型钢混凝土组合结构施工技术及应力分析柴文静 张新爱 孙 超 (保定职业技术学院，河北保定 071051) 摘 要：某工程结构类型为型钢混凝土组合结构，总建筑面积43 238 m2。针对型钢混凝土钢筋密集，型钢预埋件多且截面大，施工协调难等特点，进行深入研究；确定型钢穿孔的形式和方法，并分析节点细部做法，保证型钢与钢筋混凝土的工序衔接顺畅。通过采用有限元软件对型钢混凝土结构梁柱节点分析得出，型钢的存在使得柱身变形明显减小；混凝土的存在保证了型钢腹板不发生局部屈曲；钢筋孔周围的翼缘应力集中现象严重，应限制开孔的大小，使之不致影响整个构件的承载力。 关键词：型钢混凝土； 型钢穿孔； 有限元； 变形； 应力集中 1 概 述某工程地下3层，地上5层，建筑物主体高度29.6 m，总建筑面积43 238 m2。结构类型为型钢混凝土组合结构，主要钢构件为实腹式H型钢，十字型钢柱；柱、梁、核心筒约束边缘构件、构造边缘构件等多采用型钢混凝土。 型钢混凝土组合结构是在型钢结构外面包裹一层钢筋混凝土外壳形成的型钢混凝土组合结构。型钢混凝土可代替钢筋混凝土结构和钢结构应用于各类建筑和桥梁结构中。型钢混凝土组合结构的外包混凝土可以防止钢构件的局部屈曲并能提高钢构件的整体刚度，显著改善钢构件的平面扭转屈曲性能，使钢材的强度得到充分发挥，此外混凝土也增加了结构的耐久性和耐火性。 2 施工特点及难点分析本工程型钢混凝土结构是型钢周围布置钢筋并浇筑混凝土而成的结构。型钢与混凝土形成整体并共同受力，受力性能优于两种结构简单的叠加。与钢结构相比，型钢混凝土结构构件整体刚度强，增强了钢构件的扭转屈曲性能。该工程大量采用钢结构及型钢混凝土组合结构，其中柱为型钢混凝土结构，核心筒约束边缘构件、构造边缘构件多采用型钢混凝土组合结构，上述结构具有钢筋密集，型钢预埋件多且截面大，施工协调复杂等特点，施工难点如下。 2.1 梁-柱节点复杂 外悬挑梁、框架梁与H型钢柱交叉布置，钢筋密集，箍筋加工复杂，绑扎不便。同时由于劲性柱截面偏大使得钢筋可调节空间小，梁-柱节点钢筋穿插密集、复杂，此部位混凝土浇筑也需要重点控制。 2.2 钢筋穿孔难度大 钢筋直径的大小、钢筋根数、梁方向、梁标高位置、梁截面尺寸以及钢柱安装精度等因素均直接影响钢筋能否顺利穿过钢柱上的穿筋孔。钢筋穿过以后，受两对面穿筋孔误差以及钢筋接头连接误差的影响，须保证钢柱之间的钢筋在同一标高和同一直线上，施工难度大。如果孔定位不准或缺孔，造成钢筋无法绑扎、构件返工，将会增加材料费、人工费，而且影响施工进度。 2.3 定位及垂直度控制要求高 核心筒部位约束边缘构件、构造边缘构件中，H型钢柱最大截面规格为H800×400×22×28，最小截面规格为H500×400×20×24，H型钢柱定位及垂直度控制要求高。 2.4 型钢吊装、拼装复杂 由于本工程型钢混凝土组合结构内钢柱、钢梁构件较长、较大，钢柱最高46.8 m, 钢柱单位长度质量608.66 kg/m，钢梁最长23.2 m,钢梁单位长度质量373.41 kg/m。为了便于运输及考虑塔吊起吊重量，需将钢柱构件按每层高度尺寸进行分节，拼装难度大。 3 型钢混凝土施工3.1 型钢穿孔  图1 型钢预留穿筋孔效果 型钢穿筋孔精确定位是施工的重点和难点，钢柱穿筋孔是指钢筋在梁、柱节点处需穿过钢柱而在其上预留穿钢筋的孔洞，型钢预留穿筋孔效果如图1所示。为了保证钢筋一次性穿孔成功，钢骨柱首次安装施工应确定统一标高，安装时在环板下面加螺栓来调节标高，钢柱校正后对使钢柱底部采用等强度无收缩混凝土灌浆使钢柱底部密实，并使标高误差控制在GB 50026—2007《工程测量规范》允许范围之内。 