型钢混凝土构件施工中钢筋和钢骨发生碰撞时的处理方法

时间：2024-08-31

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0 前言

高层建筑和超高层建筑的大量涌现和快速发展，带动了型钢混凝土结构（也称劲性钢筋混凝土结构）的广泛应用。型钢混凝土结构不仅和钢管混凝土结构一样具有刚度大、延性好的特点，同时解决了钢管混凝土结构在防火、耐腐蚀等方面的弊端而受到设计师的青睐[1]。虽然型钢混凝土具有上述优点，但是为了满足设计抗震要求而设置的密集的钢筋和截面复杂多变的钢骨形成了复杂的干涉和碰撞关系（图1、图2），给施工带来了较大的难度。如何在满足设计要求的前提下，更加方便、可靠地施工，就成为型钢混凝土结构需要解决的关键问题。

图1 复杂的型钢混凝土构件和复杂的钢骨架

1 型钢混凝土结构的相互关系

型钢混凝土结构从材料上分为型钢、钢筋和混凝土，3 种组成相互影响、相互制约。型钢钢骨的布置会与钢筋发生碰撞，需要按照构件对于结构的重要程度及施工可行性进行避让或连接；钢筋因避让型钢导致排布形式改变，可能会影响混凝土的浇筑，需要相应配置混凝土的级配和配合比；为保证混凝土浇筑，需要对型钢进行相应的开孔处理（型钢腹板上的钢筋穿孔均在工厂制作）；型钢的布置会影响到混凝土模板和流动性的设计；而混凝土的强度等级及施工缝的设置将影响钢筋的锚固长度；钢筋与型钢的连接方式会对型钢产生额外的受力情况，使型钢处于复合应力状态[2]。

图2 型钢和钢筋碰撞示意

同时，对于型钢混凝土结构施工深化设计，首先应进行钢结构的深化设计，然后根据钢结构的深化设计方案对应进行混凝土钢筋的连接设计，最后在确定钢筋连接件的定位后，再进行钢结构的下料、施工。型钢混凝土结构的深化设计是一个多因素偶联的问题，需要先提出假定，通过进一步的推算设计来证实假定的可行性。同时，型钢混凝土结构的深化设计又是一个开放式的问题，根据施工条件的不同会形成相应的最优方案，必须紧密联系施工的实际技术、经济等情况。

2 钢筋与型钢碰撞处置的原则和方法

如前所述，由于型钢混凝土结构中型钢、钢筋、混凝土存在着复杂的连接和结合关系，因此使得施工的难度大幅度增加。首先是针对钢筋与型钢之间的碰撞问题，采用何种方法和措施让两者协同连接，符合设计受力要求，施工操作又比较方便和简单；其次是要解决模板和混凝土浇筑问题。由于型钢混凝土构件组成复杂，特别是超高层的大断面异形型钢混凝土构件，引起模板的设计和施工复杂性也大为提高。同时由于型钢和高密度钢筋的存在（图3），混凝土浇筑的难度也大为增加，施工控制不善可能引起空洞和蜂窝等质量问题。所以，需要寻求合理的方法和解决方案。

针对型钢与钢筋的碰撞问题，解决方法分类如下：

1）穿孔法。通过在型钢腹板上穿孔和在翼缘上穿孔，实现钢筋的合理穿越（图4）。而由此引起的型钢截面削弱，则需要结合孔径、板厚以及穿孔数量进行合理加强，适用于柱内纵筋与梁或斜撑相交的情况。

图3 密集钢筋和型钢

图4 穿孔法

2）焊接法。通过在型钢上焊接连接钢板或者连接套筒实现和钢筋的连接，使钢筋与型钢形成整体受力。焊接法优点是没有削弱型钢，但焊接和钢筋处理的工作量比较大，现场焊接部分操作难度较高，适用于钢筋较密或钢板较厚的情况。

3）绕转避让法。通过绕开或者折弯钢筋绕开型钢，实现了钢筋连续的同时，又不对型钢产生削弱的目的（图5）。适用于外侧钢筋或型钢尺寸较小的情况。需要注意的是，如果钢筋为主承力，则钢筋弯折需要经过设计同意。

