夹层如何做更好？

某 多层框架底层 钢结构夹层设计与施工 的管理

         

闵宏芳   高工   全国一级结构工程师

前言:

这几年遇到四个 多层框架结构 工程 建成后，由于底层层高比较高，一般7.80m左右，中间加夹层, 对于夹层的做法 , 目前存在：

1、此夹层采用钢结构还是钢筋混凝土结构。

2、此夹层梁与原结构的柱连接采用铰接还是固接。

3、此夹层设计与施工注意事项。

作者帮助了 一个 夹层 工程 的 管理， 现在工程完成了 ,回过头来, 谈谈看法与体会 , 希望同行们指导与批评。

工程概况：某工程地下局部一层，地上四层， 钢筋混凝土框架结构 ,基础桩基 桩承台. 长44.70m，宽16.50m，8.90m与6.90m双跨，开间7.50m，底层层高7.90m，上面三层均4.50m。底层将来要加夹层，设计时 夹层 荷载考虑进去了，夹层位置外墙 与内墙上 结构梁都布置了 .工程完成后, 底层 加 夹层 .

下面介绍工程有关图纸：

底层平面图  

 剖面图

原底层柱子结构图

为了便于分析 :

底层某柱尺寸与配筋

柱子断面基本上都是方形 ,配筋二个方向 基本上相同 .

二层结构平面图

注 :此结构层布置与下面夹层第一方案相同.                  

(一)设计方面 :

1、钢结构楼面设计单位出了二个方案:

方案一：钢结构楼面钢梁基本上一样高，都是450mm.详见以下图一。

方案二：主梁高600mm，次梁400mm。小次梁300mm。详见以下图二。

以上第二方案，我们提出为什么方案一梁高450mm都可以，所以要求方案二主梁高也采用450mm，结果设计院同意了。

方案一钢构件截面表

构件编号	截面	材料	备注
GKL1	H450x300x16x20	Q345
GKL2	H450x350x16x20	Q345
GKL3	H450x300x12x18	Q345
GL1	H450x200x9x14	Q345
GL2	H450x300x8x12	Q345
GL3	H300x150x6.5x9	Q345

图一  钢结构楼面结构平面图(方案一)

 方案二:钢构件截面表

构件编号	截面	材料	备注
GL1	H450x350x16x24	Q345
GL2	H450x300x14x20	Q345
GL3	H400x200x8x12	Q345
GL4	H400x200x10x14	Q345
GL5	H300x200x6x8	Q345

图二: 钢结构楼面结构平面图(方案二)

                     方案二现场 照片    

外墙四周布置L63-4照片	方案二现状照片

分析二个方案:

1:方案二钢梁主次梁不一样高,比方案一大部分梁一样高施工方便.

2:方案二钢结构设计细节处理比方案一好.例如:外墙四周布置角钢L63--4与6,这样整个楼面完整,压型钢板靠墙有收头,即有一个固定的地方.详见以上 现场照片 .而且保证钢结构楼面同老结构可靠结合,共同作用.

又比如 :方案二:外墙与内墙上原设计的结构梁与钢梁分开,也就是夹层钢结构梁没有直接与原结构梁连接.当时考虑二个因素:

一方面确保原设计结构梁安全,因为直接连接荷载增加了,如果原结构梁设计富余还行,如果不富余要影响结构安全.另一方面保证整个夹层钢结构楼面完整性.受力与变形一至.详见以下照片.

         照片  夹层钢结构楼面边梁

问:钢结构楼面二个方案那个好?

回答：

夹层钢结构楼面的结构布置主要因考虑以下几个方面：

l 主次梁跨度及楼层净高的要求——一般夹层结构多存在净空不足的问题，所以布置结构时往往要应尽量减小梁截面高度；

l 原结构钢筋混凝土柱的配筋状态——一般应使楼面荷载通过合理的次梁——主梁——柱传力路径传递至柱，即考虑与钢筋混凝土柱不同方向的抗弯承载力相匹配。

本工程中柱基本为正方形截面，柱截面两个主轴的抗弯刚度没有差异，柱各边的配筋也似乎是相同的 . 一般来说横向框架跨度大且只有两跨，考虑到结构同时承受水平风荷载和地震作用，柱在两个方向的抗弯需求应该是有差异的。除非原结构的楼面次梁多数沿横向长跨布置，导致竖向荷载主要由纵向主框架传递给柱。这样对柱而言，应尽量布置次梁将荷载直接传递给纵向短跨主梁较好。但是这样会导致次梁跨度过大，次梁用钢较多。由于两个方案均采用了两级次梁，且主跨跨度相差不大，所以从这个意义上来说，两个方案应该相差不大；

