某复杂高层转换层节点设计的深化和优化

王晓征 蒯 青

(1.辽宁金海建筑设计研究院有限公司昆山分公司，江苏 昆山 215300； 2.江苏江都建设集团有限公司，江苏 昆山 215300)

某复杂高层转换层节点设计的深化和优化

王晓征1蒯 青2

(1.辽宁金海建筑设计研究院有限公司昆山分公司，江苏 昆山 215300； 2.江苏江都建设集团有限公司，江苏 昆山 215300)

结合蚌埠百乐门文化经贸广场1号楼的工程概况，分析了高层转换层节点设计施工的难点，提出了节点深化设计的原则、措施及顺序，并阐述了梁底筋锚固、补强板优化、连接件承载力计算的方法，以供借鉴。

高层建筑，转换层，梁底筋，补强板

1 工程概况

蚌埠百乐门文化经贸广场1号楼位于广场直角三角形地块443.2 m长斜边的西南端，共31层，高99.6 m，地面以下为人防工程和私家车库，东侧与北侧和4层高的商业建筑相连。由于大空间使用功能要求，部分剪力墙不能落地，须在3层楼面进行转换，本建筑属于扭转不规则、凹凸不规则、竖向传力构件不连续的复杂高层建筑。

2 施工难点

3)型钢混凝土组合转换柱柱内型钢柱为异形排列，共有6个类型不规则排列的型钢柱阻碍了型钢混凝土组合转换主梁的底部纵筋的伸入,增加了型钢混凝土组合转换主梁底筋在柱内锚固的多样性和复杂性。

4)型钢混凝土组合转换柱2个方向的型钢混凝土组合转换主梁高度相等，2个方向的梁的底筋在转换柱内相遇，梁的底筋穿插困难。

5)型钢混凝土组合转换主梁内的型钢梁占用了转换柱的部分宽度，增大了转换柱的纵筋排列的难度。

上述难点的存在使节点施工困难重重，不理顺柱梁钢筋及型钢之间的关系，不仅影响施工进度，更会影响工程质量，必须对施工蓝图的柱梁节点进行深化和优化。

3 深化设计原则

1)不得因深化设计而影响结构的承载能力。2)必须满足相关规范对结构的保护层、钢筋间距、钢结构开孔钢结构焊接等构造要求。3)不增加造价,方便施工。

4 实施措施

1)根据等强代换的原则对型钢混凝土组合转换主梁的纵向钢筋进行代换，用Φ32(HRB400)替代Φ28(HRB400)。减少钢筋根数，代换计算时,除用钢量不小于设计用钢量且保证转换梁不因使用大直径钢筋出现裂缝。

3)所有转换梁的纵筋在节点内锚固均采用直锚，当锚固长度小于Lae时,采用直锚加锚头。其水平锚固长度不小于0.4Lae且过柱中线5d。

4)取消所有型钢梁下翼缘栓钉，减小梁底纵筋排列难度。

5 节点深化顺序

1)根据平面图中型钢混凝土组合转换柱与轴线的关系，以1∶20的比例在电脑中将混凝土组合转换柱定位。

2)根据平面图中型钢混凝土组合转换主梁与轴线的关系，以1∶20比 例在电脑中画出混凝土组合转换主梁的边线和型钢梁的边线。

3)定位型钢混凝土组合转换柱内型钢柱，画出混凝土柱外箍并布置转换柱竖向钢筋，钢筋及型钢均按实际尺寸比例画出。

4)在离型钢梁端头245 mm处的翼缘板上开转换柱竖筋穿筋孔，并焊接补强钢板，孔中心距180 mm,孔中心距翼缘板边60 mm。

5)以穿孔筋为基准布置柱该侧其他竖筋。

6)布置型钢混凝土组合转换主梁的底筋，当梁的底筋与柱竖筋相碰时,调整柱的竖筋，使柱的竖筋间距满足规范要求。布置时可采用2筋并列的方式，但梁筋不宜在角处并列，柱筋可优先考虑在角处并列，角处并列的钢筋可被柱的2个方向共用，能减少另一方向钢筋数量。

