劲性结构具有钢结构和混凝土结构的双重优点, 已在我国各类建筑工程中广泛使用, 经过多年的工程实践, 该结构体系施工中的重难点———钢筋与型钢的连接已具有一套成熟的处理技术, 包括套筒连接、型钢开孔、焊接钢牛腿等, 施工单位在工程开工初期, 可利用BIM技术对复杂节点建模分析, 提前模拟施工情况, 根据施工工期、经济性、可操作性、安全性等影响因素对钢筋与型钢的冲突选择最合适的处理措施进行深化设计。

重庆山水国际休闲旅游度假区体验中心项目位于重庆市璧山区, 建筑面积10 166.58m², 结构形式为框架结构、钢结构;标志塔为劲性结构的68.6m高耸结构。

体验中心首层层高为7.5m, 当首层支模架及模板铺设完成后, 其中一条框架梁由于上部恒载增加, 需要在框架梁内增加型钢, 此梁截面尺寸为300mm×800mm, 配筋形式为上部1028, 下部425, 箍筋8@100 (4) , 新增型钢截面为H200×500×10×14, 梁侧面距离型钢翼缘各边仅为50mm, 扣除梁纵筋及箍筋, 仅仅能满足钢筋的保护层厚度, 梁上部无法插入振捣棒, 则梁混凝土密实度存在较大质量风险, 同时梁侧宽度不足且型钢翼缘避免开孔, 原设计的4肢箍无法施工, 需对箍筋进行优化。

标志塔下部15m为2片独立剪力墙, 墙内含H型钢, 当剪力墙内型钢柱安装完成后, 在±0.000m标高处增加框架梁拉结2片剪力墙, 由于现场型钢柱安装完成, 规范不允许在现场开孔, 故梁纵筋、扭筋无法满足图集要求的锚固长度, 需对框架梁受力钢筋进行优化。体验中心效果如图1所示。

本工程原框架梁腰筋为构造配筋, 梁未承受扭矩, 原设计的4肢箍及混凝土提供了该梁的斜截面受剪承载力V_cs, 故V_cs为不变量, 优化原4肢箍为双肢箍, 保证现场变更的SRC (劲性钢筋混凝土) 梁具有可实施性。

原设计框架梁混凝土强度等级为C30, 箍筋为HRB400, 截面尺寸为300mm×800mm, 保护层厚25mm。当仅配置箍筋时, 矩形、T形和I形截面受弯构件的斜截面受剪承载力应符合下式:

式中:a_cv为斜截面受剪承载力系数0.7;f_t为混凝土抗拉强度1.43N/mm²;b为梁截面宽度300mm;h₀为梁截面有效高度775mm (800mm-25mm) ;f_yv为箍筋抗拉强度设计值360N/mm²;S为箍筋间距100mm;A_sv为配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积, 故A_sv=200.1mm²。

所以V_cs=791k N。

由上述计算分析, 原设计的8@100 (4) 能承受的剪力为791k N, 当优化为双肢箍时, 所需的A_sv1/S为:

故A_sv1/S= (791 000-0.7×1.43×300×775) / (775×2×360) =1mm²/mm

当优化为φ10@75 (2) 时,

1.05mm²/mm>1mm²/mm, 梁的抗剪承载力较原设计提高, 能满足设计要求。

沿梁全长箍筋的面积配筋率ρ_sv应符合下列规定:三、四级抗震等级ρ_sv≥0.26f_t/f_yv。

故优化后的箍筋面积配筋率ρ_sv=A_sv/b S=0.07≥0.26f_t/f_yv (=0.001) 。

故箍筋优化方式符合规范要求, 经过与设计单位沟通, 同意采用此种配筋形式施工, 避免了型钢翼缘开孔。

新增的型钢梁翼缘宽200mm, 而框架梁截面宽度仅为300mm, 扣除纵筋及箍筋后, 仅能满足保护层厚度, 钢筋与型钢之间的空隙无法插入振捣棒, 同时, 混凝土中的粗骨料也无法顺利进入梁内, 梁的浇筑质量得不到保证。新增型钢梁截面如图2所示。

YB9082—2006《钢骨混凝土结构设计规程》在条文说明中指出:当有某种情况而不能避免型钢翼缘上纵筋贯通孔时, 必须将型钢截面的缺损率控制在20%内, 且应保证型钢达到全塑性弯矩以前不发生破坏。经过计算, 考虑到实际存在的剪力和轴力影响, 以及利用钢材强化阶段的不安全性, 当翼缘缺损率控制在20%以内时, 可保证型钢在达到全塑性弯矩以前不发生破坏。

