广州白云国际机场扩建工程交通中心及停车楼工程位于广州市花都区 (见图1) , 在现有白云国际机场T1航站楼塔台和在建T2航站楼之间, 总建筑面积208 433m², 其中地下建筑面积93 483m², 地上建筑面积114 950m²。该工程采用框架结构, 地下2层 (局部1层) 、地上3层, 高14.45m。

停车楼屋面设计有248个景观树池, 树池采用柱帽+上反梁的树杈形钢骨混凝土组合结构, 3 700mm×3 700mm的柱帽232个, 4 450mm×3 700mm的柱帽16个。

每个3 700mm×3 700mm柱帽内包含1根2 150mm长400×25钢管、4根2 063mm长变截面H (200~555) ×600×20×25型钢梁构成的钢骨。每个4 450mm×3 700mm柱帽内包含1根2 150mm长400×25钢管、2根2 063mm长变截面H (200~555) ×600×20×25型钢梁、2根2 630mm长变截面H (200~555) ×600×20×25型钢梁构成的钢骨 (见图2) 。

钢骨混凝土组合结构 (SRC) 可有效提高建筑结构强度, 满足复杂造型、大空间、大跨度的需求。然而, 现有钢骨混凝土组合结构施工过程中, 钢结构与混凝土结构施工工序交叉较为复杂, 导致实际施工带来诸如工序不合理、模板不易封闭、钢筋无法与钢结构焊接形成整体、混凝土不易浇筑等技术问题。

目前钢筋与钢结构连接通常采用钢结构上开孔、钢结构上焊接直螺纹套筒、钢结构上焊接连接板等形式。钢结构上开孔会导致钢筋穿插不便及造成钢结构应力集中, 削弱结构性能;而钢结构上焊接直螺纹套筒, 由于套筒与钢结构接触面过小, 焊接质量往往无法保证, 强度达不到要求。

本工程采用钢结构上焊接连接板和加劲板的方式, 避免钢结构性能下降, 达到钢结构与钢筋混凝土整体受力的要求, 同时优化施工工序, 提供切实可行的施工方案。

1) 钢结构与钢筋混凝土结构整体受力构造设计 树杈形钢结构包括钢柱、树杈形牛腿及钢梁 (见图3) 。其中钢柱由下部和上部钢柱构成。树杈形牛腿包括4个牛腿及设于牛腿上的下部连接板、中部连接板、中部加劲板以及上部连接板。牛腿呈放射状固设于钢柱中间, 与钢梁进行连接。

下部连接板、中部连接板、中部加劲板及上部连接板用以连接梁、柱钢筋, 确保钢筋与钢结构形成整体连接。其中, 下部连接板设于牛腿下翼缘板的下表面;中部连接板横向设于牛腿的上翼缘板与下翼缘板之间, 并与钢柱固接;中部加劲板竖立连接于上翼缘板与下翼缘板之间;上部连接板设于牛腿上翼缘板的上表面。上部钢柱还包括用以连接梁、板钢筋的连接板。如图4所示。

同时柱纵筋与树杈形牛腿的下部连接板、中部加劲板及上部连接板在一个垂直平面上, 使结构竖向受力在同一平面上, 保证结构的整体性。

2) 钢筋排布与钢结构节点优化设计 为确保板底钢筋能穿过钢结构下部连接板, 经过BIM碰撞检查及三维分析, 在下部连接板开设有U形槽或通孔。上部连接板采用80mm×150mm×20mm矩形钢板, 在钢筋位置依次排布, 板面筋从连接板中间穿过。如图5所示。

原设计板底钢筋及板面钢筋构造形式如图6所示, 板底钢筋需弯锚至板面钢筋位置, 水平弯折长度为l_ae (见图6a) , 板面钢筋需弯锚至板底钢筋位置, 水平弯折长度为300mm (见图6b) 。而当底筋绑扎完成后, 需吊装钢梁, 此时因底筋在上部的水平弯折段过长, 导致钢梁无法下放。若考虑底筋上部的水平弯锚段下料事先不进行弯折, 待钢梁下放后再弯折成水平状, 则可实现钢梁的安装, 但面筋却会因钢梁的遮挡同样无法插入板底进行绑扎。

故经过重新优化设计, 板底钢筋的构造形式如图7所示, 板底钢筋的两端向上弯锚至与板面钢筋焊接, 水平弯折长度为250mm, 未与钢梁冲突, 板面钢筋变更为一字形, 无需弯锚。而当中间的板底钢筋受下部钢柱遮挡而无法通长布置, 板底钢筋向混凝土柱内弯锚时, 一端向上弯锚至与板面钢筋焊接, 另一端穿入混凝土柱内并向下弯锚 (见图7b) 。

3) 混凝土浇筑与钢结构节点优化设计 在确保结构竖向传力的前提下, 牛腿中部柱纵筋对应竖向位置设置了中部加劲板, 为保证浇筑时混凝土能顺利灌入树杈形牛腿的加劲板内空隙中, 中部加劲板采用矩形钢板和倒M形钢板构成。

