陳志彬

(福建省第五建筑工程公司　福建泉州　362000)

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裝配式約束混凝土柱—蜂窩鋼梁組合結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用

陳志彬

(福建省第五建筑工程公司福建泉州362000)

裝配式約束混凝土柱-蜂窩鋼梁組合結(jié)構(gòu)，亦稱輕型節(jié)能RCS組合結(jié)構(gòu)，是一套新型裝配式鋼梁—混凝土柱結(jié)構(gòu)體系。該組合結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了高強(qiáng)材料優(yōu)勢(shì)，改進(jìn)了裝配整體式構(gòu)造，節(jié)省用鋼量，減輕自重，既降低工程造價(jià)，又較其他類型建筑增加使用面積，而且提升了房屋建造業(yè)集成化程度，較純鋼結(jié)構(gòu)和純混凝土結(jié)構(gòu)，更適用于大跨度的寫字樓、辦公樓及廠房建造。文章詳細(xì)分析了裝配式密置復(fù)合連續(xù)螺旋箍筋約束高強(qiáng)混凝土柱工形截面焊接六邊形孔蜂窩鋼梁組合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能和設(shè)計(jì)構(gòu)造，并論述其施工技術(shù)要點(diǎn)，展望該結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用前景。

工形截面焊接六邊形孔蜂窩鋼梁；組合結(jié)構(gòu)；研究；應(yīng)用

0　引言

在保證結(jié)構(gòu)安全、性能可靠的前提下，實(shí)現(xiàn)“節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材和環(huán)境保護(hù)‘四節(jié)一環(huán)?！?，克服傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)存在的不足，減少材料用量、減輕自重、增加套內(nèi)使用面積，推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展，是今后土木建筑技術(shù)科學(xué)發(fā)展的一大趨勢(shì)?；诖?，福建省第五建筑工程公司與華僑大學(xué)等單位開(kāi)展有效的“產(chǎn)、學(xué)、研”協(xié)作，通過(guò)多年的試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐，研發(fā)出一套新型裝配式鋼梁-混凝土柱結(jié)構(gòu)體系，暨裝配式約束混凝土柱-蜂窩鋼梁組合結(jié)構(gòu)體系。

1　裝配式約束混凝土柱-蜂窩鋼梁組合結(jié)構(gòu)創(chuàng)新性

裝配式約束混凝土柱-蜂窩鋼梁組合結(jié)構(gòu)體系，亦稱輕型節(jié)能RCS組合結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。該結(jié)構(gòu)體系主要包括如下內(nèi)容：密置復(fù)合連續(xù)高強(qiáng)螺旋箍筋約束高強(qiáng)混凝土柱(為加快施工速度，實(shí)現(xiàn)制作工廠化和施工機(jī)械化，一般使用裝配式柱)、焊接六邊形孔蜂窩鋼梁和樓面(空心樓板或壓型鋼板樓板、鋼筋樓承板樓板、普通混凝土樓板等)。

與傳統(tǒng)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)或裝配式鋼結(jié)構(gòu)相比，本結(jié)構(gòu)體系具有如下特點(diǎn)及創(chuàng)新性：

(1)使用高強(qiáng)材料，密置復(fù)合連續(xù)螺旋箍筋約束高強(qiáng)混凝土柱采用C55級(jí)以上混凝土、HRB500級(jí)(俗稱四級(jí)鋼)螺旋箍筋，充分發(fā)揮高強(qiáng)材料優(yōu)勢(shì)。

(2)研發(fā)關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)，創(chuàng)新裝配整體式結(jié)構(gòu)；改進(jìn)裝配整體式構(gòu)造，優(yōu)化結(jié)構(gòu)部品，減輕自重。

(3)與純鋼、純混凝土裝配式結(jié)構(gòu)體系比較，裝配式約束混凝土柱-蜂窩鋼梁組合結(jié)構(gòu)具有顯著的優(yōu)勢(shì)和亮點(diǎn)，各類裝配式結(jié)構(gòu)體系比較詳見(jiàn)表1。