由于本工程型钢上翼缘影响混凝土施工, 考虑在上翼缘开混凝土进料口及振捣口, 根据前文所述, 当翼缘缺损率控制在20%以内, 即开孔≤40mm时, 符合规范要求, 同时, 该框架梁上部钢筋及型钢翼缘受压, 规范中只说明翼缘上开孔对抗弯十分不利, 故上部翼缘开孔控制在梁端1/3范围内即满足要求 (见图3) , 考虑到开孔后应力集中, 则混凝土施工完后, 采用等面积补强措施, 即加强板通过角焊缝补强。

型钢上翼缘开孔由加工厂完成, 当现场模板安装、钢筋绑扎完成后, 分2次浇筑混凝土。第1次混凝土浇筑时 (见图4) , 在振捣棒上焊接18钢筋插入型钢开孔处进行振捣, 边振捣、边浇筑, 保证型钢上、下翼缘间混凝土密实, 直到混凝土浮浆上浮至翼缘孔, 停止浇筑混凝土。

待第1次混凝土浇筑完成, 稍具一定强度后, 刮掉翼缘上表面混凝土浮浆, 用工业丙酮将翼缘清洗干净, 焊接40mm×60mm的加强板, 厚度同型钢翼缘厚度, 角焊缝h_f=5mm (见图5) 。

该方式相当于等面积补强翼缘, 型钢的抗弯能力不会被削弱, 补强板焊接完成后, 立即浇筑梁混凝土。

标志塔原设计±0.000m无框架梁, 故已施工完成的型钢柱腹板上未提前加工框架梁纵筋及扭筋孔洞, 根据12SG904—1《型钢混凝土钢筋排布及构造详图》可知, 梁上部纵筋及扭筋平直段锚固长度≥0.4l_{ab E}, 但由于规范上规定型钢严禁在现场开孔, 则根据BIM模型可知, 梁上部纵筋及一侧的扭筋无法穿过型钢腹板。

若仅仅在型钢腹板上焊接搭筋板, 将框架梁纵向钢筋及扭筋焊接在搭筋板上, 使钢筋与钢柱形成整体, 其锚固的能力更加具备可靠性, 然而当框架梁受力时, 上部纵筋所有的拉力全部传递给钢柱腹板, 钢柱腹板只能承受其轴向方向的剪应力, 垂直于轴向方向的拉力对腹板十分不利, 故梁纵筋及扭筋的拉力不能由腹板承受, 而应由钢筋自身的锚固能力承受。

本工程型钢腹板距剪力墙边200mm, 框架梁纵筋按照规范要求的平直段长度需≥352mm, 则纵筋需穿过腹板152mm, 再弯折15d;假设按上述方式锚固, 梁上部纵筋在端部所受的拉力为V, 焊接在搭筋板上的钢筋能承受V/3的拉力, 则还有2V/3的拉力由钢柱腹板承受, 若要腹板承受的拉力为0, 则应在腹腹板板另另外外一一边边提提供供22VV//33的的反反力力 ( (见见图图66) ) 。。

在腹板另外一侧再设置一块同样大小、同样材质的搭筋板, 将剩余的152mm平直段及15d弯折段焊接在搭筋板上, 以提供所需的2V/3拉力, 搭筋板的设置需保证两端在同一标高, 纵筋与搭筋板的焊接为双面焊5d, 焊缝的有效厚度为主筋直径的30%, 焊缝的有效高度为主筋直径的80%。

当在腹板两侧都设置同标高搭筋板后, 钢柱腹板可视为不参与框架梁上部钢筋受力, 钢筋所受的拉力全部由锚固段承受。

1) 当框架梁中增加型钢梁, 以原设计梁内箍筋所承受的剪力为不变量, 以增大箍筋直径、减小间距的方式优化箍筋形式, 同时应满足箍筋的面积配箍率。

2) 型钢翼缘应避免开孔, 当不能避免时, 型钢缺损率≤20%, 但当翼缘开缺口后, 应采用等面积补强方式对缺口补强, 保证其抗弯能力不被削弱。

3) 《型钢混凝土钢筋排布及构造详图》中所有梁纵筋仅与钢柱翼缘的钢牛腿进行焊接连接, 但当钢筋需要与腹板连接时, 需保证搭筋板在腹板两侧同一标高, 使腹板不承担梁主筋的拉力。