中铁十局集团有限公司 山东济南 251000
摘要：目前装配式建筑体系越来越多地应用到项目中，主要分为装配式混凝土结构体系、钢结构体系、混合结构（钢管混凝土柱）三种，各有优劣。钢管混凝土柱-钢筋混凝梁结构充分发挥钢材和混凝土的优点，节省钢材但也存在诸多施工难度。本文对钢管柱上开大洞周边补强、梁筋直接穿过钢柱、钢柱内浇筑混凝土的施工工艺进行总结。
关键词：钢管柱；钢筋混凝土梁；新型结构体系；施工工艺
1.工程概况
武汉儿童医院西院暨区妇幼保健院项目为EPC项目，总建筑面积110653 ㎡，其中地上建筑面积65617㎡，地下建筑面积45036㎡。项目立项以后，要求装配率达到50%以上。考虑到装配式混凝土结构体系、钢结构体系目前建造成本相对较高、预制构件运输吊装困难、装配式混凝土结构的对节点拼装精度与质量要求较高及各环节配合操作不当易产生安全隐患等问题最终采用了钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁结构体系。
项目每层148颗钢柱，地下结构截面尺寸为□600×600×22×22，地上结构截面尺寸为□600×600×20×20、□600×600×18×18、□600×600×16×16等。地下室钢柱内混凝土为C50自密实、梁板C40，地上柱内混凝土为C50~C40、梁板混凝土标号为C40~C30。
2.结构体系及试验论证
传统的钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁节点存在许多弊端：节点构造复杂，施工不便；当采用加强环、钢牛腿时，用钢量较大，柱子截面尺寸较小时内部横隔板不易焊接；采用开小洞口穿筋连接形式时，钢筋弯折不便，施工困难。本项目在梁柱节点处采用钢管柱上开大洞周边补强的形式，使钢筋混凝土梁的钢筋直接穿过钢柱，既方便施工又减少含钢量。
对这种新型的钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁的节点，与武汉大学、中信设计院进行联合实验研究，对该技术可行性进行研究，确保工程质量。2019年设计并加工6个足尺寸钢管混凝土柱—钢筋混凝土梁节点试件开展轴压试验、单调加载和低周往复加载试验。具体试验试件如下：
.png)
各试验试件形状尺寸
通过对上述6个节点试件的加载试验进行分析，得出以下结论：
（1）两种不同开孔尺寸钢管混凝土柱均发生管壁鼓曲破坏，试验屈服荷载分别为21050kN和21414kN，二者相差较近，平均为轴压荷载设计值的1.23倍，同时节点核心区部位的钢管未屈服，表明采用的核心区加强方式对该两类开孔均具有较好的效果。
（2）由钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁节点静力试验得到的屈服弯矩为设计值的1.3倍，极限弯矩为设计弯矩的1.4倍，表明试验节点设计满足规范要求；钢筋锚固端至管外测点应变呈梯度变化，故钢筋锚固较好，节点梁根部达到破坏时，钢管柱及节点核心区钢管未屈服，满足“强节点弱构件”的设计准则。
（3）由节点拟静力试验得到的滞回曲线较为饱满，平均位移延性系数为3.26，满足抗震设计要求，表明节点有良好的延性；小轴压比试件相较于大轴压比试件延性系数降低了8.2%，故轴压比对该新型开孔补强钢管混凝土梁柱节点延性的影响不显著。
根据试验结果选取最合适的补强节点形式，并确定了钢柱的壁厚、加厚区的厚度及长度。以地下室钢柱为例，钢柱壁厚22mm、钢管柱穿梁核心区长1.1m、核心区壁厚60mm。
.png)
钢管柱及梁柱节点示意图
3.施工工艺研究
3.1施工部署
综合考虑钢管柱焊缝数量及垂直运输费成本，地下室钢柱采用1层/节，地上钢柱2层/节，单节重量为4.5~5t。每层钢柱分2次浇筑，第一次仅浇筑至梁底，第二次浇柱内梁区域。
3.2施工工艺
.png)
施工工艺流程图
3.2.1钢柱加工制作
选择距离较近、产能大的钢构工厂加工制作，根据设计图纸采用Tekla软件进行深化，经设计审核合格后进行加工制作。由于2020年仅施工住院楼采用2条生产线，2021年增至4条生产线，保证产能满足现场需求。出厂前请有资质的第三方对焊缝进行100%探伤，保证出厂质量。
3.2.2预埋件安装
钢柱预埋螺栓的框架均在工厂进行加工制作，将预埋螺栓固定为一个整体。在底板钢筋绑扎完成、面筋绑扎之前，插入预埋件的埋设工作。首先找准埋件上的纵横向中心线，使其与测量定位的基准线吻合；用水准仪测出埋件四个角上螺栓顶面的标高，高度不够时在埋件下用钢筋抄平。
3.2.3钢柱现场吊装
为满足吊装需求，现场采用4台臂长60m的W7527重型塔吊。首节钢柱安装前要对预埋件进行复测，并在基础上进行放线，根据钢柱的底标高调整好螺杆上的螺帽，然后钢柱直接吊装就位。钢柱安装时需三组人员同时操作，一组移动钢柱、一组协助稳固、另一组进行监测。钢柱吊点设置在钢柱的上部，利用四个临时连接耳板作为吊点。
