一种采用钢筋混凝土环梁节点的钢管混凝土柱有粘结预应力框架梁结构的施工方法

摘要

本发明所述的一种采用钢筋混凝土环梁节点的钢管混凝土柱有粘结预应力框架梁结构的施工方法，该工法包括以下步骤：1)深化设计；2)预应力筋铺放3)钢管混凝土柱开孔与补强；4)节点普通钢筋绑扎；5)节点预应力筋布置；6)节点混凝土浇筑；7)预应力筋张拉与灌浆。本发明设计合理，施工安全可靠，操作方便，使用效果好，有效的解决了有粘结预应力筋应用于采用了钢筋混凝土环梁节点的钢管混凝土柱框架梁结构中时所遇到的钢管混凝土柱承载能力降低及预应力筋锚固困难等工程实际问题。

说明书

技术领域

本发明涉及土木工程中的结构领域，尤指一种采用“钢筋混凝土环梁节点”的钢管混凝土柱有粘结预应力框架梁结构的施工方法。 

背景技术

某些大型公建项目，由于建筑使用的要求，柱跨和荷载会相对较大，对于构件的截面尺寸又需要控制，钢管混凝土柱和粘结有预应力筋的框架梁结合的结构形式能较好的满足要求。根据《预应力混凝土结构抗震设计规程》（JGJ 140-2004）的相关规定，在抗震区对于梁截面受限的情况下，无粘结有预应力筋的框架梁无法满足截面尺寸或正常使用极限状态要求，框架梁宜采用有粘结预应力筋的形式。由此，出现了钢管混凝土柱和有粘结预应力筋的框架梁结合的新型结构形式，其节点常采用制作简单且施工和经济性能优越的钢筋混凝土环梁节点。对于采用钢筋混凝土环梁节点的这种全新结构形式，在施工过程中，需要在保证钢管混凝土柱截面承载能力的前提下，解决框架梁中的有粘结预应力筋如何有效地在钢管混凝土柱处搭接锚固的问题，以确保有粘结预应力筋的混凝土框架梁和钢管混凝土柱的有效连接，实现结构设计要求。 

发明内容

针对上述新型结构的施工，深化设计结构连接节点，本发明的目的是提供一种“结构中有粘结预应力筋的铺放技术”以及“节点有粘结预应力筋的布置技术”， 即采用“钢筋混凝土环梁节点”的钢管混凝土柱与有粘结预应力框架梁结构的施工方法，从而解决有粘结预应力筋穿过钢管混凝土柱时截面削弱难题和解决有粘结预应力筋在新型结构体系中有效锚固问题。 

本发明提供的一种采用“钢筋混凝土环梁节点”的钢管混凝土柱有粘结预应力框架梁结构的施工方法，该工法包括以下步骤： 

1）深化设计：对钢管混凝土柱进行开孔尺寸、开孔水平高度及开孔数量等深化设计以及对预应力筋在钢筋混凝土环梁内的XY平面内矢高线形设计和在XZ平面内的线形设计；

2）预应力筋铺放；

3）钢管混凝土柱开孔与补强：确定钢管混凝土柱开孔形状、开孔位置、开孔尺寸和开孔水平高度后，进行钢管混凝土柱节点开孔及补强；

4）节点普通钢筋绑扎；

5）节点预应力筋布置；

6）节点混凝土浇筑：节点区钢管混凝土柱的混凝土浇筑和钢管混凝土柱内混凝土浇筑同时进行，节点混凝土浇筑和梁板混凝土浇筑同时进行；

7）预应力筋张拉与灌浆。

步骤1）深化设计的具体过程包括： 

11）确定钢管混凝土柱和预应力深化设计规则；

12）确定钢管混凝土柱开孔尺寸：由粘结有预应力筋的波纹管外径来确定预应力筋的规格和数量；

13）确定钢管混凝土柱开孔水平高度：XY两个方向钢管混凝土柱的预应力框架梁中预应力筋在穿过钢管混凝土柱时，在高度方向距离相差应不小于1倍波纹管直径；

14）判断开孔是否满足钢管混凝土柱深化设计规则要求：若满足钢管混凝土柱深化设计规则，则进行预应力筋在预应力框架梁内的矢高线形设计；若不满足钢管混凝土柱深化设计规则，则调整预应力设计并返回至11步骤；

15）预应力筋在预应力框架梁内的矢高线形设计：注意以及确定预应力框架梁上的预应力筋在支座处的矢高；

16）预应力筋在XZ平面内线形设计：当预应力框架梁中的预应力筋在钢管混凝土柱两侧搭接时，其中一条梁的预应力筋须绕开柱子而从钢筋混凝土环梁内穿过，并在钢筋混凝土环梁外侧张拉或者锚固于钢筋混凝土环梁内；当预应力筋绕开柱子时，从靠近节点的预应力反弯点开始往梁侧绕开，从钢筋混凝土环梁内穿过并在钢筋混凝土环梁外张拉；

