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        鋼管柱與混凝土組合構(gòu)件節(jié)點(diǎn)連接施工新技術(shù)

        2021-10-08 07:59:52熊中平趙蘇玲王約發(fā)
        工程與試驗(yàn) 2021年3期
        關(guān)鍵詞:栓釘鋼管承載力

        熊中平,趙蘇玲,王約發(fā)

        (1.南昌對(duì)外工程有限責(zé)任公司,江西 南昌 330038;2.江西海航建設(shè)科技有限公司,江西 南昌 330200;3.廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院,廣東 佛山 528216)

        1 引 言

        混凝土具有抗壓強(qiáng)度高、抗彎能力弱的特點(diǎn),而鋼材彈塑性能良好、抗彎能力強(qiáng),但受壓時(shí)易失穩(wěn)而喪失軸向抗壓能力。兩者結(jié)合形成的鋼管與混凝土組合構(gòu)件,能充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn),具體表現(xiàn)為管內(nèi)混凝土受鋼管的側(cè)向約束,抗壓強(qiáng)度成倍提高,鋼管因混凝土的存在剛度增大,從而使組合構(gòu)件承載力得到極大提高。該組合結(jié)構(gòu)現(xiàn)已廣泛用于大跨度、大空間結(jié)構(gòu),成為一種新興的組合結(jié)構(gòu)[1,2]。需要指出的是,雖然混凝土的抗壓強(qiáng)度高,但粘結(jié)強(qiáng)度(即抗拉強(qiáng)度)低,鋼與混凝土組合構(gòu)件僅依靠混凝土的粘結(jié)力無(wú)法保證荷載的有效傳遞。當(dāng)荷載達(dá)到一定的值后,鋼管柱與現(xiàn)澆構(gòu)件間將產(chǎn)生明顯的滑移,變形不協(xié)調(diào)[3]。可見,開展鋼-混凝土組合構(gòu)件間的連接研究,保證兩者之間粘結(jié)可靠和變形協(xié)調(diào),具有明顯的理論及實(shí)用價(jià)值。

        2 鋼管柱與混凝土組合構(gòu)件的連接方式

        鋼管柱-混凝土構(gòu)件的共同作用通過設(shè)置連接件現(xiàn)實(shí)。文獻(xiàn)[4]依據(jù)連接件抗剪剛度的大小,將其分為剛性連接和柔性連接。前者剛度大,抗剪性能好,但破壞呈現(xiàn)脆性;后者剛度小,延性好,但與混凝土構(gòu)件間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑移[3]??梢?,鋼管柱與混凝土組合構(gòu)件之間的連接較為復(fù)雜,當(dāng)前常用的節(jié)點(diǎn)形式為在鋼管上焊接栓釘?!朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50017-2017)給出了單個(gè)栓釘連接件的極限承載力的計(jì)算:

        (1)

        式中,Ast為栓釘?shù)慕孛婷娣e,Ec為混凝土的彈性模量;fc為混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度,fy為栓釘?shù)那?qiáng)度,γ為系數(shù)。

        單個(gè)栓釘?shù)臉O限承載力較小,因此節(jié)點(diǎn)處所需的栓釘數(shù)量較多,焊接工作量較大,易產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力,質(zhì)量不易保證。此外,栓釘在剪力的作用下,還會(huì)產(chǎn)生滑移變形[3]。文獻(xiàn)[5]開展了栓釘對(duì)于鋼梁與混凝土板的抗剪性能效果研究,結(jié)果表明,鋼梁與混凝土板之間仍存在滑移,兩者變形不協(xié)調(diào)、振型存在相位差。結(jié)合梁的整體剛度隨著栓釘連接件抗剪剛度的降低而下降,栓釘?shù)膭偠葘?duì)前者整體剛度的影響頗為顯著??梢?,傳統(tǒng)的栓釘連接方式不但焊接工作量大,施工難度大,且構(gòu)件承載力受栓釘?shù)挠绊戯@著。針對(duì)上述不足,相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究,提出了外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)[6,7]和環(huán)梁式節(jié)點(diǎn)[8,9]。其中,外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)因其施工簡(jiǎn)便、抗剪承載力好的優(yōu)點(diǎn),正在逐漸興起。

