高层建筑钢结构-钢筋混凝土组合结构施工技术研究

余永佳 （广东省构建工程建设有限公司，广东 广州 510610）

钢结构-钢筋混凝土结构是一种能够充分发挥钢与混凝土材料特性的组合结构，结构的承载能力与抗变形能力卓越，因此，在高层建筑中广泛应用。但从施工角度来讲，此类结构对施工技术要求高、难度大，施工技术运用不合理、不得当对工程质量与工期的影响较大。基于此，如何安全、优质、高效、经济地完成施工，仍是施工技术领域需要深入研究的重要课题。

1 工程概况

某高层建筑，其中1#楼为框架核心筒结构，核心筒16~19 轴线与F~K 轴线区域为钢结构，共设置14 根钢管混凝土柱，总共19层，层高4.5m。结构中钢管混凝土之间、钢管柱与筒体之间、钢管柱与边梁之间均采用钢筋混凝土梁连接，每层均形成14 个钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁组合结构。其中，钢管混凝土柱直径1200mm，高4.5m；钢管规格Φ48.3mm×3.6mm，采用高强度低合金结构钢材料Q345B，抗拉强度510MPa～600MPa，屈服强度345MPa；钢筋直径有三种类型：12mm、20mm、28mm，均为HRB400 钢筋，抗拉强度570MPa，屈服强度400MPa。

2 工艺原理与工艺流程

2.1 工艺原理

本高层项目采用钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁组合结构形式，是一种常见的钢结构-钢筋混凝土组合建筑结构。但在钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁结合部位存在特殊情况，为此，根据实际情况对施工工艺做出适当调整，并创新应用BIM 技术模型辅助钢材下料与拼装，使施工期间顺利完成钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁的组合。其中，关键工艺如下：

（1）采用预制钢管柱，在BIM技术模型的辅助下完成拼装；并辅助钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁结构的组合，确保结构中大直径钢筋预先进行精准定位，保证钢筋与钢板位置准确，使节点结构强度达到设计要求。

（2）钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁结合位置，需要特制环形梁模板配合混凝土浇筑，为此，引入“平转弧”新型模板技术，提高模板利用率，节约施工成本。

（3）由于钢筋混凝土梁与钢管柱牛腿节点位置浇筑混凝土难度大，改良钢筋混凝土梁浇筑技术，在牛腿环板上开孔，提高节点位置浇筑质量。

2.2 工艺流程

在已有BIM 模型基础上进行施工，待预制钢管柱运输至现场后开始施工。工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程图

2.3 质量控制措施

2.3.1 遵照规范

遵照国家标准规范、行业技术规范、地方强制性条文与标准规范、施工图展开质量控制工作。其中，相关规范主要包括GB 50026-2020《工程测量规范》、GB 50017-2020《钢结构设计规范》、GB 50205-2020《钢结构工程施工质量验收规范》、GB 50936-2014《钢管混凝土结构技术规范》等。

2.3.2 质量保证措施

（1）检验原材料各项质量指标，确保符合材料标准、设计要求，所有原材料均应带有合格证、质保书，进场前按规定复验。

（2）严格控制钢管柱安装位置，将轴线偏移误差以及牛腿面标高偏差控制在允许范围内。

（3）焊工必须持证上岗，按规定控制焊接时间与温度，严格执行工艺要求；一级焊缝采用超声波探伤设备判断是否合格，合格后允许进入下道工序。焊接期间设置防护装置，遮光、防风，保证焊接质量。

（4）按照技术规范要求检验构件质量，共涉及自检、互检、专检三道程序，验收合格后进场。

（5）严格落实钢管柱吊装执行标准，底层柱柱底轴线对定位轴线偏移允许偏差为±3.0mm、钢管柱定位轴线允许偏差为±1.0mm、单节柱垂直度允许偏差为h/1000且≤10.0mm。

3 高层建筑钢结构-钢筋混凝土组合结构施工技术

3.1 施工准备

3.1.1 吊装施工

根据工程特点与工期要求，钢管柱选择现场组装施工方法，先分析吊装机具选型是否可靠，再进行吊装与定位调节，保证吊装施工安全进行。

最大钢管柱长度3.365m，重量约2t 左右，拟采用35t汽车吊进行吊装施工，起吊方法为三点起吊法。35t汽车吊最大作业半径R为32m、最大地上扬程L为38m；额定起重量G为35t，支腿跨度为5.5m×6m，吊装载荷Q¹组装钢管柱重Q为3.5t；不均匀系数K1为1.1，动载系数K2为1.05，风载系数K3为1.3，基本风压W0为17.5kg/m；迎风面积S钢柱为28.8m2；吊钩重q1为0.25t，吊索具重q2为0.2t。经计算：

上述计算表明吊装安全，吊装机械选型合理。

由此，在吊装中采用35t 汽车吊配合Φ21mm 钢丝绳，其中，钢管柱上部的耳板为吊点位置，通过卸扣连接钢丝绳，将钢管柱吊装到指定位置。吊运至安装位置上方时，在悬空钢管柱控制母线外侧下方架设两台经纬仪，处于相互垂直状态，以母线为基准观察已安装钢管柱上方两条控制母线与悬空钢管柱下方两条控制母线是否在一条直线上，进行悬空钢管柱调平[1]。

