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。