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        基于BIM技術(shù)的重型方鋼套筒現(xiàn)澆獨立柱施工技術(shù)

        2021-08-05 10:39:10張廣周張紅永齊鵬輝龐玉林周文浩
        施工技術(shù)(中英文) 2021年12期
        關(guān)鍵詞:優(yōu)化混凝土施工

        趙 毅,方 園,張廣周,張紅永,齊鵬輝,龐玉林,周文浩

        (中建三局集團有限公司,湖北 武漢 430064)

        0 引言

        鋼結(jié)構(gòu)因相對質(zhì)量較輕、塑性好、強度大且工業(yè)化程度高被廣泛應(yīng)用于建筑工程中,尤其是大型公建項目。部分項目因概算控制造價問題,將勁性柱優(yōu)化為方鋼管套筒(鋼套管)柱,即梁柱節(jié)點2~3m范圍內(nèi)為方鋼管套筒混凝土結(jié)構(gòu),鋼梁可與方鋼管套筒牛腿連接,層高其余范圍內(nèi)的柱為常規(guī)混凝土結(jié)構(gòu)[1]。

        鋼套管柱是常見的抗震加固方法之一。鋼套管的作用類似混凝土中的箍筋,可在橫向與混凝土相互作用,因此可替代箍筋對柱進(jìn)行約束與加固,施工簡易[2]。利用外部約束可改善混凝土的自身受壓特性,限制混凝土橫向變形,提高抗壓強度及延性[3]。

        1 工程概況

        河南省科技館新館主場館東塔為包含重型方鋼套筒現(xiàn)澆獨立柱的鋼框架結(jié)構(gòu),北塔和南塔為混凝土結(jié)構(gòu)。科技館主場館區(qū)域分布如圖1所示。東塔鋼框架結(jié)構(gòu)效果如圖2所示。

        圖1 主場館區(qū)域分布

        圖2 東塔鋼框架結(jié)構(gòu)

        東塔重型方鋼套筒現(xiàn)澆獨立柱單層為19根,標(biāo)準(zhǔn)層層高為10.000m,每根獨立柱的方鋼套筒鋼材材質(zhì)為Q345B,截面尺寸為1m×1m,高度為1.5~2.5m,質(zhì)量為2.8~9.5t。標(biāo)準(zhǔn)層重型方鋼套筒分布如圖3所示。獨立柱如圖4所示。方鋼套筒如圖5所示。

        圖3 標(biāo)準(zhǔn)層重型方鋼套筒分布

        圖4 方鋼套筒獨立柱

        圖5 方鋼套筒示意

        柱鋼筋通過焊接鋼套筒上的搭筋板,實現(xiàn)與鋼結(jié)構(gòu)的連接,如圖6所示。

        圖6 方鋼套筒與鋼筋布置

        2 施工方案分析

        該項目工期緊、質(zhì)量目標(biāo)高、成本管控嚴(yán)格,在滿足工期、質(zhì)量、造價要求的前提下,實現(xiàn)方鋼套筒支撐及精準(zhǔn)定位,從而保證現(xiàn)澆獨立柱的整體施工進(jìn)度及質(zhì)量是施工重點。項目前期經(jīng)過策劃分析,提出以下施工方案。

        1)方案1 通過預(yù)埋式支撐胎架支撐重型方鋼套筒。施工工序如下:澆筑獨立柱首段混凝土,并埋設(shè)預(yù)埋件→胎架焊接就位→鋼套筒就位→次段柱鋼筋綁扎及混凝土澆筑→鋼梁吊裝。

        方案1的胎架支撐措施投入量小、成本較低,經(jīng)過現(xiàn)場實施總結(jié),存在以下問題:①工期長 首段混凝土澆筑完成后至少養(yǎng)護7d,強度達(dá)到一定要求,才能吊裝方鋼套筒;次段混凝土澆筑完成后至少養(yǎng)護7d,才能吊裝后續(xù)鋼梁;②管理難度大 土建和鋼結(jié)構(gòu)為2個分包,且涉及鋼筋工、架子工、模板工、混凝土工、吊裝工、焊接工等多工種頻繁交叉作業(yè),協(xié)調(diào)管理難度大;③質(zhì)量控制難 雖然預(yù)埋式胎架的措施投入量最少,但在鋼套管就位、混凝土澆筑過程中均存在一定變形;鋼筋分2段進(jìn)行綁扎,次段綁扎時,工人操作空間小,且操作過程中對鋼套筒的位置有較大擾動,整體導(dǎo)致獨立柱垂直度偏差較大;④形象差 工人需搭設(shè)大量操作架體,且架體與鋼結(jié)構(gòu)有較多碰撞,施工現(xiàn)場凌亂。

