大跨度大截面劲性梁安装施工技术

涂刚要，程玉柱，李 新

(合肥建工集团有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引言

劲性混凝土结构的应用，可成功满足大跨度、超高层等复杂构造节点形式的结构受力要求，但也带来了新的施工问题[1]。由于劲性结构钢骨的存在，劲性结构节点处的连接非常复杂，框架现浇混凝土梁钢筋遇到劲性柱无法全部贯通，而直接在型钢上开孔又会降低结构安全性，因此梁柱节点通常存在钢筋施工困难、质量难以保证等问题[2-3]。

武大伟[4]发现高层建筑中应用劲性结构易在节点位置存在问题，利用BIM技术重点对高层建筑结构劲性柱与梁、楼板、剪力墙等节点进行研究。侯建军[5]结合案例针对复杂劲性混凝土梁柱逆作法施工技术难点进行控制研究。金壬根等[6]针对框架现浇混凝土结构中劲性结构钢筋绑扎、支设模板等难点问题，重点在劲性结构内型钢钢骨的设计、加工、安装、绑扎及模板等环节进行深化设计研究。张怡等[7]结合国家速滑馆项目，阐述异形劲性结构施工工艺及高效、高质量施工技术。

本文结合某框架结构工程实例，阐述综合考虑塔式起重机吊装能力及劲性梁钢骨安装精度，采用劲性梁钢骨节段吊装组拼的施工方法，保证了梁柱节点、梁梁节点的安装质量及项目整体施工进度。该工程采用MIDAS Gen有限元软件对大跨度大截面劲性梁施工阶段、正常使用阶段进行验算分析，从而验证大跨度大截面劲性梁安装方法的可行性，为同类工程提供参考。

1 工程概况

XZQTD175地块禹洲(银河park)商业项目主体为高层框架结构，总建筑面积171 437m2，其中地下建筑面积97 150.1m2，地上建筑面积74 286.9m2。 地上结构主体部分6层，裙房部分4层，主要功能包括商业、餐饮、儿童活动、溜冰场、电影院等。该工程使用大量混凝土梁及大跨度劲性梁结构，大跨度劲性梁结构分布在各楼层中，其中4层结构大跨度劲性梁分布最多。以项目A区为研究对象，对大跨度大截面劲性梁安装施工技术进行阐述。A区结构平面如图1所示。A区大跨度劲性梁构件尺寸如表1所示。

图1 A区结构平面

表1 A区大跨度劲性梁构件尺寸 mm

2 劲性梁安装施工技术

施工时，型钢梁在专业钢结构加工厂分段加工，编号运送至施工现场集中堆放。劲性梁安装施工流程为：施工准备→钢梁运输及堆放→钢柱施工→搭设梁底支撑架→梁底模支设→钢梁吊装就位→钢梁拼装→劲性梁钢筋绑扎→梁侧模板支设→混凝土浇筑。

1)施工准备 熟识图纸，配合钢结构生产单位完成钢梁分段设计，复验钢材质量，参与钢结构的加工制作、焊接与安装。

2)BIM技术应用 利用BIM技术对梁柱钢骨节点、梁梁钢骨节点进行三维建模(见图2)，分析钢骨安装及钢筋绑扎的碰撞问题，对施工人员进行可视化交底。

图2 BIM三维整体模型

3)钢梁运输及堆放 对钢梁按位置、尺寸等信息进行详细编号，根据塔式起重机起重性能，每段钢梁重应≤6t。运输至施工现场后，集中堆放在便于吊装的场地，并做好钢梁防污染及防变形措施。

