广东省建筑设计研究院 广东.广州 510016
摘要：组合结构的使用已经广泛，其中钢与混凝土的组合结构是最为常见的结构形式，已经自成独立的结构体系，具备较好的抗震性能及改善结构功能等优点。本文结合工程实例，分析型钢混凝土组合柱的深化设计与施工，以供同类工程借鉴。
关键词：型钢混凝土组合柱；深化设计；梁柱节点
1．工程概况
某多层汽车库工程（见图1），总建筑面积约106400㎡，长约230m，宽约94m，建筑高度约24m，为地上五层钢筋混凝土框架结构，其中一、二层框架柱采用型钢混凝土组合结构，三至四层为钢筋混凝土柱。
型钢混凝土组合结构是把型钢埋入钢筋混凝土中的一种独立的结构形式。由于在钢筋混凝土中增加了型钢，型钢以其固有的强度和延性，以及型钢、钢筋、混凝土三为一体地工作性使型钢混凝土结构具备了比传统的钢筋混凝土结构承载力大、刚度大、抗震性能好的优点。尤其是配置实腹型钢的型钢混凝土组合结构构件的延性性能、承载力、刚度得到了有效的提高和保证。
本工程型钢混凝土组合柱共262根，均为实腹型钢混凝土组合结构，型钢的规格型号包括：“十”字型和“H”型，首层型钢型号为：“十600×400×16×18”、“H600×400×16×18”两种型号，二层型钢型号为：“十300×150×10×10”、“H300×150×10×10”两种型号，二层型钢柱与三层钢筋混凝土柱连接的过渡层。
为便于施工，一、二层型钢柱计划一体焊接加工预制，运输至施工现场直接安装，避免分节预制后期现场连接而引发的连接部位的质量问题。
2．原图纸设计情况及存在的问题
2.1柱脚基础不稳定，需要优化
柱脚基础作为型钢柱安装的承载构件，其作用是承受型钢柱的自重和抗倾覆力矩，保证型钢柱安装后在自重和风荷载的作用下的牢固和稳定，同时要便于施工。本工程原图纸设计的柱脚基础采用埋入式柱脚，为“倒四棱台”型（见图2），尺寸较小，单个柱脚基础混凝土用量为1.64m3，柱脚基础自重约3.9t，而单根型钢柱高约15m，重约4.2t，型钢柱安装后难以依靠自身结构特点达到稳定的效果，不能抵御风荷载产生的弯矩，型钢柱的垂直度无法保证；基础触地面积较小，型钢柱安装后易发生沉降，影响安装质量。
2.2承台与灌注桩节点设计不具有可实施性
灌注桩顶部需要剔凿成V型切口（见图3），V型口内还有箍筋穿过，以此满足柱脚基础尺寸的要求，施工难度极大，效率低，影响施工进展不具有可实施性；施工时，基槽需450沿斜面做垫层，施工质量难以保证，因此承台与灌注桩的节点设计太过于理想化，不具有可实施性。
综合以上原因，原图纸设计的柱脚基础有必要进行调整优化。
2.3型钢柱节点设计不明确，达不到施工图深度
型钢柱应用并不广泛，设计院也缺少这方面的经验，相关标准图集也不完善，造成型钢柱设计深度不高，原设计图纸中，关于型钢柱的设计，仅仅给出了柱钢骨大样和型钢柱与框梁连接节点详图（设置钢牛腿与框梁纵筋焊接连接），标注了型钢的尺寸型号。
从施工角度经过简单分析，下面一系列的问题都需要解决。一、二层型钢柱变截面处如何连接？变截面的节点做法是什么？钢牛腿的位置不够明确？钢牛腿的设置形式是什么？框梁多排纵筋的情况下，如何与钢牛腿焊接连接？
3．柱脚基础的优化
优化方案：将柱脚基础扩大至桩中心位置，通过扩大触地面积和基础自重，利用灌注桩与柱脚基础部分嵌固作用，使安装后在自然状态下达到抗倾覆的性能（见图4）。
柱脚基础高65cm，型钢柱安装并调整正确后，及时浇筑柱脚基础上部45cm范围内的混凝土，将减少型钢柱根部的暴露时间。实践证明，该优化措施是正确的，262根型钢柱顺利安装完成，平面位置、高程、垂直度均在允许偏差范围内，未发生任何倾覆事故。
4．型钢柱的二次深化设计
