高层建筑型钢混凝土组合结构转换桁架施工工法

1、高层建筑型钢混凝土组合结构转换桁架施工工法完成单位:福州铁建建筑有限公司主要完成人:蔡宗金郭自力翁志坚郭天长庄延清1 前言1.0.1 高层综合性建筑,在功能上常常是由高大空间的停车场或商场向小空间的住宅转换,为了满足建筑功能转变导致内部空间结构转换的需要,设计上常采用型钢混凝土转换桁架结构。在钢筋混凝土中增加型钢,既可以满足高层建筑高压力高延性的前提下,减小构件截面,又改变其脆性破坏的性质,型钢的塑性变形在结构中起主导作用,改善构件的抗震性能。型钢混凝土转换桁架结构,在型钢柱与型钢梁的连接、型钢柱与钢筋混凝土柱的连接、型钢梁与钢筋混凝土梁的连接、型钢梁与剪力墙的连接、型钢柱梁腹板翼缘开孔补强以

2、及节点箍筋做法上技术要求高,各工种的协作要求高,施工难度大,是型钢混凝土组合结构转换桁架施工中需解决的技术课题。1.0.2 福州铁建建筑有限公司组织技术攻关,编制了“高层建筑型钢混凝土组合结构转换桁架施工工法”,对型钢混凝土组合结构转换桁架施工技术要点、施工工艺、工序质量及过程控制进行了综合研究,重点攻克了型钢混凝土转换桁架结构在型钢柱与型钢梁的连接、型钢柱与钢筋混凝土柱的连接、型钢梁与钢筋混凝土梁的连接、型钢梁与剪力墙的连接、型钢柱梁腹板翼缘开孔补强以及节点箍筋做法等关键技术,总结出高层建筑型钢混凝土组合结构转换桁架施工工法,可指导建设工程中型钢混凝土组合结构转换桁架的施工。1.0.3 本工

3、法于2008年在厦门古楼公寓工程首次应用,随后在新建向莆铁路福州站北改扩建工程建设中得到进一步推广。其QC成果获得福建省工程质量安全管理协会二等奖、福建省优秀质量奖及中铁二十四局集团福建铁路建设有限公司2009年度科技进步一等奖。2 工法特点2.0.1 通过对型钢混凝土组合结构转换桁架中型钢柱与型钢梁的连接、型钢柱与钢筋混凝土柱的连接、型钢梁与钢筋混凝土梁的连接、型钢梁与剪力墙的连接、型钢柱梁腹板翼缘开孔补强以及节点箍筋做法等工艺的研究,解决了钢混凝土组合结构转换桁架施工难题,使型钢梁柱翼缘腹板的开孔补强、型钢梁柱与钢筋混凝土结构的连接、梁柱节点箍筋做法等达到设计要求,保证了结构受力的有效传递

4、。2.0.2 对型钢混凝土组合结构转换桁架的每一个连接节点绘制钢筋穿过型钢翼缘或腹板穿孔及补强的节点大样,预先计划转换桁架梁柱节点纵筋弯折和锚固以及穿孔补强情况。型钢柱、梁构件实行工厂化制作,保证构件尺寸精度及开孔位置的准确,保证了梁柱纵向受力筋能准确、顺利穿过型钢柱、梁,避免了现场纠偏、补开孔的工作量,保证了质量和施工进度。2.0.3 内肢箍筋分割成U形或L形,现场穿过型钢后再焊接成封闭的箍筋,箍筋上、下焊接位置交错的箍筋安装工艺,解决内肢箍筋穿过型钢柱腹板和翼缘难的问题。3 适用范围本工法适用于建筑结构中型钢混凝土组合结构转换桁架的施工。4 工艺原理4.0.1 通过绘制转换桁架梁柱节点大样