当混凝土柱截面尺寸<800mm×800mm时, 树杈形牛腿对角线两侧的下翼缘板采用后焊方式, 以便混凝土从空隙中灌入下部钢柱外包混凝土内。

4) 钢结构与混凝土结构碰撞检查 运用BIM技术对钢结构和混凝土结构进行碰撞检查, 发现变截面钢梁下部栓钉已经凸出混凝土面, 如图8所示, 需对钢结构进行调整。原设计变截面钢梁末端截面高度为250mm, 调整为200mm, 钢梁连接端截面高度不变, 并经重新复核计算, 仍满足受力要求, 解决了下部栓钉外露的问题。

5) 钢柱加长处理, 优化工序 如图9a所示, 原设计钢柱底标高距离楼面为1.530~1.780m, 即混凝土柱需分2次进行施工, 第1次混凝土柱先施工至上述高度后, 再安装钢柱, 钢柱范围内混凝土需要二次浇筑。

如图9b所示, 经过优化将钢柱加长, 底部直接伸至楼面标高, 即钢柱安装完成后, 只需浇筑1次柱混凝土即可, 便于钢结构安装, 同时提高施工效率, 加快工期。

树杈形钢骨混凝土组合结构的施工方法主要是将树杈形钢结构的钢柱通过基础预埋件安装于基础结构上, 再将钢筋混凝土结构的柱钢筋、板钢筋及梁钢筋绑扎或连接于树杈形钢结构的树杈形牛腿处, 树杈形钢结构的钢梁被吊装后, 浇筑混凝土以形成钢骨混凝土组合结构。

1) 浇筑3层楼板时提前预埋钢柱锚栓, 采用Q235B, M30锚栓, 锚杆垂直段长>750mm, 水平弯折段长>120mm。待达到楼板混凝土强度等级要求后, 安装钢柱, 严格控制柱底和柱顶的标高。绑扎下部钢柱范围内柱纵筋及柱箍筋;柱纵筋受树杈形牛腿下翼缘板遮挡无法向上通长的, 与树杈形牛腿的下部连接板采用双面焊接, 焊接长度≥6d;柱纵筋不受树杈形牛腿下翼缘板遮挡的, 向上通长至钢柱的顶部。柱箍筋受下部钢柱遮挡无法通长的, 采用拉钩形式与下部钢柱焊接 (见图11) 。

2) 封闭下部柱模板, 搭设满堂脚手架, 铺设梁板模板。

3) 绑扎梁底钢筋、梁腰筋、板底钢筋及板底角部斜向加强筋。

如图12所示, 当梁底钢筋伸至树杈形牛腿中部时, 梁底钢筋与树杈形牛腿的中部连接板焊接, 当梁底钢筋伸至树杈形牛腿下部时, 梁底钢筋与树杈形牛腿的下部连接板采用双面焊接, 焊接长度≥6d, 梁腰筋与树杈形牛腿的中部加劲板焊接。

铺设板底钢筋时, 从树杈形牛腿的下部连接板开孔处 (U形槽或通孔) 穿过。随后, 绑扎板底角部斜向加强筋。

4) 浇筑下部钢柱外包混凝土, 浇筑至混凝土板底面以下标高, 同时从上部钢柱的通孔处浇筑完成树杈形钢柱内部混凝土。

5) 吊装钢梁, 完成钢梁与树杈形牛腿的连接工作。焊接完成后立即安排进行焊缝检测 (第三方检测及监督抽检) 。

6) 绑扎梁面筋, 同时安装上部混凝土柱纵筋及柱箍筋;当梁面筋伸至上部钢柱中部时, 梁面筋与连接侧板焊接;上部混凝土柱纵筋与树杈形牛腿的上部连接板采用双面焊接, 焊接长度≥6d;柱箍筋受上部钢柱遮挡无法通长的, 采用拉钩形式与上部钢柱焊接。板面钢筋受上部钢柱遮挡无法通长的, 与连接侧板焊接;板面钢筋与板底钢筋弯锚至板面的钢筋焊接, 焊缝长度≥10d。随后, 绑扎板面钢筋及板面角部斜向加强筋。

7) 最后浇筑上部外包混凝土。

树杈形钢结构划分成若干个子构件进行施工, 采取在构件上设置连接板和加劲板、钢筋与连接板焊接、钢筋与构件焊接、钢筋与构件避让以及加劲板优化设计确保混凝土能顺利灌注、混凝土分次进行浇筑等措施。解决了树杈形钢结构与钢筋混凝土结构施工工序穿插碰撞的矛盾、模板支设步骤、钢筋与钢结构连接、混凝土浇筑次序等问题, 同时保证施工进度, 避免不同工种交叉施工工序安排不合理, 出现窝工现象, 节省施工成本。