高蕤 廖定雄

1.概述

近幾年，我國城市高層、超高層建筑越來越多，結(jié)構(gòu)體系也正朝著多樣化的方向發(fā)展，并且設(shè)計(jì)思路也在持續(xù)地變化和更新著。為滿足高度、空間變化和結(jié)構(gòu)受力的要求，許多的高層、超高建筑豎向受力構(gòu)件采用了型鋼混凝土結(jié)構(gòu)以及鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，由于型鋼或鋼管和混凝土形成整體，共同受力，其受力性能要優(yōu)于型鋼或鋼管和混凝土這兩種結(jié)構(gòu)的簡單疊加，不僅增強(qiáng)了構(gòu)件的承載力，而且有效提高了建筑物的抗震性能，因此在高層建筑得到了廣泛應(yīng)用。但是，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)或鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在核心區(qū)設(shè)置型鋼、鋼管導(dǎo)致了柱的箍筋布置以及梁的縱筋布置都較為困難，往往因鋼筋無法安裝而需臨時(shí)修改設(shè)計(jì)，不但施工難度大，而且造價(jià)昂貴。而鋼棒混凝土柱不僅在力學(xué)性能上能完全媲美型鋼或鋼管混凝土柱，有不錯(cuò)的耐點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂性能，而且韌性好、硬度高、整體程度高，在工程項(xiàng)目中能大大降低工程造價(jià)和施工難度[1]。

2.施工工藝及操作要點(diǎn)

圓鋼棒混凝土柱是基于核心區(qū)內(nèi)鋼骨含鋼量相同的原則，在柱內(nèi)采用鋼棒替代傳統(tǒng)鋼管或?qū)嵏故叫弯摰囊环N新型結(jié)構(gòu)柱。其施工工藝及操作要點(diǎn)如下：

2.1 放樣

首先，計(jì)算好第一節(jié)鋼棒預(yù)埋及外露長度，相鄰?fù)饴督宇^的位置要錯(cuò)開。然后根據(jù)鋼棒所在樓層的層高、每根框架柱里鋼棒的根數(shù)，確定好鋼棒安裝長度，一般不大于9m。

2.2 加工、制作

由鋼棒廠家根據(jù)放樣尺寸統(tǒng)一加工制作，安排專人駐場監(jiān)督，保證鋼棒長度、直徑等規(guī)格尺寸符合現(xiàn)場需求，保證鋼棒的垂直度以及底面的平整度等相關(guān)技術(shù)參數(shù)不超過規(guī)范允許偏差。

2.3 環(huán)箍、耳板焊接

圓鋼棒表面比較光滑，為了增加鋼棒與混凝土的摩擦力，采用Φ6mm 圓鋼環(huán)鋼棒滿焊接、環(huán)箍間距450mm。耳板采用10mm 厚鋼板，沿鋼棒截面三等分位置焊接在鋼棒兩端側(cè)面，每塊耳板上下預(yù)留兩個(gè)螺栓孔，且下部孔為豎向橢圓形。

2.4 堆放

一般將鋼棒放置在槽鋼上，鋼棒間采用木方進(jìn)行隔離，木方的高度應(yīng)大于連接節(jié)點(diǎn)處耳板的高度，槽鋼和木方間隔2m 放置。為了保障堆放穩(wěn)定、安全，堆放層數(shù)不得超過9 層，應(yīng)全面檢查地面所有疊放的構(gòu)件，對(duì)堆放的圓鋼棒采取固定措施，防止堆放的鋼棒滾落和傾倒。

2.5 現(xiàn)場安裝

（1）鋼棒的安裝關(guān)鍵在于如何就位，一般采用組裝夾具進(jìn)行整體組裝、整體吊裝安裝。組裝胎架及夾具組裝胎架設(shè)置為表面標(biāo)高一致，表面平整度高的兩根方鋼。將柱按照設(shè)計(jì)安裝間距放置在方鋼表面后，通過組裝夾具在離節(jié)點(diǎn)500mm 處用螺栓連接將柱內(nèi)連接成一個(gè)整體后進(jìn)行吊裝?？赏ㄟ^小吊車進(jìn)行組裝，組裝完成后再使用塔吊進(jìn)行整體吊裝。

（2）為了防止柱中心偏移和焊縫錯(cuò)邊，現(xiàn)場采用單根上下三個(gè)方向耳板通過螺栓連接的方式進(jìn)行安裝。連接夾板采用上圓孔、下橢圓孔的方式，以便垂直度的微調(diào)整。

圖1 鋼棒的現(xiàn)場安裝

（3）待完成水平對(duì)口后，馬上校正鋼棒垂直度。校正時(shí)，根據(jù)測量對(duì)接耳板方向的垂直度偏差，微調(diào)耳板螺栓調(diào)整垂直度，待垂直度校準(zhǔn)完成后，擰緊螺栓并連接夾板和耳板，進(jìn)行焊接固定，防止垂直度因鋼筋綁扎及混凝土澆注發(fā)生偏移。

（4）采用線錘和鋼尺分別進(jìn)行鋼棒的垂直度和各鋼棒間距復(fù)核。因單節(jié)長度較長，且連接節(jié)點(diǎn)位于樓板1m 以上，定位安裝完成后，超出樓板面5m以上，易發(fā)生傾斜。為有效防止意外碰撞導(dǎo)致發(fā)生傾倒，采用直徑為20mm 的鋼筋將所有鋼棒焊接至整體，焊接位置為鋼棒頂部下500mm，另在鋼棒混凝土柱旁放置預(yù)埋件，待安裝完成后使用斜拉桿將鋼柱支撐固定。