5、图,将型钢柱、梁节点处每一面的纵筋穿孔及补强,以及钢筋的弯折和锚固等情况,精确投影至二维平面,通过加工厂的测量、排尺、放线,快捷、准确地完成型钢柱梁节点钢筋穿孔的定位,提高钢筋的穿孔率。4.0.2 根据结构特点和设计要求,对梁柱的各类箍筋进行统筹安排,将柱的半数箍筋套入下段伸出楼面的型钢柱,另半数箍筋在每根型钢梁、柱吊装前套入型钢柱梁,随梁、柱吊装,待型钢梁柱焊接就位后,再逐个就位箍筋,其梁柱节点处采用将箍筋分割成U形或L形,现场穿过型钢后再焊接成封闭的箍筋,箍筋上、下焊接位置交错。4.0.3 型钢混凝土组合结构转换桁架的施工由型钢梁柱构制作与安装、钢筋安装、模板安装、砼浇筑等环节的构成。5

6、工艺流程及操作要点5.1工艺流程5.1.1 型钢组合结构构件安装施工工艺流程: 5.2 操作要点5.2.1 型钢构件的制作型钢构件及其制孔与补强均由工厂集中制作。1 型钢构件应根据设计详图按1:1的比例翻样后下料。翻样时,应根据工艺要求预留制作与安装所需的焊接收缩量及切割、刨边和铣平等加工余量。其余量参考值如下表5.2.1-1和表5.2.1-2。表5.2.1-1 焊接结构中各种焊缝的预留收缩量 注:本表中焊缝收缩量仅适用于实腹式型钢表5.2.1-2 切割及加工预留余量(mm 2 型钢构件的翼缘板及腹板穿孔及补强1型钢构件制孔,采用工厂车床制孔,严禁现场用氧气切割开孔,为保证构件的安装精度与穿孔

7、率,优先采用模板制孔,钢筋穿孔的孔径D一般为钢筋直径d+6mm。2型钢翼缘板和腹板穿孔应进行双面补强,其补强构造如图5.2.1-1: 图5.2.1-1 补强板构造图1型钢翼缘板或腹板图中尺寸值:h f=1.2(t f1/2,t= h f+24mmwD/2且不小于20mmvD且12t f和200mm的较小值t f0.5t f且0.7t fnm穿孔补强尺寸可以按该尺寸类推3当型钢梁外包梁底纵筋穿型钢柱,孔补强时其补强板尺寸高于型钢梁下翼缘板,造成型钢梁不能准确就位,此时其补强板采用保证补强面积,对高出型钢梁下翼缘的尺寸增加到孔的另一侧,具体如图5.2.1-2所示: 图5.2.1-2 型钢梁底筋穿孔

8、补强板1阴影为型钢梁下翼缘截取部分;2截取的部分另一侧增加5.2.2 型钢柱地脚螺栓的安装为了保证地脚螺栓的预埋精度,将每一根柱脚的所有螺杆用与钢板定位法兰联系制作成一个整体的框架,在承台底部钢筋绑扎完,将整个框架进行整体就位并临时定位,然后待承台面钢筋绑扎后对预埋螺栓进行第二次定位,混凝土浇灌前再次复核其位置和标高,浇灌过程中,要对其进行监控,出现移位尽快纠正。其钢板定位法兰整体框架的加固措施如图5.2.2所示: 图5.2.2地脚螺栓加固大样图1钢筋加固支撑;2底部法兰用钢筋加固;3钢板法兰盘;4焊牢5.2.3 型钢构件进场1 钢构件存放场地应平整坚实、无积水。钢构件底层垫枕应有足够的支撑面

9、,以防止支点下沉。2 钢构件应按种类、型号、安装顺序分区存放。3 相同型号的钢构件叠放时,各层钢构件的支点应在同一垂直线上,并应防止钢构件被压坏和变形。5.2.4 外包柱钢筋制作与普通钢筋制相同。其外箍筋应在梁、柱的外箍在吊装时,先套入一部份外箍于型钢梁柱与型钢梁柱一起吊装,吊装就位后,在纵筋连接前,先套柱梁的外箍,集中在一个区域,纵筋机械连接后再均匀分开。5.2.5 型钢柱的安装型钢柱采用分段制作和吊装,钢柱的吊点直接利用设在柱顶两侧临时连接板,钢柱起吊前绑好铁爬梯。1 第一节钢柱安装。第一节钢柱安装之前,首先对预埋地脚螺栓集团进行复测,并弹出柱中心线,然后根据钢柱的底标高调整好螺杆上的螺帽

