科威特国民银行新总部大楼项目位于科威特城金融区的心脏地带, 结构形式为带桁架加强层的钢筋混凝土核心筒+巨型钢框架组合结构, 建造难度大, 结构地下3层, 地上58层 (包含2个设备层) , 20～21层和40～42层为巨型跨层桁架, 主楼塔高306m, 钢结构总量达2.6万t, 严格执行美国标准, 致力打造该国首座LEED金奖绿色建筑, 建成后将是该国第二高楼。建筑效果如图1所示。

该银行总部大楼除41M (夹层) 设备层部分楼板为格栅板外, 其余均为压型钢板组合楼板, 混凝土强度等级均为C40。组合楼板设计使用年限60年, 必须满足使用期限内的结构和安全要求^[1]。本工程组合楼板采用的压型钢板截面主要有2种:ComFlor46压型钢板和ComFlor80压型钢板^[2]。

Com Flor46压型钢板方便嵌套、造型简单、体积小、方便运输。采用这种压型钢板天花板和轻型装饰物可直接钻孔挂在压型钢板底部, 梯形截面设计可节省混凝土用量, 进而节省整个工程的工程量和造价。压型钢板材料采用热浸锌EN10326-S280GD+Z275钢材, 厚度1.2mm, 屈服强度≥280MPa, 压型钢板两面锌涂层均≥275g/m², 用于140mm厚楼板, 压型钢板截面尺寸如图2所示, 截面力学参数如表1所示。

ComFlor80压型钢板是新一代压型钢板, 大圆角的设计配合高强度钢材, 可确保浇筑4.4m的简支跨度无需任何临时支撑。采用ComFlor80压型钢板栓钉可直接打在槽中央, 这样的栓钉布置确保了钢梁和混凝土可更好地协调工作, 栓钉设计承载力可得到充分利用。压型钢板材料采用热浸锌EN10326-S450GD+Z275钢材, 厚度1.2mm, 屈服强度≥450MPa, 压型钢板两面锌涂层均≥275g/m², 用于190mm厚楼板, 压型钢板截面尺寸如图3所示, 截面力学参数如表2所示。

英国标准BS5950现行版本第4部分推荐抗裂钢筋网片配筋率不得小于楼板体积的0.1%^[3];欧洲标准Euro code 4推荐无支撑跨配筋率≥0.2%, 有支撑跨配筋率≥0.4%^[4]。钢筋网片上保护层厚度≥15mm且≤30mm。本工程采用的钢筋符合ASTM A615M标准^[5], 强度等级G420, 压型钢板槽内配筋如图4, 5所示, 抗裂钢筋网片配置如表3所示。

首先根据原结构设计方BuroHappld提供的设计荷载平面布置图找到需要计算的楼层荷载分布情况, 取最不利荷载作为计算基础数据。根据美国标准ANSI/SDI (American National Standard Institute/Steel Deck Institute) ^[6]进行计算, 压型钢板搭接梁上翼缘宽度按100mm考虑, 压型钢板受到的剪力和弯矩按两边铰接考虑, 剪力和弯矩如图6所示。

未凝固混凝土自重荷载放大系数取1.6, 施工荷载放大系数取1.4, 压型钢板自重荷载放大系数取1.2, 根据公式得到最大剪力、弯矩及最不利位置。腹板抗剪能力按0.6倍屈服强度乘以压型钢板腹板面积计算。

腹板抗压承载力计算, 相关系数按表4取值。其中, n_w为压型钢板腹板单元个数;C为安全系数, 按表4取值;t为压型钢板厚度;F_y为压型钢板屈服强度;θ为支撑面和压型钢板腹板单元角度;C_R为弯曲半径;系数R为内弯曲半径;N为支撑长度;C_h为腹板单元长细比系数;h为倾斜腹板单元长度。