表1　各類裝配式結(jié)構(gòu)體系優(yōu)、缺點(diǎn)比較表

2　裝配式約束混凝土柱-蜂窩鋼梁組合結(jié)構(gòu)主要構(gòu)配件及其拼裝

2.1主要構(gòu)配件

(1)密置復(fù)合連續(xù)螺旋箍筋約束高強(qiáng)混凝土柱，指采用密置連續(xù)復(fù)合螺旋箍筋對(duì)高強(qiáng)混凝土形成有效徑向約束，并滿足箍筋配箍特征值和構(gòu)造要求的鋼筋混凝土柱。上、下混凝土柱端部的縱向鋼筋鋼筋套筒灌漿連接；上、下柱錨接處留置水泥基灌漿料的灌注空間，灌注空間四側(cè)圍設(shè)配有灌注孔的鋼板箍[1]，經(jīng)灌注孔向鋼板箍?jī)?nèi)加壓灌注高強(qiáng)無(wú)收縮灌漿料，將上、下柱連接形成整體，最后灌漿料灌注孔采用小塊等厚鋼板焊接封堵。

(2)工形截面焊接六邊形孔蜂窩鋼梁，指整根H型鋼根據(jù)圖2-a中腹板上的剖分線切割為AB和DC上下兩部分后，將下部的DC段作180°水平翻轉(zhuǎn)；翻轉(zhuǎn)后的CD段和上部的AB段拼接滿焊焊接，見(jiàn)圖2-b，同時(shí)補(bǔ)焊圖2-b中陰影部位H型鋼腹板；將原h(huán)1高的H型鋼，制成h2高的工形截面焊接六邊形孔蜂窩鋼梁。

2.2構(gòu)配件拼裝技術(shù)要點(diǎn)

(1)梁與柱連接?？蚣茕摿翰淮┻^(guò)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，通過(guò)鋼梁端部鋼板端板，焊接緊貼于梁柱節(jié)點(diǎn)鋼板箍；節(jié)點(diǎn)鋼板箍水平雙向鎖接高強(qiáng)長(zhǎng)桿螺栓，擰緊雙螺帽施加預(yù)應(yīng)力[2]。

(2)主、次梁連接。節(jié)點(diǎn)宜設(shè)在內(nèi)力較小的位置，采用剛性連接節(jié)點(diǎn)，連接構(gòu)造可選用如下形式：a.翼緣和腹板均采用完全焊透的坡口對(duì)接焊縫連接；b.翼緣采用完全焊透的坡口對(duì)接焊縫連接，腹板采用摩擦型高強(qiáng)螺栓連接，梁腹板的對(duì)接連接板宜兩側(cè)成對(duì)配置雙剪連接。

(3)樓面與梁柱端板螺栓節(jié)點(diǎn)、主次梁，通過(guò)栓釘可靠固定。

2.3技術(shù)特點(diǎn)

(1)密置復(fù)合連續(xù)螺旋箍筋約束高強(qiáng)混凝土柱，采用連續(xù)復(fù)合螺旋箍筋，有效約束混凝土，正截面承載力和變形性能大大優(yōu)于普通箍筋混凝土柱[3]。

(2)六邊形孔蜂窩鋼梁自重輕，抗彎剛度大，腹板六邊形孔便于敷設(shè)管道和電纜，跨度較大、剪力較小時(shí)不失為一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用型樓蓋梁。

(3)上、下柱組合鏈接接頭，接頭端部鋼板箍約束有力，大大提高抗剪強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)剪弱彎”原則[4]，抗震性能顯著。

(4)梁柱端板螺栓節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)鋼板箍和螺旋箍筋有效約束節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土，形成剛連接，實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)造” 原則[1]，抗震性能優(yōu)越。

2.4施工優(yōu)勢(shì)

(1)可提供較大的空間，布置分割靈活，建筑系數(shù)達(dá)85%，較其他類型建筑可增加使用面積約10%，自重約為磚混結(jié)構(gòu)的1/2，地基處理可大為簡(jiǎn)化，從而降低了工程造價(jià)。

