北京新机场旅客航站楼及综合换乘中心 (指廊) 工程坐落于永定河北岸, 北京市大兴区榆垡镇、礼贤镇和河北省廊坊市广阳区之间。总建筑面积约30万m², 其中地下建筑面积约5.6万m², 地上建筑面积约24.5万m²。工程由中南、东南、东北、西北、西南共5座指廊组成, 其中最大的中南指廊建筑面积约10万m²。此外, 京霸高铁 (S1) 、新机场线 (S2) 及R4线 (S3) 3条轨道交通隧道由中南指廊的地下穿过, 3条轨道交通的建筑面积约2.1万m²。工程地下1层, 地上3层 (中南指廊3层, 其余指廊2层) , 檐口高度20m, 实际开工日期为2016年3月15日, 计划竣工日期为2019年7月15日。

本工程设置有国内远机位候机厅、国内远机位到达厅、VIP休息区、办公、安检、机房、登机口、酒店、中转等待厅等各类用房, 同时含有售票、银行ATM、电话、保险、邮局、更衣、服务、储藏、餐饮、购物等配套商业服务设施。工程首层平面如图1所示。

本工程主体结构采用钢筋混凝土框架结构, 屋顶采用钢桁架结构, 支撑部分采用钢管柱和幕墙柱, 梁柱节点处形成组合结构。组合结构中钢筋与钢结构的连接方式原设计为传统的焊接连接形式, 但柱筋是与钢结构上预先焊接的套筒连接。5座指廊共计108根钢管柱和460余根H形幕墙钢柱, 梁柱节点部位需要焊接的钢筋数量约为45 000根。梁柱节点处的钢筋纵横交错, 非常密集, 遇到无法贯通的钢筋还要增加专用连接板才能保证焊接要求, 而且梁、柱钢筋均为直径25mm以上的大直径钢筋, 焊接操作的空间也相当狭小。另外, 如此大量的焊接不仅会削弱钢筋的强度, 也会由于焊接效率低下而严重影响工程的施工进度, 采用原有的焊接连接形式不仅技术难度大, 还不能有效地保证施工质量, 况且部分节点处还未设置牛腿构件, 采用焊接连接的原设计方案并不可行。

设计单位的设计原则是梁柱节点部位的强度应大于构件的强度, 但是在施工过程中, 由于客观因素的存在, 节点部位往往成为结构的薄弱环节。因此, 如果放弃使用常规的焊接连接形式, 必须保证节点部位的连接强度能够满足设计要求。以往可以借鉴的代替方法主要有: (1) 螺栓连接采用此种连接方式需要在钢结构上开孔, 会降低钢结构强度, 节点部位也会更加薄弱; (2) 焊接专用连接板利用连接板与钢筋进行焊接, 降低焊接难度和工程量, 采用此种连接方式需要对连接板进行计算, 且梁柱节点部位构件组合形式较多, 受力复杂, 需要单独设计和计算; (3) 将钢筋弯折绕行连接采用此种连接方式会降低钢筋强度并很难保证钢筋位置的准确性。综上所述, 面对设计要求高、构件组合形式多、工程量大的梁柱节点部位施工, 以往的成熟经验并不能完全满足施工需求, 需要我们工程技术人员去研发和创新连接形式。

由于钢筋连接常用的连接方式有焊接、绑扎搭接和机械连接等, 所以, 研发的重点围绕这些方式进行。其中以机械连接方式最为成熟, 不仅质量稳定可靠, 而且连接强度高, 因此, 如何将机械连接应用到本工程梁柱节点部位便是解决问题的关键。施工总承包单位联合其他参建单位共同研制出了可调焊接式钢筋连接器技术, 并成功将它运用于北京新机场工程, 攻克了组合结构梁柱节点的钢筋连接问题。

钢筋连接器由钢结构连接套、紧固螺母、连接螺杆和钢筋连接套组成。钢结构连接套与钢结构构件焊接, 钢筋连接套与钢筋机械连接, 两者之间通过连接螺杆连接, 并用紧固螺母拧紧, 使之成为整体。如图2所示。