3.不同混凝土柱的比較分析

鋼管混凝土柱具有較高的承載力、節(jié)省鋼材、較好的抗震性能以及抗火性能。但是，與常規(guī)的鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼管混凝土柱作為鋼混組合結(jié)構(gòu)，其工藝更復(fù)雜。鋼管混凝土柱有兩種形式：（1）在鋼管內(nèi)填充混凝土而形成的組合結(jié)構(gòu)；（2）在混凝土墻柱內(nèi)設(shè)置鋼管。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)能夠更充分有效地發(fā)揮鋼材和混凝土兩種材料各自的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還克服了鋼管結(jié)構(gòu)在施工過程中容易發(fā)生的局部屈曲的缺點(diǎn)。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)根據(jù)所使用鋼管的截面形狀可分為圓形鋼管混凝土柱、矩形鋼管混凝土柱和多邊形鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)等，其中圓形鋼管混凝土柱、矩形鋼管混凝土柱是目前最常用的結(jié)構(gòu)形式[2]。

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)具有較好的耐火性和耐久性，型鋼外包裹的混凝土具有抵抗有害介質(zhì)侵蝕，防止鋼材腐蝕生銹的作用。由于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼與其外包混凝土結(jié)構(gòu)互相作用，可充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，型鋼經(jīng)混凝土包裹后，不僅能防止部件腐蝕生銹以及局部失穩(wěn)，還能提高構(gòu)件整體的承載力和剛度，從而具有更好的延展性和抗震性能。缺點(diǎn)是梁柱連接部位的質(zhì)量保證難度比較大，施工操作較為不便[3]。

圓鋼棒混凝土柱完美繼承了實(shí)腹式型鋼混凝土柱的優(yōu)點(diǎn)，能充分發(fā)揮鋼棒和鋼筋混凝土柱的自身性能，將鋼棒承載力高和延性好的特點(diǎn)與鋼筋混凝土柱的穩(wěn)定性和耐火性好結(jié)合起來。與普通的鋼筋混凝土柱相比，鋼棒混凝土柱中的鋼棒提高了柱子的承載力和延性，并減小了構(gòu)件的截面尺寸，在擴(kuò)大建筑物使用空間的同時(shí)，還減輕了自身重量；與型鋼混凝土柱相比，鋼棒混凝土柱解決了實(shí)腹式型鋼混凝土柱箍筋和梁縱筋布置困難的缺點(diǎn)，不會(huì)出現(xiàn)鋼筋無法安裝而需臨時(shí)修改設(shè)計(jì)的困境，施工更加方便。與鋼管混凝土相比，圓鋼棒混凝土可避免鋼管管內(nèi)商品混凝土的脆性破壞。鋼棒結(jié)構(gòu)可提升結(jié)構(gòu)阻力和剛度，有效防止局部及整體的屈曲。

實(shí)驗(yàn)和理論分析證明，鋼棒混凝土柱水平極限承載力受軸壓比和混凝土強(qiáng)度的影響明顯，而含鋼率和核心鋼棒屈服強(qiáng)度對(duì)水平極限承載力影響很小，圓鋼棒混凝土結(jié)構(gòu)在軸向壓力作用下，鋼棒的軸向和徑向受壓，而環(huán)向整體受拉，鋼棒混凝土結(jié)構(gòu)則三向皆受壓，處于三向應(yīng)力狀態(tài)。三向受壓的結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度大大提高，同時(shí)塑性增大，其物理性能發(fā)生了質(zhì)的變化，由原來的脆性材料轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄圆牧?。正是這種結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)的根本變化，決定了鋼棒混凝土結(jié)構(gòu)的基本性能和特點(diǎn)。鋼棒混凝土柱在核心區(qū)域配置的圓鋼棒可以明顯提高混凝土柱的抗震能力，也就提高了建筑結(jié)構(gòu)的整體抗震能力，當(dāng)建筑物遭遇強(qiáng)烈地震時(shí)，可減輕其危害，防止倒塌，因此鋼棒混凝土結(jié)構(gòu)的性能顯示出巨大的生命力和發(fā)展前景。

施工注意要點(diǎn)：在進(jìn)行圓鋼棒構(gòu)件安裝時(shí)，要多次進(jìn)行規(guī)格、垂直度、焊點(diǎn)、工序的復(fù)查；利用經(jīng)緯儀對(duì)構(gòu)件垂直度、軸線、坐標(biāo)、間距等進(jìn)行校準(zhǔn)，確保施工準(zhǔn)確無誤。施工時(shí)，安全專員及技術(shù)員認(rèn)真落實(shí)安全職責(zé)，嚴(yán)格要求施工。

4.總結(jié)

通過試驗(yàn)證明，圓鋼棒隨著軸壓比增加，構(gòu)件的水平極限承載力先增后減，符合壓彎破壞規(guī)律，延性系數(shù)也隨著混凝土強(qiáng)度的提升而減小，隨著屈服強(qiáng)度的增大而增大。各數(shù)據(jù)結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，應(yīng)鼓勵(lì)各相關(guān)企業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行模擬研究，向各方向普及應(yīng)用。

目前，鋼棒在高速公路橋梁建設(shè)領(lǐng)域中已廣泛應(yīng)用，但在房屋建設(shè)領(lǐng)域中，鋼棒的應(yīng)用仍未普及。綜上所述，鋼棒混凝土柱可替代實(shí)腹式型鋼混凝土柱，更好地應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)中，其抗震性能完全可與實(shí)腹式型鋼混凝土柱媲美，不僅降低了梁柱節(jié)點(diǎn)鋼筋及柱箍筋布置與施工的難度，而且可以降低工程造價(jià)。因此，鋼棒在工程領(lǐng)域，特別是在高層建筑領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越普遍。