(2)蜂窩鋼梁、約束高強(qiáng)混凝土柱和梁柱端板螺栓節(jié)點(diǎn)均工廠化制作，大面積推廣使用時(shí)，蜂窩鋼梁有望煉鋼廠一次成型鍛制，各構(gòu)配件使用的鋼材均為可循環(huán)利用、可再生環(huán)保材料，且用鋼量可控制在50kg/m2以下，用鋼量較省。

(3)構(gòu)件自重輕，可實(shí)現(xiàn)建筑構(gòu)配件工廠化、施工作業(yè)機(jī)械化，提升房屋建造專業(yè)化、集成化程度。

3　上、下柱鏈接

3.1上、下柱接頭

接頭縱向主筋應(yīng)采用鋼筋套筒灌漿連接，端部應(yīng)采用外包鋼板箍連接，組合鏈接上、下柱。理論上講，柱接頭最佳位置應(yīng)避開(kāi)柱底塑性鉸區(qū)，并盡可能靠近反彎點(diǎn)，考慮施工方便和安裝時(shí)的臨時(shí)固定，并結(jié)合預(yù)制節(jié)點(diǎn)的受力特點(diǎn)，柱接頭位置可考慮距離柱底0.5m，這既避開(kāi)了受力最大點(diǎn)，也可兼顧安裝施工的方便。

3.2柱底設(shè)置抗剪凹槽

預(yù)制柱底應(yīng)設(shè)置抗剪凹槽，抗剪凹槽構(gòu)造做法見(jiàn)圖3。柱底接縫宜設(shè)置為45°斜縫，或?yàn)樗娇p；縫高宜15mm，采用水泥基灌漿料灌實(shí)。

3.3鋼筋套筒灌漿連接和外包鋼板箍連接的組合鏈接

構(gòu)造應(yīng)符合下列要求:

(1)鋼板箍壁厚不應(yīng)小于4mm。

(2)柱接頭兩端鋼筋，應(yīng)采用金屬鋼筋套筒灌漿連接。

(3)外包鋼板箍作為上、下柱節(jié)點(diǎn)端部外模，應(yīng)與預(yù)制柱混凝土澆筑同時(shí)成型；上、下柱連接節(jié)點(diǎn)外包鋼板箍應(yīng)與該節(jié)點(diǎn)接縫處外包鋼板箍焊接形成一體，并預(yù)留澆筑灌漿料的槽孔、灌漿孔。

(4)外包鋼板箍高度不應(yīng)小于L(L為該處縱向受力鋼筋搭接長(zhǎng)度)+500mm。

4　梁柱端板螺栓節(jié)點(diǎn)安裝

(1)柱節(jié)點(diǎn)端板長(zhǎng)桿螺栓連接節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)稱端板螺栓節(jié)點(diǎn)，屬于混凝土鋼板箍加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)。本構(gòu)造節(jié)點(diǎn)柱貫通，鋼梁不進(jìn)入節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，鋼梁翼緣和腹板均在柱外表面斷開(kāi)，通過(guò)設(shè)置節(jié)點(diǎn)鋼板箍、端板、加勁肋、預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)桿螺栓等構(gòu)造實(shí)現(xiàn)梁柱連接，見(jiàn)圖4。梁端彎矩通過(guò)高強(qiáng)長(zhǎng)桿螺栓傳遞，梁端通過(guò)壓摩擦抗剪，節(jié)點(diǎn)受剪承載力主要包括混凝土部分、節(jié)點(diǎn)鋼板箍部分、箍筋部分[4]。本節(jié)點(diǎn)承載力超過(guò)連接的梁、柱，并且具有足夠的延性。

(2)節(jié)點(diǎn)鋼板箍豎向高度不應(yīng)小于鋼梁截面高度，節(jié)點(diǎn)鋼板箍外表面宜與柱外表面平齊，一級(jí)、二級(jí)和三、四級(jí)抗震等級(jí)節(jié)點(diǎn)鋼板箍厚度不應(yīng)小于1/100、1/140和1/180柱長(zhǎng)邊寬度，且不應(yīng)小于3mm。