10、高度,开始钢柱直接安装。钢柱用汽车式起重机吊装到位后,放置在调节好的螺帽上,并调整柱双向中心线与基础中心线相吻合。1标高调整时,先在柱身标定基准标高,然后用水平仪测定其标高,旋动调整螺母以调整柱顶标高。如图5.2.5-1: 图5.2.5-1 钢柱标高调整示意图1标高控制点;2锁紧螺母;3调整螺母2钢柱垂直度校正采用水平尺对钢柱垂直度进行初步调整。然后用两台经纬仪从柱的两个侧面同时观测,依靠千斤顶或缆风绳进行调整。如下图5.2.5-2示: 图5.2.5-2 钢柱垂直度调整示意图1经纬仪;2轴线;3借用轴线;4手动葫芦;5缆风绳2 上节钢柱的安装。钢柱吊点设置同下节柱,钢筋吊装到位后,将活动双夹板

11、平稳插入下节柱对应的耳板上,调整上下两节柱中心线至吻合,活动双夹板平稳插入下节柱对应的安装耳板上,穿好连接螺栓,连接好临时连接夹板,并按第一节柱钢柱的垂直度调整方法进行垂直度调整。活动双夹板与耳板的连接如图5.2.5-3: 图5.2.5-3 活动双夹板与耳板的连接图1中心线;2上节柱;3连接耳板;4高强螺栓;5下节柱3 为减少现场焊缝的残余变形对型钢柱垂直度的影响,采用以下的焊接顺序和方法:型钢柱上下节的对接坡口焊,采用二人同时对称跳焊,第一道焊缝厚度不超过3mm,其后每道焊缝厚度不超过5mm,每道焊缝完成后将焊渣清理干净。同时采用CO2气体保护焊及在焊的过程中用锤击,以减少焊接应力和变形。如

12、图5.2.5-4: 图5.2.5-4 上柱与下柱对接焊示意图1上节柱;2下节柱;36厚衬板5.2.6 型钢梁的安装1 型钢柱与型钢梁的连接采用刚性连接,且型钢梁翼缘与型钢柱翼缘采用坡口全熔透焊焊缝连接。连接方式如图5.2.6-1: 图5.2.6-1 转换桁架梁柱节点大样图1型钢柱;2型钢梁2 由于型钢梁的跨度大和自重较大,型钢吊装就位首先采用在型钢柱侧设置临时牛腿支撑钢梁,然后焊接。临时牛腿的做法如图5.2.6-2: 图5.2.6-2 牛腿支架1翼缘板;2钢梁底标高;310厚钢筋宽50mm;440厚钢板3 现场型钢梁、柱节点焊接的方法与措施:1选用低氢型的焊接材料,考虑到焊接接头应与母材等强的

13、原则,选用E5015型电焊条。低氢型焊条在常温下超过4h应重新烘焙,烘焙温度为350-400,时间为1.2h。2焊接方法及参数:采用手工电弧焊。焊接电流:为了避免焊缝组织粗大,造成冲击韧性下降,必须采取以下措施:选用小直径焊条、窄焊道、薄焊层、多层多道的焊接工艺。焊道的宽度不大于焊条的3倍,焊层厚度不大于5mm。第一层至第三层采用3.2电焊条,焊接电流110-130A;第四层至第六层采用4.0的电焊条,焊接电流130-180A。3现场焊接顺序:焊前预热。在翼缘板焊接前,首先对翼缘板进行预热,恒温30分钟后开始焊接。焊接的预热、层间温度、热处理由热处理控温柜自动控制,采用远红外履带式加热炉片,微

