摘要：钢骨混凝土柱是以劲性十字型或箱型钢骨架为柱芯，钢骨架与混凝土组合，共同承受荷载的作用，增加柱结构的刚度。这种结构，具有钢结构和钢筋混凝土结构的双重优点，充分发挥了混凝土受压和钢材受拉两种不同材料的特性，与钢筋混凝土结构相比，提高了柱的承载力，减小了柱截面，减少了混凝土量，减轻结构自重，减少了对地基的荷载。与钢结构相比，它节约钢材，耐火能力强，增强结构及建筑物的刚度，减振阻尼性能提高，抗震性能好，并具有更高的强度。本文结合鲁南高速铁路临沂北站城市通廊钢骨柱的施工，介绍钢骨的加工、安装及钢骨柱混凝土的浇筑施工工艺和施工心得，供其他线路钢骨柱混凝土结构施工参考。
关键词：钢骨柱 深化设计 焊缝 焊接 梁柱节点
1．工程概况
临沂北站是鲁南高速铁路全线最大规模的车站，站场规模为8台20线，鲁南高铁站场及京沪二通道站场各4台10线，站房规模约9.6万平米。站房型式为跨线高架式，竖向分为四层，车站综合建筑体自下而上依次为市政交通预留层、城市通廊层、高铁站台层、高铁候车厅层，站房设计一次完成建设，是融合高铁、城市轨道交通、城市公交和出租车等诸多功能的大型综合性交通枢纽。城市通廊层采用钢骨混凝土柱+钢筋混凝土梁的框架结构，板采用现浇钢筋混凝土板结构。钢骨柱中的钢骨有十字型和箱型两种截面，混凝土采用C50无收缩混凝土。
2．施工准备
2.1 深化设计
钢骨柱中的钢骨受力大，壁厚较厚，还涉及钢筋穿孔、焊接，连接节点处相当复杂，在钢骨柱施工前，必须先进行深化设计，深化设计时应充分考虑钢骨柱中钢筋的穿孔、焊接及钢筋绑扎，深化设计图纸须经设计院确认后方可施工。
2.2 焊接工艺评定
由于钢结构工程中的焊接节点和焊接接头不可能进行现场实物取样检验，为保证工程焊接质量，必须在构件制作和结构安装施工焊接前进行焊接工艺评定。根据钢结构的设计节点形式、钢材类型、规格、采用的焊接方法、焊接位置等，制定焊接工艺评定方案，拟定相应的焊接工艺评定指导书，按规范的规定施焊试件，切取试样并由具有国家技术质量监督部门认证资质的检测单位进行检测试验，测定焊接接头是否具有所要求的使用性能，由该企业或国家认证的检查单位提出焊接工艺评定报告，对拟定的焊接工艺进行评定。[1]
在确定焊接工艺评定试验方案的同时，焊接工艺评定试验选用的材料要求首批进厂材料中选择碳当量偏高，非金属化学成份含量偏高的低温韧性偏低的材料进行焊接工艺评定试验。
3．钢骨加工
以十字型钢骨加工为例，介绍钢骨加工工艺。
3.1 钢骨制作
（1）组装H形和T形构件。在专用H形钢自动组装机上组装成H形和T形构件，在专用H形钢生产线上的龙门式埋弧自动焊机上采用船形位置焊接。焊接按照工艺要求的焊接顺序施焊，控制焊接变形。
（2）组装胎架。在钢平台上组装胎架并抄平。
（3）翼板和腹板划线定位。在H形钢翼缘板和腹板上划出出定位中心线。
（4）T形钢与H形钢组焊。采用CO2打底半自动埋弧焊填充和盖面，焊接过程注意检察T形钢与H形钢翼缘板的垂直度。
（5）组装十字形钢骨柱。与H形钢翼缘板连接的T形钢焊接完毕并通过UT检测合格后90°翻身继续组焊与腹板连接的T形钢。
（6）整体矫正。全部焊接完成后，若变形超过规范要求，可进行火焰矫正。
（7）栓钉焊接。在十字形组合柱翼缘上放线，标出栓钉的焊接位置，采用栓钉焊机按照栓钉焊接工艺进行施焊。
3.2 钢骨焊接变形控制
