鄭普飛

（甘肅省科工建設(shè)集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州）

引言

本文以某裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)公共建筑為例闡述了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容，特別是對(duì)于大懸挑架構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計(jì)和抗震等級(jí)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)換大跨度設(shè)計(jì)等層面加以詳細(xì)闡述。在此基礎(chǔ)上提出了更加符合鋼梁鋼柱連接、鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土梁連接的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，利用此種節(jié)點(diǎn)構(gòu)造能夠?qū)崿F(xiàn)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑節(jié)點(diǎn)的有效連接，提升其便利性、安全性和性價(jià)比，對(duì)于進(jìn)一步推動(dòng)裝配式鋼結(jié)構(gòu)公共建筑設(shè)計(jì)水平的提升具有促進(jìn)作用。

1 工程概況

眾邦國(guó)貿(mào)中心位于蘭州市安寧區(qū)，地處銀灘黃河大橋以北，西臨萬(wàn)新南路，南鄰眾邦金水灣住宅小區(qū)，東臨住宅樓，北臨天居·錦河丹堤住宅小區(qū)，是集5A級(jí)寫(xiě)字樓和超五星級(jí)酒店、商務(wù)辦公、餐飲、文娛于一體的地標(biāo)性超高層城市綜合體，引領(lǐng)西部的豪華大型宴會(huì)廳，豪華酒店與高端辦公的完美結(jié)合，填補(bǔ)了安寧區(qū)的空白。該項(xiàng)目的建設(shè)能加快該地區(qū)舊城區(qū)改造步伐。此工程的施工對(duì)于提升城市形象、完善城市生態(tài)景觀體系，均有重大價(jià)值。

此建筑工程鋼結(jié)構(gòu)工程主要分為B1 區(qū)、B2 區(qū)和B3 區(qū)三個(gè)區(qū)域。項(xiàng)目由48 層5A 級(jí)寫(xiě)字樓、36 層超五星級(jí)酒店及4 層裙樓組成，建筑總高度239.275 m，總建筑面積161 696.85 m2，結(jié)構(gòu)類型為型鋼混凝土核心筒結(jié)構(gòu)和型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)，總用鋼量約1.6 萬(wàn)t。該項(xiàng)目主要構(gòu)件采用十字柱、王字柱、H 型等多種形式，組合柱單根最大重量達(dá)24.38 t，最大板厚為50 mm，加工、運(yùn)輸及安裝的困難系數(shù)高。

2 裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)公共建筑設(shè)計(jì)和集成技術(shù)

2.1 V 型柱轉(zhuǎn)換大跨度、大懸挑結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)

將該建筑的抗震等級(jí)設(shè)定為主樓抗震三級(jí)、裙房抗震四級(jí)。目的在于利用科學(xué)合理結(jié)構(gòu)使得建筑實(shí)現(xiàn)小震不壞、大震可修復(fù)的目標(biāo)。此建筑主要的抗震目標(biāo)是：抗震防裂度設(shè)定為7 度，場(chǎng)地類型為二類，基礎(chǔ)地震加速度為0.1 g，基本風(fēng)壓0.35 kN/m2，基本雪壓0.7 kN/m2。建筑不同部分基礎(chǔ)形式有所差異，其中主樓的基礎(chǔ)主要為“人工挖孔樁+筏板基礎(chǔ)”，裙樓的基礎(chǔ)主要為“獨(dú)立基礎(chǔ)+防水板”，樓面所用載荷如表1所示。為了滿足強(qiáng)度要求，主樓的混凝土梁和矩形鋼柱進(jìn)行連接時(shí)主要采取的是混凝土梁內(nèi)包鋼結(jié)構(gòu)牛腿的方式，同時(shí)要在裙房處的圓管柱位置增設(shè)鋼結(jié)構(gòu)環(huán)板，同時(shí)外部包裹鋼筋混凝土環(huán)梁，提升整個(gè)連接的強(qiáng)度。地下室部分采用外包型柱腳的形式，可以提升鋼架構(gòu)下半部分總體的剛度，而在頂板位置采取常規(guī)的鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)。