4)钢柱施工 定位测量放线完成后，分段吊装钢柱，每根柱分2节吊装，下一节用地脚螺栓固定，钢柱下一节垂直度校正后再吊装上一节，两节间采用焊接连接。

5)梁底支撑架搭设 编制高支模专项方案，并组织专家论证，严格按专家论证通过后的方案搭设。

6)梁底模支设 依据标高控制线、梁起拱高度等明确梁底标高，并支设梁底模板，然后在梁底模上间隔设置支撑，用于临时支撑型钢梁及控制梁底标高，支撑高度为200mm。

7)钢梁吊装就位 吊装起重设备为现场施工塔式起重机，每段钢梁加工时均在翼缘部位设置2个吊环，用钢丝绳绑牢固，平稳起吊。钢梁就位前需进行微调，司索工和塔式起重机驾驶员须密切配合，确保钢梁平稳、准确就位，就位后再次进行标高、轴线误差检查及校正。

8)钢梁拼装 型钢梁与型钢柱、型钢梁间的连接，上、下翼缘采用坡口焊接，腹板采用高强螺栓连接，同一根梁上、下翼板先焊下翼板，后焊上翼板。

9)劲性梁钢筋绑扎 劲性梁纵向受力钢筋采用机械连接，混凝土梁柱节点处，当梁纵向钢筋不能穿过柱钢骨时，经设计单位确认并同意后，将梁纵向钢筋沿柱钢骨表面弯起,并在钢柱表面焊接搭接板，纵向钢筋与搭接板、柱钢骨表面焊接。

10)梁侧模板支设 梁侧模对拉螺栓焊接在腹板两边，在梁侧模底部开φ30小孔，然后用硬质透明材料嵌填，观察混凝土浇筑时振捣是否密实。

11)混凝土浇筑 劲性梁混凝土强度等级为C40，选择粒径小、级配良好的骨料，配合比设计时考虑提高和易性，掺入粉煤灰，选用小直径振动棒进行混凝土振捣，并适当增加振捣时间。

12)劲性梁拆模 混凝土浇筑7d后开始拆除侧模，从混凝土浇筑完毕起28d，且混凝土强度等级达到100%后方可拆除梁底模。

3 劲性梁施工重难点

1)大跨度大截面劲性梁箍筋绑扎采用先开口后搭接绑扎的施工技术。

2)大跨度大截面劲性梁安装后，为解决梁下部钢筋绑扎困难的问题，改变传统施工顺序，采用先绑扎梁底部钢筋，后架设梁底板的措施。

3)大跨度大截面梁钢筋密集，混凝土浇筑困难，因此采用自密实混凝土施工。

4)大截面劲性梁纵向钢筋连接优化 梁两端与矩形钢柱上预留套筒连接，预留套筒在钢柱出厂时已焊接在钢柱上。劲性梁主筋(φ32)在梁中部时按常规做法只能采取绑扎或单面焊连接，但按现行验收规范要求，直径>28mm的钢筋需采用机械连接，若按常规做法不符合规范要求。针对这一技术难点，在劲性钢筋混凝土梁主筋中部采用长丝套筒进行连接，即在中部主筋加工1段丝扣，长度刚好等于1个套筒长度，先将套筒全部拧入，待与之连接的另一根主筋到位后将套筒后退拧入，解决梁纵筋在中部的连接问题。

5)钢柱、钢梁变形优化调整 混凝土和钢材2种材料弹性模量差别较大，随着结构高度的不断增加，混凝土结构和钢材压缩变形不断增大，变形绝对值差别也较大，且混凝土材料还存在干缩变形，钢柱、钢梁存在焊接收缩变形。为确保施工阶段结构变形不影响结构安全和工程竣工后的使用功能，采取以下措施。①施工前采用计算机仿真技术模拟实际施工过程，并根据计算结果确定变形协调措施，计算出每层钢柱、钢梁需协调的压缩、焊接收缩变形值，在深化设计中进行考虑。通过测量对变形值进行偏差校核，对后期施工的型钢骨架进行调整。②利用ANSYS软件进行模拟分析，然后根据复杂节点制作经验判断分析结果，在深化设计时进行调整，同时参照JGJ 99—2015《高层民用建筑钢结构技术规程》中第11.8.10条规定对钢结构施工阶段柱与柱、梁与柱焊接引起的收缩进行预调整。