l 次梁布置一般应考虑楼层分户墙的位置，特别是自重较大的分户墙——钢筋混凝土 压型钢板组合楼板本质上是单向板。除非隔墙较轻同时楼板刚度较大；

l 钢筋混凝土 压型钢板组合楼板在周边设置封边构造（一般为角钢）这是正常做法，不论方案一和方案二都应该有，只是有些工程在平面施工图纸上没有画出来，但是统一的构造详图或施工说明中应该包含这种构造。

l 方案二原来采用较大的梁截面高度，后来设计院同意采用450截面高度，应该理解为不是方案一用450mm，则方案二也一定可以用450mm，而是设计方复核后认为方案二可以采用450mm。

2:钢结构楼面钢梁同柱的连接,设计要求铰接,原因 : 原设计只考虑 夹层 荷载. 后来设计人员到现场看到 施工时候柱子上已经预留了高强螺丝预留孔,(详见以下照片)同时 考虑到 柱子钢筋多,植钢筋困难, 所以同意 采用高强螺丝对穿 连接 . 施工过程中又发现 高强螺丝预留孔 与固定钢梁孔对不着 , 最后 采取 在柱子周围 外 包钢板,解决 钢梁 固定问题.(详见以下照片)

底层柱预留孔照片	钢梁同 中 柱连接照片一
钢梁同 中 柱连接照片二	钢梁同 边 柱连接照片二

分析:结合施工具体情况,采用高强螺丝对穿方法,这样的钢梁与柱的 连接 施工比植钢筋方便 ,质量也比较 可靠 .

问:钢梁同柱的连接铰接好还是固接好?如果固接连接施工如何做才能达到?  

回答：

首先，梁柱铰接会简化柱的受力，主要增加柱的轴力，对边柱会存在由于竖向力偏心所产生的一定量的附加弯矩。同时铰接节点构造简单，便于施工。但是铰接导致主钢梁为简支梁，主梁截面增高，材料利用不经济。同时由于梁柱铰接导致夹层结构对于主体结构抗侧刚度的贡献较小。

相反，梁柱刚接有利于降低钢梁的截面高度，钢梁对混凝土柱的约束也强于铰接，有利于缩短柱的计算长度。刚接还可以提高整个结构的抗侧刚度。

其次，如果原主体结构的混凝土柱是按照长柱设计的，在柱的中间截面配筋不能承受夹层钢梁传递过来的弯矩作用，那么就不能采用刚接。

第三，如果原结构的沉降已经稳定，而夹层结构位于原结构的底层，如果新老结构的沉降差比较大，则不宜采用梁柱刚接。

第四，一旦采用刚接，则节点必须符合刚接构造（一般要采用加劲板，比较复杂），即节点不能有明显角位移的可能，这样才能可靠传递弯矩。一旦采用铰接，则节点必须符合铰接构造，即节点必须有提供明显角位移的可能，保证不传递弯矩。当然理想刚接和理想铰接通常是不存在的，所实现的大多是近似刚接或近似铰接 .

3、本工程将来要改造成内走廊办公楼,每个开间要分隔的,钢结构楼面房间分隔墙下面要不要放小次梁,隔墙采用200宽蒸压灰砂砖,设计人员说不要,我们要求要,设计同意了.同时钢结构楼面次梁位置原来设计人员是等分的,我们要求按照将来分隔墙的位置,走廊宽,卫生隔墙位置进行调整,设计人员也同意了.

问:房间分隔墙下要不要放小次梁?钢梁布置要不要按照功能要求布置?

回答：

l 对于自重较大的分户墙，一般应考虑布置小次梁，特别是分户墙走向是顺着压型钢板的板肋方向时。当然，如果结构设计时没有布置小次梁，但是已经考虑了分户墙或隔墙荷载（特别是严格按照墙体位置施加了线荷载），说明楼板能够承受墙体自重的作用，也是可以的。对于自重较轻的隔墙，一般不必设置小次梁；

4:钢结构楼面施工要求”不设支撑”.

问:钢结构楼面施工设支撑好,还是不设好?