（1）在焊接过程中，对接焊后的变形主要是角变形。为控制变形，先焊正面的一部分焊道，翻转工件，碳刨清根后焊反面的焊道，再翻转工件，这样如此往复，一般来说，每次翻身焊接三至五道后即可翻身，直至焊满正面的各道焊缝。同时在施焊时要随时进行观察其角变形情况，注意随时准备翻身焊接，以尽可能的减少焊接变形及焊缝内应力。
（2）采取合理的焊接顺序
选择与控制合理的焊接顺序，即是防止焊接应力的有效措施，亦是防止焊接变形的最有效的方法之一。根据不同的焊接方法，制定不同的焊接顺序，埋弧焊一般采用逆向法、退步法；CO2气体保护焊及手工焊采用对称法、分散均匀法；编制合理的焊接顺序的方针是“分散、对称、均匀、减小拘束度”。
①分散
从一个构件总体看，焊缝纵、横、上、下交叉，十分复杂；经对焊缝位置仔细研究，可将其分割成若干小区，而这些小区内的焊缝排布又各自比较有序；将各小区内的焊缝又可分成顶、底、立三个面(立：即垂直焊缝)；施焊时可根据构件总体焊接变形的趋势，按逐一进行的顺序进行；通过以上措施，目的是将构件焊接时的热量分散，避免集中。
②对称
各小区施焊及小区内部施焊时都应根据构件总体的中和轴对称布置工位；小区内按轴心对称布置工位，相互对称的二工位应同时焊接，此时，焊接时产生的应力在小区内将互相平衡，抵消；各小区的施焊工位与焊接起始时间，对构件的轴心而言亦必须对称，此时各小区的残余应力在构件总体上亦将取得平衡。
③均匀
对构件的焊接工作，根据上述二点“分散、对称”进行施焊的目的亦是为了求取“均匀”，即对构件整体而言，在焊接每一阶段内取得焊接热量的均匀分布。
④减小焊缝在焊接时的拘束度
在焊接较多的组装条件下，应根据构件形状和焊缝的布置，采取先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝；先焊拘束度较大而不能自由收缩的焊缝，后焊拘束度较小而能自由收缩的焊缝以达到减小焊接应力的目的。
3.3 钢骨焊接裂纹控制
（1）控制焊材的化学成分
由于钢材化学成分已经选定，因此焊材选配时应选硫、磷含量低、锰含量高的焊材。使焊缝金属中的硫磷偏析减少，改善部分晶体形状，提高抗热裂性能。
（2）控制焊接工艺参数
控制焊接电流与速度，使每一焊道的焊缝成形系数达到1.1～1.2，减少在焊缝中心形成硫磷偏析，提高抗裂性能。加强焊前预热，降低焊缝在冷却结晶过程中的冷却速度。采用合理的焊接顺序，使大多数焊缝在较小的拘束度下焊接，减少焊缝收缩拉力。
（3）提高根部焊缝质量
焊缝根部焊接是焊接的起始点，是保证焊缝质量的根基，亦是产生裂纹的敏感区，因此焊缝根部的焊接措施必须慎之又慎。
①加强焊缝坡口的清洁工作，清除一切有害物质；加强焊前预热温度的控制；焊前对坡口根部进行烘烤，去除一切水分、潮气，降低焊缝中氢含量。
②使用小直径手工焊条打底，确保根部焊透；控制焊层厚度，适当提高焊道成形系数；控制焊接速度，适当增加焊接热输入量。
③控制熔合比：在确保焊透的前提下，控制母材熔化金属在焊缝金属中的比例，减少母材中有害物质对焊缝性能的影响。
④根部焊材可选用低配：根据根部焊缝的施焊条件与要求，在保证焊缝力学性能的条件下，根部焊缝的焊材可选用韧性好，强度稍低的焊材施焊，以增加其抗裂性。
（4）焊后消氢处理
焊后对焊缝进行消氢处理，降低焊缝中氢的含量，将对减少冷裂纹的发生起到很大的作用。焊后消氢处理应在焊缝完成后立即进行。消氢处理的加热温度应达到200～250℃，保温时间为1.5～2.0min/1mm，且不小于1h，而后缓冷至常温。具体温度与保温时间应通过试验给予确定。