1) 在进行钢结构构件加工时预先焊接钢结构连接套 (见图3) 。

2) 将连接螺杆与钢结构连接套连接并将钢结构连接套一侧的紧固螺母拧紧, 另一侧的紧固螺母安装后待用。

3) 安装钢筋连接套并和钢筋连接拧紧, 之后将钢筋连接套一侧的紧固螺母拧紧, 完成整个安装过程。如图4所示。

从已使用的钢筋连接器效果来看, 新研制出的可调焊接式钢筋连接器具有以下特点:

1) 钢筋与钢结构构件连接速度快钢结构构件在工厂内加工时便已预先将钢结构连接套焊接到位, 且焊接位置比现场定位要准确。钢筋连接套与钢筋进行机械连接, 技术成熟, 工人操作简单, 比焊接作业省时省力, 提高了施工效率。

2) 钢筋连接器的轴心受拉型式检验证明钢筋连接器已经达到了Ⅰ级直螺纹接头抗拉强度标准, 连接强度高, 完全满足设计和施工要求。

3) 钢筋连接器对于不同规格的钢筋均适用, 并且不受使用位置和构件类型的限制, 适用范围广。

4) 相比焊接连接形式, 采用钢筋连接器连接可以节省材料, 节能环保。

在制作钢筋连接器样品的同时, 委托参建单位利用ABAQUS软件对钢筋连接器进行了有限元分析。分析模型由Q345钢板、钢结构连接套、钢筋连接套、连接螺杆和HRB400钢筋组成。

通过有限元分析计算, 得出了钢筋连接器的Mises应力图, 参照各种构件的抗拉强度进行对比分析, 应力计算结果如表1所示。

通过对比分析可以得出, 由于荷载以钢筋所能承受的极限抗拉强度标准值作为施加荷载, 因此, 钢筋在达到极限抗拉强度标准值后会颈缩断裂, 而其余的4类构件所承受的应力还远远小于各自的极限抗拉强度标准值。这说明钢筋连接器在极限荷载状态下仍可以保持正常工作, 况且钢结构连接套和钢筋连接套仍有很大的安全储备空间, 安全可靠, 完全满足设计和规范要求。

通过对钢筋连接器位移云图 (见图5) 初始状态和变形之后的状态对比得出, 位移主要发生在钢筋本身, 钢筋会最终破坏, 而其他构件的位移相对较小, 均未达到其最大伸长率, 没有发生破坏。软件分析的结果也同时印证了钢筋连接器轴心受拉型式检验中钢筋受到破坏的事实, 并与试验变形状态一致, 计算准确。

为了进一步证明钢筋连接器的连接强度, 委托参建单位将不同规格的钢筋连接器送往质量检测机构进行轴心受拉型式检验。通过试验结果可以得出, 钢筋连接器满足JGJ107—2016《钢筋机械连接技术规程》中对Ⅰ级接头的极限抗拉强度要求, 完全满足工程需求。

为了使钢筋连接器能够在现场顺利安装, 我们还运用了BIM技术进行了梁柱节点部位的钢结构深化设计工作。通过模型的建立, 重新排布和优化了钢筋的位置, 使钢筋的定位更加精确, 能够准确与预先焊接在钢结构上的钢结构连接套顺利连接。如图6所示。

通过对可调焊接式钢筋连接器的创新和应用后发现, 钢筋连接器的优点是连接强度高、安装速度快、适用范围广, 不仅降低了施工成本, 也提高了施工效率, 具有广泛的市场和应用前景。但从目前的使用经验来看, 由于连接螺杆的长度是确定的, 无法在尺寸上做到完全地灵活连接, 现场仍需要根据每根钢筋的位置和长度分别下料, 在这方面钢筋连接器仍有很大的改进空间, 才能进一步提高工效。