14、电脑自动设定曲线和记录曲线,热电偶测量温度。预热时热电偶的测点距离坡口边缘15mm-20mm。焊接。为了防止焊接变形,每个柱梁接头采用二人对称施焊,焊接方向由中间向两边施焊。两名焊工在焊接时的焊接电流、焊接速度和焊接层数应保持一致。在焊接一至三层结束后,背面进行清根。在使用碳弧气刨清根结束后,必须对焊缝进行机械打磨,清理焊缝表面渗碳,露出金属光泽,防止表层碳化严重造成裂纹。当焊接第二层时,焊接方向应与第一层方向相反,以此类推。每层焊接接头应错开15-20mm。焊后热处理:焊口焊接完成后在12小时内进行热处理。5.2.7 外包钢筋安装1 绘制钢筋穿过型钢翼缘板或腹板节点大样,预先计划每一个梁柱节

15、点的钢筋制作与安装。2 当内肢箍须穿过型钢时,将箍筋制作成U形或L形,现场穿过型钢后再焊接成封闭的箍筋,箍筋上、下焊接位置应错开。如图5.2.7-1: 图5.2.7-1 U形或L形箍筋大样图1单面焊10d3 为减少柱、梁纵筋穿过型钢翼缘,当纵筋绕开型钢后,内肢箍无角筋时,采用增设架立筋的方法,形成稳定的钢筋骨架,如图5.2.7-2:图5.2.7-2 梁内箍增设架立筋示意图1架立筋4 为方便型钢梁吊装就位,与其连接的型钢柱外包下柱纵筋接头应留设在型钢梁底翼缘下方,型钢梁吊装就位后,将上部钢筋穿过型型钢梁上下翼缘预留孔与下方的柱纵筋采用直螺纹套筒连接,其做法如图5.2.7-3: 图5.2.7-3

16、柱纵筋穿过型钢梁翼缘板做法示意图1直螺纹套筒;2柱纵筋;3型钢砼梁;4型钢砼柱5 由于梁纵筋直径较大,为解决纵筋弯折后穿孔难及穿孔后,极难弯折的问题,采用在梁纵筋末端用短钢筋单面贴焊的机械锚固,其锚固长度不小于0.7LaE。机械锚固做法如图5.2.7-4: 图5.2.6-4纵筋末端与短钢筋单面焊示意图1单面焊10d6 型钢砼柱与框架梁连接时,框架梁纵筋遇型钢翼缘板或腹板时,框架梁的角筋必须穿过型钢,其他钢筋水平段长度为0.4Lae时,遇型钢后弯折,保证其锚固长度。如图5.2.7-5 图5.2.7-5 梁柱节点示意图1直接通过;2穿过翼缘板;3梁角筋穿过腹板;4水平段0.4LaE时遇型钢弯折锚固

17、7 纵横向框架梁与型钢砼柱连接时,纵横向框架梁的纵筋在型钢柱的腹板或翼缘板穿孔必须相互错开,以保证梁的纵钢筋能穿过型钢腹板或翼缘板。8 型钢砼梁纵向钢筋水平方向净间距,应符合GB50010中的规定:梁上部纵向钢筋水平方面净距不小于30mm和1.5d(d为钢筋的最大直径;下部纵向钢筋水平方向的净间距不小于25mm和d。9 型钢砼柱纵向受力钢筋的净间距不应小于50mm。10 型钢砼柱和型钢砼梁的纵筋与型钢的净距不小于30mm,且不小于粗骨料最大粒径的1.5倍。5.2.8 模板安装1 由于截面内型钢,梁、柱侧模安装加固采用的对拉螺栓无法拉通,因此采用在型钢腹板纵向每隔不大于1.5m,沿梁高方向每隔不