每个钢骨柱须绘制出深化图，明确钢骨柱的穿筋孔位置，现场钢结构安装方面，采用经纬仪放出钢柱的轴线，便于钢结构安装及以后的模板校正，避免因安装误差导致钢筋无法穿入。梁筋穿筋孔以轴线、标高确定穿筋孔的位置，保证了孔位准确。把不同直径的钢筋孔位分类，绘制梁柱节点钢筋孔详图，严格依照图纸加工钢柱。保证梁筋孔位准确，均匀分布，确保梁筋间距符合GB 50026—2007要求，型钢穿筋后效果如图2所示。  图2 型钢穿筋后效果 3.2 钢筋绑扎施工 为便于型钢施工，应将劲性柱钢筋的绑扎放在型钢施工后。型钢与劲性柱主筋间采用拉钩连接。先在型钢压板上划出拉钩位置线，拉钩带拐头(长度为5倍钢筋直径)双面焊接在型钢腹板上。拉钩焊接后绑扎柱箍筋。为保证柱箍筋形状和尺寸准确，劲性柱箍筋加工时先在钢板上放出柱箍筋大样，焊接短钢筋头制作柱箍筋加工胎具。 劲性混凝土柱内型钢与梁、墙、板的纵向钢筋相交时，相互穿插复杂，同时此处也是结构的重要位置，故需严格按设计和JGJ 138—2016《组合结构设计规范》要求精心施工。梁纵筋与劲性混凝土柱内的型钢正交时，可在型钢上现场开孔，严格保证开孔直径只大于钢筋直径2 mm。梁主筋穿过型钢后，重新焊接穿筋孔并封闭孔洞，焊接时不伤害梁主筋，以保证梁、柱受力不削弱。焊接时在钢筋坡口下面用铜片做成瓦片状，兜住焊接钢筋，靠紧型钢腹板施焊，防止焊水遗漏，确保等强焊接。加劲混凝土梁钢筋较密且内包工字钢，穿筋孔须定位准确，以保证梁筋的顺利绑扎。 3.3 节点做法 在梁柱节点部位，柱的箍筋需从型钢梁腹板上已留好的孔中穿过，由于整根箍筋无法穿过，只能将箍筋分段，再用电弧焊焊接。因为节点处受力较复杂，不宜将箍筋焊在梁的腹板上。为使梁柱接头处的交叉钢筋贯通并互不干扰，加工柱的型钢骨架时，在型钢腹板上预留穿钢筋的孔洞，而且要相互错开。预留孔洞的孔径，既要便于穿钢筋，又不能过多削弱型钢腹板，预留孔洞的孔径较钢筋直径大6 mm。箍筋穿型钢腹板及牛腿腹板时,应预先在工厂采用相应的机床或专用设备制孔,严禁现场氧气切割开孔。 由于型钢柱在地下2层顶板、地下1层顶板部位有钢牛腿，±0.000 m以上各层顶板部位钢梁梁端，型钢截面尺寸大于型钢柱的箍筋尺寸，使箍筋无法顺利套在型钢柱上。为方便施工操作，在型钢柱焊接完成而牛腿或钢梁梁端未焊接施工前，将每层型钢柱之间所需的箍筋提前套在型钢柱上，再焊接牛腿或钢梁梁端。混凝土梁与型钢混凝土柱连接时，钢筋遇型钢腹板时，在腹板上穿孔而过；钢筋遇型钢翼缘板时，钢筋焊接在翼缘牛腿上。混凝土中柱与型钢梁连接形式如图3所示。  a—SRC中柱与RC梁连接示意(A型，用于XGZ1—XGZ3，XGZ5)；b—SRC中柱与RC梁连接示意(B型，用于XGZ4)；c—SRC中柱与RC梁连接示意(B型，用于XGZ1—XGZ3)。 混凝土边柱与型钢梁连接形式如图4所示。  a—SRC边柱与RC梁连接示意(A型，用于XGZ1、XGZ5)；b—SRC边柱与RC梁连接示意(B型，用于XGZ4)。 混凝土梁与墙内型钢连接时，或与牛腿焊接，或穿过型钢腹板，如图5所示。 柱箍筋遇钢柱腹板打孔穿过并搭接焊成封闭箍，遇钢梁腹板处采用搭接焊，其他均采用搭接连接方式。箍筋上、下焊接位置宜错开，并注意焊接位置避开主筋，以免伤及主筋。箍筋主要形式如图6所示。 4 梁柱节点有限元分析根据对称性原理，取偏压试件的1/4进行建模，采用非线性有限元软件ABAQUS进行分析计算。柱采用型钢混凝土柱，梁为普通钢筋混凝土梁。型钢翼缘开孔，梁内纵向钢筋穿过节点。