17）平均有效应力计算：根据16步骤选定的预应力筋绕开方式进行跨数和张拉端布置后的平均有效应力计算；

18）判断是否满足预应力深化设计规则要求：根据平均有效应力的计算结果，进行是否满足预应力深化设计规则要求的判断；若满足要求，可选为预应力筋铺放线型之一；若不满足要求，则返回至16步骤并配合以跨数和张拉端布置的调整。

步骤11）的具体过程包括： 

111）确定钢管混凝土柱允许有粘结预应力筋的波纹管穿过的开孔原则：在同一高度所处的截面位置，最多穿过两根波纹管，钢管混凝土柱壁上最多开四个孔，开孔对截面的削弱率应小于25%，并应进行补强；钢管混凝土柱XY两个方向上在不同高度截面位置同时开孔时，开孔对截面的削弱率应小于25%；

112）确定预应力深化设计规则：预应力筋布置时预应力筋的平均有效应力最小值等于在对预应力结构进行裂缝验算时所取预应力筋的平均有效应力。

步骤2）所述确定预应力筋锚固位置需要遵循的原则包括： 

21）跨后浇带的预应力筋尽量单跨断开布置；

22）后浇带之间的连续跨预应力筋尽量拉通；

23） XY两个方向的预应力框架梁中的预应力筋不能在同一个钢管混凝土柱上绕柱张拉；

24）预应力筋绕柱方式和单根预应力筋长度选用18步骤核算后得出的铺放线型。

步骤4）所述节点普通钢筋绑扎具体过程包括： 

41）钢筋混凝土环梁钢筋绑扎：钢筋混凝土环梁的钢筋成形需要依靠机器完成，在钢筋绑扎区绑扎成形后通过吊装从该节柱顶套下；

42）钢筋混凝土环梁钢筋绑扎完成后，方可进行预应力框架梁上钢筋的绑扎。

步骤5）所述节点预应力筋布置的具体过程包括： 

51）节点预应力筋锚固端布置：预应力筋锚固端除了布置在结构外围，还会布置在断开搭接处，钢管混凝土柱处断开搭接锚固时采取“定向绕开钢管混凝土柱、部分锚出节点区”的方法布置锚固端；

52）预应力筋穿设：预应力筋穿设施工顺序为：预应力定位钢筋焊接、穿设有粘结预应力筋的波纹管、预应力筋下料制作、穿设预应力筋、安装螺旋筋，锚垫板，泡沫，排气管等；上述工序完成之后，将钢筋混凝土环梁节点环向腰筋绑扎完成后，即可装模。

步骤51）所述节点预应力筋锚固端布置的具体过程包括： 

511）预应力筋锚固端布置为穿过钢管混凝土柱后埋设于钢筋混凝土环梁内；

512）预应力筋张拉端节点选用：预应力筋张拉端位于柱边且张拉方向无结构构件遮挡时，采用穿柱后两边直接张拉，此时需要在预应力筋张拉端周围设置插筋和箍筋；预应力筋张拉端位于连续跨的中间柱旁时，预应力筋通过钢管混凝土柱节点区后，从梁侧绕出，将锚垫板和锚具放在梁侧，在千斤顶前装上变角器直接在板面张拉；预应力筋张拉端位于连续跨的中间柱旁且需要绕开钢管混凝土柱时，预应力筋以核算后得出的线形方式绕过钢管混凝土柱，将钢筋混凝土环梁边的楼板加厚形成板下加腋，预应力筋从加腋处的板面伸出，在千斤顶前装上变角器直接在板面张拉。

步骤6）所述节点混凝土浇筑的过程具体包括： 

61）钢管混凝土柱的混凝土浇捣：钢管混凝土柱内混凝土的施工原则为：分节吊装钢管混凝土柱，分节灌注，混凝土从上往下灌注；钢管混凝土柱采用自密实混凝土，高抛加振捣的方式进行浇捣；

62）节点混凝土浇捣：节点混凝土浇筑和梁板混凝土浇筑同时进行。

步骤7）所述预应力筋张拉与灌浆的过程具体包括： 

71）预应力筋张拉：预应力筋到达龄期且满足张拉条件后，即可进行预应力筋的张拉；

72）灌浆：灌浆前应全面检查预应力筋孔道、灌浆孔、排气孔、泌水管等是否畅通，对锚具进行封锚，用水泥浆或结构胶封堵锚具和夹片之间的空隙；孔道灌浆应一次完成，缓慢连续地进行，不能中途停顿；喷嘴不能离开灌浆孔，待排气孔排出浓浆后将排气孔封闭，整个孔道灌满后再封闭灌浆孔。