18、大于0.5m焊接耳板,并在耳板上钻孔,孔眼尺寸应为螺栓真径d+6mm,对拉螺栓尾部弯成直角,尾部插入孔眼内,与侧模板外部楞木形成牢固拉结。如下图5.2.8-1示:1 图5.2.8-1 梁侧模加固示意图1型钢梁;250100方木;3端部弯成90的对拉螺栓;4钢管支撑;5对拉耳板2 对拉螺栓直接焊接在钢柱腹板上,焊接时对拉螺栓在钢骨柱弯曲焊接,保证焊缝长度不小于10d。具体如下图5.2.8-2。 图5.2.8-2 柱侧模加固示意图1与腹板焊接;2对拉螺栓5.2.9 型钢混凝土转换桁架混凝土浇灌1 采用级配碎石(细混凝土,先浇捣柱混凝土,后浇捣梁混凝土。柱混凝土浇筑应从型钢柱四周均匀下料,分层投料高

19、度不应超过50cm,每个柱应用4个振捣棒振捣至顶。2 在梁柱接头处和梁的型钢翼缘下部,由于浇筑混凝土时有部分空气不易排出,或因型钢混凝土梁的翼缘过宽,混凝土不易浇筑,在型钢翼缘板处预留排气孔和在型钢梁柱节点处预留混凝土浇筑孔。3 浇筑型钢梁混凝土浇筑时,工字钢梁下翼缘板以下混凝土从钢梁一侧下料,并用振捣棒在下料一侧振捣,将混凝土从钢梁底挤向另一侧,待混凝土高度超过钢梁下翼缘板100mm以上时,改为从梁的两侧同时下料和振捣,待浇至上翼缘板100mm时再从梁跨中开始下料浇筑,从梁的中部开始振捣,逐渐向两端延伸,至上翼缘板下的全部气泡从钢梁梁端及梁柱节点位置穿钢筋的孔中排出为止。5.3 劳动力组织现

20、场施工时劳动组组根据工程量、施工进度要求及工种素质等情况而定,按工艺流程分别由各专业班组担任施工操作。型钢混凝土组合结构转换桁架劳动力组织详表5.3表5.3 劳动力组织情况表(单位:工日 6 材料与设备6.1 材料6.1.1 型钢柱、梁的钢板及锚栓采用Q345结构钢,其质量符合国家标准低合金高强度结构钢GB/T1591-1994的规定,及其拉伸、冲击韧性及弯曲性能的试验结果符合要求。6.1.2 选用的焊条型号与主体金属强度相适应。手工焊接用焊条应符合现行国家规范低合金钢焊条GB5118-1995的规定。自动焊接或半自动焊接采用的焊丝与主体金属强度相适应,焊丝应符合现行国家标准熔化焊用钢丝GB/

21、T14957的规定。6.1.3 栓钉采用Q235碳素镇静钢制作,其质量符合圆柱头焊钉GB10433-89。6.1.4 原材料必须有出厂合格证明或质量证明文件,进场后必须抽样检验合格后方可使用。6.2 主要施工机具设备主要机具设备详表6 7 质量控制7.1 工程质量控制标准7.1.1 型钢构件的制作与安装质量标准钢构件制作、安装允许偏差及焊缝探伤检验要求按钢结构工程施工质量验收规范(GB50205及型钢混凝土组合结构技术规程JGJ138的要求。7.1.2 外包钢筋混凝土结构施工质量标准钢筋混凝土结构施工质量执行混凝土施工质量验收规范(GB50204规范规程的要求。7.2 质量保证措施7.2.1

22、在型钢翼缘板和腹板被外包钢筋穿过开孔的位置及其补强细化图绘制过程中发现设计施工图存在的问题,如设计外包钢筋穿插型钢有矛盾、设计理想化现场施工难以实现等。在细化过程中发现问题及时与设计单位沟通交流,征得设计单位的同意,并出书面的更改通知单。7.2.2 专职驻厂质量工程师负责监督制造厂的加工管理;从原材料的进厂质量检查,钢构件的加工过程控制,以及构件出厂质量检查。7.2.3在运输及操作过程中应采取措施防止构件变形和损坏。型钢结构安装前应对构件进行全面检查:如构件的数量、外型尺寸、螺栓孔间距、焊接坡口的角度是否符合设计要求等。7.2.4 从钢柱、钢梁的制作加工、安装方法及质量要求,在每一工序施工前均