节点的柱截断位置选择在反弯点处，故可以用铰接模拟柱的边界条件。模拟荷载为集中单调荷载，加在梁悬臂截断处。 4.1 整体变形 节点模型是按实际工程制作的“强节点弱构件”设计的，开裂和破坏都集中在梁端，最终梁端出现塑性铰，并表现出很好的延性。图7为节点在接近承载力极限状态时的整体变形。破坏时梁端出现塑性铰，可以看出试件梁端产生明显的竖向变形。柱身在正弯矩区段有明显的弯曲变形，型钢也随柱身产生变形，通过对比分析，由于型钢的存在，柱身变形明显减小。  a—混凝土墙(含构造型钢)与RC梁连接示意(A型)；b—混凝土墙(含构造型钢)与RC梁连接示意(B型)；c—混凝土墙(含构造型钢)与RC梁连接示意(C型)。  a—箍筋类型A；b—箍筋类型A-1；c—箍筋类型B;d—箍筋类型B-1。  图7 整体变形 mm 4.2 型钢腹板应力分析 在型钢混凝土节点中，钢骨承担着部分轴力，剪力和弯矩，由于钢骨腹板的抗侧刚度比其翼缘大很多，节点核心区钢骨承担的剪力主要由腹板承担。在节点达到极限状态以前，由于有混凝土的存在，能保证型钢腹板不发生局部屈曲。图8为在极限状态下型钢腹板的应力。可以分析得出，在核心区，型钢已经屈服。 4.3 型钢翼缘受力分析 型钢翼缘应力如图9所示，截面内正应力如图10所示，可以看出，与远离开孔的位置相比，开孔位置较早进入屈服阶段，而且没有达到材料屈服值时，图11为在极限状态下型钢翼缘的应力，可见孔边应力集中现象严重。构件承载力就已经丧失。通过计算应力集中系数，可以得出，由于截面受开孔的影响，孔周围的翼缘产生应力集中现象严重，所以应限制开孔的大小，使之不致影响整个构件的承载力。  图8 型钢腹板应力 MPa  图9 型钢翼缘应力-加载曲线
 图10 型钢翼缘正应力-加载曲线  图11 型钢翼缘应力 MPa 5 质量控制箍筋穿型钢腹板及牛腿腹板时,应预先在工厂采用相应的机床或专用设备制孔,严禁现场氧气切割开孔。如开孔的大小和位置不合适时，需征得设计单位同意后，再用电钻补孔或用绞刀扩孔，不得用气割开孔。钢骨柱柱身竖向钢筋接头连接的施工一定要在钢柱安装后进行，待钢骨柱安装完成后，再进行柱身竖向钢筋及箍筋的绑扎。为防止钢骨柱在混凝土浇筑时发生较大的偏差，应将高强螺栓全部终拧，节点焊接完成。安装楼层压型钢板时，应先在梁上画出压型钢板铺设的位置线。铺设时相邻两排压型钢板的端头波形槽口要对正，使混凝土现浇叠合层的钢筋能顺利通过。 剪力墙部分脚部因设有H型钢柱且钢筋密集，在剪力墙混凝土无法流入，布料机无法浇筑时，可以采用人工接料，用铁铲铲入，避免该部位出现空洞。混凝土浇筑过程中，不可随意挪动钢筋，应随时复查钢筋的位置并安排钢筋工人进行调整，以保证钢筋位置的精确。应经常检查钢筋的混凝土保护层厚度和所有预埋件的牢固程度及位置的准确性。 混凝土的振捣自上向下采用插入式振动器振捣，振捣深度为插入被覆盖混凝土50 mm,为确保混凝土振捣密实，振动应做到快插慢拔，以免混凝土里面产生气泡或空隙，插棒间距为20 mm,采用排列式振捣方法，以混凝土表面泛浆、无气泡产生为准。拆除后的墙体必须进行浇水养护，待强度达4.0 MPa后才可以加载施工。 6 结 论通过对型钢混凝土组合结构施工技术及应力分析，得出以下结论： 1)钢骨柱首次安装施工应确定统一标高，安装时在环板下面加螺栓来调节标高，钢柱校正后，在钢柱底部采用等强度无收缩混凝土灌浆使钢柱底部密实，并将标高误差控制在GB 50026—2007允许范围之内，提高钢筋一次性穿孔成功率。 