靖江文化中心位于靖江市滨江新城区, 毗邻马洲公园和市行政中心, 是集文化培训和展示、文化演艺和交流、文化娱乐和消费于一体的超大型市民文化活动综合体。总用地面积11.2万m², 总建筑面积15.6万m², 其中地上9.8万m², 地下5.8万m², 东西长364.2m, 南北宽128.7m, 地下1层, 地上10层 (最高) , 建筑屋顶标高49.550m。

该项目从建筑功能上可分为商业剧场区及高层文化区。其中, 商业剧场区由支撑大跨桁架层的4个巨型核心筒及剧场组成。桁架最大跨度为101.3m, 商业剧场区南侧最大悬挑为18.5m。高层文化区由图书馆/报社、文化馆、规划馆/博物馆3栋高层建筑组成, 高层建筑主体结构在3, 4层外侧及之间由钢结构桁架连接或悬挑, 桁架最大跨度为63m, 最大悬挑为13.5m。高层文化区和商业剧场区之间通过竖向约束的双向滑动支座联系。

本项目钢结构材质有Q345B, Q345GJC, Q390GJC, 铸钢G20Mn5QT等, 钢板最大厚度为150mm, 总用钢量为3.3万t, 钢结构分布如图1所示。其中, 地下复杂型钢混凝土结构、巨型核心筒是本工程深化设计的重点、难点。

本工程商业剧场区及高层文化区共有7个混凝土核心筒。核心筒型暗柱内型钢截面形式主要为十字形。工厂十字形柱加工制作流程为:先将十字形柱拆分成一个工字形柱和2个T形柱分别组立, 然后加隔板进行组焊。其中, T形柱与工字形柱腹板本体焊缝的焊接采用悬臂式埋弧自动焊接设备。加劲板和牛腿组立, 采用CO₂气体保护焊。

原设计十字形柱存在很多截面形状不合理的情况:截面翼缘间距D和中心到翼缘边连线夹角θ太小, 导致埋弧焊机头不能伸入十字形柱内部焊接腹板本体焊缝, 同时车间工人无法焊接横隔板在十字柱阴角处 (此处为盲区, 焊工视线无法到达) 的焊缝, 如图2a所示。符合加工要求的十字形柱截面的几何尺寸需满足:焊缝深度<250mm, 手工焊时开口宽度需≥90mm;采用悬臂式埋弧焊时, 开口宽度需≥140mm。焊缝深度≥250mm, 手工焊时开口宽度需≥120mm, 且坡口视角需>15°;采用悬臂式埋弧焊时, 开口宽度需≥140mm, 如图2b所示。

本工程结合车间加工要求将部分不合理十字形柱截面进行优化, 优化原则为修改后截面外轮廓尺寸尽量保持不变, 通过调整翼缘、腹板壁厚保证面积及两主轴方向惯性矩不小于原截面。商业剧场区和高层文化区核心筒型钢柱共计优化13种截面。

由于本工程为超大型综合体, 设计采用大量中空、外挑、不规则等建筑造型, 结构受荷大、构件配筋大, 导致主体结构特别是地下室存在大量复杂型钢混凝土节点, 深化设计复杂。主要表现为: (1) 多根梁汇交于1根柱上, 连接角度及节点多。 (2) 混凝土梁或型钢梁钢筋数量密集, 同时连接于型钢柱同一标高处, 多层钢筋相互重叠, 穿插避让困难。由于型钢柱空间有限, 单纯一种连接方式无法保证每根梁钢筋连接到位。 (3) 柱纵向钢筋被梁牛腿翼缘阻挡, 柱箍筋被梁牛腿腹板阻挡, 梁纵向钢筋及扭筋被柱翼缘或腹板阻挡。

型钢混凝土结构中钢筋与型钢连接通常采用型钢穿孔、钢筋搭接板、钢筋套筒3种连接形式。

1) 型钢穿孔能较好地实现有钢筋贯通需求的节点, 但设计中应避免在型钢翼缘上穿孔并尽量减少钢筋穿过型钢的数量。当型钢腹板截面损失率超过腹板面积的25%时, 应采用补强板进行补强。常用钢筋穿孔孔径如表1所示。