表1 建筑樓面采用載荷值

為了達(dá)到設(shè)定外立面空間的標(biāo)準(zhǔn)，利用兩個(gè)高9 m 的V 形鋼柱+大尺寸箱梁的方式對(duì)裙房進(jìn)行支撐，從而搭建出大跨度的多層建筑，形成較為美觀的建筑。在工廠車(chē)間進(jìn)行箱梁柱的提前制作，使用等強(qiáng)熔透焊的形式讓其具有設(shè)計(jì)形狀，然后將其運(yùn)輸?shù)阶鳂I(yè)場(chǎng)所組裝。具體到裙房而言，為了滿足外觀的需要，要采用兩組V 形鋼柱（間距13 m）連接大跨度（28 m）的懸挑鋼梁，如圖1 所示。同時(shí)以此大跨度梁為基礎(chǔ)來(lái)承載上部?jī)蓪咏Y(jié)構(gòu)[1]，圖2 為V 型鋼板結(jié)構(gòu)示意。

圖1 V 型鋼板連接加固的鋼結(jié)構(gòu)梁柱結(jié)構(gòu)示意

圖2 V 型鋼板結(jié)構(gòu)示意

第一，巨型V 形柱。該V 型鋼柱采取截面1 000 mm×1 000 mm 的矩形截面，為了提升整體強(qiáng)度，要在鋼柱的局部增加壁厚，采取外包式的柱腳（外包厚度≥250 mm）。所在區(qū)域的基礎(chǔ)為獨(dú)立型基礎(chǔ)，利用寬底板來(lái)承載柱腳的彎矩載荷。設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)不同工況實(shí)施充分分析，嚴(yán)控鋼柱的受力變形。另外，在對(duì)鋼柱上部和鋼梁進(jìn)行連接時(shí)主要采取的是鋼梁貫通的方式，以此來(lái)確保整體的強(qiáng)度。同時(shí)要在柱端內(nèi)合適位置設(shè)置加強(qiáng)筋，保證其焊接質(zhì)量[2]。

第二，轉(zhuǎn)換大跨度、大懸挑框架。裙房共兩層樓，主梁跨度在28 m 左右，上半部分的轉(zhuǎn)換發(fā)揮對(duì)樓面進(jìn)行支撐的作用。與此同時(shí)另向樓面梁外部挑高是8 m，使用鋼筋混凝土樓板，厚度具體為120 mm，主跨采取的是截面尺寸為650 mm×1 500 mm 的箱型梁，確保鋼梁的撓度≤1/600 跨度。對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)要充分考量上下部結(jié)構(gòu)的協(xié)作性問(wèn)題，同時(shí)也要考慮到地震的影響，要確保主跨鋼梁水平轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性。為了保證其良好的抗震性，需要對(duì)關(guān)鍵桿件、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)置必要的加強(qiáng)措施，對(duì)于主鋼梁應(yīng)力比進(jìn)行嚴(yán)格管控。

第三，抗震性能的設(shè)計(jì)。鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能設(shè)計(jì)是非常關(guān)鍵的，在進(jìn)行性能設(shè)計(jì)過(guò)程中要遵照如下流程：對(duì)小震情況進(jìn)行核定，保證其承載性能、層間位移符合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）的規(guī)定；所選定的塑性耗能區(qū)性能等級(jí)為Ⅳ級(jí)；明確抗震等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下鋼結(jié)構(gòu)的載荷能力；了解節(jié)點(diǎn)延性級(jí)別、地震預(yù)防舉措、核心構(gòu)件等與有關(guān)要求是否一致；對(duì)于地震等級(jí)較高情況下層間移動(dòng)情況進(jìn)行核定。

在具體操作時(shí)要按照結(jié)構(gòu)特性、使用功能等確定結(jié)構(gòu)的塑性耗能區(qū)等級(jí)，以此為基礎(chǔ)確定出各種彈性負(fù)載力狀況下所使用的延性管控形式，進(jìn)而確保地震狀況下架構(gòu)能夠依照所設(shè)計(jì)的延性結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性形狀變化。

2.2 裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)建筑關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