(3)節(jié)點(diǎn)鋼板箍?jī)?nèi)表面應(yīng)焊接水平條形鋼板，條形鋼板厚度、寬度、間距分別不應(yīng)小于 5mm、20mm、100mm。

5　構(gòu)配件安裝施工要求

(1)裝配式約束混凝土柱-蜂窩鋼梁組合結(jié)構(gòu)，施工前應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求和施工方案進(jìn)行必要的施工驗(yàn)算，施工驗(yàn)算應(yīng)包括下列內(nèi)容：

①構(gòu)件運(yùn)輸、碼放及吊裝過(guò)程，應(yīng)根據(jù)吊裝工況進(jìn)行承載力驗(yàn)算。

②構(gòu)件安裝期間施工臨時(shí)荷載作用下，應(yīng)對(duì)構(gòu)件支架系統(tǒng)、臨時(shí)固定裝置進(jìn)行承載力驗(yàn)算。

③應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)吊裝設(shè)備與運(yùn)輸設(shè)備的轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行核實(shí)，確保施工現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件運(yùn)輸、吊裝順利進(jìn)行。

(2) 預(yù)制構(gòu)件安裝，應(yīng)符合下列規(guī)定：

①預(yù)制構(gòu)件混凝土強(qiáng)度，不宜小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

②應(yīng)根據(jù)預(yù)制構(gòu)件形狀、尺寸及重量要求選擇適宜的吊具，吊裝時(shí)，吊索水平夾角不宜小于60°，不應(yīng)小于45°；尺寸較大或形狀復(fù)雜的預(yù)制構(gòu)件，應(yīng)選擇設(shè)有分配梁或分配桁架的吊具，吊車主鉤位置、吊具及構(gòu)件重心應(yīng)在豎直方向重合。

③構(gòu)件應(yīng)根據(jù)施工方案要求的順序進(jìn)行吊裝。構(gòu)件吊裝就位并校準(zhǔn)定位后，應(yīng)及時(shí)設(shè)置臨時(shí)支撐或采取臨時(shí)固定措施。

④施工全過(guò)程，宜對(duì)構(gòu)件及其建筑附件、預(yù)埋件、預(yù)埋吊件等采取施工保護(hù)措施，不得出現(xiàn)破損或污染。

6　工程案例

2012年5月，隆基泰和實(shí)業(yè)有限公司開(kāi)發(fā)的“國(guó)際箱包交易中心”工程，建筑面積503 726m2，東西跨度800m，南北跨度130m，地上5層，為最早運(yùn)用“裝配式約束混凝土柱-蜂窩鋼梁組合結(jié)構(gòu)”成套技術(shù)組織實(shí)體施工的建設(shè)項(xiàng)目，施工現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)(圖5)。

工程中采用的32 635根約束混凝土柱、53 572根蜂窩鋼梁均為工廠化成批制作，總用鋼量達(dá)2.42萬(wàn)噸，單位用鋼量48.0kg/m2，使用QAY200等型號(hào)汽車起重機(jī)17臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)裝配安裝，上、下柱鋼筋套筒灌漿鏈接，柱、主次梁和空心板樓面分別選用高強(qiáng)螺栓、坡口對(duì)焊或栓釘連接，板縫微膨脹混凝土灌實(shí)。

項(xiàng)目從開(kāi)工到主體封頂耗時(shí)僅232d，工程質(zhì)量可靠，安全文明標(biāo)準(zhǔn)化施工，社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等綜合效益顯著，得到開(kāi)發(fā)商、設(shè)計(jì)單位、施工單位等的充分肯定。

7　結(jié)語(yǔ)