压型钢板抗弯承载力根据材料截面参数得到, 大于受到的最大弯矩即可。

根据LRFD (荷载抗力系数设计法) 及SDI (钢压型钢板协会) 规范, 抵抗压缩弯曲系数φ_R=0.9, 剪力安全系数φ_s=0.91, 组合弯曲下垂系数φ_F= (M₊/M_ns) + (φ_sR/P_n) , 需满足φ_F<1.33φ_R, 其中M₊为压板承受的最大正弯矩。M_ns为下垂抵抗弯矩, R为压板最大端部支撑反力, P_n为腹板抗压承载力。

根据SDI规范要求, 压型钢板允许挠度取L/180和20mm中的较小值, 荷载取标准值, 挠度Δ_max= (5W_ufL⁴) /384EI_XX, 其中W_uf= (D_cw+W_d) ·C_w, D_cw为未凝固混凝土板自重, W_d为压型钢板自重, C_w为压型钢板覆盖宽度, I_XX为压板正弯矩的抵抗矩。

1) 抗弯验算恒荷载系数取1.2, 活荷载系数取1.6, 附加荷载系数取1.6, 计算最大剪力和弯矩。根据ANSI/SDI规范计算开裂抗弯惯性矩及未开裂抗弯惯性矩, 取二者平均值为组合截面惯性矩, 计算正常使用情况下梁上无栓钉时组合楼板的抵抗弯矩, 抵抗弯矩需大于组合楼板受到的最大弯矩。

2) 抗剪验算取混凝土抗剪承载力V_c和压型钢板抗剪承载力V_sd之和与组合截面抗剪承载力V_no间的最小值作为抗剪承载力。其中, φ_v为混凝土抗剪系数, V_sd=φ_sV_n, φ_s为压板剪力系数, 一般取0.85, V_n为腹板允许抗剪承载力。抗剪键承载力验算根据SDI规范T-CD-2011计算, 抗剪键承载力V_t=C_wd_c (k₅/L_1e+k₆) , C_w为压型钢板覆盖宽度, d_c为组合楼板顶部到压型钢板中间距离, L_1e为有效长度, k₅, k₆为抗剪键相关系数。根据SDI规范要求, 正常使用情况下压型钢板允许挠度取L/360。

3) 正常使用情况下, 楼板舒适度验算主要指标为楼板振动频率f_j, 根据AISC设计指导书第11部分公式 (3.3) 的规定, , 其中Δ_j为正常使用情况下楼板挠度, 根据AISC规范总结, 楼板系统振动频率≥5Hz, <5Hz时, 正常使用过程中楼板舒适度会受到影响。

主要考虑混凝土在1 000°C高温下的强度折减, 120min燃烧后强度折减系数按k_R=1/[1+e ^(Tc^{-569) /157}]计算。

英国标准设计过程主要根据BS5950第4, 6, 8部分进行, 验算阶段也分为施工阶段、正常使用阶段、防火性能检查。英国标准与美国标准计算过程基本相同, 但对于一些具体系数的取值有所不同, 这也导致最终计算结果的不同。

根据两种规范单跨和多跨情况下压型钢板的最大允许跨度, 取最不利情况, 以表5为例, 单跨和多跨情况下最大允许跨度均为2.5m, 从而得知在现场施工时哪些位置浇筑混凝土前需提前加永久支撑。

1) 钢筋混凝土核心筒和压型钢板的连接位置 在钢筋混凝土核心筒外边缘组合楼板底标高处采用膨胀螺栓固定└75×75×8作为压型钢板支撑, 角钢同时可作为栓钉支撑点, 楼板钢筋与钢筋混凝土核心筒采用钢筋套筒连接。

2) 矩形钢柱 (矩形钢牛腿) 和压型钢板连接位置 在矩形钢柱外边缘组合楼板底标高处焊接固定└65×50×5作为压型钢板支撑, 角钢同时可以作为栓钉支撑点, 矩形柱与楼板钢筋采用钢筋套筒连接。