23、由技术人员进行详细的技术交底及现场指导。对于复杂节点的处理先做样板组织现场操作人员现场学习,同时加强质检力量。质量检查工作贯穿于施工全过程,并严格执行质量奖罚制度,使施工工序质量达到要求。7.2.5安装过程中严格工序管理,做到检查上工序,保证本工序,服务下工序。钢结构安装质量控制重点:构件的垂直度偏差、标高偏差、位置偏差、焊接质量。要用测量仪器跟踪安装施工全过程。8 安全措施8.0.1 工程施工时严格执行建筑安装工程安全技术规程(JGJ59,贯彻执行“安全第一,预防为主”的方针。8.0.2 搭设与上层钢柱对接焊的操作平台。操作平台可以预先搭设,待梁安装完毕后,用塔吊吊装。如图8.0.2所示:

24、图8.0.2操作平台安装示意图8.0.3 对各类操作人员进行安全学习和安全教育,特殊工种必须持证上岗。对生产场地必须留有安全通道,设备之间的最小间距不得小于1.0m。进入施工现场的所有人员,均应穿戴好劳动防护用品,并应注意观察和检查周围的环境。8.0.4 操作者必须严格遵守各岗位的操作规程,以免损及自身和伤害他人,对危险源应做出相应的标志、信号、警戒等,以免现场人员遭受损害。8.0.5 在安装区域周边作相应的安全防护。设置警戒线,严禁无关人员进入。8.0.6 加强机械设备安全管理,防止机械带病运转。各种电动工具要定期检查、维修,防止漏电事故。施工现场的施工用电,应按施工用电方案进行统一布置,消

25、除乱拖乱拉现象。现场供电采用“三相五线制”,并装好触电保安器,用电设备应按有关规定实行一机一闸一漏电保护,并有安全可靠的接地。8.0.7所有构件的堆放、搁置应十分稳固,欠稳定的构件应设支撑或固结定位,超过自身高度,构件的并列间距应大于自身高度。构件安置要求平稳、整齐。8.0.8 索真、吊具要定时检查,不得超过额定荷载。焊接构件时不得留存、连接起吊索具。8.0.9严格执行现场用火审批制度,电气焊用火前必须办理动火审批,并设专人看火,配备消防器材。气焊工作以前,消除作业范围内易燃物品或采取有效隔离措施。9 环保措施9.0.1 成立相应的环保卫生管理机构,在施工过程中严格遵守环境保护的法律、法规,加

26、强环境、卫生、文明、安全的施工管理。9.0.2 将施工场地和作业限制在工程建设允许的范围内,现场各使用功能区域合理布置、规范围挡,做到标牌清楚、齐全,各种标识醒目,施工场地整洁文明。废水的排放、建筑垃圾的堆放和丢弃应按当地政府有关部门的规定进行管理。9.0.3 施工中采用低噪音的工序,大量焊接所产生的光污染,应采取相应措施进行防护,发现超标及时进行整改。噪音较大的工序禁止夜间作业。10 效益分析10.0.1经济效益型钢混凝土组合结构转换桁架施工工法中采用型钢构件的制作与安装的方法、焊接方法、梁柱节点钢筋的安装方法、模板加固方法和混凝土浇筑方法等施工工艺,可节省施工机械台班、钢材以及人工等费用,对高层建筑施工具用可观的经济效益。10.0.2社会效益为建筑功能上从大跨度大荷载向小跨度低荷载转换需要的型钢混凝土组合结构转换桁架,提供了一套科学系统的施工工艺。对政府的廉租房建设的业绩方面也有很大的回报。11 工程实例11.0.1工程概况厦门古楼公寓工程位于厦门市前埔南区西南侧,总建筑面积82217.25m2,建筑层数为地上29层,地下1层组成。建筑檐口高度为94.3m,抗震