(1) 裝配式約束混凝土柱-蜂窩鋼梁組合結(jié)構(gòu)，依據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50010、 GB50011、 GB50017等25部標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和華僑大學(xué)焊接環(huán)式復(fù)合箍筋約束高強(qiáng)混凝土柱抗震性能擬靜力實(shí)驗(yàn)等20多次試驗(yàn)成果為依據(jù)，結(jié)合日本近10次地震震害案例，從福建省實(shí)際地質(zhì)條件等情況出發(fā)進(jìn)行研發(fā)、創(chuàng)新，抗震、生產(chǎn)、施工性能優(yōu)越，社會(huì)、環(huán)境效益顯著，體現(xiàn)了建筑部件產(chǎn)品綠色化、建筑建造工業(yè)化理念，為我省建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化提供了技術(shù)借鑒。

(2) 該結(jié)構(gòu)體系適用于8m以上的大跨度空間，抗震設(shè)防烈度可達(dá)8度；構(gòu)件自重3～5t，并采用梁柱剛節(jié)點(diǎn)創(chuàng)新連接方式，部品工廠化制作化難為易，施工作業(yè)成套機(jī)械化，房屋建造專業(yè)化、集成化程度高，質(zhì)量可靠，工期大為縮短，實(shí)現(xiàn)精益化建造。

(3)該結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)《輕型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)新技術(shù)研究》科技成果，榮獲“2014年度福建省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)”；總結(jié)制訂的《裝配式約束混凝土柱蜂窩鋼梁組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(編號(hào)：2014-B-49)，為“福建省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)系統(tǒng)2014年第二批科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目計(jì)劃項(xiàng)目”，現(xiàn)已完成有關(guān)研發(fā)項(xiàng)目，先后進(jìn)行了蜂窩鋼梁復(fù)合螺旋箍筋約束高強(qiáng)混凝土柱組合節(jié)點(diǎn)抗震性能擬靜力等相關(guān)試驗(yàn)，該規(guī)程初稿已結(jié)稿，正在申報(bào)審批。

(4)近年來(lái)，全國(guó)框架結(jié)構(gòu)體系辦公、寫字樓等公共用房年建造總體量近3億平方米，福建省約2 000hm2，由此可見(jiàn)，裝配式約束混凝土柱-蜂窩鋼梁組合結(jié)構(gòu)在我省乃至我國(guó)建筑市場(chǎng)有著廣闊的應(yīng)用前景。

[1]羅小慶.焊接環(huán)式復(fù)合箍筋約束高強(qiáng)混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究[D]. 泉州：華僑大學(xué)，2010.

[2]李賢. 端板螺栓連接鋼-混凝土組合節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究[D]. 長(zhǎng)沙: 湖南大學(xué), 2009.

[3]北京金土木軟件技術(shù)有限公司. Pushover分析在建筑工程抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[M]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2010.

[4]GB50011-2010 建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

陳志彬(1973- )，男，高級(jí)工程師，碩士生導(dǎo)師，主要從事房建施工技術(shù)方面的研究。

Research and Application of Composite Construction of Prefabricated Confined Concrete Column and Honeycomb-section Beam

CHENZhibin

(The No.5 Construction Engineering Company of Fujian Province，Quanzhou 362000)

Assembly type confined concrete column and steel beam combination structure, also known as light energy-saving RCS composite structure, is a new type of assembled steel beam concrete column structure system.The composite structure give full play to the high strength material advantage, save the amount of steel, reduce weight, both to reduce project cost, and other type of construction and increase the use of space, but also to enhance the degree of integration of industry of housing construction, compared with the pure steel structure and concrete structure, more suitable for in large span of the office, office building and plant construction.This paper analyses in detail the assembly when meters pay and continuous spiral stirrup confined high strength concrete columns I-section welding hexagonal air honeycombed steel beam composite structure and structural properties of the structural design, and discusses the points of construction technology, prospect of the architecture of the application.

I-section welding hexagonal honeycomb-section beam; composite structure; research; application

陳志彬(1973-)，男，高級(jí)工程師。

E-mail:540385900@qq.com

2016-01-16

TU37

A

1004-6135(2016)02-0056-04