4．钢骨安装
4.1 柱脚螺栓预埋
（1）承台钢筋绑扎完成后，开始预埋柱脚螺栓。为保证柱脚螺栓预埋精度，提前制作工具式螺栓钢板卡具，预埋前先将螺栓固定在钢板卡具上，预留好外漏长度，用螺母将螺栓拧紧固定。
（2）柱脚螺栓标高的控制：以卡具钢板为基准面，用水准仪测量标高，用全站仪进行校核，控制钢板的标高和平整度。
（3）柱脚螺栓平面位置控制：在钢板卡具上设置十字线，采用全站仪进行测量，调整螺栓钢板卡具的平面位置。
（4）柱脚螺栓的高程和平面位置调整完成后，采用钢筋焊接固定牢固，在浇筑混凝土前进行复测，复测无误后，开始浇筑承台混凝土，浇筑混凝土时，需要采取临时保护螺栓措施。拆除螺栓钢板卡具后，对外漏螺栓涂抹黄油并包上塑料纸进行保护。
4.2 钢骨现场运输
（1）在从工厂向工地运输过程中， 应采取措施防止出现变形和失稳。钢骨在卸车时应放至相应地点，避免二次倒运。提前对堆放钢骨的场地进行清理平整，地面需铺枕木，保证钢骨不被污染，变形。
（2）构件在现场运输及吊装过程中，其吊点必须进行计算，采取措施防止产生永久变形和失稳。
4.3 首节钢骨安装
（1）安装前对预埋螺栓进行复测，并在混凝土面放样出钢骨柱安装轴线控制线，在柱脚螺栓的螺杆上放样出钢骨柱安装标高控制线。
（2）根据钢骨柱位置及柱身重量情况，分别采用塔吊（重量较小）或抱杆将钢骨柱提升至预定高度，钢骨柱起吊时必须边起钩、边转臂使钢骨柱垂直离地。当钢骨柱吊到就位上方200mm时，停机稳定，对准螺栓孔和十字线后，缓慢下落。下落中应避免磕碰柱脚螺栓丝扣，当柱脚板刚与基础接触后应停止下落，检查钢柱四边中心线与基础十字轴线得对准情况（四边要兼顾），如有不符及时进行调整。钢骨柱的就位偏差在3mm以内后，再下落，使之落实。
（3）首节钢骨柱的校正，如图1所示。
图1 首节钢骨柱校正
4.4 二节以上钢骨安装
（1）第二节以上钢骨柱吊装与第一节相同，不同的是固定及校正。
（2）第二节柱的固定采用双夹板与钢骨柱临时连接板用高强螺栓紧固连接，见图2。
（3）钢骨柱吊装就位后，先调整标高，再调整扭转，最后调整垂直度。通过吊钩升降及节点板间隙中打入的钢楔进行钢骨柱标高调整，标高调整后在上、下柱临时耳板的不同侧面加垫板，再夹紧连接板，即可调整钢骨柱扭转。垂直度校正采用无缆风绳法，见图3，然后拧紧临时接头的高强螺栓，紧固力矩取1200N•m，钢骨柱校正时，需考虑预留钢骨柱焊接收缩量。
4.5 现场焊接
（1）焊接操作应在钢骨柱整体校正完成后进行，全部焊段尽可能保持连续施焊，避免多次熄弧、起弧。穿越安装连接板处工艺孔时必须尽可能将接头送过连接板中心，接头部位均应错开。
（2）尽量采用对称施焊，采取措施尽量减少结构的焊接变形和焊接残余应力，收缩量大的部分先焊，收缩量小的部分后焊，尽量使焊接过程加热量平衡。柱脚处的柱翼缘板、腹板和底板要求刨平顶紧后施焊。
（3）局部校正及补偿应在焊接经过24h后且焊件冷却经探伤后进行。翼缘部位焊接需保证一次性探伤通过。焊接完毕后临时支撑不得立即拆除，避免柱身产生变形。
（4）焊件冷至常温≥24h后，进行无损检验，检测结果须满足设计和规范要求。
图2 钢骨柱的临时固定示意图
图3 钢骨柱无缆风绳法校正示意图
5．钢骨柱钢筋施工
