大型钢混凝土组合柱结构施工技术探讨

孟 华

(中铁十八局集团第四工程有限公司，天津市 300350)

大跨度、大空间建筑工程是目前建筑业发展的主要趋势，虽然建筑工程的功能愈发完善，但结构设计越来越复杂，传统施工技术已经无法满足施工要求，大型钢混凝土组合柱结构施工技术应运而生，其在型钢结构的外部，包裹一层混凝土形成外壳和大型钢混凝土组合柱结构，可有效解决大跨度、大空间结构构件承载力不足问题。而且此种组合结构还有良好的延展性，可在承载力允许的前提下，提升建筑工程的使用面积和层高，增加空间利用率。此外，该技术还能实现多种构件的有效组合，可取代钢筋混凝土结构和钢结构应用在建筑工程、桥梁工程等领域。基于此，开展大型钢混凝土组合柱结构施工技术研究就显得尤为必要。

1 工程概述

本工程坐落于成都市龙泉驿区金茶路，东临世贸城四期，西临公园大道，南临金茶路，北临规划道路。底部二层商业，建筑物内设有九部电梯，两个普通楼梯；基顶到19层外侧框架柱内为全型钢，19—27层为部分型钢柱，27层以上为钢筋混凝土柱，核心筒为钢筋混凝土剪力墙，室内隔墙采用页岩多孔砖及加气混凝土砌块隔断墙，建筑物总高度为177.15 m。

2 本工程施工的重难点分析

2.1 对文明施工要求较高

百悦142项目二期10号楼地处成都市龙泉驿区金茶璐与公园大道交汇处,位于百悦城四期西侧，西临公园大道，南面为金茶路，对文明施工、环境保护、安全防护要求较高。

2.2 工期紧

本工程预定的工期目标为720 d，跨越了2个雨季和2个冬季，因此施工工期紧，如何提升现有资源利用率是重中之重。

2.3 技术含量高

本工程为典型的大型项目，采用了先进的大型钢混凝土组合柱结构施工技术，技术含量较高，钢结构焊接、钢筋连接、型钢梁的吊装等都是施工的重难点。

3 大型钢混凝土组合柱结构施工技术的应用要点

本工程为框筒结构工程，其中建筑物19层以下四边均为型钢柱，19—27层大部分为型钢柱。

3.1 钢结构制作

本工程施工中，型钢选择了Q345B低合金高轻度结构钢，材质符合国家相关标准，强屈比不小于1.5，伸长率不超过20%，并要拥有明显的屈服台阶，屈服点不应超过强度的10%[1]。在钢结构焊接中，Q235钢采用焊条型号E4300—E4313，Q345钢采用焊条型号E5001—E5014。钢结构制作加工切割中应用设备包括：伊萨—汉考克等离子、火焰多头数控切割机等，为保证钢结构制作精度，在下料切割之前，需要采用矫正机对钢板、型钢等进行集中矫正，保证钢结构制作精度符合表1要求。

表1 钢结构制作加工精度表

3.2 预埋地脚螺栓

预埋地脚螺栓是大型钢混凝土组合柱结构施工的主要工序，预埋精度和牢固性对第一节型钢柱的安装精度乃至整个工程的施工质量都有较大影响。本工程型钢柱长度比较长，需要从承台顶面内部生根，为提升第一节型钢柱的安装精度，便于预埋地脚螺栓，在预埋操作时，可增加一块辅助钢垫板，由于钢垫板的截面尺寸、螺栓孔位置和第一节型钢柱的柱脚完全一致，因此，通过调节钢垫板的位置，就可以保证第一节型钢安装的精度[2]。在具体预埋工作中，需要在纵向和横向都布置经纬仪和水准仪，以控制预埋件的轴线和标高，并从四个方面牢牢加固，通过调节螺母调整螺杆的高度，保证预埋件安装的标高合理。本工程梁柱节点预埋示意图(见图1)。

图1 梁柱节点预埋示意图

3.3 型钢柱焊接

本工程型钢梁连接示意图(见图2)。在第一节型钢柱安装前，需要去除辅助用的钢垫板并将地脚螺栓的螺纹清理干净，若发现螺牙损坏要及时修复更换。如果型钢柱节点焊接部位上下接触面的间隙小于1.5 mm，可直接焊接。如果间隙在1.6～6.0 mm之间，需要先用低碳钢的垫板充填间隙，再进行焊接。破口焊接前要做好预热工作，由于本工程工期比较紧，为缩短施工工期，在型钢柱之间对焊时，可采用多人对称焊接，在减低焊接变形和残余应力的基础上，提升施工速度。如果型钢柱的构件的厚度较大，可采用φ5 mm焊条进行焊接，打底层用φ4 mm焊条焊接，中间层可用φ5 mm焊条或者φ6 mm焊条进行焊接，但盖面层必须采用φ5 mm焊条进行焊接。为保证施工质量，要连续施工，且每层焊接完成后要及时进行清理，盖面层焊缝搭坡口两侧各2 mm，如果在冬季焊接，外界气温低于0℃，焊接完成之后，立即用石棉布保温，促使焊缝缓慢冷却，焊接完成之后，需要对焊缝质量进行检查，符合二级检查标准后才能进行下一道工序[3]。

图2 型钢梁连接示意图

3.4 型钢梁吊装

在型钢梁吊装时，通过在型钢梁翼缘位置焊接耳板作为吊点，起吊之前，对型钢梁的型号、长度、截面尺寸等进行校验，达到要求后才能起吊。第一节型钢梁吊装完成之后，需要对吊装的柱、梁进行校正，包括标高、垂直度、轴线、净跨等，达到要求后用高强度螺栓进行连接。螺栓初拧和终拧需要详细标记，以便于后期识别，避免发生重拧和漏拧问题，螺栓连接完成后48 h内进行扭矩检测。