2) 钢筋搭接板为钢筋通过焊缝与搭接钢板连接, 搭接板角度可灵活设定, 满足不同方向钢筋传力要求。钢筋搭接板厚度取值要求一般为:钢筋直径≥25mm时, 板厚取25mm;直径<25mm时, 板厚取20mm。钢筋宜采用双面焊, 当不能进行双面焊时, 方可采用单面焊。双面焊时, 钢筋与钢板的搭接长度应≥5d (d为钢筋直径) ;单面焊时, 搭接长度应≥10d。

3) 钢筋套筒连接为钢筋在现场通过套丝机加工丝头, 直接拧入螺纹套筒, 套筒与型钢全工厂化焊接, 如图3所示。此种连接方式强度高、质量稳定可靠。机械连接套筒的纵、横向净间距宜≥30mm, 且不应小于套筒外径。

3种连接形式优缺点对比如表2所示。

为保障所有复杂型钢混凝土节点钢筋能连接到位、构造符合设计要求且能有效降低工厂制作和现场施工难度, 结合钢筋与型钢常用连接形式, 与土建单位、设计单位共同制定本工程深化放样原则为: (1) 梁上铁钢筋应有≥50%、下铁应有≥30%面积的纵筋穿过或绕过柱内型钢连续配置。 (2) 箱形劲性柱梁统一加腋至700mm宽, 角筋从钢柱两侧绕过, 如满足通过率, 则中间纵筋套筒连接;如不满足通过率, 则中间纵筋穿孔通过钢柱。 (3) 对于十字形劲性柱, 当梁宽为500mm时, 角筋从型钢柱腹板穿过, 达不到通过率则加腋至700mm宽, 角筋从型钢柱两侧绕过;当梁宽为600mm时改为700mm宽, 角筋从钢柱两侧绕过;在满足通过率的情况下, 第2排钢筋弯锚即可。 (4) 当梁1排钢筋数量较多时, 为保证通过率, 同时避免开孔较多, 减少对钢柱本体削弱, 在保持钢筋数量不变的情况下, 可排布为2排, 但应通知设计单位。 (5) 当梁上铁钢筋只有5根且满足50%的通过率有困难时, 可允许2根角筋穿过或绕过型钢柱。 (6) 当梁钢筋在型钢柱穿孔通过而与其他方向梁套筒或搭接板在柱内对应的隔板碰撞时, 隔板可适量移动一定距离。

本项目劲性柱采用埋入式柱脚, 埋入深度1m, 柱脚区域承台厚度为1.7m。柱脚处钢筋数量大, 与钢柱交叉碰撞多, 如图4a所示。

柱脚深化时, 首先在深化软件中进行钢结构柱脚建模, 然后对承台钢筋放样, 承台钢筋排布原则需提前与土建专业沟通确认。本项目承台顶部钢筋排布原则为:字母轴 (x轴) 向钢筋在外侧, 数字轴 (y轴) 向钢筋在内侧。根据承台钢筋位置、直径、间距确定钢筋与埋入式柱脚搭接节点做法。本工程采用钢筋搭接板连接, 搭接板宽度取5d+50mm (d为钢筋直径) 。搭接板下设三角加劲板, 个数根据柱翼缘宽度设置。柱翼缘宽度b≤300mm时, 设置1道;300mm<b≤500mm时, 设置2道:b>500mm时, 设置3道。当柱纵筋与搭接板碰撞时, 搭接板对应位置开设钢筋孔, 如图4b所示。

以商业区 (32) /K轴为例, 混凝土柱截面为700mm×700mm, 周边连接3根混凝土梁和1根劲性梁, 梁、柱配筋如图5所示。

为加强节点连接可靠性, 深化建模时在混凝土柱中设置H型短钢柱, 长度为超出型钢梁上、下翼缘1 000mm。短钢柱截面的翼缘厚、腹板厚、柱宽与型钢梁截面保持一致, 柱高取350mm。与型钢梁1对应的混凝土梁2内设短钢梁, 截面与型钢梁截面一致, 长度取1/4混凝土梁净跨长度, 如图6所示。

将节点区域所有钢筋深化放样。型钢梁1和混凝土梁2上铁钢筋均为, 上排角部和下排从柱内型钢两侧绕过, 满足50%通过率;上排中间焊接在短钢柱翼缘钢筋搭接板上, 短钢柱在搭接板对应位置处设加劲板。混凝土梁3, 4上铁配筋均为。角筋从柱内型钢两侧绕过, 满足50%通过率。中间焊接在混凝土梁2钢筋搭接板对应柱内加劲板上, 如图7a所示。