4 劲性梁施工阶段安全计算

4.1 模型建立

利用MIDAS Gen对结构施工阶段安全进行分析，A区结构整体模型如图3所示。

图3 A区结构整体模型

由于A区整体构件数量众多，且构件包含混凝土梁与劲性梁构件，因此主要选择A区结构典型不利区域进行分析(见图4)。该区域主要由大截面劲性梁构成，主要为结构～轴与轴覆盖区域。

图4 典型不利区域

典型区域劲性梁混凝土外包部分强度等级为C40，内部H型钢材料为Q345，结构约束主要为劲性梁与底部支撑交接位置采用点约束，以此简化柱对梁的约束。施工阶段分为钢骨安装CS1和混凝土浇筑CS2 2个阶段，CS1阶段施工荷载为钢梁自重；CS2阶段施工荷载主要考虑增加的混凝土自重，以线荷载形式进行考虑。

混凝土容重取25kN/m3，A区所选典型区域劲性梁构件包括JXL-1，JXL-2，JXL-3，JXL-6，JXL-12 5种，经计算，线荷载分别为40，30，24，18，7kN/m。

4.2 挠度变形结果分析

典型不利区域在不同施工阶段挠度变形结果如图5所示。CS1阶段结构整体最大变形为3.41mm；CS2阶段结构整体最大变形为26.21mm。规范允许挠度最大值为L/250=49.1mm，结构挠度变形满足要求。

4.3 应力结果分析

典型不利区域在不同施工阶段的组合应力结果如图6所示。CS1阶段结构组合应力最大值为10.3MPa，CS2阶段结构组合应力最大值为80.4MPa，Q345钢材屈服强度为310MPa，满足施工安全要求。

图6 不同施工阶段组合应力(单位：MPa)

5 劲性梁正常使用阶段安全计算

5.1 模型简述

由于模板支设难度大，在施工过程中支撑数量相对较少，从而导致钢骨承受了大部分现浇混凝土自重，结构在正常使用前就存在初始应力，因此考虑在施工阶段初始应力存在的情况下，验算结构在正常使用过程中是否满足要求。在施工阶段安全计算后继续对结构进行分析，保留施工阶段计算结果，并在典型区域继续增加混凝土梁板构件(见图7)，在施工阶段POSTCS后考虑正常使用下结构荷载对结构进行计算。

图7 正常使用下结构模型

典型区域结构在正常使用情况下，按原结构设计要求考虑楼面恒荷载D=2.7kN/m2，楼面活荷载L=4.0kN/m2，计算分析的荷载组合为：①组合1 1.35D+1.4×0.7×1.0L；②组合2 1.3D+1.5×1.0L。

5.2 挠度变形结果分析

典型区域在荷载组合2下挠度变形结果最不利，如图8所示。结构的最大挠度变形值为20.0mm<49.1mm，满足规范要求。

图8 正常使用下挠度变形(单位：mm)

5.3 应力结果分析

典型不利区域在正常使用下梁单元应力如图9所示。结构在荷载组合2下应力值最大，为119.2MPa<310MPa，结构在正常使用下仍有较大的安全储备，满足正常使用要求。

图9 正常使用下梁应力(单位：MPa)

6 结语

1)针对大跨度大截面劲性梁安装施工，形成了大跨度大截面劲性梁安装施工技术，在保证劲性梁钢骨架安装质量与精度的同时，降低了施工难度。

2)通过有限元建模计算分析，在劲性梁钢骨安装阶段、混凝土浇筑阶段及正常使用阶段，典型区域劲性梁构件的挠度变形、应力均满足规范要求，具有良好的安全储备，形成的大跨度大截面劲性梁安装施工技术在工程上具有安全、适用特点，可为类似工程项目施工提供经验。