5.1 柱主筋施工
（1）施工承台时，预埋柱主筋，柱主筋位置、间距必须符合设计要求，预埋柱主筋时，采用柱钢筋固定卡具，确保柱主筋位置和间距。预埋柱主筋时，注意预埋钢筋高度不得低于柱净高的1/3，预埋柱主筋的钢筋接头面积百分率不超过50%，同时充分考虑柱主筋的连接。
（2）钢骨安装完成后，对柱主筋进行校正和定位。柱主筋遇到钢牛腿时，尽量避开，如果避不开，提前进行牛腿开孔位置设计，保证柱主筋与牛腿开孔位置一致。
图4 箍筋加工形式
5.2 柱箍筋施工
（1）在柱主筋连接之前应先套外圈箍筋，先在柱上部把箍筋套进钢骨后再落下。
（2）内箍筋加工形式将直接影响钢筋绑扎难易程度，故必须认真对待，箍筋须拆开加工，安装完成后连接在一起，连接时确保搭接长度。内箍接头应左右错开绑扎。以本项目其中一个钢骨柱为例，内箍筋加工形式见图4。
（3）拉勾钢筋加工时，一头加工成135°弯勾，另一头加工成直棍，安装完成后，人工扳成135°弯勾，但必须同时采用两个扳手进行板弯工作，即一个扳手夹住靠近弯点处，另一个扳手进行操作，如此方可保证拉勾外观质量。
5.3 梁柱节点的施工
（1）混凝土梁与钢骨节点处构造比较复杂，施工难度较大，施工质量控制难度大，梁柱节点需要深化设计，按照深化设计图施工。钢骨混凝土组合深化设计主要为定位梁、柱交接处各部分的位置关系，以及梁柱钢筋的位置，并设计梁柱钢筋穿过钢骨或者与钢骨相连接的相关构造，使现场钢骨和钢筋实际施工满足设计和规范规定。
（2）混凝土梁钢筋通过十字型钢骨主要形式为：钢筋遇到十字型钢骨翼缘板时，钢筋断开，通过翼缘板设置钢筋套筒与梁钢筋连接，设置套筒位置，需要设置套筒加劲板。钢筋遇到十字型钢骨腹板时，钢筋不断开，在钢骨腹板上设置钢筋穿孔，梁钢筋通过钢筋预留穿孔通过。十字型钢骨梁柱节点钢筋布置见图5。
（3）混凝土梁钢筋通过箱型钢骨主要形式为：钢筋遇到箱型钢骨时，钢筋断开，通过在箱型钢骨外侧设置外环加劲连接板与梁钢筋焊接连接，双面焊缝长度不小于5d。梁纵筋与外环加劲板的焊接连接需要在工厂内完成，在端头设置套筒连接，混凝土梁第一排钢筋和第二排钢筋截断位置相反，第三排截断位置与第一排相同，套筒预留位置需要保证钢筋接头面积百分率不超过50%。箱型钢骨梁柱节点钢筋布置见图6。
图5 十字型钢骨梁柱节点钢筋布置
图6 箱型钢骨梁柱节点钢筋布置
（4）为确保钢筋与钢骨的连接效果，要求所有连接板与钢骨的连接焊缝采用全熔透剖口焊缝，焊缝质量等级一级，套筒接头等级一级。
（5）梁柱节点处的钢筋较为复杂，梁柱节点处的柱外箍加工时，应加工成多个L形筋，一头加工成90°弯勾，另一头加工成直棍，待穿过钢骨柱后进行弯折。
（6）梁钢筋安装应按由下向上的顺序进行，先安装梁下部钢筋再安装梁上部钢筋，各排钢筋的安装均应先安装穿钢骨的钢筋，再安装不穿钢骨的钢筋，保证钢筋安装的顺利进行。
6．钢骨柱模板施工
（1）钢骨柱采用大块定型木模板施工，由专业厂家加工制作，线形流畅，结构合理，模板装拆简单，接缝紧密、不漏浆，各向尺寸精确，表面平整，并且有足够的刚度和强度，确保在混凝土浇注中不产生变形。
（2）模板分块制作，节高2m，模板加固采用定型圆形抱箍及方形扁钢抱箍。模板接缝为企口接缝形式。模板整体试拼合格后，在使用安装前用打磨机打磨清洗干净，再均匀涂抹高效脱模剂。
