型钢混凝土结构的设计与施工要点

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  【摘要】建筑结构设计与施工技术,这些年得到了迅猛发展。尤其是型钢混凝土组合结构在大跨度建筑物、高层建筑物的建筑中使用中,型钢混凝土组合结构比普通钢结构、普通钢筋混凝土结构体现出其独特的性能。本文就是基于型钢混凝土SRC组合结构的设计与施工要点进行探讨和研究。
  
  【关键词】型钢混凝土SRC、构件制作、高层建筑
  [Abstract] building structure design and construction technology, these years has been the rapid development. Especially the use of construction steel and concrete composite structure in large span buildings, high-rise buildings, steel concrete composite structure than ordinary steel structure, reinforced concrete structure reflects its unique performance. This paper is the design and construction of steel reinforced concrete composite structures based on SRC are discussed and studied.
  [keyword] steel reinforced concrete SRC, component fabrication, high-rise buildings
  中图分类号:TU71文献标识码:A
  一、概述
  所谓型钢混凝土组合结构是指在型钢构件外侧加上一层钢筋混凝土外壳,采用这样的构件作为建筑物的主要受力骨架,形成型钢混凝土的结构物。之前我们也将型钢混凝土的构件称为劲钢混凝土构件。型钢混凝土组合构件中不但要配置型钢,还要配置传统的纵向钢筋和箍筋,外部浇筑混凝土。通常,型钢混凝土组合构件,按里面的型钢特点划分为两类,即实腹式和空腹式。这两类型钢各有优缺点,空腹式型钢制作工艺比较复杂,但是省钢材;实腹式型钢不但制作工艺简便,而且承载负荷能力也比较大。
  
  二、型钢混凝土组合结构的优点
  (一)型钢混凝土组合结构与钢结构相比,具有以下优点:
  1、耐久性、耐火性均优于钢结构,型钢外包的混凝土,可取代刚结构所涂的防锈和防火涂料,混凝土蓄热能力强,耐久性能好。
  2、节约钢材,可节省钢材50%甚至更多。
  3、兼做摸板支架,在混凝土尚未浇注前已形成钢架,具有承载力,可用作摸板支架和操作平台。
  (二)型钢混凝土组合结构与钢筋混凝土结构相比,具有以下优点:
  1、整体工作性能好,型钢骨架与外包混凝土形成整体,共同受力。
  2、承载力高,截面小,钢筋混凝土构件受配筋率的限制,提高承载力的途径只能是加大截面尺寸,而组合结构可以设置较大的型钢,提高构件承载力,更能满足高层及超高层建筑设计的需要。
  3、型钢混凝土组合结构施工进度快,工期短。
  4、构件的延性好,抗震性能更优越,由于构件中型钢的作用,组合结构的延性远大于钢筋混凝土结构。
  
  三、型钢混凝土的材料性能及一般构造
  1、型钢
  型钢混凝土构件中的型钢,选材宜采用牌号Q235-B/C/D级的碳素结构钢,Q345-B/C/D/E级或Q390--B/C/D/E级低合金高强度结构钢,其质量标准应分别符合现行的国《碳素结构钢》和《低合金高强度结构钢》的标准。钢材性能要求应满足抗拉强度、伸长率、屈服点、硫磷含量、冷弯实验、冲击韧性合格要求。
  若用于地震区,应具有良好的延性,钢材极限抗拉强度和屈服强度不能太接近,其强屈比不应小于1.2,且应有明显的区服台阶和良好的可焊性。
  钢板不宜过薄,以利于焊接和满足局部稳定要求,厚度不宜小于6mm。当焊接型钢钢板的厚度大于或等于40mm时,并承受沿板厚放线的拉力(撕裂作用)时,应按《厚度方向性能钢板》的规定,考虑其附加厚度方向的断面收缩率,并不得小于该标准中Z15级规定的允许值。
  由于型钢受混凝土和箍筋的约束,不易发生局部压屈,因此,钢板的宽厚比可大致比纯钢结构放松1.5~1.7倍,其宽厚比应满足表1的要求:
  表1型钢钢板宽厚比的上限值
  
  
  满足宽厚比限值时,可不进行局部稳定验算。在型钢混凝土组合结构构件中,采用作为抗剪连接件的栓钉,不得采用短钢筋代替。
  2、钢筋和混凝土
  型钢混凝土组合结构中的纵向钢筋和箍筋宜采用延性较好的热轧钢筋,其纵向受力钢筋直径不宜小于16mm,纵筋与型鋼间的净距,对梁不小于30mm,对柱不小于50mm,且不小于粗骨料最大粒径以及钢筋最大直径的1.5倍。其他构造要求应满足现行《混凝土结构设计规范》要求。
  为了充分发挥型钢混凝土组合结构中型钢的作用,混凝土强度等级不宜小于C30。为便于混凝土的浇筑,规定混凝土最大骨料直径小于型钢外侧混凝土保护层厚度的1/3,且不宜大于25mm。
  3、混凝土保护层厚度
  型钢混凝土构件中对钢筋的混凝土保护层厚度要求与钢筋混凝土结构相同,对型钢也有一定的混凝土保护层厚度的要求,这是为了防止型钢发生局部压屈变形,保证型钢、钢筋混凝土相互粘结而整体工作,也是为了提高型钢混凝土结构的耐火性和耐久性。
  4、螺栓
  型钢混凝土结构中采用高强度螺栓应符合《钢结构用高强度大六角头螺栓》《钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副》的规定。
  5、圆柱头焊钉(栓钉)
  应符合《圆柱头焊钉》标准的规定,栓钉的力学性能应符合下表规定:
  表2栓钉力学性能表(N/mm2)
  