3) 钢圆管柱和压型钢板连接 压型钢板和圆管柱环板搭接连接, 压型钢板和环板搭接长度≥50mm, 栓钉焊在环板上。

楼板悬挑>200mm且<500mm的施工做法为压型钢板在施工时悬挑并做好收边, 浇筑混凝土时需使用临时支撑, 待混凝土形成强度后拆除临时支撑。

1) 楼板标高有差异位置 在较高梁腹板靠近较低梁一侧焊接角钢作为较低楼板压型钢板支撑, 角钢截面及焊缝需通过计算确定。

2) 主结构梁顶标高与组合楼板面顶标高平齐位置 在主结构梁腹板两侧焊接有加劲角钢作为压型钢板支撑和栓钉支撑点, 角钢截面和布置需通过计算确定。

3) 组合楼板与不同厚度混凝土楼板交接位置 保持压型钢板与梁上翼缘搭接长度, 楼板厚度分割线处加钢丝网, 以起到分割作用。桁架位置组合楼板因为桁架变形较大, 为使桁架位置组合楼板和桁架柱可相对运动, 在柱外壁焊接角钢, 并在角钢上翼缘用螺栓连接另一角钢翼缘, 螺栓孔采用长圆孔来保证可以自由活动。悬挑组合楼板与格栅板交接位置悬挑组合楼板采用附加槽钢支撑, 在附加槽钢支撑上加焊角钢作为格栅板支撑, 格栅板与组合楼板间设10mm宽伸缩缝。

洞口面积<300mm²时, 无需额外加强;洞口面积在300～700mm²的只需在洞口边缘设置附加钢筋, 但洞口集中处应按洞口合并后尺寸处理。

洞口面积>700mm²时, 需增加额外永久性钢结构支撑。钢结构支撑上的荷载根据从属面积及楼面荷载计算, 并利用STAAD.Pro软件进行设计^[7], 计算确定支撑截面。本工程选用的钢结构支撑全部为槽钢, 经计算一般采用[150×75×18和[200×75×23两种规格即可满足设计要求, 分别用于140mm厚和190mm厚楼板。为方便压型钢板铺设, 支撑梁翼缘一般作为压型钢板支撑使用。

沿洞口周边布置槽钢, 槽钢腹板一侧朝向洞口, 上翼缘作为压型钢板支撑和收边板定位板。支撑和混凝土墙接触位置采用膨胀螺栓将端板固定在混凝土墙上, 槽钢焊接于端板上, 栓钉打在支撑梁上翼缘上。

采取抬高附加支撑梁, 使支撑梁顶标高与楼板上表面标高平齐, 由于[150×75×18 (翼缘厚度10mm) 和[200×75×23 (翼缘厚度12.5mm) 切掉下翼缘后高度刚好与楼板厚度相同 (150-10=140mm, 200-12.5=187.5mm) , 槽钢下翼缘正好可用以支撑压型钢板。此种情况支撑两边有压型钢板底标高均在支撑下翼缘处, 需在无翼缘板一侧加焊10mm厚翼缘板作为压型钢板支撑, 并在支撑腹板上钻20mm@100mm孔作为穿筋孔。栓钉打在支撑梁下翼缘和加焊板上作为组合楼板钢筋锚固点。

搭接梁顶标高低于组合楼板底标高时, 必须确保支撑上翼缘作为压型钢板的支撑点标高, 然后根据搭接梁顶标高与组合楼板底标高差确定支撑梁切口方式, 以最大焊接长度作为切口标准。

本工程属于结构柱环形布置, 由于51～54层某些柱间配合机电要求需开大洞, 考虑柱间开大洞会影响楼板对柱的侧向约束作用, 采取特殊加强措施。采用与组合楼板厚度等高的140mm×140mm×10mm箱形组拼梁加强洞口, 箱形梁遇结构柱焊接, 遇结构梁不焊接。箱形梁与柱间加焊20mm厚钢板, 箱形梁下翼缘焊接20 000mm×200mm板作为压型钢板支撑。