        3 鋼管柱與混凝土組合構(gòu)件節(jié)點(diǎn)外加強(qiáng)環(huán)連接承載力特性

        外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)是對(duì)傳統(tǒng)栓釘連接的優(yōu)化,通過與鋼管柱相交梁的底部或中部設(shè)置鋼板抵抗梁傳遞給柱的剪力,防止其下滑,避免了傳統(tǒng)工藝中大量的栓釘焊接工作。其次,鋼板與栓釘相比,剛度大[4],抗剪力強(qiáng)。聶建國(guó)[7]等的研究表明,不同的外加強(qiáng)環(huán)形式的試件梁端破壞模式和破壞過程基本一致,鋼管柱和節(jié)點(diǎn)區(qū)域無(wú)任何破壞特征,建議單方向牛腿的外加強(qiáng)環(huán)僅需在0.25圓周范圍內(nèi)設(shè)置外加強(qiáng)環(huán),多個(gè)高差較小的加強(qiáng)環(huán)可以合并在一起,減少加強(qiáng)環(huán)的數(shù)量,提高混凝土的密實(shí)。

        4 鋼管柱與混凝土組合構(gòu)件節(jié)點(diǎn)外加強(qiáng)環(huán)連接施工特點(diǎn)

        鋼-混凝土組合構(gòu)件節(jié)點(diǎn)連接多采用焊接栓釘來(lái)增強(qiáng)兩者間的粘結(jié)力,抵抗剪力產(chǎn)生的滑移[3],這樣做不但工程量大,且鋼構(gòu)件承載力受焊接殘余應(yīng)力的影響明顯。為解決上述傳統(tǒng)工藝的不足,在鋼柱與混凝土構(gòu)件相交處設(shè)置外加強(qiáng)環(huán),代替?zhèn)鹘y(tǒng)的抗剪釘,徹底解決了傳統(tǒng)工藝中施工難度大、精度差和質(zhì)量難以保證的缺陷。同時(shí),鋼管柱外邊設(shè)置環(huán)形鋼筋混凝土梁,用于與樓面水平構(gòu)件連接,避免了傳統(tǒng)工藝梁柱筋交叉、錯(cuò)位問題。

        5 鋼管柱與混凝土組合構(gòu)件節(jié)點(diǎn)外加強(qiáng)環(huán)施工關(guān)鍵技術(shù)

        鋼管混凝土柱截面形狀可設(shè)計(jì)為方形、圓形和矩形等,以圓形居多,與樓面水平現(xiàn)澆構(gòu)架連接時(shí)頗為復(fù)雜,施工難度較大??紤]到實(shí)際中的鋼管混凝土多為圓形,故下面以圓形柱截面為例,對(duì)其施工工藝和操作要點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

        (1)工藝流程

        依次按下列工序施工:鋼管加工-鋼管安裝-鋼管混凝土澆筑-環(huán)柱圓形梁制作與安裝-樓面梁板鋼筋制作與安裝-樓面梁板混凝土澆筑。

        (2)鋼管加工

        由于鋼管壁厚和直徑由設(shè)計(jì)承載力決定,無(wú)固定型號(hào),市場(chǎng)上找不到滿足設(shè)計(jì)要求的成品鋼管,施工所用鋼管需要用鋼板進(jìn)行加工,且因鋼管直徑和壁厚較大,加工需用大型專用機(jī)械設(shè)備。考慮接縫質(zhì)量對(duì)鋼管整體質(zhì)量的影響,接縫應(yīng)選擇在對(duì)承載力影響較小處。所以,鋼板下料時(shí)需按45°斜線裁剪,以降低接縫質(zhì)量對(duì)承載力的影響,見圖1。