型钢柱的二次深化设计是以原图纸设计为基础，以施工工艺和施工质量为根本，结合构件平面位置关系，对型钢柱设计进一步具体化的工作，目的是出具钢结构加工图，以指导构件的加工预制和后期梁柱钢筋工程的施工，其梁柱节点构造是整个深化设计的核心和重点。本工程主要从以下几个方面进行型钢柱的二次深化设计。
4.1一、二层型钢柱连接位置变截面的深化设计
二层型钢混凝土柱是作为一层型钢混凝土柱和三层钢筋混凝土柱的过渡层，其内部型钢柱截面尺寸较小，因此，一、二层型钢柱连接位置需采取“变截面”的方式进行连接。根据《型钢混凝土组合结构技术规程》JGJ138-2001第9.2.3条：当需要改变型钢柱截面高度时，截面高度宜逐步过渡，且在变截面的上、下端应设置加劲肋，当变截面段位于梁柱接头时，变截面的位置宜设置在两端距离翼缘不小于150mm位置处。依此，结合梁柱节点高度，本工程按以下变截面进行设计加工。深化设计时我们根据柱子的不同型号，变截面钢板的宽度和高度均需要按实际调整。为保证加工的顺利进行，施工单位需要对所有不同截面柱子的变截面详图进行复核，保证完全正确。
4.2梁柱节点处钢牛腿的深化设计
梁柱节点处，混凝土梁与型钢柱的连接采用焊接钢牛腿的方法，在混凝土梁的位置，型钢柱侧面焊接钢牛腿，梁的纵向钢筋与钢牛腿进行焊接，然后再浇筑混凝土。钢牛腿的深化设计主要考虑以下因素：
（1）根据平面位置确定牛腿的数量和标高：钢牛腿位置设置时，要结合框架柱的位置进行设置，即中柱、边柱和角柱的钢牛腿的数量和位置不同，具体要结合梁的平面位置设置；
（2）根据梁的偏轴情况调整钢牛腿的位置：要充分考虑每一根柱与之相连接的梁与轴线的平面位置关系，即梁在轴线居中和扁轴的情况下，钢牛腿的平面位置是不同的。
（3）确定钢牛腿高度时考虑的因素：由于型钢翼缘不宜进行开孔，因此采用钢牛腿将不能贯穿的梁的纵筋在节点位置与钢牛腿翼缘进行焊接，以保证梁钢筋的正常连接，钢牛腿高度的确定主要以梁的位置和保护层尺寸，同时要考虑两个方向的梁纵筋的交叉重叠情况，梁纵筋的尺寸大小情况等，在深化设计时，关键是要结合将来现场施工的特点和各种情况充分考虑。
4.3穿筋孔的设置
按照设计规范要求，必须保留一部分贯通钢筋，不能全部焊接在牛腿上。穿筋孔用于钢筋贯穿型钢柱形成贯通，主要涉及到贯穿的情况包括梁角筋贯穿型钢柱的腹板、柱箍筋贯穿型钢柱腹板、梁柱节点位置箍筋贯穿钢牛腿腹板、柱纵向钢筋贯穿钢牛腿翼缘、承台地梁钢筋贯穿型钢柱等，主要从以下几个方面进行深化设计。
（1）穿筋孔的大小全部进行反复核对
穿筋孔的孔径主要以钢筋直径为基础，根据标准图集《型钢混凝土组合结构构造》04S523“表6.6：常用钢筋穿孔的孔径（mm）”要求预留（见表1），穿筋孔必须在工厂加工完成，严禁在现场用氧气切割开孔。穿筋孔的大小必须准确，需要反复核对各部位所穿钢筋的型号，同时要对梁的配筋进行核对，不能出现差错。
常用钢筋穿孔的孔径（mm）表1
（2）穿筋孔的位置要充分考虑钢筋错位和保护层等因素
穿孔位置应尽量避免在型钢的翼缘，在节点区，两个方向梁的纵向钢筋，穿过型钢腹板时应上下错位，综合考虑保护层厚度、钢筋直径和施工工艺进行详细的位置放样，穿筋孔一旦位置偏差或错误将影响到后续现场钢筋施工的正常进行。
用于箍筋贯穿型钢的穿孔，需根据图纸设计，考虑是否为加密区和非加密区。
5．型钢混凝土组合柱箍筋的优化
从施工方便，易于保证施工质量的角度，审核施工图中的箍筋设计，在标准图集允许的范围内进行调整，为顺利施工创造有利条件。遵循减少腹板开孔数量，减少现场焊接工程量，优化难以施工的设计内容的原则进行优化。