（3）模板的拼装严格按照设计图纸进行。施工前先进行模板的预拼装，掌握模板的拼装顺序、拼装技巧和施工工艺。模板拼装前先进行墩柱位置和高程的测量，根据测量提供的控制点和数据进行立模。拼装底节模板时一定严格控制模板的平面位置和底面标高。
（4）模板安装采用人工配合汽车吊进行，在接缝处平齐木模内表面粘贴双面止浆带以保证木模接缝密贴不漏浆。模板拼装先将模板整体固定（各模板连接螺栓暂不拧死），待模板一环全部拼装到位后统一进行加固，加固时进行模板的水平位置和顶面标高检查。确保每立一层模板立好后平面位置和高程无误，以免出现整体定型后误差难以调整。支立底节内模倒角应与底部实体段混凝土浇筑时预埋的防内模上浮钢筋连接。
7．钢骨柱混凝土施工
箱型钢骨柱在钢筋混凝土梁标高处和每隔3m左右处，钢骨柱设有隔板，隔板上开有直径200mm的圆形混凝士浇筑孔。十字型钢骨每隔3m左右处，钢骨柱设置加劲隔板。隔板的设置和纵横向的钢筋给混凝土浇筑带来不少困难。
主要困难为串筒的安装、隔板处混凝土密实和梁柱节点处混凝土密实问题。现场加工柔性串筒，串筒碰到障碍物时，可以适当弯折。经过设计优化，在隔板上开设出气孔，同时加强该位置混凝土的振捣。为保证梁柱节点处的混凝土密实，梁柱节点现场采用细石混凝土施工。
十字型钢骨柱，混凝土浇筑时，流动性较差，下料时应在四个角均匀下料[2]。箱型钢骨柱，下料时应内外对称下料。钢骨柱混凝土振捣采用两个振动棒对称振捣。
8．施工心得
（1）钢骨柱施工前，提前进行深化设计是非常必要的，深化设计充分考虑钢骨中钢筋的穿孔、焊接、钢筋的绑扎和梁柱节点，是后续施工顺利的重要保证。
（2）钢骨柱的穿筋孔是在工厂完成的，往往与现场钢筋位置不对应，如果钻孔直径小于36mm，可考虑采用磁座钻孔方法施工[3]，现场钻孔，确保了穿筋孔与混凝土梁钢筋的对应。
（3）钢骨柱支撑模板体系，采用大块定型木模板+抱箍，模板对接采用企口接缝形式，确保了接缝紧密、不漏浆。加固模板采用抱箍加固形式，避免了使用对拉筋，省时省力，节约成本。
（4）现场采用工具式螺栓钢板卡具，可确保柱脚螺栓的预埋精度。现场采用柱主筋卡具，可确保柱主筋的位置和间距。两项卡具的使用，为钢骨柱顺利安装提供了保障。
（5）箍筋加工形式拆解成两个L形筋，安装完成后，将两个L形筋连接成一个完整箍筋。此箍筋加工形式确保了箍筋数量，避免了工人因施工难度大而减少箍筋的数量。
（6）钢骨柱钢筋密集部位，较难保证混凝土的密实，钢骨柱混凝土建议采用自密实混凝土，自密实混凝土具有高的流动性、间隙通过性和抗离析性，浇筑时仅靠其自重作用而无需振捣便能均匀密实成型的高性能混凝土，对改善钢骨柱混凝土施工质量帮助较大。
9．结语
本文结合鲁南高速铁路临沂北站城市通廊钢骨柱的施工，详细介绍了钢骨的加工、安装及钢骨柱混凝土的浇筑施工工艺和施工心得，通过施工实践形成了一套成熟的施工技术，供其他高铁线路钢骨柱混凝土结构施工参考。
参考文献
【1】GB50661-2011 钢结构焊接规范[S].
【2】李兴华.钢骨柱施工中的难点和要点 [J].山西建筑,2010年第5期：169.
【3】赵林峰.钢箱型柱与H型梁结合劲性混凝土施工 [J].工程质量,2016年第12期：80.
论文作者:孙君
论文发表刊物:《基层建设》2019年第10期
论文发表时间:2019/7/3
标签：钢筋论文; 梁柱论文; 混凝土论文; 螺栓论文; 节点论文; 位置论文; 模板论文; 《基层建设》2019年第10期论文;