        2)方案2 對方案1的缺陷進(jìn)行優(yōu)化,采用落地式支撐+操作一體化的胎架支撐重型方鋼套筒(見圖7)。

        圖7 落地式支撐+操作一體化的胎架支撐

        將方鋼套筒與鋼筋全部通過搭筋板進(jìn)行連接,優(yōu)化成一半通過搭筋板連接,另一半通過方鋼套筒內(nèi)隔板穿孔貫通連接上部結(jié)構(gòu)的方式。在滿足鋼結(jié)構(gòu)穿孔率的前提下,盡量減少鋼筋焊接量。鋼套筒節(jié)點如圖8所示。

        圖8 優(yōu)化后的鋼套筒節(jié)點

        整體施工工序優(yōu)化如下:落地式胎架就位固定→優(yōu)化后的重型方鋼套筒就位→鋼梁吊裝→柱鋼筋綁扎及混凝土澆筑。

        雖然該施工方法一次性投入胎架支撐措施量大,但可層層周轉(zhuǎn),落地式支撐胎架集支撐架+操作架一體化,胎架經(jīng)設(shè)計可承受方鋼套筒及鋼梁荷載,省去兩次混凝土養(yǎng)護期。一次澆筑成型的重型方鋼套筒獨立柱施工管理更簡單,柱鋼筋施工減少一半的焊接工作量,更易控制整體施工質(zhì)量。優(yōu)化后的方案可實現(xiàn)造價、工期、質(zhì)量協(xié)調(diào)統(tǒng)一[4]。

        3 施工過程分析

        3.1 支撐胎架計算說明

        運用MIDAS Gen軟件,結(jié)合GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》、GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》等,對鋼節(jié)點及鋼梁安裝進(jìn)行施工驗算。結(jié)構(gòu)計算按承載力極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計,位移采用荷載標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行計算,內(nèi)力和應(yīng)力通過荷載基本組合進(jìn)行計算。

        大梁收下了,說要給阿黃立個碑,把李先生這副挽聯(lián)刻在碑上。他用杉木板給阿黃釘了個匣子,可往哪兒埋卻犯了愁。我們河浦規(guī)矩嚴(yán),抬紅山陽坡那叫“葬”,是善終;送駝背山那叫“埋”,是夭歿。可那都是死的人,死個畜生也埋,冇得先例。正躊躇間,塆里主事的姜大爹和旺明叔就來了。旺明叔說,不能把阿黃當(dāng)畜生看啊。我跟大爹商量過了,就葬在紅山的陽坡吧。姜大爹說阿黃仁義啊,也有福啊。李先生的挽聯(lián)金貴著呢,阿黃當(dāng)?shù)昧诉@個福!

        3.2 支撐胎架荷載分析

        1)自重荷載 結(jié)構(gòu)自重按實際構(gòu)件質(zhì)量取值,由軟件自動計算。

        2)活荷載 即鋼節(jié)點自重,需考慮動荷載系數(shù)1.3。鋼套筒及筒周邊鋼梁質(zhì)量分別為1,5,5,10,10t(安裝前需確認(rèn),若質(zhì)量高于此值,需重新驗算)。

        3.3 支撐胎架計算模型

        采用MIDAS Gen軟件對鋼套筒高空拼裝施工進(jìn)行建模與驗算分析。鋼構(gòu)件為Q235,底部鋼梁截面為HW300×300,剛接在主梁上,連接處做加勁肋?!?00×14 立于鋼梁HW300×300上,連接點做加勁肋;└100×10與□200×14相焊接,焊接處加斜撐,且角鋼水平間距≤2m。導(dǎo)荷梁HW200×200與□200×14焊接,焊接處加斜撐,鋼套筒擱置在導(dǎo)荷梁上[5]。節(jié)點高空拼裝如圖9所示。胎架模型如圖10所示。

