大型鋼結(jié)構(gòu)預埋件施工技術(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：通過對中國地質(zhì)大學(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，得知標高變化的柱頭支座埋板施工難度出色大。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，消除因埋板開孔造成的應力集中問題。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
中國地質(zhì)大學(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)大學的標志性建筑。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，處標高為23.800 m, 處標高為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，混凝土柱頂標高復雜多變，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)預埋件主要參數(shù)
本工程網(wǎng)架支座通過預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，安放支座的預埋件建議安裝平整、位置準確且傳力可靠。
圖2 網(wǎng)架支座節(jié)點
表1 網(wǎng)架支座埋件參數(shù)
預埋板數(shù)量/件預埋板尺寸/mm預埋螺栓型號單埋件質(zhì)量/kg29450×450M2431.79
3 預埋件施工現(xiàn)場條件及施工難點分析
本工程為學校內(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，施工上建議考慮優(yōu)化整合工序。
預埋件鋼板預埋位置建議準確，由于塔吊吊裝不能實現(xiàn)且單件埋件鋼板質(zhì)量較大，因此建議多人高空作業(yè)，不斷校核、調(diào)整預埋板位置[1]，施工難度出色大。
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：將預埋在混凝土柱頭部位的螺栓先與支座預埋板焊接成一個整體，在預埋板上留設(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埋件固定，在柱頭預埋件下方側(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)整預埋件位置，保證位置準確(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留在支座埋板上的灌漿料投料孔投入，以達到消除空隙的目的[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-埋件上預留灌漿料排氣投料孔；3-混凝土投料口側(cè)。
圖6 埋板預留灌漿孔示意
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，投料排氣孔越多預埋板產(chǎn)生的變形越大。嚴重時可能形成應力集中現(xiàn)象，導致柱頭混凝土產(chǎn)生破壞，支座起不到設(shè)計的預期作用。
5 一種新方法的實踐
本工程在網(wǎng)架支座預埋板傳統(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留空隙灌入。高強注漿要求灌漿料高于埋板標高，這樣就可以通過預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)高于預埋板高度(本工程高差控制在10 cm)，說明預埋板底部縫隙已經(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)結(jié)合，但網(wǎng)架結(jié)構(gòu)支座預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，出色易給工程質(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，限度地避免了應力集中?？晒╊愃乒こ虆⒖?。