3.5 柱钢筋安装

型钢混凝土组合柱结构的主筋采用了φ25的钢筋，通过直螺纹连接，并在水平方向上设置多肢箍筋，形成高强度箍筋组和拉钩。箍筋的主要作用是约束大型钢混凝土组合柱结构，因此，箍筋必须完全闭合，并和主筋牢固连接[4]。本工程选择了U型开口箍筋，再通过焊接的方法形成封闭箍筋。柱钢筋定位截面示意图(见图3)。

图3 柱钢筋定位截面示意图

3.6 梁钢筋安装

在梁主筋安装中需要提前深化设计，如果主筋穿过型钢柱腹板，可以在腹板上主筋标高位置打眼。如果主筋没有穿过腹板，则需要核实腹板的锚固长度，如果锚固长度足够，则可以按照普通钢筋混凝土标准图进行施工。如果锚固长度不满足要求，需要进行单面搭焊接，且保证梁主筋焊接在型钢牛腿上，保证焊缝长度满足设计要求。为防止跑位，在弯钩下方绑扎φ6钢筋一根(见图4)。

图4 梁钢筋附加筋绑扎示意图

在梁箍筋安装中需要先把梁筋连接好，再进行箍筋施工，必须选择开口箍筋。当梁主筋套设完成之后，将箍筋焊接封闭，并绑扎牢固[5]。

3.7 大型钢混凝土组合柱结构模板施工

本工程为商业楼设计，节点线条较少，标准层层数为40层，相同标准的层数为38层，且为了保证成型的外观质量，本项目标准层以上采用铝模板。在具体施工中，模板配置高度以满足层高要求及避免和柱顶部的型钢梁发生冲突为准。梁模采用14mm清水覆模板，梁底模下部用40 mm×70 mm木方钉做纵楞，其下用φ48×2.8 mm钢管做横楞，间距不超过400 mm,并在横楞下部加设顶撑,间距不超过1 000 mm。现场模板垃圾随时清理，夜间禁止模板施工。模板堆放要做到整齐有序、清洁无污染、低扬尘、低噪声及低能耗[6]。

3.8 混凝土浇筑和振捣

为检验配制的混凝土是否达到工程设计的要求，当混凝土被运输到指定位置之后，现场管理人员和技术人员需要对混凝土的强度、坍落度等指标进行全面检测，确认达到工程要求之后，再继续施工。在混凝土浇筑时，要保证混凝土从管口下落的高度小于2.0 m，严禁直接倾倒浇筑，需要采取一定的方法限制混凝土冲击力，本工程采用了串筒浇筑法，满足了工程要求[7]。

为保证混凝土具有足够密实度，在振捣时采用了插入式振荡法，具体振捣方法为：保证振捣插入点均匀布置，按照顺序严格振捣，每次振动完成之后，移动距离控制在30～40 cm之间。如果混凝土采用了分层浇筑法，则振捣器需要插入下层混凝土5～10 cm之间，进行严格控制，保证上下两层混凝土能够形成一个整体[8]。

3.9 型刚柱荷载验算

本工程型钢柱的底部为钢筋骨架，为满足施工需求，采用结构支撑施工方式以保证面筋能够处于半空滞留状态。底板钢筋选择了双层双向C12@180 mm塔楼部分底板面层钢筋配筋为C22@100 mm 双向正交布置，底层钢筋为C28@100 mm双向布置。受到底板厚度较大的的影响，在顶板钢筋施工中，采用了强度比较大的[8型钢作为支撑底板的钢筋，详见型钢支撑平面布置图(见图5)。

图5 钢支撑平面图

为验证本工程型刚柱荷载是否满足要求，对型刚柱的荷载，抗弯，结构进行验算。以2 m为型刚柱荷载计算标准，则本工程每段由40根长度为2 m的钢筋，其中顶板钢筋的重量为1 192 N(56×2×3.31 kg/m)，通过顶板钢筋的重量可计算出承受的荷载为0.596 N/mm(1 192/2 000)。型钢的总重量则为0.08 N/mm，此时型刚柱施工荷载就是5.0 N/mm(1.1×4.5×2/2)，则总施工荷载就是5.675 N/mm(0.596+0.08+5.0)。

结构验算：钢筋总长度l为2 000 mm，I为1 740 mm，E则为2.6×105N/mm2，W为22 400 mm3，则A为988 mm2。

抗剪验算如下：

剪应力为:

满足工程施工要求。

抗弯验算：

荷载、抗弯、结构验算均满足要求。

4 施工效果

按照施工单位和工期的要求，施工任务完成仅用了704 d，主要原因在于，和传统施工技术相比，大型钢混凝土组合柱结构施工技术具有很高的机械化程度，施工速度比较快，且主体结构的施工质量更加可靠，保证了本工程提前完成封顶操作，为尽早投入使用提供了有利条件，得到了建设单位的充分肯定。本工程焊接作业量比较大，为降低对环境和居民造成的影响[9]，现场焊接过程中采取遮挡措施，避免光污染，绿色施工效果也比较显著。

5 结 语

综上所述，本文结合工程实例介绍了大型钢混凝土组合柱结构施工技术，其可大幅度提升工程结构的承载力，而且可利用的空间比较多，通过外部包裹的混凝土，可防止型钢构件局部屈曲，提升整体结构的稳定性和刚度，改善钢结构平面扭转屈曲性能，充分发挥钢材质量轻的优势，值得大范围推广应用。