        圖9 節(jié)點高空拼裝

        圖10 胎架模型

        3.4 支撐胎架不同工況下施工活荷載(見圖11)

        圖11 施工活荷載(單位:kN)

        1)施工活荷載1 考慮最不利情況為兩個導(dǎo)荷梁受荷。

        2)施工活荷載2 鋼套筒荷載均布在4個導(dǎo)荷梁上,10t鋼梁安裝在導(dǎo)荷梁上。

        3)施工活荷載3 鋼套筒、10t及5t鋼梁進(jìn)行安裝;鋼套筒、10t及10t鋼梁進(jìn)行安裝。

        4)施工活荷載4 鋼套筒、10t、5t及5t鋼梁安裝;鋼套筒、10t、10t及5t鋼梁安裝。

        3.5 支撐胎架計算結(jié)果

        1)位移計算結(jié)果 在準(zhǔn)永久荷載組合包絡(luò)工況下安裝節(jié)點時,支撐架水平位移3.0mm<11 000/1 000=11mm。導(dǎo)荷梁豎向撓度最大為1.9mm<2 250/200=11.25mm。位移及撓度符合要求。

        2)應(yīng)力比計算結(jié)果 在荷載基本組合下可知,鋼構(gòu)件最大應(yīng)力比為0.55<1,應(yīng)力比符合要求。

        4 重型方鋼套筒現(xiàn)澆獨立柱施工技術(shù)

        4.1 施工方案

        根據(jù)已實施胎架的缺陷優(yōu)化整體部署,以提高施工質(zhì)量、縮短工期、改善施工形象。

        將預(yù)埋式支撐胎架優(yōu)化成落地式支撐+操作一體化胎架,胎架腳部剛接于鋼梁上,一次澆筑成型。

        鋼套筒采用鋼筋連接形式,柱縱向鋼筋一半與搭筋板焊接,一半通過鋼套筒內(nèi)隔板穿筋孔貫通連接,在滿足鋼結(jié)構(gòu)穿孔率的前提下,最大化減少鋼筋焊接[6]。

        因方鋼套筒現(xiàn)澆獨立柱施工在國內(nèi)并無相關(guān)經(jīng)驗,可通過BIM施工模擬建造進(jìn)行可視化交底[7]。

        4.2 施工流程

        1)將已經(jīng)拼裝好的支撐胎架與鋼梁進(jìn)行固定。

        2)安裝鋼筋連接形式優(yōu)化后的鋼套管,并校核定位,確認(rèn)無誤后與胎架進(jìn)行點焊固定。

        3)如圖12所示,安裝上部主鋼梁。

        圖12 主鋼梁安裝

        4)鋼結(jié)構(gòu)分包工作面全部移交土建隊伍,進(jìn)行鋼筋綁扎、模板封閉及混凝土澆筑。

        5)混凝土澆筑養(yǎng)護完成后,支撐胎架可周轉(zhuǎn)至下層循環(huán)使用。

        5 結(jié)語

        本文以河南省科技館新館東塔重型方鋼套筒鋼框架結(jié)構(gòu)為對象,提出落地式支撐+操作架一體化支撐方鋼套筒的施工方法。結(jié)合施工經(jīng)驗優(yōu)化方鋼套筒的鋼筋連接形式,通過MIDAS Gen軟件及BIM技術(shù)優(yōu)化原安裝方案,驗證改進(jìn)后施工方案的合理性。該施工技術(shù)的應(yīng)用,使單層施工周期至少縮短15d,支撐+操作一體化胎架改善施工現(xiàn)場的整體形象,結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定可靠、定位更精準(zhǔn)、鋼筋連接形式更合理、可操作性更高,獨立柱的整體施工質(zhì)量得到大幅提升。同時,鋼結(jié)構(gòu)及土建專業(yè)分包僅一次交叉作業(yè),不同工種接口更少,操作更方便,大大降低管理難度。在滿足質(zhì)量及工期的前提下,支 撐措施可層層周轉(zhuǎn),使成本處于可控狀態(tài),整體經(jīng)濟效益及社會效益較原設(shè)計方案有較大提高,累計經(jīng)濟效益達(dá)180余萬元。

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