7)布置转换柱的内箍筋，当箍筋肢数较多时，可采用比设计直径大一级别的钢筋等强代换，箍筋布置时尽量使其不穿或少穿钢柱腹板。

6 梁底筋的锚固

1)梁底筋与转换柱内型钢柱翼缘板相遇无法贯通时的锚固方法：

梁底筋与转换柱内型钢翼缘板相遇无法贯通时可采用与钢柱翼缘板焊接水平连接钢板、竖直连接钢板、钢套筒及在翼缘板上开穿筋孔等方法进行锚固。

a.水平钢连接板。该方法适用于转换柱只有一个方向有型钢混凝土组合梁或另一方向有与该方向不等高的型钢混凝土组合梁在柱节点相遇时采用。当两个方向等高的型钢混凝土组合梁在柱节点相遇时，水平钢连接板会阻挡另一方向转换梁的底筋伸入，同时当转换梁底筋多于一排时，第二、第三排钢筋与钢连接板无法直接焊接,此方法在本工程大部分节点不适用。

b.竖向钢连接板。竖向钢连接板可以使多排梁的底筋与型钢柱翼缘板可靠连接，但竖向连接板在型钢柱翼缘板宽度内排列不宜超过2块，否则因竖向连接板的水平间距小，转换梁的底筋与中间的连接板无法焊接。另一方向型钢混凝土组合转换梁的底筋可在竖向连接板上开孔穿过，只要孔的边缘距连接板的外侧距离不小于30 mm即可，开孔不影响连接板与型钢柱之间焊缝承载能力。以型钢柱腹板中心线为中心，2块竖向连接板对称布置，连接板上钢筋产生的合力通过型钢柱腹板向转换柱内传递，不需要另焊连续传力构件，节省材料，减少施工时间。

c.钢套筒的连接。钢套筒是钢筋一种快捷、简单、环保的连接方法。钢套筒在工厂内按设计要求焊在指定的位置，在施工现场，只要将端头绞有螺纹的钢筋用力矩扳手拧入即可。但钢套筒与型钢柱之间的焊缝应进行强度计算，因为定型钢套筒的壁厚是定值，焊缝承载能力受到壁厚的限制。钢套筒的水平净距不小于30 mm,竖直净距不小于另一方向钢筋的直径，否则另一方向的钢筋无法穿过。每跨梁的两端不宜同时采用钢套筒连接，因连接的钢筋比两端钢套筒之间的净距长，钢筋无法拧入。每层钢筋采用钢套筒连接的只数不宜多于2只，沿型钢柱腹板中心对称布置，2只钢套 筒连接的钢筋产生的合力由型钢柱腹板向转换柱内传递，不用加焊连续传力的构件。因钢套筒中心距离钢柱腹板中心距离很小，钢筋拉力使钢柱翼板变形甚微，可以略去不计。当每排钢套筒多于2只时，多出的钢套筒背面应加焊连续传力构件，否则因钢筋与混凝土之间的锚固力不足，导致型钢梁翼缘产生变形。

d.钢柱翼板开孔穿筋连接。在型钢柱翼板开孔让转换梁的钢筋穿孔而过向转换柱内伸入而达到锚固长度是钢筋的另一种锚固方法，在钢柱翼缘板上开孔需要在孔两面贴补强钢板，补强钢板与钢柱腹板相近的边因距离小无法焊接，本工程不采纳。

2)梁底筋与转换柱内型钢腹板相遇无法贯通时的锚固方法：

赵仙童挨扇，呆愣片刻尖叫起来，说你违反规则了，你不能还手的，你再自抽两个嘴巴。砖子又自抽两巴掌，苦着脸说，我不是有心打你的，我不知道手怎么会爬到你脸上，我可能控制不住自己的手了，我的手好像告诉我，再不还手，我能被逼疯了。砖子接着解释说，我不是说我这个人被逼疯，我是说手能被逼疯，我怎么控制不了自己的手呢。砖子愈加可怜地说，仙童，我的手不听话，要不你剁了它，我禁止它生你的气，它敢生气，我拿它喂狗。

