钢骨混凝土结构在深圳侨城花园高层公寓中的应用.pdf

钢骨混凝土结构在深圳侨城花园高层公寓中的应用 刘维亚马耀庭曹秀萍 （华森建筑与工程设计顾问公司深圳 “ 0 , ; - . 0 1 7 3 , 5 8 ,. 0* . / * 7 . - ; ; 7 1 9 0 1 -3 4 A 7 - ; -B . 1 3 0C ; 7 , 0. 0’ * 0 D * 0 E F - 8 . ; 6 6 ，5 - . 0 /1 * - 1 7 ; . / * 1 1 * 7 ; ,- 6 . 8 - . 1 *5 - 1 0 , - （’ 8 6 ; - -）- . 9 6 . 4 . ,/ 7 ; 1 6 1 * 8 3 0 - 1 7 5 8 1 . 3 03 4 8 3 6 5 9 0 G ; 9 3 . 0 1 E “ 7 0 , - 一、 工程概况及问题的提出 侨城花园位于华侨城猫山脚下， 总建筑面积 多 万9 I， 其中一期“ ， “ “ ， “ I 公寓楼为底层大空间、 上部剪力墙结构， 层数为J K， J I，J 层不等， 建筑面积 约 L 万9 I。基础采用大直径人工挖孔桩， 桩径为 “ L I“I L J 9， 持力层为花岗岩。三幢建筑的立面在下 部相连， 建筑师为了让人们在身居城市小区内的情况 下依然能领略到山的风采， 就在每栋建筑的立面两侧 各开了一个 “大洞” 。这些 “大洞” 净宽约 L 9， 洞高 分别为“ “ L I 9至I L 9不等， 并且每栋楼两边的洞 口高度也不相同 （见图“， I） 。同时， 洞口一侧的柱在 洞高范围内建筑要求不得有任何方向的水平支撑。这 就给结构设计带来了如下的问题 图“图I （“） 如何选择一个好的结构方案来解决由于开设 “大洞” 所造成的结构多次高位转换给结构的抗震性能 所带来的不利影响。 （I） 框支柱能否满足抗震要求， 在地震时做到裂而 不倒， 则是本工程结构设计是否成功的关键。 图J局部平面图 （J） 由于 “洞口” 上部的剪力墙不是沿着相应框支 梁纵向的全长布置的， 即在框支梁上一端有剪力墙， 另 一端又无剪力墙 （见图J） ； 这样框支梁和上部的剪力 墙共同工作性能很差， 从而造成框支梁梁端剪力过大， 剪力过大意味着对梁截面的要求也大， 而截面太大， 又 会增加由于大体积混凝土的水化热而产生构件裂缝的 可能性。 解决好上述三个问题， 是该工程结构设计的主要 任务。工程中作了认真的处理。 二、 结构方案选择 根据本工程的自然条件、 建筑平面布置、 层数、 建 筑物高度等选择框支G剪力墙结构体系是无可争议的。 从日本阪神地震震害中发现， 钢骨混凝土结构的破坏 数量远少于钢筋混凝土结构和钢结构。根据华侨城地 区的实践经验， 建筑物持力层为微风化岩， 沉降差一般 只有几毫米。本工程虽然立面开洞很高， 但持力层为花 岗岩， 沉降差很小 （到结构封顶时， 实测只有I “ J 9 9） ， K“ 第J “卷 第期建筑结构 I “年月 图结构在各种工况下的位移曲线 图“柱配筋图一 图柱配筋图二图梁配筋图 所以采用钢骨混凝土结构是可行的。 考虑到钢骨混凝土结构的造价 远高于钢筋混凝土结构等因素， 决定 主要的框支梁、 柱采用钢骨混凝土结 构， 其它部分 仍 采 用 钢 筋混凝土 结 构。这种结构方案具有如下的优点 第一， 钢骨混凝土结构的延性优于钢 筋混凝土结构； 第二， 由钢骨混凝土 框支柱和框支梁构成的框架与建筑 平面中部剪力墙共同作用， 不仅提高 了柱的承载能力， 更主要的是改善了 建筑刚度突变的不利情况， 减少了该部位的层间位 移量。以 楼为例， 图为框支柱不采用钢骨混 凝土在各种工况下的位移曲线 （ 层以下） 。从图 上可知， 向地震和风作用下结构位移曲线在八层 附近略有突变。以 楼某一框支柱为例 （配筋见 图） ， 若该框支柱为普通钢筋混凝土构件， 则， “ 向的抗弯刚度分别为 ’ * , 和 ’ - * , 。