        圖1 鋼管柱加工

        (3)鋼管柱吊裝

        鋼管不但體量大,重量也驚人,因此安裝時(shí)需借助塔吊。施工前,應(yīng)根據(jù)塔吊的額定起吊量進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì),計(jì)劃每節(jié)鋼管下料長(zhǎng)度。鋼管四周設(shè)置焊接吊環(huán),通過兩根鋼絲繩提起鋼管,見圖2。

        圖2 鋼管吊環(huán)設(shè)置示意圖

        樁基澆筑前設(shè)置好混凝土澆筑標(biāo)高控制線,其目的有二:一是控制樁頂混凝土澆筑標(biāo)高,二是控制鋼管柱插入樁內(nèi)標(biāo)高。若澆筑過高,鋼管無(wú)法插入預(yù)定深度;澆筑偏低,將造成鋼管下沉,標(biāo)高不符合設(shè)計(jì)要求??梢姡刂剖坠?jié)鋼管插入柱內(nèi)深度非常重要。首節(jié)鋼管插入時(shí)應(yīng)吊線定位,搭設(shè)支撐體系進(jìn)行臨時(shí)固定,待鋼管內(nèi)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%后拆除。

        鋼管端部加工成企口縫,接管時(shí)上部鋼管插入下部鋼管,同時(shí)在接口處采用V形焊口焊接,見圖3。由于加工偏差和起吊應(yīng)力的作用,鋼管柱軸線常出現(xiàn)偏移。因此,每次吊裝前均應(yīng)進(jìn)行測(cè)量,彈出按照標(biāo)高控制,記錄外觀質(zhì)量和變形等情況,依據(jù)已安裝柱偏差值和變形,通過機(jī)械打磨、校正和調(diào)整軸線偏移,保持焊縫基本一致,控制軸線偏移值和垂直度偏差在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

        圖3 鋼管柱對(duì)接

        (4)鋼管柱焊接

        經(jīng)檢查,鋼管柱軸線偏移和垂直度偏差符合要求后方能進(jìn)行焊接定位,宜采用氣弧焊。焊接時(shí)除控制幾何尺寸外,還應(yīng)注意焊接變形對(duì)后續(xù)工序質(zhì)量的影響,按分段反向?qū)ΨQ順序進(jìn)行施焊。若出現(xiàn)微裂縫,則該部位須全部鏟除重焊。焊接完成后,先進(jìn)行自檢(超聲波檢測(cè)),自檢合格后再邀請(qǐng)第三方進(jìn)行復(fù)測(cè)。

        (5)環(huán)形梁制作與安裝

        鋼管柱與樓面水平構(gòu)件的相交節(jié)點(diǎn)較多,為便于施工,常設(shè)計(jì)環(huán)形鋼筋混凝土梁(以下簡(jiǎn)稱“環(huán)形梁”)與樓面梁板相連接(見圖4),環(huán)形梁與鋼管柱之間通過外加強(qiáng)鋼環(huán)連接。在環(huán)形梁中部沿鋼管柱外壁焊接兩道外伸長(zhǎng)30mm~50mm和底部一道外伸長(zhǎng)100mm~150mm的鋼環(huán)替代抗剪釘。鋼環(huán)在鋼管加工廠進(jìn)行焊接,雙面焊。施工時(shí)底部鋼環(huán)可作為環(huán)形梁施工的臨時(shí)支撐。由于環(huán)形梁是鋼管柱與混凝土組合構(gòu)件的連接件,是重要的傳力構(gòu)件,具有設(shè)計(jì)承載力大、梁截面尺寸大、配筋多、鋼筋密和鋼筋直徑大等特點(diǎn),導(dǎo)致該梁筋制作與安裝均較困難。為此,鋼筋加工在機(jī)床上進(jìn)行,按設(shè)計(jì)要求加工成相應(yīng)的弧度,主筋接頭宜采用搭接焊。經(jīng)檢查符合要求后,用吊機(jī)將其吊運(yùn)至鋼管柱上部,從上緩慢插入鋼管柱至環(huán)形梁底部鋼環(huán)。