a.型钢柱腹板距转换柱外侧距离不小于0.4Lae。当转换梁的底筋被转换柱的型钢柱腹板挡住,腹板距转换柱外侧距离不小于0.4Lae时，可采用在腹板上焊接竖向钢连接板或钢套筒连接。钢柱腹板可视为竖向连接板和钢套筒的较大锚头，在0.4Lae长的钢筋粘结锚固力和钢柱腹板对混凝土挤压力作用下能保证梁钢筋的锚固强度和抗滑移能力。

b.型钢柱腹板距转换柱外侧距离小于0.4Lae。当转换梁的底筋被转换柱的型钢柱腹板挡住,腹板距转换柱外侧距离小于0.4Lae时，由于梁底筋水平粘结锚固力不足而导致竖向连接板和钢套筒周围钢柱腹板变形，腹板另一侧会与混凝土之间产生缝隙，为了避免该状况发生须在腹板另一侧竖向连接板和钢套筒相同位置焊接连续传力构件，构件末端至受拉钢筋一侧转换柱边距离不小于0.4Lae且过柱中心5d。

c.型钢柱腹板上开孔。在型钢柱腹板上开孔，让转换梁底筋穿伸入达到锚固长度或不小于0.4Lae且过柱中心5d，但受到开孔面积不宜大于开孔所在截面的1/4及转换柱竖筋排列的限制，在长度有限的型钢柱腹板上开2个孔的可能性很小，一般情况下根据梁筋排列需要，可随机开1个穿筋孔。

7 补强板的优化

在型钢梁翼缘板上开孔必须双面贴钢板补强，补强板大小厚度与钢筋直径、柱翼缘厚度有关，若按文献[2]和文献[3]图集的方法计算补强板，补强板开孔直径比钢梁翼板开孔直径大，补强板不仅四周要与钢梁翼缘焊接，孔边还要与钢梁翼缘板焊接。由于补强板孔与穿筋孔不是等圆，上下2块补强板不易对齐，焊接后使穿筋孔四周受力更复杂。

文献[1]对穿筋孔补强的方法比上述2本图集方法简单且易操作，补强板孔与穿筋孔直径相同，补强板只须外围与钢梁翼缘板四周焊接，操作简便，质量易于保证。

按文献[1]的公式计算：

补强板宽：

B=2.3n+0.1d。

补强板厚：

T=(t×n×d)/(2B-2n×d)。

其中，n为穿筋孔数；d为穿筋孔直径；t为型钢柱翼缘板厚度，算得补强板尺寸为86×86×12,采用90×90×14。

8 连接件承载能力计算

1)钢套筒与型钢柱连接的焊缝承载能力计算。经计算，各种直径套筒与型钢连接的贴角焊缝承载能力均小于所连接的钢筋拉力，以Φ25(HRB400)钢筋为例，其承担的拉力设计值：N=491×360=176.7 kN。

与其匹配的钢套筒外径37 mm,壁厚6 mm,采用贴角焊缝的承载能力设计值：

Nf=37×3.14×6×0.7×200=97.6 kN，远小于钢筋的承载能力。

根据GB 50017—2014钢结构设计规范第8.2.7规定，焊脚尺寸可增加1 mm且可取较薄焊件的1.2倍，则：Nf=37×3.14×(6+1)×1.2×0.7×200=136.6 kN,仍小于钢筋的承载能力。

采用Φ25/Φ22不等径钢套筒,即与钢筋连接端的孔径与钢筋直径相同，与钢柱焊接端的孔径比钢筋直径小一个级别，这样焊接端钢套筒壁厚可增大1.5 mm，则焊缝的承载能力为：

Nf=37×3.14×(7+1.5)×1.2×0.7×200=165.9 kN，只达到钢筋承载能力的93.9%。

为了搞清楚钢套筒与型钢柱之间焊缝实际承载能力，选3根Φ25(HRB400)钢筋与其匹配的钢套筒焊在钢板上，送法定检测机构做试验，检测报告显示，3个试件的拉力都超过260 kN,破坏形式均为钢筋从钢套筒内拔出。试验证明焊缝实际承载能力可满足钢筋的拉力要求，为确保焊缝质量,焊接时采用二氧化碳气保焊。