型钢梁1下部配筋为, 全部从柱内型钢两侧绕过。混凝土梁2下铁配筋为, 其中两侧从柱内型钢两侧绕过, 中间用套筒连接于柱内型钢翼缘, 短钢柱在套筒对应位置处设加劲板。混凝土梁3下铁配筋为, 此处将钢筋排布为三排, 角部从柱内型钢两侧绕过, 第2排在柱内型钢腹板开孔穿过, 第3排在型钢柱腹板设加劲板作为搭接板。混凝土梁4下部配筋为, 两侧从柱内型钢两侧绕过, 中间焊接在钢骨翼缘对应柱内加劲板上。柱在两方向均为5肢箍筋, 钢柱腹板和钢梁牛腿上开设5列箍筋孔。柱纵筋与钢梁牛腿翼缘碰撞处通过套筒连接, 如图7b所示。

以商业剧场区 (42) /T轴为例, 劲性柱截面为1 300mm×1 700mm, 内含箱形柱截面为□1 200×800×50×50。周圈4根劲性梁截面为700mm×1 100mm, H型钢骨柱截面为H800×400×16×25, 上、下部配筋为, 两侧均有抗扭钢筋, 柱配筋如图8所示。

钢骨梁上、下铁中间与型钢柱上套筒连接, 角部在箱形柱上穿孔通过, 箱形截面穿孔在外侧单面补强, 补强板尺寸参照型钢混凝土组合结构构造图集设置, 柱身两方向钢筋开孔需错开36mm。梁两侧抗扭钢筋与箱形柱上套筒连接, 如图9所示。

柱身小箍筋与预留在型钢柱上的搭接板焊接, 搭接板板厚取箍筋直径, 宽度为70mm, 置于钢筋内侧。在柱纵向方向, 此类搭接板遇上、下节柱续接或牛腿时断开, 留50mm间隙。柱纵筋遇型钢梁牛腿翼缘通过套筒连接, 柱箍筋遇型钢梁牛腿腹板开孔通过, 如图10所示。

商业剧场区有4个巨型混凝土核心筒支撑3, 4层大跨度桁架。核心筒1, 3标高从地下室底板顶-12.200～10.580m, 核心筒2, 4标高从地下室底板顶-12.200～19.400m。剪力墙厚度为1.3m, 混凝土强度等级为C40, 内藏立体钢桁架, 材质均为Q390GJC。其中核心筒2和核心筒4从顶部向下13.5m高度范围内藏30mm厚钢板, 为钢板剪力墙, 如图11所示。

核心筒内钢筋关系复杂, 主要构件配筋参数如表3所示, 典型边缘构件配筋大样如图12所示 (图12中所示边缘构件钢筋除注明外, 水平筋规格均同相应墙配筋, 间距100mm, 封闭箍筋和拉筋均为;纵筋规格均为, 弯折锚固于型钢翼缘附近) 。

核心筒内立体钢桁架与钢筋的交叉多, 处理难度大: (1) 暗柱纵筋与斜撑翼缘或暗梁、连梁钢骨翼缘碰撞; (2) 暗梁和连梁纵筋多且排数多, 与暗柱钢骨及斜撑翼缘碰撞; (3) 墙体对拉钢筋需要贯穿桁架斜撑及上部钢板剪力墙; (4) 墙体水平分布钢筋与暗柱钢骨碰撞; (5) 暗柱箍筋、拉筋贯穿暗柱钢骨、斜撑和钢梁牛腿。深化设计过程需考虑各种因素, 全面解决上述冲突。

深化设计时, 核心筒建模步骤为: (1) 混凝土构件建模包含约束边缘构件、暗梁、连梁、框架梁、墙体等; (2) 主体钢结构杆件建模包含型钢柱、型钢梁、钢斜撑等; (3) 钢筋放样; (4) 主体钢结构节点建模包含柱现场分段对接节点、梁柱节点、斜撑节点等; (5) 钢筋连接节点建模包含柱纵筋与钢梁及斜撑翼缘连接→暗梁、连梁纵筋与钢柱及斜撑翼缘连接→水平筋、箍筋、拉筋与柱翼缘连接 (即竖向搭接板) 等; (6) 钢筋穿孔建模根据钢筋位置确定开孔位置, x, y向开孔错开标高设置; (7) 栓钉建模。

