大型鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋件施工技術(shù)研究
趙延凱 寇旭東 李洪振 馮俊濤 宋士建
(山東新中魯建設(shè)集團有限公司， 濟南 250000)
摘 要：通過對地質(zhì)大學(xué)(北京)綜合游泳館工程中屋面鋼結(jié)構(gòu)支座分布及埋板參數(shù)的分析，得知標(biāo)高變化的柱頭支座埋板施工難度極大。分析傳統(tǒng)改進施工方法仍然存在埋板與一次柱頭混凝土之間留有間隙、預(yù)留的多個投料排氣孔影響埋板傳力性能的工藝缺陷。針對傳統(tǒng)改進施工方法的不足，提出一種新的網(wǎng)架支座埋板施工方法，該法通過壓差灌注灌漿料的方式，保證埋板與先澆筑混凝土柱之間無空隙，同時減少埋板開孔數(shù)量，因埋板開孔造成的應(yīng)力集中問題。通過本工程對新方法的實踐，柱頭支座埋板與一次澆筑混凝土之間漿體飽滿、密實，無縫隙，埋板放置平整，位置準(zhǔn)確；優(yōu)化了作業(yè)工序，減少了高空作業(yè)，降低了作業(yè)難度，可供同類工程借鑒。
關(guān)鍵詞：支座； 埋板； 投料排氣孔； 縫隙； 荷載有效傳遞
1 工程概況
地質(zhì)大學(xué)(北京)綜合游泳館工程包括籃球館、游泳館、羽毛球館三個主場館，是一所綜合性的體育場館；該工程地下1層，地上3層，建筑面積16 952 m2，為地質(zhì)大學(xué)的標(biāo)志性建筑。該工程建筑造型奇特，主體結(jié)構(gòu)形式為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)；籃球館屋頂為螺栓球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，羽毛球館屋頂為大跨度鋼梁結(jié)構(gòu)，如圖1所示。
圖1 綜合游泳館
籃球館屋面網(wǎng)架南北向跨度為47.6 m，東西向跨度為60 m，處標(biāo)高為23.800 m, 處標(biāo)高為18.650 m，網(wǎng)架矢高2.60 m。網(wǎng)架投影面積為2 932 m2，支撐在周邊的29個混凝土柱上，混凝土柱頂標(biāo)高復(fù)雜多變，網(wǎng)架支座為彈性支座，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)總質(zhì)量約90 t，網(wǎng)架通過支座預(yù)埋件與混凝土結(jié)構(gòu)連接。
羽毛球館屋面南、北主梁跨度為33.8 m，東、西方向次梁累計跨度為60 m。整個鋼架總質(zhì)量約95 t，通過埋件與混凝土結(jié)構(gòu)連接。
工程2008年12月開工，2011年5月竣工，工程質(zhì)量優(yōu)良，被評為北京市結(jié)構(gòu)“長城杯”。
2 場館鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋件主要參數(shù)
本工程網(wǎng)架支座通過預(yù)埋與混凝土柱端有效連接，支座樣式如圖2所示。整個網(wǎng)架結(jié)構(gòu)質(zhì)量較大，對支座要求高，安放支座的預(yù)埋件必須安裝平整、位置準(zhǔn)確且傳力可靠。
圖2 網(wǎng)架支座節(jié)點
表1 網(wǎng)架支座埋件參數(shù)
預(yù)埋板數(shù)量/件預(yù)埋板尺寸/mm預(yù)埋螺栓型號單埋件質(zhì)量/kg29450×450M2431.79
3 預(yù)埋件施工現(xiàn)場條件及施工難點分析
本工程為學(xué)校內(nèi)施工，可供施工場地狹小，垂直作業(yè)面要求高?；@球館網(wǎng)架支座數(shù)量多,支座分布在柱網(wǎng)邊緣，支座位置如圖3所示。因工程屋面造型需要，柱頂標(biāo)高呈曲線變化，如圖4。
圖3 場館支座位置
圖4 支座點柱頂標(biāo)高
埋件施工時，由于工作量零星需要多次進行高空移換作業(yè)位置，作業(yè)危險性高。因此，施工上必須考慮優(yōu)化整合工序。
預(yù)埋件鋼板預(yù)埋位置必須準(zhǔn)確，由于塔吊吊裝不能實現(xiàn)且單件埋件鋼板質(zhì)量較大，因此必須多人高空作業(yè)，不斷校核、調(diào)整預(yù)埋板位置[1]，施工難度極大。
4 傳統(tǒng)施工方法的局限性及原因分析