  
  6、焊条和焊剂
  手工焊接用焊条应符合《碳素焊条》或《低合金钢焊条》规定。选用的焊条型号应与主体钢构件母材的金属力学性能相适应。对直接承受动力荷载或振动荷载切要验算疲劳的结构,宜采用低氢焊条。
  自动焊半自动埋弧焊采用的焊丝和相应的焊剂,应与主体金属母材力学性能相适应,焊丝应符合《焊接用钢丝》现行标准。
  
  四、型钢混凝土结构构造
  1、型钢混凝土构件
  型钢混凝土构件是采用型钢配以纵向钢筋和箍筋浇筑混凝土而成,其基本构件有型钢混凝土组合梁,以及型钢混凝土组合柱。型钢混凝土构件中的型钢分为实腹式和空腹式两类,实腹式型钢由轧制的型钢或钢板焊成,空腹式型钢由缀板或缀条连接角钢或槽钢组成。实腹式型钢制作简便,承载能力大,空腹式型钢节省材料,但制作费用高。
  2、型钢混凝土梁
  型钢混凝土梁中的型钢宜采用工字型轧制型钢或工字型焊接型钢。截面宽度不宜小于300mm,截面的高宽比不宜大于4。纵向受拉钢筋不宜超过二排,其配筋率不宜小于0.3%,直径宜取16-25mm。腹板高度大雨450mm时,在梁的两侧沿高度方向设置纵向构造钢筋。纵向构造钢筋的间距,对于一级抗震,不宜大于200mm;对于二、三级抗震,不宜大于250mm;对于四级抗震和非抗震结构,不宜大于300mm。
  3、型钢混凝土柱
  型钢混凝土柱中型钢截面可采用H形轧制型钢或H形、十字型、箱形焊接型钢。箱形焊接型钢用于型钢混凝土柱时,箱形截面尺寸不宜大雨型钢截面柱截面尺寸的一半。与型钢混凝土柱相连的框架梁可采用钢梁、钢筋混凝土梁、型钢混凝土梁。柱中型钢宜按对称配置设计。
  4、梁柱节点构造
  节点设置基本要求:内力传递明确,不产生局部应力集中现象,主筋布置不妨碍浇筑混凝土,型钢焊接方便。型钢混凝土柱与梁的节点,柱内型钢宜采用贯通型。柱内型钢与梁内型钢或钢梁连接一般应采用刚性连接,且梁内翼缘与柱内型钢翼缘应采用摩擦型高强度螺栓连接,连接承载力应满足型钢传力的要求。
  梁柱节点处柱的主筋一般在柱角上,这样可以避免穿过型钢梁的翼缘。但柱的箍筋要穿过型钢梁的腹板,也可将柱的箍筋焊在型钢梁上。节点设计时,尽量避免在型钢翼缘穿孔,当必须在型钢腹板上预留贯穿孔时,型钢腹板截面损失率宜小于腹板面积的25%。梁主筋一般要穿过型钢柱腹板,如果穿孔削弱了型钢柱的强度,应采取补强措施。
  
  图1十字型钢混凝土柱与钢筋混凝土梁和型钢混凝土梁的连接节点
  
  5、柱脚节点构造
  柱脚分为埋入式柱脚和非埋入式柱脚。抗震设防的结构宜有先采用埋入式柱脚。当有地下室时,抗震设防的结构在地下室底部可采用非埋入式柱脚。
  埋入式柱脚,型钢柱伸入基础内部,若型钢埋入足够深度,则地脚螺栓及底板均无需计算。非埋入式柱脚,型钢柱下端设钢底板,利用地脚螺栓将钢底板锚固,柱内的纵向钢筋与基础内伸出的插筋相连接。
  钢柱脚底板的厚度不宜小于钢柱的较厚板件厚度,且不小于30mm,锚栓直径一般为20-42mm,不宜小于20mm。柱脚底板的锚栓孔径,宜取锚栓直径加5-10mm,锚栓垫板的锚栓孔径取锚栓直径加2mm。锚栓垫板的厚度一般为0.4-0.5d(d为锚栓外径),但不宜小于20mm。柱安装校正完毕后,应将锚栓垫板与底板焊牢,锚栓应采用双螺母紧固。
  6、保护层型钢混凝土构件混凝土保护层厚度,取决于耐火极限、钢筋锈蚀、型钢压曲及钢筋与混凝土的粘结力等因素。从耐火极限方面看,梁和柱中的型钢要求2h的耐火极限时,保护层厚度应为5cm;要求3h的耐火极限时,保护层厚度应为6cm;墙壁中的型钢要求2h耐火极限时,保护层厚度应为3cm。梁和柱中的钢筋,要求2h耐火极限时,保护层厚度应为3cm;要求3h耐火极限时,保护层厚度为4cm。型钢的保护层厚度不得小于5cm,但确定保护层厚度时,还要考虑施工的可能性及便于浇筑混凝土。
  7、剪力连接件
  型钢与混凝土之间的粘结应力只有圆钢与混凝土粘结应力的二分之一,因此为了保证混凝土与型钢共同工作,有时要设置剪力连接件,常用的为圆柱头焊钉。一般只在型钢截面有重大变化处才需要设置剪力连接件。
  