2)混凝土梁与型钢混凝土柱连接时，钢筋遇型钢腹板时，在腹板上穿孔而过；钢筋遇型钢翼缘板时，钢筋焊接在翼缘牛腿上；柱箍筋遇钢柱腹板打孔穿过并搭接焊成封闭箍，遇钢梁腹板处采用搭接焊，提高钢筋的施工效率。 3)型钢混凝土柱身在正弯矩区段有明显的弯曲变形，型钢也随柱身产生变形，由于型钢的存在，柱身变形明显减小。 4)钢筋孔周围的翼缘产生应力集中现象严重，应限制开孔的大小，使之不致影响整个构件的承载力。 参考文献： [1] 张坤,张红亚.型钢混凝土梁式转换层的设置位置对结构抗震性能的影响[J].钢结构，2014,30(8):39-43. [2] 黄频,何益斌,肖阿林.型钢混凝土节点抗剪承载力的可靠度分析[J].钢结构，2007,23(10):31-33. [3] 李殿平,刘颖.单向偏心压弯外包型钢混凝土柱的有限元分析[J].钢结构，2012,28(12):26-29. [4] 薛建阳,刘祖强,赵鸿铁,等.型钢混凝土异形柱结构受力性能研究的发展现状[J].工业建筑，2014,44(3):139-151. [5] 梁书亭,朱筱俊,张根俞.型钢混凝土复合受力构件受扭性能的试验研究[J].工业建筑，2010,40(11):136-140. [6] 华建民,谢飞飞.高层型钢混凝土框架-核心筒结构施工期竖向变形实测研究[J].工业建筑，2011,41(10):86-89. [7] 杨勇,郭子雄,聂建国,等.型钢混凝土结构ANSYS数值模拟技术研究[J].工程力学，2013,50(7):87-93. [8] 梁威,王昊.我国型钢混凝土梁柱节点构造综述[J].结构工程师，2007,34(8):102-108. [9] 王继武.型钢混凝土框架梁柱节点受力性能有限元分析[D].重庆：重庆交通大学，2009:89-95. [10] 陈丽华,李爱群,赵玲.型钢混凝土梁柱节点的研究现状[J].工业建筑，2005,35(1):58-60. [11] 李大鹏.钢骨混凝土梁柱节点的试验研究与理论分析[D].沈阳：沈阳建筑大学，2013:53-59. [12] 陈茜.钢梁-钢筋混凝土柱框架节点的受力性能及ANSYS有限元分析[D].西安：西安建筑科技大学，2009:40-55. [13] 梁威.型钢混凝土梁柱节点构造方法的试验研究[D].上海：同济大学，2007:22-43. [14] 张士前,陈宗平,王妮,等.型钢混凝土十形柱空间节点受剪机理及抗剪强度研究[J].土木工程学报，2014,28(9):92-101. [15] 朱合华,缪圆冰,梁伟,等.组合结构有限元计算存在的问题和处理方法[J].岩土力学，2005,54(9):92-97. [16] 丁洁民,巢斯,吴宏磊,等.组合结构构件在上海中心大厦中的应用与研究[J].建筑结构，2011,48(12):66-72. [17] 申红侠.钢梁-钢筋混凝土柱组合结构研究的进展[J].建筑钢结构进展，2006,20(6):10-18. [18] 田占岭.型钢混凝土组合结构施工技术[D].西安：西安建筑科技大学，2008:23-48. [19] 聂建国,陶慕轩,黄远,等.钢-混凝土组合结构体系研究新进展[J].建筑结构学报，2010,31(6):71-80. [20] JGJ 138—2001 型钢混凝土组合结构技术规程[S]. 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：柴文静，女，1980年出生，硕士研究生，讲师。 Email:chaiwenjing80@sohu.com 收稿日期：2016-10-28 DOI：10.13206/j.gjg201704021 |
|
|