為防止構(gòu)件銜接點(diǎn)過(guò)多而影響安裝效率，設(shè)計(jì)了與鋼筋混凝土梁、鋼管混凝土、鋼柱鋼梁銜接的有關(guān)構(gòu)件，可以使裝配式建筑不同構(gòu)件連接問(wèn)題得到有效處理。

第一，對(duì)于裝配式建筑來(lái)說(shuō)，疊合板是最為重要的部分之一，在具體工程中有著非常廣泛的應(yīng)用。一般情況下為了加強(qiáng)梁柱節(jié)點(diǎn)中弱構(gòu)件的連接，常常采取如下兩種方式，一種是在梁翼緣粘貼蓋板，但是需要對(duì)疊合板的某些位置進(jìn)行切槽；另一種是加寬翼緣，這會(huì)造成梁外包不夠便利[3]。采取傳統(tǒng)方式會(huì)對(duì)疊合板受力造成較大影響，同時(shí)也會(huì)對(duì)施工造成限制，并不利于裝配式建筑運(yùn)用。對(duì)于這種情況下，設(shè)計(jì)了可以穩(wěn)定銜接、施工十分便捷并且性價(jià)比較高的裝配式建筑梁柱連接節(jié)點(diǎn)，如圖3 所示。

圖3 梁柱連接節(jié)點(diǎn)

此種節(jié)點(diǎn)可以確保梁翼緣處表面非常平直，進(jìn)而保證疊合板底層平直度，可以保證疊合板和鋼梁更高質(zhì)量的連接。

此種連接方式的具體特征在于：將加強(qiáng)段梁焊接到鋼梁的端部來(lái)增強(qiáng)梁體的性能，使得梁伸到鋼柱側(cè)板外壁強(qiáng)度有所提升，確保增強(qiáng)梁體上下翼緣外表面的平整性，將其和鋼柱栓焊相連。要保證所增強(qiáng)梁體翼緣厚度比鋼梁翼緣厚一些，另外應(yīng)當(dāng)保證兩者寬度一致。此外，應(yīng)當(dāng)在鋼梁頂端設(shè)立加強(qiáng)段的同時(shí)也要增加加強(qiáng)段翼緣的厚度，將原有截面梁和加強(qiáng)段梁實(shí)施有效連接形成整體，之后將加強(qiáng)以后鋼柱與梁體進(jìn)行栓焊銜接，另外把疊合板放至梁體上翼緣部位。在梁柱的節(jié)點(diǎn)位置增設(shè)加強(qiáng)段梁可以進(jìn)一步增加梁翼緣表層的平整性，更便于疊合板和鋼梁的有效連接，可以有效解決疊合樓板破損以及安裝便利性不足等問(wèn)題。同時(shí)遵照了“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件”的基本設(shè)計(jì)原則，能夠確保疊合樓板底層的平整性，防止為了增強(qiáng)梁柱節(jié)點(diǎn)而導(dǎo)致切槽或者外漏缺陷，更利于運(yùn)用到裝配式建筑中。

第二，鋼筋混凝土梁與鋼管混凝土柱銜接節(jié)點(diǎn)。在當(dāng)前時(shí)期有關(guān)要求的情況下，對(duì)于特殊位置（例如地下室頂板梁）的梁來(lái)說(shuō)，往往采取鋼筋混凝土梁來(lái)實(shí)現(xiàn)良好的人防要求，同時(shí)要采取箱型鋼管混凝土柱加以輔助，然而兩者相連的穩(wěn)定性是需格外重視的。從目前來(lái)看，主要采取的連接模式是梁穿過(guò)柱子進(jìn)行連接，然而該種形式會(huì)導(dǎo)致鋼管混凝土柱硬度降低，對(duì)其性能造成影響，同時(shí)施工不夠便利[4]。針對(duì)此，為了能夠更加便利、安全地對(duì)梁和柱進(jìn)行連接，設(shè)計(jì)了用于鋼管混凝土柱與多層配筋鋼筋混凝土梁連接的節(jié)點(diǎn)和運(yùn)用到鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土梁相連方面的節(jié)點(diǎn)，具體情況如圖4、圖5 所示。

圖4 鋼管混凝土柱與多層配筋鋼筋混凝土梁連接的節(jié)點(diǎn)