调平后需要利用定位辅助装置进行钢管柱定位调节，缩小吊装误差。定位辅助装置安装在钢管柱上端四块耳板当中，在耳板外端采用竖直向上固定设施进行支撑，支撑板上端处于超出钢管柱上端面状态，超出部分利用千斤顶进行水平支撑[2]。在悬空状态下调整钢管桩位置时，在其对应倾斜方向两侧下部耳板与已安装钢管柱上部各自对正耳板之间顶接千斤顶，竖向设置即可；再在已安装钢管柱另外两个耳板用于顶接支撑板的千斤顶水平支撑位置与悬空钢管柱下部侧表面之间，沿径向方向水平设置千斤顶，通过控制四个新置千斤顶的伸缩使钢管柱筒位对准。

3.1.2 焊接施工

采用对称施焊工艺，定位上层钢管柱，校核位置准确后，在加工环节中在上层柱下口设置的45°坡口内点焊≥6mm 厚的衬板，再栓接上下段钢管柱连接所用耳板。同时，正式施焊前应清理、打磨坡口，去除油污与铁锈。

施焊中采用加热装置对坡口上下1.5 倍板厚且≥100mm范围内进行预热；接口焊缝为熔透二级焊缝，作业需要2人配合完成，分次焊满。焊接期间需注意2名焊接人员的焊接作业方式、参数、方向必须保持一致，每层连续不间断焊完，接茬位置应错开不低于50mm的距离；焊接结束后清理焊缝表面，检查是否均匀、饱满、平直、美观，控制焊缝余高0~3mm。焊接顺序如图2所示。

图2 焊接顺序示意图

3.1.3 支架搭设

钢管柱施工期间搭设支架借助PKPM 软件完成计算，保证模板受力均匀，减少施工安全风险。期间要综合考虑钢管柱牛腿弧形段安装施工需求，进行统一布置，即利用规格为48.3mm×3.6mm的钢管扣件式脚手架搭设。但也要保证其能够随模板调整布置，最后调节立杆间距、步距。

3.1.4 梁模板设计加工与安装

本环节也属于钢管柱与钢筋混凝土梁交叉施工环节，基于BIM技术模型，根据梁的位置预先进行下料定位，采用常规方法铺装，先进行底模铺装（包含钢管柱牛腿弧形段），并做好模板支撑与加固。但在钢管柱与钢筋混凝土梁组合部位涉及结构特殊的环形梁，加工时先确定钢管柱牛腿弧形段的弧度，再采用“平转弧”加工技术，利用施工中的普通平面板或梁模板，经过加工改良，将平面模板加工成圆弧模板，再以常规方法铺装。平转弧模型如图3所示。

图3 平转弧模型图

3.1.5 钢管柱内浇筑混凝土

钢管柱内浇筑混凝土采用高强度素混凝土，掺入膨胀剂，控制膨胀率在2/10000~2.5/10000内；运输时采用塔吊吊斗，配合串筒装置（由Φ200mm胶导管与模板构成）下料。浇筑期间，每次浇筑最大高度为2m，浇筑时需要充分振捣密实；并控制上下层浇筑施工间隔时间，不得超过下层浇筑混凝土的初凝时间[3]。柱内混凝土浇筑装置如图4所示。

图4 钢管柱内混凝土浇筑装置平面图

3.2 钢筋混凝土梁施工

3.2.1 梁钢筋与钢牛腿焊接

焊接前，先确定钢牛腿与梁钢筋的焊接节点，并将准备好的钢筋提前运至焊接施工位置；焊接时，按照BIM模型上给出的位置关系，在施工现场精准放样。要求焊接时两根纵筋错开布置，实施双面焊，控制焊缝长度≥5d、宽度≥0.8d、高度≥0.3d且≥4mm[4]。遇到难以实施双面焊位置，可以采取单面焊形式，但焊缝长度应≥10d。

3.2.2 钢牛腿弧形段支模

待梁钢筋安装结束后，安装加工好的弧形模板，并按照普通梁侧模安装技术进行弧形模板加固。

3.2.3 浇筑混凝土

本项目中梁与柱牛腿节点位置混凝土浇筑施工难度大，为顺利完成浇筑，对钢板进行改良，在钢环板上开洞，经计算受力仍满足设计要求，继而通过洞口浇筑混凝土[5]。洞口尺寸应保证能够伸入小型振捣棒，提高浇筑密实度，并能够通过开洞将混凝土内的空气排出。

3.2.4 养护与拆模

养护采取带模养护形式，保证混凝土表面湿润、不失水，预防早期失水过快引发的开裂问题。

在同条件下完成试块试压，确定混凝土强度达到100%后方可拆模。拆模按照“后支先拆、先支后拆、先非承重部位、后承重部位以及自上而下”的原则进行。

4 施工技术效果评价

经检测，钢管柱吊装位置偏差、钢筋安装位置与焊接质量、混凝土浇筑质量均满足设计要求，钢结构-钢筋混凝土组合结构施工技术实现了设计意图，受到参建各方的一致好评，项目管理团队也在施工期间积累丰富经验，体现出方案明确、实施有效、目标实现等履约管理能力，提高了施工作业人员的技术素质和质量意识。整个施工工艺取得了较好的综合效益。

5 结语

以某高层建筑施工为例，分析钢结构-钢筋混凝土组合结构形式的施工技术，从中得出以下结论：

（1）钢管柱等钢结构承载构件在工厂内加工成型，节约施工效率与成本，有助于控制构件质量；借助BIM技术模型下料，预防材料浪费。

（2）借助BIM 技术模型完成结构构件、模板的组合、定位、放样，节约反复协调与检查时间。

（3）通过钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁，最大程度发挥建筑材料与结构形式的优势，使内力在框架梁内传递，增强结构整体抗震性。

（4）积极创新施工装置、技术形式，提高资源利用率与施工技术水平。