—混凝土墻(含構(gòu)造型鋼)與RC梁連接示意(B型)；c—混凝土墻(含構(gòu)造型鋼)與RC梁連接示意(C型),。
1—錨入支座鋼筋；2—負(fù)筋雙面焊接于鋼牛腿上,，焊縫長(zhǎng)度Lw=200 mm;3—穿孔后錨入支座鋼筋；4—繞過型鋼錨入支座鋼筋,。
圖5 混凝土墻與型鋼連接形式

a—箍筋類型A；b—箍筋類型A-1,；c—箍筋類型B;d—箍筋類型B-1。
圖6 箍筋主要形式

圖7 整體變形 mm

4.2 型鋼腹板應(yīng)力分析

在型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)中，鋼骨承擔(dān)著部分軸力,，剪力和彎矩，由于鋼骨腹板的抗側(cè)剛度比其翼緣大很多,，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)鋼骨承擔(dān)的剪力主要由腹板承擔(dān),。在節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限狀態(tài)以前，由于有混凝土的存在,，能保證型鋼腹板不發(fā)生局部屈曲,。圖8為在極限狀態(tài)下型鋼腹板的應(yīng)力,。可以分析得出,，在核心區(qū),，型鋼已經(jīng)屈服。

4.3 型鋼翼緣受力分析

型鋼翼緣應(yīng)力如圖9所示,，截面內(nèi)正應(yīng)力如圖10所示,，可以看出，與遠(yuǎn)離開孔的位置相比,，開孔位置較早進(jìn)入屈服階段,，而且沒有達(dá)到材料屈服值時(shí)，圖11為在極限狀態(tài)下型鋼翼緣的應(yīng)力,，可見孔邊應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重,。構(gòu)件承載力就已經(jīng)喪失。通過計(jì)算應(yīng)力集中系數(shù),，可以得出，由于截面受開孔的影響,，孔周圍的翼緣產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重,，所以應(yīng)限制開孔的大小，使之不致影響整個(gè)構(gòu)件的承載力,。

圖8 型鋼腹板應(yīng)力 MPa

圖9 型鋼翼緣應(yīng)力-加載曲線

圖10 型鋼翼緣正應(yīng)力-加載曲線

圖11 型鋼翼緣應(yīng)力 MPa

5 質(zhì)量控制

箍筋穿型鋼腹板及牛腿腹板時(shí),應(yīng)預(yù)先在工廠采用相應(yīng)的機(jī)床或?qū)Ｓ迷O(shè)備制孔,嚴(yán)禁現(xiàn)場(chǎng)氧氣切割開孔,。如開孔的大小和位置不合適時(shí)，需征得設(shè)計(jì)單位同意后,，再用電鉆補(bǔ)孔或用絞刀擴(kuò)孔，不得用氣割開孔。鋼骨柱柱身豎向鋼筋接頭連接的施工一定要在鋼柱安裝后進(jìn)行,，待鋼骨柱安裝完成后,，再進(jìn)行柱身豎向鋼筋及箍筋的綁扎。為防止鋼骨柱在混凝土澆筑時(shí)發(fā)生較大的偏差,，應(yīng)將高強(qiáng)螺栓全部終擰，節(jié)點(diǎn)焊接完成,。安裝樓層壓型鋼板時(shí),，應(yīng)先在梁上畫出壓型鋼板鋪設(shè)的位置線。鋪設(shè)時(shí)相鄰兩排壓型鋼板的端頭波形槽口要對(duì)正,，使混凝土現(xiàn)澆疊合層的鋼筋能順利通過,。

剪力墻部分腳部因設(shè)有H型鋼柱且鋼筋密集，在剪力墻混凝土無(wú)法流入,，布料機(jī)無(wú)法澆筑時(shí),，可以采用人工接料，用鐵鏟鏟入,，避免該部位出現(xiàn)空洞?；炷翝仓^程中,，不可隨意挪動(dòng)鋼筋，應(yīng)隨時(shí)復(fù)查鋼筋的位置并安排鋼筋工人進(jìn)行調(diào)整,，以保證鋼筋位置的精確,。應(yīng)經(jīng)常檢查鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度和所有預(yù)埋件的牢固程度及位置的準(zhǔn)確性。

混凝土的振搗自上向下采用插入式振動(dòng)器振搗,，振搗深度為插入被覆蓋混凝土50 mm,為確?；炷琳駬v密實(shí)，振動(dòng)應(yīng)做到快插慢拔,，以免混凝土里面產(chǎn)生氣泡或空隙，插棒間距為20 mm,采用排列式振搗方法,，以混凝土表面泛漿,、無(wú)氣泡產(chǎn)生為準(zhǔn)。拆除后的墻體必須進(jìn)行澆水養(yǎng)護(hù),，待強(qiáng)度達(dá)4.0 MPa后才可以加載施工,。

6 結(jié) 論

通過對(duì)型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)施工技術(shù)及應(yīng)力分析,，得出以下結(jié)論：

1)鋼骨柱首次安裝施工應(yīng)確定統(tǒng)一標(biāo)高,，安裝時(shí)在環(huán)板下面加螺栓來(lái)調(diào)節(jié)標(biāo)高，鋼柱校正后,，在鋼柱底部采用等強(qiáng)度無(wú)收縮混凝土灌漿使鋼柱底部密實(shí)，并將標(biāo)高誤差控制在GB 50026—2007允許范圍之內(nèi),，提高鋼筋一次性穿孔成功率。

2)混凝土梁與型鋼混凝土柱連接時(shí),，鋼筋遇型鋼腹板時(shí)，在腹板上穿孔而過,；鋼筋遇型鋼翼緣板時(shí)，鋼筋焊接在翼緣牛腿上,；柱箍筋遇鋼柱腹板打孔穿過并搭接焊成封閉箍,，遇鋼梁腹板處采用搭接焊，提高鋼筋的施工效率,。

3)型鋼混凝土柱身在正彎矩區(qū)段有明顯的彎曲變形，型鋼也隨柱身產(chǎn)生變形,，由于型鋼的存在，柱身變形明顯減小,。

4)鋼筋孔周圍的翼緣產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，應(yīng)限制開孔的大小,，使之不致影響整個(gè)構(gòu)件的承載力。

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CONSTRUCTION TECHNIQUES AND STRESS ANALYSIS FOR STEEL CONCRETE COMPOSITE STRUCTURE

Chai Wenjing Zhang Xin’ai Sun Chao

(Baoding Vocational Technology Institute, Baoding 071051, China)

ABSTRACT：The structure type of an engineering is structural steel concrete composite structure, the total area is 43 238 square meters. According to the characteristics of closely spaced rebar, quantity embedded parts for large section and difficultly construction coordinating for structural steel concrete, an out in-depth study was carried out . It introduces the forms and methods of structural steel piercing and analyzed the detail operating of joints, so as to ensure the procedure connection of structural steel and reinforced concrete. By adopting finite element software to analyze the beam-column joints of structural steel concrete structure, the deformation of column body was obvious decreased on account of column body existence and the concrete existence ensured that structural steel webs could not occur partial buckling. The flange around rebar openings emergesd serious stress concentration phenomenon, the size of openings showld be limited in order to avoid affecting the bearing capacity of the whole component.

KEY WORDS：structural steel concrete; structural steel piercing; finite element; deformation; stress concentration

第一作者：柴文靜,，女,，1980年出生，碩士研究生,，講師。

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收稿日期：2016-10-28

DOI：10.13206/j.gjg201704021