2)竖向连接件焊缝承载能力计算。竖向连接件上的钢筋根数和直径决定了连接件产生的拉力，由拉力决定焊缝截面，根据焊缝截面选择连接钢板尺寸。

9 型钢柱梁节点组装优化

原设计每跨型钢梁分为三段，即每跨型钢梁端头1.0 m长是在工厂内与钢柱焊接，在施工现场完成与中间跨组装，钢梁翼缘采用全溶透自溶焊，腹板用高强螺栓连接。这种做法存在以下缺点：

1)因为每跨梁端头节是在工厂内与柱焊接的，型钢柱安装产生高低或左右误差时，梁的中间节与端头节现场组装困难，甚至因误差大不能组装而返工。

2)钢梁接头处的翼缘板要在现场焊接，腹板要通过高强螺栓和盖板连接，影响造价和增加吊车使用工时。

3)接头处要设置补强纵筋和箍筋，影响造价和工期。

4)型钢梁组装须在空中进行，容易产生安全事故。

鉴于上述缺陷，将每跨钢梁由3节改为单节，现场与型钢柱焊接,减少现场中跨与边跨内侧焊接与栓接工序。

其方法为：

1)型钢柱在下料时柱高增加20 mm，作为型钢柱脚安装高低误差调整量。

2)所有的型钢柱安装调平校直以后浇混凝土至型钢混凝土组合梁底下300 mm处停止浇筑。

3)混凝土养护至其强度达到C30后梁柱开始组装。

4)在型钢柱翼板上划出型钢梁下翼缘板底标高水平线及型钢梁腹板中心线。

5)在用钢套筒与转换梁钢筋连接的型钢柱翼缘板侧以型钢梁腹板中线为中点，型钢梁下翼缘板水平线处对称焊接2块20×150×250钢板作为牛腿，钢板净距150，梁的另一端利用2块竖向钢连接板作为牛腿，将套着转换梁箍筋的型钢梁吊起搁置在牛腿上，校正后对柱梁进行焊接，牛腿的焊缝必须能承担钢梁和转换梁全部纵筋和箍筋重量。将转换梁箍筋在型钢梁起吊前套入，可减少将矩形箍筋加工成U形箍筋再焊接的工序。

10 结语

通过上述措施，使转换层施工顺利进行,因型钢梁单跨由3节组装改为单节组装，减少了接头焊接工作量，取消了腹板螺栓接头工作量和接头处附加钢筋的用量，节省了工期，降低了造价，减小了施工复杂性,为整个结构的质量保证奠定了一个良好的基础。

1号楼已于2015年3月28日封顶，2015年7月1日通过主体验收，至2015年12月底土建工程全部完工，沉降稳定，柱梁接头处未见异常，希望本工程做法能为类似工程提供借鉴。

[1] 何 东，余永辉.广州琶洲PZB1401地块项目转换层节点设计[J].建筑结构，2012(6)：60-66.

[2] 04SG523，型钢混凝土组合结构[Z].

[3] 12SG94-1，型钢混凝土结构施工钢筋排布规则与构造详图图集[Z].

[4] GB 50017—2011，钢结构设计规范[S].

[5] GB 50010—2010，混凝土结构设计规范[S].

[6] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

[7] JGJ 3—2011，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

The deepening of a complex high-rise transformation layer node design and optimization

Wang Xiaozheng1Kuai Qing2

(1.LiaoningJinhaiArchitecturalDesignandResearchInstituteCo.,Ltd,KunshanBranch,Kunshan215300,China；2.JiangsuJiangduConstructionGroupCo.,Ltd,Kunshan215300,China)

Combining with the engineering survey of No.1 building of Bailemen cultural and economic trade square in Bengbu city, the paper analyzes the difficulties for the node design of a complex high-rise transformation layer, points out the principle, measures and order for the deepened design of node, and illustrates the methods of the beam bottom reinforcement anchoring, optimization of stiffening plates, and calculation of connection loading capacity, so as to provide some reference.

high-rise building, transformation layer, beam bottom reinforcement, stiffening plate

1009-6825(2017)05-0052-04

2016-11-26

王晓征(1979- ),男，工程师； 蒯 青(1987- )，男，助理工程师

TU973

A