原设计中，柱箍筋为复合箍筋，外侧大封闭箍筋不受型钢柱位置影响，但内侧小封闭箍筋和拉钩需贯穿型钢柱的腹板，箍筋间距100mm或200mm设置，数量较多，若保证箍筋按原设计施工，需在型钢柱的腹板上每根箍筋或拉钩位置钻孔，并且钢筋施工时需先断开后焊接的方式进行施工，给施工质量和难度、进度造成影响。
根据《型钢混凝土钢筋排布及构造详图》12SG904-1并与设计沟通，我们对箍筋进行了调整，内侧需要贯穿型钢柱的小封闭箍筋调整成为开口的八字箍、拉钩或其组合，避免了箍筋贯通型钢柱，解决了施工难度问题，并且型钢柱在加工时，避免了大量开孔的工序，柱箍筋安装在进度方面得到保证。
6．梁柱节点处梁纵筋焊接质量优化控制
梁柱节点处钢筋的施工是影响结构安全的关键，尤其是该位置梁纵筋的焊接质量是质量控制的重中之重，为了保证焊接质量，主要从以下几个方面进行质量控制。
（1）焊接工艺改进：梁柱节点位置钢筋复杂，空间狭小，普通的电弧焊施焊较困难，焊接效率差，焊接质量难以保证，因此，及时调整了焊接工艺，改用CO2气体保护焊，从焊接效率和焊接质量得到了保证。
（2）焊脚尺寸：原设计要求未贯通的梁纵筋与钢牛腿双面贴焊，长度为6d，根据《钢筋焊接及验收规程》JGJ18-2012要求，焊缝有效厚度s不小于0.35d（d为钢筋直径）。本工程梁纵筋全部为 25钢筋，为便于现场焊缝的质量控制，采取以下计算方式进行焊缝参数的控制（见图5）：
a.焊脚高度控制在钢筋水平中心位置，即焊脚与钢筋最高接触点达到钢筋水平直径位置，焊脚高度为d/2=12.5mm=1.3cm。
b.当b为0.6d时， =8.3mm
h=25mm+8.3mm=33.3mm=3.3cm
即：焊脚底边控制长度为钢筋中心竖向直径到焊脚的长度为3.3cm。
通过以上焊脚尺寸参数值，现场采用钢尺和游标卡尺可进行有效的控制。
7．统一梁柱节点部位的混凝土标号，避免冷缝产生
本工程首层柱混凝土采用C35，首层梁板及以上各层梁、板、柱均采用C30混凝土，因此首层梁柱节点位置的柱混凝土应采用C35，梁板混凝土采用C30，梁柱节点位置混凝土标号不一致，而梁柱节点位置的混凝土在后续与梁板混凝土浇筑时一并浇筑完成，浇筑时，若先浇筑首层柱头C35混凝土，再浇筑梁板C30混凝土，由于浇筑面积较大，浇筑持续时间较长，在梁柱节点位置宜形成 “冷缝”，影响结构施工的质量。为了便于施工，经与设计沟通在满足强度及结构验算的强度下，将首层梁柱节点位置的混凝土与梁板混凝土一致，即统一采用C30，在梁板浇筑时进行一次浇筑，结合现场采用两台泵车的浇筑方式，有效的避免了 “冷缝”的产生，保证了混凝土施工质量。
8．结束语
型钢混凝土框架柱，由于型钢柱的存在，给施工带来较大的难度，因此在进行有关此方面的施工时，首先认真审查原设计图纸中有关型钢柱的设计，重点从施工工艺和方法的角度进行分析，各项控制数据是否影响正常施工；二次设计深化设计时，更要将后续施工时全部影响的因素考虑进去，避免给施工带来影响；梁纵筋的焊接是施工的重点质量控制环节，要将每一处焊点进行质量检查，并应作为一项单独验收的项目，焊接质量验收合格方可进行下道工序作业。
型钢柱与钢筋焊接的质量控制对结构工程至关重要，需认真踏实逐个的做好现场的质量检验，不容马虎。
参考文献：
[1]中国建筑标准设计研究院.12SG904-1型钢混凝土结构施工钢筋排布规则与构造详图[M].北京：中国计划出版社 2012
[2]GB50205-2001钢结构工程施工质量验收规范[S]
论文作者:李世龙
论文发表刊物:《基层建设》2015年16期
论文发表时间:2015/10/12
标签：型钢论文; 梁柱论文; 混凝土论文; 钢筋论文; 位置论文; 节点论文; 组合论文; 《基层建设》2015年16期论文;