回答：

    1、严格而言，钢筋混凝土 压型钢板楼板属于组合楼板，应进行施工阶段和正常使用阶段两阶段设计。有些工程的钢梁也是按照组合梁设计的（即考虑钢梁与楼板的组合作用），在这种情况下，也必须对组合梁进行施工阶段和正常使用阶段两阶段设计。

所谓两阶段设计，即：

施工阶段：考虑钢结构自重和混凝土湿重以及施工荷载（施工活荷载，包括堆料、施工机械和施工人员），只考虑组合梁中的钢梁（或组合板中的压型钢板）承担全部荷载。同时钢梁（或压型钢板）中按照设计要求布置一定数量的剪力键（例如焊栓钉等）。构件刚度或承载力不满足施工阶段设计要求时，可考虑布置支撑后重新验算，但是设计方必须清楚施工现场是否有布置临时支撑的可能以及支撑将作用力传至何处，是否可靠以及是否可能引发其他施工过程中的问题（例如多层结构中往往利用下层楼面作为上层结构临时支撑（或满堂脚手架）的支点，这样会导致施工阶段将正在施工的楼层荷载传递到下层楼面，对此应进行复核验算）。

正常使用阶段：考虑全部结构自重与其他恒载、楼面活载及其他荷载作用（风荷载、地震作用等），考虑组合梁（或组合楼板）承载。

至于施工时是否布置支撑，首先要按施工图要求施工，同时最好请设计方明确是否是按照两阶段进行的设计。其次是施工过程中应严格控制超载，同时加强施工监测或观察。

我曾经处理过一个工程事故。施工方按图施工没有布置临时支撑，但是出现了压型钢板和钢梁的严重变形，但是施工方没有注意，过度变形又导致实际的楼板混凝土超厚，从而更加增加了变形，恶性循环。后经过分析发现设计方并没有进行施工阶段的计算分析，但又未在施工图中明确要求布置临时支撑，应承担事事故主要责任。

这一点对于跨度较大（超过3米）的组合楼板和跨度较大（超过9米）的组合梁应尤为注意。

(二)施工方面:

1、本工程钢结构楼面设计施工要求”不设支撑”.所以浇筑楼面混凝土时,严格控制混凝土堆料高度,不超过100mm高,并且均匀堆放.

注:根据计算书楼面活荷载3.5KN/M2,100mm高钢筋混凝土每平方米已经 2. 5KN/m3,再加上施工荷载,不能再堆高了.同时施工时严格控制操作人员的人数.

2、压型钢板下2根三级钢直径10钢筋保护层厚度按照图纸要求15mm施工时一定要做到.

               

  

钢结构楼面剖面图

3、钢结构楼面楼面钢筋同原四周外墙结构梁采用植钢筋办法连接.施工时候原结构梁表面凿毛(这点本工程没有做好,按照施工要求,应该要做的,主要保证新老混凝土结合)

4、本工程钢梁安装,采用3吨小铲车跟着安装,没有设置临时支撑.

(三)体会与思考:

   1、设计应该结合工程的具体情况,并且考虑工程将来使用功能的需要.

   2、加强设计图纸施工安全性与保证工程质量的说明:

   （1）钢梁的安装应该设置临时支撑. 以前有过工程案例:由于板下没有临时支撑,浇筑混凝土时不注意,堆料高了,结果局部板扰度增加. 与此同时楼面混凝土浇筑必须控制混凝土堆料高度,并且均匀堆放.

   （2）加强保证工程质量的说明:

    新老混凝土结合界面,老混凝土面应该凿毛.确保新老混凝土的结合.还有种钢筋的施工要求说明:例如老混凝土上种钢筋的位置要正确,种钢筋的钢筋大小与深度,搭接钢筋的长度等.

（四）结论:

 根据以上工程经验回答文章开头提出的问题:

1、 文章提出的第一个问题:类似这样的夹层采用钢结构比钢筋混凝土结构,施工方便,实用性好.本案例底层层高7.90m,夹层钢结构楼面钢梁高450mm,加楼面120mm,一共570mm,这样夹层净高3.38m. 本工程以上钢筋混凝土楼面框架主梁 900mm高.这样净高只有3.05m.

2、 文章提出的第二个问题:类似这样的夹层 钢结构主 梁与原结构的柱连接 要看工程的具体设计情况 .建议刚 接 .

    下面介绍另一个钢结构夹层工程钢梁同柱连接, 施工时候柱子上 没有 预留 高强螺丝预留孔,采用外包钢板的施工做法:

3:工程施工说明必须强调施工安全性与可行性,以上案例做法供参考.