步骤8）所述拆模的具体过程包括： 

81）第一步是在除跨后浇带的预应力筋张拉完后，将没有后浇带的穿过的所有预应力框架梁底模拆除；

82）第二步是后浇带封闭后张拉完跨后浇带的预应力筋，再拆除剩下的后浇带处的预应力框架梁底模。

本发明与现有技术相比具有以下优点： 

1、对钢管混凝土柱与有粘结预应力框架梁的连接节点进行了深化设计，确定了钢管混凝土柱的开孔补强规则以“最小化”有粘结预应力筋穿过钢管混凝土柱时钢管混凝土柱的截面削弱，保证了结构安全。

2、制定了“限量穿过钢管混凝土柱，合理布置搭接点”的有粘结预应力筋结构铺放方案，从整体结构方面实现了有粘结预应力筋穿过钢管混凝土柱时钢管混凝土柱截面削弱的极小化和预应力筋平均有效预应力最大化，保证了结构安全。 

3、采用了“定向绕开钢管混凝土柱、部分锚出节点区”的有粘结预应力筋线型布置方案，保证了有粘结预应力筋的有效锚固，确保了工程质量。 

4、确定了有粘结预应力框架梁与钢管混凝土柱的连接节点的施工方法，确保了工程质量。 

综上所述，本发明设计合理，施工安全可靠，操作方便，使用效果好，有效的解决了有粘结预应力筋应用于采用了钢筋混凝土环梁节点的钢管混凝土柱框架梁结构中时所遇到的钢管混凝土柱承载能力降低及预应力筋锚固困难等工程实际问题。 

附图说明

图1为本发明的工艺流程图； 

图2为本发明的深化设计流程图； 

图3a为本发明的钢管开孔示意图，其中图3b为图3a的A-A线剖视图，图3c为图3b中的B-B线的剖面展开图； 

图4a为本发明的预应力筋分布示意图，图4b为图4a的俯视图； 

图5a和5b为本发明中的预应力筋绕柱方式示意图； 

图6a和6b为本发明中的预应力筋铺放示意图； 

图7为本发明中的预应力筋固定端布置示意图； 

附图标记说明： 

1—钢管混凝土柱；2—X向开孔；3—Y向开孔；4—预应力筋；5—钢筋混凝土环梁；6—预应力筋固定端；7—预应力筋反弯点；8—预应力框架梁。 

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。 

     如图1所示，一种采用“钢筋混凝土环梁节点”的钢管混凝土柱有粘结预应力框架梁结构的施工方法，具体步骤如下： 

1.深化设计:根据设计院对钢管混凝土柱的承载能力和预应力筋平均有效应力的要求及工程情况确定钢管混凝土柱和预应力深化规则；作出对钢管混凝土柱进行开孔尺寸、开孔水平高度、开孔数量等深化设计后进行是否满足钢管混凝土柱深化设计规则要求的判断；对结构预应力筋进行在梁内的矢高线形设计和在XZ平面内的线形设计，并据此核算预应力筋的平均有效应力后进行是否满足预应力深化设计规则要求。

如图2所示，深化设计具体过程如下： 

1.1、确定钢管混凝土柱和预应力深化设计规则

    1.1.1、根据设计院要求，确定钢管混凝土柱允许有粘结预应力筋的波纹管穿过的开孔原则。如图3所示，在X向开孔2或Y向开孔3所处的开孔高度位置，最多允许穿过两根波纹管，钢管柱壁上允许开四个孔，开孔对截面的削弱率应小于25%，并应进行补强；钢管柱XY两个方向在不同高度截面位置同时开孔时，开孔对B-B连线断面的削弱率应小于25%。

1.1.2、根据设计院要求，确定预应力深化设计规则。预应力筋布置时与应力筋的平均有效应力最小值等于设计院在对预应力结构进行裂缝验算时所取预应力筋的平均有效应力。 

1.2、确定钢管混凝土柱开孔尺寸：根据有粘结预应力筋的波纹管外径确定预应力筋的规格和数量。 

1.3、确定钢管混凝土柱开孔水平高度：XY两个方向混凝土框架梁中预应力筋在穿过钢管混凝土柱时，在高度方向距离相差应不小于1倍波纹管直径。 

1.4、判断开孔是否满足钢管混凝土柱深化设计规则要求：若满足钢管混凝土柱深化设计规则，则进行预应力筋在梁内的矢高线形设计；若不满足钢管混凝土柱深化设计规则，则提请设计院调整预应力设计并返回至1.1步骤。 