采用了钢骨混凝土后， 该柱 ，“向的 抗弯刚度增加了 ’ “ .和 ’ - .。钢骨混凝土 改善了结构刚度突变的不利影响， 使结构上下层层 间位移量更趋均匀。 三、 钢骨混凝土结构构件及其节点设计 钢骨混凝土结构虽然有许多钢筋混凝土结构和钢 结构所不具备的优点， 但国内至今未普遍采用的原因 除有经济考虑外， 更多的是由于其计算繁琐， 构件及其 节点钢骨混凝土梁、 柱的截面设计复杂。 在侨城花园高层公寓结构设计中， 我们对其进行 了一些探索， 通过施工实践证明， 这些设计思想和方法 基本上是可行的。现分别介绍如下 ’钢骨混凝土梁、 柱的截面设计 钢骨混凝土梁、 柱的截面设计， 除首先应满足 钢 骨混凝土结构设计规程（/ 0 - 1 - ）（以下简称 钢 骨规程 ） 中有关含钢率、 钢骨板材的宽厚比限值及有 关保护层厚度、 净距等要求外， 还应考虑到梁与柱、 梁 与梁及墙与梁之间的连接， 以及混凝土的浇灌等因素， 以便确定合理的钢骨截面尺寸及配筋 （见图““） 。 如在钢骨混凝土柱设计中， 一般先根据构造要求， 初定 2 2。为了简化计算， 一般取对称截面， 计算出截面各 参数。然后根据 钢骨规程 第 ’ 3 ’ 条两种情况得到 的轴力及弯矩设计值分别进行承载力验算， 取钢筋和 钢骨截面较小值为设计结果。同时钢骨混凝土柱斜截 面抗剪要满足 钢骨规程 第 ’ 3 ’ -条要求。地震作用 下的框支柱还要满足轴压比和体积配箍率的要求， 本 工程中框支柱的轴压比限值系数4 ’ “。图“， 中 钢骨混凝土柱中钢骨含钢率分别为 ’ - .， 3 ’ -.， 符合 钢骨规程 要求。 图所示的柱采用了双 “十” 形钢骨的目的 一是 为了使钢骨在整个柱截面中布置得更加均匀， 使其在 受力状态下能够充分发挥钢骨作用； 二是该形状的钢骨具有较大的抗弯刚 度， 从而会提高柱的承载能力。 ’钢骨混凝土梁、 柱节点的设计 梁、 柱节点核心区是结构受 力 的 关键部位， 设计时应保证传力明确， 安 全可靠， 施工方便。对于钢骨混凝土 梁、 柱内钢骨的连接和钢结构梁、 柱节 点连接的要求基本相同， 对此在 钢骨 规程 中都有明确的规定。但 钢骨规 程 第 ’ ’ 3条规定 “柱中钢骨和主筋 的布置应为梁中主筋贯穿留出通道。 梁 中主筋不应穿过柱钢骨翼缘， 也不 “标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 图梁纵筋在柱中锚固 图“预埋钢骨 得与柱钢骨直接焊接。钢骨腹板部分设置钢筋贯穿孔 时， 截面缺损率不应超过腹板面积的 。 ” 这一规定 无疑限制了钢骨混凝土结构的使用范围。因为， 对配 置纵筋较多的框支梁来讲， 如何使梁纵筋在柱中的锚 固符合以上 钢骨规程 所述的要求， 则是钢骨混凝土 梁、 柱节点设计的关键所在。根据目前镦粗直螺纹钢 筋连接技术的优势， 在构件的同一截面上， ’级接头 百分 率 可 不 受 限 制， 即 允 许 钢 筋 接 头 的 数 量 达 到 。因此， 在钢骨混凝土梁、 柱节点处， 我们采取了 如下措施 尽量使钢骨混凝土梁的纵筋伸入钢骨混凝 土柱中， 当梁的纵筋遇到柱中钢骨， 无法通过钢骨翼缘 或腹板时， 先将与梁的纵筋直径相同的钢筋段的一端， 在工厂制作钢柱的过程中， 用塞焊的方法直接焊于钢 骨翼缘或腹板之上， 待到现场施工钢骨混凝土梁时， 再 用直螺纹套筒连接方法将钢筋的另一端与梁的纵筋直 接连接起来， 从而不仅保证了柱内钢骨本身的力学性 能， 同时也保证了梁纵筋在柱中的锚固 （见图） 。梁 的纵筋穿过柱钢骨翼缘或腹板， 用塞焊加镦粗直螺纹 接头的构造， 有以下优点 ） 基本避免了柱钢骨翼缘或 腹板截面的缺损； ） 采用穿孔塞焊与纵筋和柱钢骨直 接焊接相比， 基本避免了柱钢骨由于焊缝较长而产生 较大的焊接应力； ） 梁纵筋采用镦粗直螺纹接头， 施工 十分简便。 *钢骨混凝土梁与钢筋混凝土柱 （墙） 的连接节 点的设计 在设计中， 我们采用了在钢筋混凝土柱 （墙） 内预 埋钢骨段的办法来解决钢骨混凝土梁与钢筋混凝土柱 （墙） 的连接问题。同时， 为了避免因预埋钢骨段而引 起钢筋混凝土柱 （墙） 刚度产生突变， 设计时特意将预 埋钢骨设计成变截面钢骨， 如图“所示。钢骨混凝土 梁在浇筑混凝土时遇到一些麻烦， 即梁中钢筋和钢骨 之间间隙较小， 浇筑时混凝土较难下料。施工时， 在梁 零弯矩附近将钢骨上翼缘两侧切了四个 , - 的口， 解决了混凝土下料难的问题。今后设计时， 梁的 钢筋笼与钢骨翼缘之间宜留更大的空间。 *剪力墙纵筋在钢骨混凝土梁上的锚固 采用钢骨混凝土梁作为框支梁， 最大的问题就是 剪力墙的纵筋如何锚固在框支梁上， 解决这个问题不 外乎有如下二种方法 第一， 在框支梁钢骨的翼缘上钻 孔， 将剪力墙的纵筋穿过钢骨的上翼缘， 伸至下翼缘； 第二， 在框支梁钢骨的翼缘 上 预 焊 钢 筋。第 一 种 方 法的优点是施工方便， 缺点是梁钢骨翼缘截面损失太 . 图 “剪力墙纵筋在钢骨梁上锚固 大， 要保证框支梁的承载能力， 必然要加大梁端翼缘的 厚度， 从而造成用钢量的增加。第二种方法的优点是 避免了梁钢骨翼缘截面的损失， 但缺点是由于剪力墙 纵筋较密， 不仅增加了许多焊接工作， 更重要的是焊接 接头过多， 会造成翼缘板的翘曲变形， 从而影响钢骨的 受力性能； 同时， 预焊接钢筋过多， 也会妨碍钢骨的现 场起吊和安装。因此， 在综合以上两种方法的优缺点 后， 采取了在翼缘板上间隔钻孔， 现场插筋和预焊钢筋 段现场用镦粗直螺纹连接方法来解决剪力墙纵筋在钢 骨混凝土梁上的锚固问题 （如图 “所示） 。实践证明， 这种方法是可行的。 钢骨的拼接 钢骨混凝土中钢骨的拼接和钢结构的拼接要求基 本相同。在本工程中， 钢骨混凝土梁中的钢骨腹板采 用高强度螺栓连接， 翼缘采用现场焊接， 如图 所示。 钢骨混凝土柱中钢骨的拼接采用高强度螺栓连接， 如 图 所示。 柱脚设计 在本工程中， 钢骨混凝土柱采用埋入式柱脚。由 于工程基础为大直径人工挖孔桩， 因此， 将钢骨埋入桩 帽之中， 完全满足了 钢骨混凝土结构设计规程 中有 关柱脚钢骨的混凝土最小保护层的要求。 四、 有关施工技术措施 在钢筋混凝土结构中， 局部采用钢骨混凝土结构 构件的施工较纯钢筋混凝土结构和纯钢结构的施工要 复杂得多， 它需要钢筋混凝土结构的施工人员和钢骨 混凝土结构制作人员之间密切配合、 相互协调方可完 成。尤其是在侨城花园工程中， 柱与梁、 梁与其上剪力 墙等节点处大量采用镦粗直螺纹钢筋连接接头， 这就 要求施工钢筋混凝土结构的人员要为钢骨混凝土结构 制作人员提供预焊钢筋段， 帮助他们给预焊钢筋段定 位。同时， 钢骨混凝土结构制作人员也要按照图纸要 求进行钢骨的制作和安装， 以防止由于加工和安装所 造成的预焊钢筋段位置不准、 漏焊钢筋段或漏留钢筋 图 梁中钢骨拼接 图 柱中钢骨拼接 穿孔等不利于钢筋混凝土结构施工的现象发生。因 此， 各工种间的密切配合、 相互协调是确保工程质量的 先决条件。同时， 为确保工程的质量， 还应采取如下有 ’标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 关施工技术措施。 （） 在选材上， 要求钢骨材料的化学成分及力学性 能应当符合 （“ ） 标准中的有关规定； 同时， 在施工 单位定货时， 要求钢材应有质量证明书， 以确保钢材的 质量。 （） 对钢骨单元的划分， 要充分考虑钢骨的加工制 作、 运输和安装等因素。在本工程设计过程中， 我们和 各施工单位进行过多次协商， 确定了合理的钢骨单元。 （’） 对钢骨构件的放样、 下料、 切割、 矫正和成型、 边缘加工、 制孔、 组装焊接等构件加工过程， 都要严格 按照 钢结构工程施工及验收规范（“ ） 的 有关规定执行。 （*） 运输和安装也是保障钢骨构件的施工质量的 重要环节。为保证钢骨构件在运输和安装过程中不产 生扭曲、 弯曲等变形， 采用了预焊缀板 （条） 等措施。在 柱的安装过程中， 要求每一节柱的定位轴线均从地面 控制轴线直接引出， 避免误差积累， 以保证整根柱的偏 差在允许范围之内。为确保梁、 柱内钢骨的连接节点 的质量， 对高强度螺栓的安装也要有一定的顺序， 要求 由螺栓群中央向外逐个拧紧。高强度螺栓紧固分初拧 和终拧两次进行， 以确保其最终扭矩值。 （） 为确保钢骨混凝土结构构件的质量， 设计对施 工时混凝土的质量也作了如下要求 ） 商品混凝土必 须选择产品质量好的搅拌厂生产； ） 混凝土的配合比 必须符合高性能混凝土的要求， 必须掺加二级以上的 粉煤灰及优质高效的减水剂； ’） 在保证方便施工的前 提下， 尽量减少混凝土的坍落度和水灰比， 以防止收缩 裂缝的产生； *） 加强对混凝土的养护。 五、 经济性比较 钢骨混凝土结构的经济与否是人们关心的问题。 侨城花园三栋公寓楼钢骨的总用量约为 * ， 用钢量 为 , - .／/ 。以侨城花园 公寓楼为例， 建筑面积 为 0 0 / ， 除钢骨部分以外， 总用钢量 ’ （包括 基础） ， 用钢量 1 - .／/ 。而同样一栋楼， 若不做钢骨 混凝土， 平均用钢量也要大于 - .／/ 。另外， 钢骨混 凝土结构的钢骨部分是工厂加工、 现场组装， 可缩短工 期； 而且， 结构构件尺寸变小， 带来建筑净面积的增加， 其经济价值很可观。由此可见， 局部采用钢骨混凝土 结构也是比较经济的。 六、 结束语 通过侨城花园高层公寓结构设计， 有如下体会 （） 在钢筋混凝土结构体系中， 局部采用钢骨混凝 土结构构件是可行的， 而且其效果往往要比纯钢筋混 凝土结构好。 （） 钢骨混凝土结构的设计和施工的重点是钢骨 构件及其节点的设计和施工。 （’） 确保钢骨混凝土结构中钢筋的锚固、 连接接头 和混凝土质量等是保证工程质量的重要环节。 参加本工程结构设计的人员还有杜军、 许等。 参考文献 , 钢骨混凝土结构设计规程 （2 1 ）,冶金工业出版社， 1 , , 高层建筑混凝土结构技术规程 （第二稿） , 1 , ’ , 高层民用建筑钢结构技术规程 （3 “ 3 1） ,中国建筑工业出 版社， 1 , * , 钢结构设计规范 （“ 3 1 1） ,中国建筑工业出版社， 1 , , 黄南翼等,日本阪神地震中钢结构的震害,建筑技术交流， 1 , 0 , 李和华,钢结构连接节点设计手册,中国建筑工业出版社, , 唐九如， 陈雪红,劲性混凝土梁柱节点受力性能与抗剪强度, 建筑结构学报， ， （*） , 混凝土小型空心砌块工程施工及验收规程 以及质量检验评定标准 规程 共分五章八节和一个附录， 总计 0 条款 五 个篇章为总则、 基本规定、 砌筑砂浆、 砌筑施工、 工程验收， 附录4 混凝土小型空心砌块技术标准等。规程主要 内容有 混凝土小砌块工程的施工、 砌筑、 质量监督、 监理 及混凝土小砌块生产人员必须经专业技术培训， 合格后持 证上岗。对混凝土小砌块进入施工现场提出量化规定， 产 品说明和出厂合格证中必须按附录4的要求注明该制品 原材料的技术和质量指标， 指标不合格不得使用。 施工砂浆应采用水泥砂浆或水泥混合砂浆， 其性能应 保证施工的和易性和粘结性。对芯柱、 构造柱混凝土的性 能分别做了规定。明确砌筑时必须按混凝土小砌块排列 设计图试排后方可砌筑； 明确了混凝土小砌块工程不宜冬 期施工； 并且明确了混凝土小砌块工程现场技术管理及质 量检验标准。 标准 为建筑工程质量检验评定法规。该 标准 共 二章 条款； 两个篇章有总则、 质量的检验与评定， 包括 有保证检验项目、 基本检验项目、 允许偏差项目以及检验 评定方法等。 （主要完成单位 天津市建设工程质量监督管理总站、 天津市建工集团总公司等） 1