  五、型钢混凝土结构施工
  1、型钢混凝土结构节点的施工流程
  型钢混凝土梁柱连接节点的施工流程为:构件进场验收→焊接安全设施→安装缆风绳→型钢柱吊装→安装周围钢柱、钢梁形成稳定框架→测量校正(监理旁站)→高强度螺栓初拧、终拧(监理旁站)→梁柱节点焊接→焊缝探伤检测(监理旁站)→临时固定耳板割除→柱纵筋对接→套设柱箍筋→梁纵筋穿孔、焊接→套设梁箍筋→梁柱钢筋骨架绑扎→梁柱支模→浇筑混凝土→混凝土养护→拆模。
  2、型钢骨架的安装
  安装型钢混凝土柱中的型钢骨架时,首先固定型钢柱上下连接处的临时连接螺栓,观测纠正其垂直偏差,进行焊接。梁的型钢骨架安装前再次对型钢骨架进行垂直度的观测和纠正,为防骨架垂直偏差随着层高的递增而出现积累超过允许范围的情况,除力求柱子型钢下部校正准确外,还应将上部安装垂直中心线进行校对。
  3、钢筋骨架的安装
  梁柱接头处交叉钢筋应尽可能贯通且互不干扰,加工柱的型钢骨架时,型钢腹板上预留穿筋孔洞,且相互错开。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,一般预留孔洞的孔径较钢筋直径大4~6mm为宜。由于浇筑混凝土时有部分空气不易排出,或者因为梁的型钢翼缘过宽妨碍浇筑混凝土,需预留排气孔洞和混凝土浇筑孔。
  型钢混凝土结构的钢筋绑扎与钢混结构中的绑扎基本相同,但也有其特点,由于柱纵筋不能穿过梁翼缘,因此柱的纵向钢筋只能设在柱截面的四角或无梁的部位。梁柱节点部位,柱箍筋在型钢梁腹板上预留孔洞内穿过,由于整根箍筋无法一次穿過,只能将箍筋分段切割穿越后再采用手工电弧焊进行焊接,不宜将箍筋直接焊于梁的腹板上。如腹板上开孔大小和位置不合适时,在征得设计单位的同意后,可采用电钻补孔或绞刀扩孔的方式,但不得采用气割开孔。
  4、模板与混凝土浇筑
  型钢混凝土结构与普通钢混结构的区别,在于构件中具有型钢骨架,在混凝土尚未硬化之前,型钢的骨架可作为建筑体的受力骨架来承受施工荷载,因此,施工阶段,可借助这个特点,合理选择模板材料和支模的方式。
  高层和超高层建筑现浇型钢混凝土结构的施工过程,其经济效益较显着的发生在模板体系的建立上,例如:采用无支撑模板体系、升梁提(滑)模体系和外挂脚手升降体系等。上海金茂大厦型钢混凝土结构的滑模施工、重庆民族饭店的升梁提模工艺等,都是利用型钢骨架的承重能力为施工创造有利的条件。
  型钢混凝土结构的混凝土浇筑,应符合现行的《混凝土结构工程施工质量验收规范》规定。梁柱节点处以及梁型钢翼缘下部等处,混凝土不易充分填满,必须仔细进行浇筑和捣实。型钢混凝土结构外包的钢筋混凝土外壳,能满足受力和耐火的双重需要,浇筑时应确保其密实度和防止混凝土开裂。
  
  六、结语
  型钢混凝土组合结构是钢-混凝土组合结构中的一种主要类型,由内部型钢骨架和外包钢筋混凝土组合形成结构,与钢筋混凝土结构比较,具有承载能力强,结构延性和韧性好的优点,应用范围更广,适用于层数更多的高层和超高层建筑。与钢结构比较,又具有节约钢材,耐火性和耐久性好的优点,两种材料的结合,能充分地利用材料性能,取长补短降低造价。从发展趋势看,型钢混凝土组合结构将与钢筋混凝土结构、钢结构、钢管混凝土结构并列为高层建筑的四大主要结构类型。
  
  参考文献
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