1.5、预应力筋在梁内的矢高线形设计：该部分深化设计内容与一般的预应力梁矢高线形深化设计并无区别，唯一需要注意的是框架梁上的预应力筋在支座处（即柱边）的矢高。由于柱边节点有框架梁纵向普通钢筋和钢筋混凝土环梁纵向钢筋，预应力筋的支座矢高值将会稍稍偏大，需要在深化设计算清楚，确保可以实现的矢高。 

1.6、预应力筋在XZ平面内线形设计，如图4所示：根据钢管混凝土柱承载力要求，在本工法涉及的预应力框架梁6中，当预应力筋4在钢管混凝土柱1两侧搭接时，其中一侧梁的预应力筋4须绕开钢管混凝土柱1而从钢筋混凝土环梁5内穿过，并在钢筋混凝土环梁5外侧张拉或者锚固于钢筋混凝土环梁5内。当预应力筋4绕开钢管混凝土柱1时，从靠近节点的预应力反弯点7开始往钢筋混凝土环梁5绕开,以避开钢管混凝土柱1，从钢筋混凝土环梁5内穿过并在钢筋混凝土环梁5外张拉。绕开的方式，可采用两段相切的圆弧，也可采用圆弧加直线的形式。图5a为预应力筋4以两段相切的圆弧的方式绕开钢管混凝土柱；图5b为直线加圆弧的方式绕开钢管混凝土柱。 

1.7、平均有效应力计算：根据1.6步骤选定的预应力筋绕开方式进行跨数和张拉端布置后的平均有效应力计算。 

1.8、判断是否满足预应力深化设计规则要求：根据平均有效应力的计算结果，进行是否满足预应力深化设计规则要求的判断。若满足要求，可选为预应力筋铺放线型之一；若不满足要求，则返回至1.6步骤并配合以跨数和张拉端布置的调整。 

2、预应力筋铺放：预应力筋的铺放是“合理确定每束预应力筋的搭接点”以保证深化设计节点在结构中的应用，也就是确定深化设计节点在结构中的位置。预应力筋的搭接点就是确定预应力筋锚固位置，预应力筋锚固位置的确定需要遵循以下原则： 

2.1. 跨后浇带的预应力筋尽量单跨断开布置；

2.2. 后浇带之间的连续跨预应力筋尽量拉通；

2.3. 预应力框架梁中，XY两个方向的预应力筋不能在同一个钢管混凝土柱上绕开钢管混凝土柱张拉。如图6所示，图6a表示，预应力筋在钢管混凝土柱在X方向（即水平方向）进行搭接，则在Y方向（即垂直方向）不搭接，从而保证只有一个方向的预应力筋在同一个钢管混凝土柱处绕开钢管混凝土柱张拉；图6b表示，预应力筋在钢管混凝土柱在Y方向（即垂直方向）进行搭接，而在X方向（即水平方向）不搭接，从而保证只有一个方向的预应力筋在同一个钢管混凝土柱处绕开钢管混凝土柱张拉。

2.4  预应力筋绕柱方式和单根预应力筋长度选用1.8步骤核算后得出的铺放线型。 

3、钢管混凝土柱开孔与补强：根据预应力筋和钢管混凝土柱相交点处，每个柱子四周的框架梁预应力筋配筋、矢高、是否搭接的信息，确定钢柱开孔形状、开孔位置、开孔尺寸和开孔高度以便进行钢管混凝土柱节点开孔及补强。 

4、节点普通钢筋绑扎： 

    4.1 钢筋混凝土环梁钢筋绑扎：钢筋混凝土环梁的钢筋成形需要依靠机器完成，在钢筋绑扎区绑扎成形后通过吊装从该节柱顶套下。钢筋混凝土环梁钢筋绑扎时需要注意两点：

    4.11 钢筋混凝土环梁箍筋间距为100mm。从上往下数的钢筋混凝土环梁第一和第二根腰筋仅就位但不绑扎。穿设完靠上方的波纹管后，绑扎第一根腰筋紧贴波纹管底，然后再进行另一个方向的波纹管穿设，待波纹管穿设完毕后，再进行第二根腰筋的绑扎。

4.12 箍筋之间的肢距应均匀，避免出现箍筋肢距太小预应力波纹管无法穿过的情况发生。 

4.2 钢筋混凝土环梁钢筋绑扎完成后，方可进行框架梁钢筋的绑扎。 

5、节点预应力筋布置： 

5.1 节点预应力筋锚固端布置：预应力筋锚固端除了布置在结构外围，还会布置在断开搭接处，钢管混凝土柱处断开搭接锚固时采取“定向绕开钢管混凝土柱、部分锚出节点区”的方法布置锚固端。具体如下：