图5 钢筋绕转避让及箍筋穿孔示意

4）钢筋替代法。通过钢筋等效替换的原则改变钢筋的直径和数量，避免钢筋与型钢的干涉关系或者减小干涉，进而采用其他方式进行简化处理。

5）等效加强法。如果钢筋被截断或者型钢被削弱，则通过等效加强，补充设置钢筋或对钢板进行加强的方法，确保构件传力路径连贯和符合设计的要求。

3 钢筋与型钢的碰撞类型及处理方法

型钢与不同钢筋类型的碰撞可分为3 类：纵向受力钢筋与型钢的碰撞；箍筋或拉结筋与型钢的碰撞；梁、板纵筋锚固段与型钢发生的碰撞。

3.1 纵向受力钢筋与型钢的碰撞处理

此种情形下，钢筋与型钢的处理原则是钢筋避让型钢。当无法避开时，可采用穿孔法和焊接法处理。当采用穿孔法时，可以配合采用等强度代换的方式增加钢筋直径，减少钢筋数量，增大钢筋间距，从而减少开孔数量。对于纵向受力钢筋，可通过公式（1）计算。

式中：n1、n2——代换前、后纵筋数量；

d1、d2——代换前、后纵筋直径；

fy1、fy2——代换前、后纵筋屈服强度。

需要注意的是，代换后应对构件的最大裂缝宽度、挠度和有效截面高度进行验算。下面对3 种方法进行具体的分析。

1）穿孔法：对于设置穿筋孔的方法，应尽量避免在型钢翼缘穿孔，型钢腹板的界面损失率宜小于腹板面积的25%。当钢筋穿孔使型钢截面削弱影响承载力时，应采取型钢穿孔处截面局部加厚的办法予以补强。

2）焊接法（焊接连接钢板）：钢筋与型钢焊接通过连接板进行焊接。连接板板厚应大于钢筋直径，型钢与连接板通过对接焊连接，钢筋与连接板通过双面焊缝焊接，焊缝长度5d，确保等强，当上下2 皮或者多皮钢筋时，相邻层的连接板可采用不同长度错开，方便钢筋连接。

3）焊接法（连接套筒）：连接套筒的方式适用于直径大于16 mm的钢筋（图6）。当套筒排布比较密集时，应考虑焊接引起的残余应力对型钢受力的影响。同时，纵向受力钢筋与型钢连接需要保证有效的传力，避免出现由于纵筋受力引起型钢的局部屈服。

图6 焊接法连接套筒连接

3.2 箍筋、拉结筋与型钢的碰撞处理

此种情形下，箍筋、拉结筋与型钢的连接方式与纵筋类似，也有穿孔法和焊接法可以选择。同时，也可以进行等强度代换来减少开孔数量，代换公式为：

式中：Asb1、Asb2——代换前、后弯筋面积；

fyb1、fyb2——代换前、后弯筋屈服强度；

Asv1、Asv2——代换前、后箍筋面积；

fyv1、fyv2——代换前、后箍筋屈服强度；

s1、s2——代换前、后箍筋间距；

h0——有效截面高度；

α——弯筋与轴线夹角。

1）穿孔法：这种方法同样要注意开孔数量对型钢截面削弱的影响（图7）。同时，当箍筋数量较多、较密时，需要协调孔轴线间的关系，避免箍筋出现过大倾斜。

图7 箍筋、拉结筋穿孔法和加强处理

2）焊接法（焊接连接钢板）：通常情况下，钢筋不宜与型钢直接焊接，箍筋与型钢的连接相关规范和标准并没有明确叙述。可以先在型钢上焊接连接板，再将箍筋焊接到连接板上。但当箍筋形式较为复杂，且箍筋环间距较小，在焊接连接板时，可能会由于连接板间距太近而导致无法施工，同时连接板也会影响混凝土的流动，因此，此种情况一般采用直接将箍筋焊接于型钢的方式（图8）。一般箍筋或拉结筋采用90°弯钩，焊接5d，但由于这种方法缺少实验数据，是否会影响箍筋传力和腹板的稳定性需要专门的分析，因此采用这种方法需要征得设计的同意。

图8 箍筋焊接连接法

而如果采用连接套筒的方法，则需要通过旋转钢筋使其与套筒机械咬合。对于箍筋，因其与型钢通常多余一点相交，无法采用该方法连接；对拉结筋则需要准确控制旋转角度，以保证最终拉结筋弯钩位置满足要求。因此，连接套筒的方法不适用于箍筋和拉结筋[3]。