常見的改進柱頂埋件施工方法為：將預(yù)埋在混凝土柱頭部位的螺栓先與支座預(yù)埋板焊接成一個整體，在預(yù)埋板上留設(shè)高強灌漿料投料孔。柱頭混凝土澆筑時，將支座預(yù)埋件地腳螺栓連同已經(jīng)焊接好的埋板，一并安放在柱頭位置?；炷翝仓靶兄ёA(yù)埋件固定，在柱頭預(yù)埋件下方側(cè)面留設(shè)混凝土投料口，另一側(cè)面留設(shè)振搗棒振搗口，混凝土澆筑過程中不斷校核調(diào)整預(yù)埋件位置，保證位置準(zhǔn)確(進行二次高強灌漿料施工前將混凝土投料口及振搗棒振搗口圍封)。柱頭混凝土澆筑完畢后，地腳螺栓會與混凝土形成一個整體[2]，埋板與混凝土柱頂間存在無法密實的空隙通過預(yù)留在支座埋板上的灌漿料投料孔投入，以達(dá)到空隙的目的[1-3]，如圖5、圖6所示。
1-柱頭通過灌漿處理后，埋件鋼板與柱頭存在不密實間隙；2-混凝土澆筑完成該口封閉；3-預(yù)留混凝土投料口；4-投料口以下的混凝土；5-灌漿料；6-柱子模板。
圖5 傳統(tǒng)工藝示意
1-振搗棒插入口側(cè)；2-埋件上預(yù)留灌漿料排氣投料孔；3-混凝土投料口側(cè)。
圖6 埋板預(yù)留灌漿孔示意
改進傳統(tǒng)方法的局限性：傳統(tǒng)施工方法改進后，減少了工序，縮短了工人高空作業(yè)時間，但在通過支座埋件上開的排氣投料孔進行二次灌漿時，孔洞周邊仍存在未密實的間隙。因為通過預(yù)留在埋板平面的投料排氣孔填充高強度灌漿料時，僅依靠灌漿料的流動性實施，會因無壓力使埋板與二次灌漿料澆筑面之間存在縫隙，見圖5。
因為支座埋板的作用是將網(wǎng)架的荷載通過支座、埋件傳遞到支座所在的混凝土柱頭上。荷載傳遞過程中，埋件鋼板會在網(wǎng)架自重荷載的作用下發(fā)生變形。其應(yīng)力計算式為：
σ=ΔF/ΔA
(1)
式中：ΔF為所施加的力；ΔA為受力面積。當(dāng)ΔA減少時，網(wǎng)架分配到支座上的重力荷載不變的情況下，σ應(yīng)力變大。 故這種開孔后用灌漿料二次澆筑的方法，投料排氣孔越多預(yù)埋板產(chǎn)生的變形越大。嚴(yán)重時可能形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致柱頭混凝土產(chǎn)生破壞，支座起不到設(shè)計的預(yù)期作用。
5 一種新方法的實踐
本工程在網(wǎng)架支座預(yù)埋板傳統(tǒng)施工方法的基礎(chǔ)上提出了一種新的施工方法：柱頭混凝土次澆筑完成后，在埋板下方一定距離(該距離可根據(jù)一次混凝土澆筑高度和地腳螺栓的預(yù)埋長度等因素確定，本工程為埋板下50 cm)處支設(shè)將埋板包圍的柱頭模板；新支設(shè)的柱頭模板須將預(yù)埋板及埋板與一次澆筑混凝土之間所存空隙的部位圍蔽。模板與柱頭設(shè)計尺寸間留設(shè)一定空隙(本工程留設(shè)20 cm)，且模板高度要高于埋板一定距離(本工程高于埋板10 cm)，以便在灌注漿料時形成壓差產(chǎn)生壓力，通過灌漿料超灌部分產(chǎn)生的壓力將埋板底部填充密實，如圖7所示。
1-灌漿料投料口；2-溢漿管；3-灌漿口外擴模板；4-投料口以下的混凝土；5-柱模板。
圖7 新工藝示意
在預(yù)埋板上，取消高強度灌漿料投料孔，僅設(shè)置一個灌漿溢流孔，將小于孔口直徑的PVC管插入孔內(nèi)并固定密封(這樣可以限度保證網(wǎng)架支座預(yù)埋板有效傳遞荷載面積不被減少，埋板不會產(chǎn)生破壞性應(yīng)變，使網(wǎng)架分配到支座上的荷載能有效傳遞到結(jié)構(gòu)柱上)。在進行柱頭埋件二次灌漿料填充時，將漿料沿著埋板與模板之間的預(yù)留空隙灌入。高強注漿要求灌漿料高于埋板標(biāo)高，這樣就可以通過預(yù)留在埋板上的灌漿溢流管觀察。如果灌漿溢流管內(nèi)的漿體已經(jīng)高于預(yù)埋板高度(本工程高差控制在10 cm)，說明預(yù)埋板底部縫隙已經(jīng)填充密實；如果溢流管內(nèi)無高于埋板高度的漿體，說明埋板下方仍存空隙，這時要加大灌漿高度，通過內(nèi)、外壓差產(chǎn)生的壓力將埋板下空氣排走，使縫隙填充密實，如圖8所示。
1-該孔內(nèi)插入軟管，觀察溢漿。
圖8 溢漿觀察孔示意
待灌漿料初凝后，將高于埋板高度的漿體清理干凈，注意嚴(yán)禁使埋板和柱頭部位產(chǎn)生振動。
6 結(jié)束語
建筑以越來越多樣化的形式不斷呈現(xiàn)，由于鋼結(jié)構(gòu)的大量應(yīng)用，使建筑藝術(shù)沖破了傳統(tǒng)鋼筋混凝土工程的束縛，使大空間、大跨度的功能要求與外部造型要求實現(xiàn)融合，但網(wǎng)架結(jié)構(gòu)支座預(yù)埋件施工的問題不可避免。盡管改進傳統(tǒng)施工方法，能夠減少工序，但埋板下部的縫隙仍可能存在，極易給工程質(zhì)量留下隱患。
本工程所采用的網(wǎng)架支座新型施工技術(shù)，通過圍蔽柱頭、埋板并周圈預(yù)留投料口，灌漿料超高灌入，溢漿管求證密實的方法施工，確保了支座埋板下方灌漿料填充密實。埋板上支設(shè)一個溢漿孔，保證了埋板傳遞荷載的有效面積，限度地避免了應(yīng)力集中?？晒╊愃乒こ虆⒖?。