钢筋放样时, 核心筒钢筋排布由外向内依次为:钢筋保护层→墙体拉筋→墙体水平分布筋→墙体竖向分布筋 (暗柱纵筋、暗梁箍筋) →暗梁角部钢筋。墙体竖向分布筋在内, 水平分布筋在外, 如图13所示。

通过三维深化软件将立体桁架和钢筋模型建立后, 可直观发现冲突部位。在满足设计要求的基础上, 提出便于现场施工的解决办法, 形成核心筒深化设计原则如下。

1) 暗柱纵筋遇暗梁或斜撑牛腿时, 采用一端钢筋套筒, 一端搭接板的形式。其中, 斜撑牛腿处采用搭接板, 暗梁处采用钢筋套筒。当没有斜撑牛腿时, 下暗梁采用钢筋套筒, 上暗梁采用搭接板。

2) 暗梁或连梁纵筋遇型钢时, 宜采用一端套筒、一端搭接板的连接形式。若两端均采用套筒连接, 现场无法安装。暗柱纵筋与搭接板碰撞时, 搭接板对应位置开设钢筋孔。

3) 暗梁钢筋排布时, 内封闭小箍宜避开型钢翼缘, 否则需考虑箍筋与翼缘连接问题。

4) 核心筒墙体水平分布筋遇暗柱腹板, 穿孔通过;遇暗柱翼缘, 与钢柱的连接形式改为搭接板连接, 搭接板厚度为20mm, 长度为6D+20mm (D为钢筋直径) 。

5) 2个方向的暗梁、连梁纵筋或墙体水平分布筋在柱内型钢腹板上的钢筋穿孔应错开标高设置。

6) 暗柱设箍筋竖向连接板, 箍筋与预留在型钢柱翼缘上钢板焊接, 搭接板板厚取箍筋直径, 宽度为70mm, 置于钢筋外侧。搭接板遇柱其他拉筋或箍筋开孔。

以典型的核心筒暗梁和斜撑与劲性柱相交节点深化方法为例进行说明 (见图14) 。核心筒边缘构件配筋大样图中, 暗梁型钢在暗柱区域按暗柱要求配筋, 在墙身区域按暗梁要求配筋;钢斜撑在暗柱区域按暗柱要求配筋, 在暗梁区域按暗梁要求配筋, 在墙身区域按墙身要求配筋。

因此, 建模过程中: (1) 暗梁型钢腹板无须开设梁拉筋孔 (D区) ; (2) 暗梁型钢在暗柱区域需开设柱拉筋、箍筋 (B区) ; (3) 钢斜撑端部在暗柱区域需开设柱拉筋、箍筋、墙体水平筋孔 (A区) ; (4) 钢斜撑端部在暗梁区域需开设梁箍筋孔 (C区) ; (5) 钢斜撑在墙身区域需开设墙拉筋孔 (E区) 。最终深化形成的节点三维模型如图15所示。

钢结构深化设计是联系设计、制作和安装单位的桥梁。结合巨型复杂组合结构项目———靖江文化中心工程实践, 重点从截面形式优化、型钢混凝土复杂节点深化、核心筒内立体钢桁架深化阐述本工程复杂结构深化设计技术, 结论如下。

1) 深化过程中, 需提前考虑结构各部位的施工方法、施工难度、钢结构与土建和各专业之间的冲突。落实设计、土建、钢结构三方沟通机制, 制定冲突解决办法并形成深化原则进行钢构件加工图设计。

2) 钢结构连接节点必须做到构造合理、安全可靠、易焊接、降低制作安装难度。在节点深化设计阶段对各类因素进行综合分析, 及时优化不合理截面和节点构造。

3) 对于复杂型钢混凝土节点, 钢筋与型钢的连接方案应根据设计构造要求、工厂制造条件、现场施工条件、运输要求、工期进度等综合采用多种连接形式, 通过最优组合加快施工进度, 保证工程质量, 降低成本。

本工程通过精心策划并结合三维深化手段, 有效降低工厂制作和现场施工难度, 保障现场节点钢筋穿插安装, 为该工程的顺利实施奠定基础。