        圖4 環(huán)形梁安裝

        (6)鋼管混凝土澆筑

        鋼管柱焊接檢測(cè)合格后,方能進(jìn)行柱內(nèi)混凝土澆筑。澆筑前在柱內(nèi)預(yù)埋超聲波管,用于檢測(cè)混凝土的密實(shí)性。采用塔吊吊運(yùn)、高拋?zhàn)悦軐?shí)法同時(shí)配合人工振搗,用插入式振搗棒密插、短振,逐層振搗。同時(shí),注意混凝土的均勻性和黏聚力,保證拋落過程中不出現(xiàn)離析。澆灌點(diǎn)以下2m范圍內(nèi)還需設(shè)置外部振搗器,以保證振搗密實(shí)。管外配合人工敲擊,根據(jù)聲音判斷混凝土是否密實(shí)。每層振搗至混凝土表面平齊,不再明顯下降、不再出現(xiàn)氣泡,表面泛漿為止。

        (7)梁板鋼筋制作與安裝

        樓面梁筋通過環(huán)形梁連接,其縱向面筋應(yīng)放置在環(huán)形梁面筋上。安裝時(shí)因需調(diào)整標(biāo)高,故需采用鋼吊鉤將其臨時(shí)上提,待綁扎完畢卸掉吊鉤,調(diào)整梁筋標(biāo)高。

        (8)梁板混凝土澆筑

        由于環(huán)形梁處鋼筋頗為密集,混凝土澆搗質(zhì)量難以保證。為此,該處混凝土須分層澆筑,采用小型振動(dòng)棒進(jìn)行振搗,每澆筑一層振搗密實(shí)一層。與水平構(gòu)件連接處加強(qiáng)振搗,其他部位混凝土澆筑采用普通構(gòu)件澆筑方法施工。

        6 質(zhì)量控制要點(diǎn)

        鋼管柱安裝前應(yīng)彈出0°、90°、180°和270°軸線作為安裝控制線,施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制垂直度和軸線偏移。鋼管柱的縱向焊接、環(huán)向焊接和螺旋焊接縫均應(yīng)符合一級(jí)焊接標(biāo)準(zhǔn)。鋼管柱安裝前和混凝土澆筑前,均應(yīng)進(jìn)行100%射線探傷[10]。焊接后的管肢平直,鋼管直徑較小(小于500mm)時(shí)應(yīng)采用點(diǎn)焊定位,直徑較大(大于500mm)時(shí)應(yīng)在鋼管外壁焊接附加鋼筋作為臨時(shí)固定聯(lián)焊。為保證連接處焊縫質(zhì)量,現(xiàn)場(chǎng)拼裝時(shí)鋼管內(nèi)需設(shè)置襯管,以利于安裝焊接。

        鋼管混凝土的質(zhì)量通過預(yù)埋的超聲波管進(jìn)行檢測(cè),當(dāng)質(zhì)量存在缺陷時(shí),可結(jié)合鉆芯法進(jìn)一步確定缺陷類型。澆筑過程中若出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間停歇,繼續(xù)灌注前應(yīng)檢查已灌混凝土頂部質(zhì)量,同時(shí)清除松散部分、鑿除浮漿,使之露出新鮮的混凝土面。

        7 小 結(jié)

        用鋼環(huán)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的栓釘和設(shè)計(jì)環(huán)形梁作為鋼管柱與混凝土構(gòu)件的過渡連接,施工簡(jiǎn)便,避免了傳統(tǒng)工藝中的不足,但應(yīng)加強(qiáng)工序質(zhì)量控制,尤其是焊接、鋼管加工和環(huán)形鋼筋混凝土梁的質(zhì)量控制。

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