.png)
钢柱现场吊装示意图
3.2.4现场钢柱焊接安装
钢柱吊装到位后，钢柱的中心线应与下面一段钢柱的中心线吻合，活动双夹板平稳插入下节柱对应的安装耳板上，穿好连接螺栓，连接好临时连接夹板，并及时拉设缆风绳对钢柱进一步进行稳固，校正后进行焊接。
现场焊缝均为一级全熔透坡口焊，配备8个一级焊工，2人/组对称焊接，生产效率为2~3小时/（颗*组）。为保证焊接质量，焊接过程中设置防风棚，冬季焊接完成后采取保温措施。聘请有资质的第三方对焊缝100%超声波探伤，保证现场焊接质量；
.png)
现场钢柱焊接安装示意图
3.2.5梁筋穿柱
传统框剪结构体系梁筋绑扎前梁模板已基本施工完成，在板上方绑扎完成后将其下落至梁模中。新型钢管柱-钢筋混凝土梁体系梁筋绑扎需将一面梁侧模预留，钢筋工5人一组，4人在板下绑扎梁筋、1人在板上调整。相对来说，工效降低。以4跨32m长主梁为例，传统主梁绑扎效率为2人施工3h、钢管柱-钢筋混凝土梁体系主梁绑扎效率为5人施工6h。
.png)
梁筋穿柱现场图片
板筋在钢柱处无法通长布置，考虑板的抗裂性，于柱角部设置4根直径12的双层矩形抗裂筋。一个方向从梁筋下穿入，垂直方向在上面。
3.2.6钢管柱混凝土浇筑
地下室钢柱采用1层/节，地上钢柱2层/节。浇筑时每层分2次浇筑，第一次浇筑至梁底100mm，第二次浇筑至梁顶200mm。由于钢柱为单柱，未形成一个完整体系。考虑泵送混凝土时泵管冲击力较大，浇筑方式仅考虑从塔吊+料斗+软管施工。而白天塔吊满负荷运转，只能夜间施工钢柱混凝土。
4.质量控制要点
4.1控制现场构件偏差
钢柱洞口与梁模板存在0.5~2cm偏差，经检查钢柱施工中存在0.5~0.8cm偏差，模板施工中存在0.5~1cm偏差，偏差累计。
经过分析现场偏差产生原因主要为：预埋件与筏板固定，预埋时存在误差；由于平疫结合等原因深化图纸无法及时跟进，局部区域先施工梁板底模、后安装钢柱；钢柱与混凝土两套班组各自放线，存在误差。
现场制作马凳，将其与预埋件、筏板钢筋焊接固定；提前加工钢柱，先安装钢柱、后施工梁板底模；由项目部统一放线，原则上以钢柱轴线为准。
4.2控制钢管柱内混凝土密实
由于钢管柱内每层梁均为上下两层，柱中穿梁处钢筋数量较多，如何保证该部位混凝土密实度是混凝土浇筑的关键。
钢管柱内选用自密实混凝土，每层分两次浇筑，第一次浇筑至梁底100mm，第二次浇筑至梁顶标高。混凝土浇筑利用塔吊+料斗+软管浇筑，保证混凝土自由下落高度不超过2米，防止离析；柱内采用小型振动棒振捣，第二次浇筑柱内梁区域时控制振捣时间为10~15s；留多组钢管混凝土试块，及时监测混凝土强度。
.png)
钢管柱现场浇筑混凝土图片
4.3不同标号梁柱混凝土浇筑控制
以地下室结构为例，钢管柱内混凝土为C50自密实混凝土，梁板混凝土为C35普通混凝土。梁柱混凝土标号不一致，设计要求柱外500mm处设钢丝网。由于处在梁加密区，无法按要求设置；两种混凝土之间的钢丝网无法做到100%阻隔，很难保证柱外梁500mm范围内的混凝土强度。
.png)
设计做法
经过现场多次实践，设计钢筋网片材质整体强度较差，面对流动性较大的自密实混凝土效果不理想。与设计协商后，目前在柱外500mm处使用竖向0.4mm厚镀锌快易收口网代替钢筋网片。浇筑时采用对称两次浇筑法，先浇筑高标号柱内混凝土至梁标高1/2处，再浇筑梁内低标号混凝土至相同标高；第二次浇筑采用相同顺序。已使用完成的节点相同位置钢管柱混凝土、梁板墙混凝土强度报告均合格。
4.4钢筋绑扎控制
为尽量减小洞口尺寸，设计洞口尺寸与梁箍筋截面尺寸基本相同，上下排及侧面边筋与核心加厚区钢柱洞口直接接触。中间柱被两个垂直方向的梁穿过，后穿梁主筋位于先穿梁上方，梁筋施工难度较大。
根据试验破坏后形态以及试验数据，目前设计满足试验需求。先安装穿柱内箍筋内的主筋、内箍筋，后安装内箍筋外的主筋。梁筋绑扎采用板下从侧模方向绑扎的方法。另外，边柱钢筋锚入难度较大。钢筋混凝土梁主筋为直径25mm，弯锚长度375mm，洞口宽度为300mm。需将弯锚钢筋先行锚入钢管柱内、再进行其他部位钢筋的绑扎。
4.5钢管柱成品保护
由于钢柱与混凝土梁材质不同，钢柱与模板之间存在缝隙，混凝土浆易通过缝隙污染整个钢柱。对钢柱与模板相交处首先保证较好的紧密度，其次采取密封胶条处理缝隙。
5.结束语
该新型结构体系采用钢柱开大洞、梁筋直接穿柱、柱内浇筑混凝土的施工工艺，不仅能保证结构安全可靠、尺寸较小美观不影响建筑功能布局，又能给施工带来方便，对于装配式结构起到了推广作用。
参考文献：
[1]《钢结构现场检测技术标准》（GB/T50621-2010）
[2]《钢结构工程施工规范》（GB50755-2012）
[3]《钢管混凝土结构构造》（06SG524）
[4]《混凝土结构工程施工规范》（GB50666-2011）