根据获批的洞口支撑安装图下料、安装、焊接, 所有焊缝均为6mm (现场实操均为8mm) 双边角焊缝。高出梁上翼缘的洞口边缘支撑需打孔 (供钢筋穿过) 的则提前打孔, 上翼缘标高和主梁平齐支撑槽钢翼缘和主梁不焊接 (铰接) 以避免对主梁造成附加扭矩。

根据获批平面布置图和建筑协调好的楼板边界与洞口、压型钢板铺设方向准备压型钢板平面布置图 (见图7) , 将长度和位置相近的压型钢板作为一个打包号来打包, 加工厂根据获批的压型钢板尺寸数量清单进行加工。一般压型钢板长度≤12m满足运输要求, >12m的在下部钢梁位置断开以保证锚固位置。压型钢板运输至现场后, 工人根据压型钢板上悬挂的打包牌将压型钢板放在对应区域或楼层, 为下一步压型钢板铺设做准备。

压型钢板铺设前需将所有洞口支撑安装到位及钢筋混凝土核心筒周边角钢安装到位, 根据压型钢板平面布置图标识压型钢板开始铺设位置进行布板, 从梁翼缘开始铺设的压型钢板需先将压型钢板起始端利用自攻螺钉与梁上翼缘固定, 然后依次按压型钢板平面布置, 压型钢板与梁翼缘搭接宽度最窄处≥50mm。从钢筋混凝土墙边出发的压型钢板, 需先在混凝土墙上采用膨胀螺栓固定角钢作为压型钢板支撑, 然后依据平面布置图依次布板, 压型钢板与角钢搭接宽度最窄处≥50mm, 如图8所示。

布板过程中, 需根据图纸标识的洞口位置预留洞口, 悬挑位置提前必须做好放样工作。所有混凝土边缘均需铺设收边板以防混凝土浇筑时漏浆, 收边板每隔0.6m需安装拉条作为斜撑。

在压型钢板可从混凝土墙或钢梁开始铺设的情况下, 优先考虑从混凝土墙位置开始铺设以避免在混凝土墙位置出现压型钢板波峰不方便锚固的情况, 在钢梁位置出现波峰可将压型钢板敲平后锚固, 混凝土墙位置由于是后安装角钢不方便敲平。对于压型钢板铺设区域边缘位置, 为避免浪费小区域可采用2mm厚封板替代压型钢板, 但一定要做好压型钢板与封板及封板与收边板间的锚固。

本工程采用的栓钉有19×95, 19×120两种规格, 19×95栓钉用于140mm厚楼板, 19×95栓钉用于190mm厚楼板, 栓钉可使钢梁更好地与组合楼板协同作用, 承受钢梁与混凝土间的剪力, 栓钉通过栓焊机与钢梁连接。栓钉材质符合ASTM A108 (冷加工碳素钢及合金钢棒材规格) 标准, 等级G1015, 屈服强度≥480MPa。

ComFlor46压型钢板有2个槽位置可打栓钉, 栓钉可打在任意位置, 但必须确保栓钉压型钢板波峰另一侧栓钉打在靠近该波峰一侧, 栓钉需均在实线位置或虚线位置。对于ComFlor80压型钢板, 栓钉必须打在压型钢板槽中央。圆管柱环板上栓钉需距圆管柱管壁75mm, 至少保证栓钉与圆管柱管壁间净距≥25mm (<25mm时, 钢筋无法绑扎在栓钉上) , 如图9所示。栓钉焊接需采用E70XX焊材^[8]。

对于部分特殊位置的栓钉采用钢筋代替, 如图10所示楼梯段位置, 钢筋长度取标高差及通用栓钉长度之和, 确保钢筋可作为楼梯段钢筋有效锚固点。

科威特国民银行新总部大楼结构形式奇特, 结构布置复杂, 洞口支撑布置形式多样, 组合楼板节点复杂, 在组合楼板设计计算中涉及美国标准、英国标准、欧洲标准多种规范, 施工过程中涉及与众多相关专业的协调, 施工历时5年, 通过科学管理和有效掌控, 圆满完成了近13 000多m²组合楼板的施工, 取得了较好的经济效益。