     5.11 预应力筋固定端布置大多数情况下为穿过钢管混凝土柱后埋设于钢筋混凝土环梁内。如图7所示，如果两侧搭接的预应力筋4锚固方式均为用预应力筋固定端6固定，则选取一侧预应力筋固定端6绕开钢管混凝土柱并且穿过节点区中心线后埋设于钢筋混凝土环梁5内。

    5.12张拉端节点选用：张拉端位于柱边且张拉方向无结构构件遮挡时，可采用穿柱后在柱边直接张拉。为保证包裹张拉端的混凝土的施工质量，需要在张拉端周围设置一定的插筋和箍筋；张拉端位于连续跨的中柱子旁时，预应力筋通过钢管混凝土柱节点区后，从梁侧绕出，将锚垫板和锚具放在梁侧，在千斤顶前装上变角器直接在板面张拉；张拉端位于连续跨的中柱子旁且需要绕开钢管混凝土柱时，预应力筋以核算后得出的线形方式绕过钢管混凝土柱，将钢筋混凝土环梁边的楼板适当加厚形成板下加腋，预应力筋从加腋处的板面伸出，在千斤顶前装上变角器直接在板面张拉。 

    5.2预应力筋穿设：有粘结的预应力筋穿设施工顺序为：预应力定位钢筋焊接、穿设有粘结预应力筋的波纹管、预应力筋下料制作、穿设预应力筋、安装螺旋筋，锚垫板，泡沫，排气管等。上述工序完成之后，将钢筋混凝土环梁节点环向腰筋绑扎完成后，即可装模。 

6、节点混凝土浇筑：节点区钢管混凝土柱的混凝土浇筑和钢管混凝土柱内混凝土浇筑同时进行，节点混凝土浇筑和梁板混凝土浇筑同时进行。具体如下： 

6.1 钢管混凝土柱的混凝土浇捣：钢管混凝土柱内混凝土的施工原则为：分节吊装钢管混凝土柱，分节灌注，混凝土从上往下灌注。钢管混凝土柱采用自密实混凝土，高抛加振捣的方式进行浇捣。

6.2 节点混凝土浇捣：节点混凝土浇筑和梁板混凝土浇筑同时进行，应注意以下几点： 

        6.21 保证不扰动承压板、预应力筋和排气管，严禁振动棒长时间触碰波纹管和承压板。

6.22不漏振，尤其节点核心区处钢筋密集，构造复杂，必须确保混凝土密实。 

7、预应力筋张拉与灌浆： 

7.1 预应力筋张拉：预应力筋到达龄期且满足张拉条件后，即可进行预应力筋的张拉。对于框架梁来说，一般要求框架梁的混凝土强度达到设计强度的100%且龄期不少于28天方可。张拉前，需要对同条件下养护的混凝土试块进行强度试验，强度达到要求后方可进行张拉。张拉作业以控制张拉力为主，同时用张拉伸长值作为校核依据。实测伸长值与理论计算伸长值的偏差应在（-6～+6）％范围之内，超出时应立即停止张拉，查明原因并采取相应的措施之后再继续作业。张拉时对同一根框架梁中的两束预应力筋采取对称同步张拉的方法。当预应力筋的伸长值大于千斤顶的行程，可采用分级张拉，即第一级张拉到行程后锚固，千斤顶回程，再进行第二次张拉，直至达到张拉控制值。

7.2 灌浆：灌浆前应全面检查预应力筋孔道、灌浆孔、排气孔、泌水管等是否畅通，对锚具进行封锚，用高标号水泥浆或结构胶封堵锚具和夹片之间的空隙，防止灌浆时漏浆。孔道灌浆应一次完成，缓慢连续地进行，不能中途停顿。喷嘴不能离开灌浆孔，以免空气进入孔道形成气泡。为使灌浆饱满，待排气孔排出浓浆后将排气孔封闭，整个孔道灌满后再封闭灌浆孔。 

8、拆模：预应力框架梁的底模需要等到预应力筋张拉灌浆完毕后，方可拆除。常规的混凝柱预应力框架梁，预应力筋在后浇带都可单跨断开，因此拆模分两步进行，第一步是在除跨后浇带的预应力筋张拉完后，将没有后浇带的穿过的所有框架梁底模拆除，第二步是后浇带封闭后张拉完跨后浇带的预应力筋，再拆除剩下的后浇带框架梁底模。 

上面对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。