圖5 鋼管混凝土柱與單層配筋鋼筋混凝土梁連接的節(jié)點(diǎn)

（1） 對(duì)于鋼管混凝土柱與多層配筋鋼筋混凝土梁連接的節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，鋼管混凝土柱鋼管外部與鋼筋混凝土梁相連，在連接節(jié)點(diǎn)范疇中設(shè)計(jì)了套筒、栓釘、牛腿等，具體而言水平方向的連接板與套筒設(shè)定在牛腿的上下翼緣板中間。同時(shí)鋼筋混凝土梁設(shè)置了多排的梁縱筋，按照上下順序進(jìn)行排列，上下排的梁縱筋分別和牛腿的上下翼緣板進(jìn)行固定，其他排的梁縱筋和相對(duì)應(yīng)的橫向連接板或套筒實(shí)施固定。同時(shí)，在鋼管外部節(jié)點(diǎn)位置設(shè)置鋼筋混凝土外包環(huán)，此環(huán)主要是在內(nèi)部嵌有外包鋼筋籠的混凝土環(huán)，將此環(huán)的內(nèi)側(cè)壁和鋼管外側(cè)壁緊密貼合，同時(shí)將其外側(cè)壁和鋼筋混凝土梁進(jìn)行搭接，確保整個(gè)外包環(huán)可以將鋼管外部的牛腿、栓釘、橫向連接板和套筒全部包裹住，同時(shí)也要保證鋼筋混凝土外包環(huán)可以將鋼筋混凝土梁的上下表層全部覆蓋。

（2） 對(duì)于鋼管混凝土柱與單層配筋鋼筋混凝土梁連接的節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，鋼管混凝土柱鋼管外部和鋼筋混凝土梁進(jìn)行連接，在連接節(jié)點(diǎn)的范圍內(nèi)設(shè)置了牛腿和栓釘?shù)葍?nèi)容，同時(shí)將牛腿上翼緣板和鋼筋混凝土梁梁頂縱筋進(jìn)行充分連接，并且要將牛腿下翼緣板和鋼筋混凝土梁梁底縱筋進(jìn)行連接。同時(shí)，在鋼管外部節(jié)點(diǎn)位置設(shè)置鋼筋混凝土外包環(huán)，將此環(huán)的內(nèi)側(cè)壁和鋼管外側(cè)壁緊密貼合，同時(shí)將其外側(cè)壁和鋼筋混凝土梁進(jìn)行搭接，確保整個(gè)外包環(huán)可以將鋼管外部的牛腿、栓釘、橫向連接板和套筒全部包裹住，同時(shí)也要保證鋼筋混凝土外包環(huán)可以將鋼筋混凝土梁的上下表層全部覆蓋。其做法如圖6 所示。

圖6 鋼柱柱腳節(jié)點(diǎn)做法

對(duì)于與單層配筋鋼筋混凝土梁銜接的節(jié)點(diǎn)而言，大多是運(yùn)用鋼筋混凝土梁縱筋與牛腿進(jìn)行固定，而且加之外包鋼筋混凝土保證鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土梁能夠更穩(wěn)固地相連。使用該種連接形式可以防止鋼筋混凝土梁從鋼管混凝土柱內(nèi)穿行，可以保證鋼管混凝土柱的完備，如此便可以保證鋼管混凝土柱硬度達(dá)標(biāo)，可以防止安全風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)生。此外，因?yàn)槠錈o(wú)需從鋼管混凝土柱穿行，為此可以讓施工成本下降、便捷度提高。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文以眾邦國(guó)貿(mào)中心為工程背景展開(kāi)探究，其裝配式高層鋼框架公共建筑核心技術(shù)能夠運(yùn)用到房地產(chǎn)等公共構(gòu)筑類項(xiàng)目中，客戶具體有設(shè)計(jì)企業(yè)、投資企業(yè)、原料供給企業(yè)、施工企業(yè)等，工程運(yùn)用能夠當(dāng)做我國(guó)其他裝配式鋼架構(gòu)公共建筑參照，另外在社會(huì)效益、利潤(rùn)賺取方面也有很大價(jià)值。