中歐鋼管混凝土（塔架）施工質量檢驗標準對比

戴浚，高善飛，梁太平

1 研究背景

鋼管混凝土的基本原理是借助圓形鋼管對核心混凝土的套箍約束作用，使核心混凝土處于三向受壓狀態，從而使核心混凝土具有更高的抗壓強度和壓縮變形能力。除具有強度高、重量輕、延性好、耐疲勞、耐沖擊等優越的力學性能外，鋼管混凝土還具有省工省料、架設輕便、施工快速等優越的施工性能[1]，在高層和大跨度建筑結構中，得到了廣泛應用。水泥工業中窯尾預熱器塔架（以下稱塔架）的結構設計方案現已普遍采用鋼框架支撐的結構體系、鋼管及鋼管混凝土柱為主的結構選型。此方案具有增大結構抗側剛度、提高材料利用率、降低鋼柱用鋼等優點，進一步顯現了鋼管混混凝土的獨特優勢。

對于國內水泥項目預熱器塔架鋼管混凝土施工，我國工程建設標準化委員會于1990年頒布的《鋼管混凝土結構設計與施工規程》（CECS28：90）中明確規定了相關施工方法及質量檢驗標準。但對于國外項目，由于對歐標、美標相關標準缺乏深入的研究和轉化，在塔架鋼管混凝土施工中仍然按照國內標準進行質量檢驗，由于無法出具相關國外通行標準佐證施工方案的正確性、可靠性，導致施工中建設方和監理方（業主方）容易產生分歧，影響工程進度。如某項目在塔架鋼管混凝土施工過程中，由于無法出具國外鋼管混凝土施工質量檢驗的相關標準，雙方對混凝土澆灌方式及質量檢驗始終未達成一致，使安裝工作停工20d，給項目執行帶來風險。

2 鋼結構部分比較

2.1 鋼管混凝土鋼結構的質量檢驗

《鋼管混凝土結構設計與施工規程》中涉及塔架鋼結構的鋼管制作、鋼管拼接、鋼管柱吊裝等關鍵質量檢驗標準，是以《鋼結構工程施工質量驗收規范》（GB50205-2001）為基礎制定，對應的歐標（英國標準）中鋼結構施工標準主要為《Execution of steel structures and aluminium structures-Part 2:Technical requirements for the execution of steel structures（鋼結構和鋁結構的實施第二部分：鋼結構實施的技術要求）》（BS EN1090-2:2008）。

塔架鋼結構部件一般為工廠加工。鋼管柱一般采用直縫焊接鋼管和螺旋焊接鋼管，目前我國焊接鋼管制造工藝、生產設備、檢驗技術已達到國際先進水平。正規廠家的焊接鋼管質量可靠，但須提供加工件的材料質量報告、部件質量檢驗報告。鋼結構部件進場前，應對部件進行檢查，要對鋼管柱、主梁等關鍵部件進行100%檢驗（每條焊縫長度的20%，且≮200mm）。

塔架鋼結構現場施工主要控制組裝及吊裝偏差（表1、表2），并須對鋼管柱現場拼裝焊縫須進行100%超聲檢測。

2.2 鋼管混凝土鋼結構的施工要點——柱腳的安裝

預熱器塔架結構承載除自身重量以外，還包括預熱器本體和其他輸送設備的重量。為了將塔架所承載的重量有效傳遞給基礎，要求塔架柱腳與基礎結合得非常緊密。在塔架柱腳的實際施工過程中，一般用砂墩調整第一層鋼管柱垂直度和標高，當第一層塔架調整完成后，再進行鋼管柱的灌漿。這種施工方案可以保證鋼管柱腳與基礎完全結合。

3 混凝土結構部分比較

3.1 鋼管混凝土的一般質量檢驗

3.1.1 檢驗標準

鋼管混凝土施工中，混凝土澆灌是鋼管柱混凝土結構的關鍵點。澆灌出現缺陷，會直接削弱鋼管混凝土構件的力學性能和整體性能。根據水泥工程特點，塔架鋼管混凝土普遍采用立式高位拋落無振搗澆灌法進行澆注，《鋼管混凝土結構設計與施工規程》第7.4.4-5條規定了采用該方法時的施工方法、質量控制（骨料粒徑、水灰比、塌落度）的標準，歐標中，未明確鋼管混凝土的質量檢驗標準，參照歐標中混凝土規范《Concrete-Part 1:Specification,performance,production and conformity（混凝土第一部分：規定、性能、制造和合格證）》（BS EN206-1:2000）中新拌混凝土（Flesh concrete）的標準予以檢驗，對比對見表3。

3.1.2 檢驗方法

1902年，趙忠堯出生在浙江諸暨，父親當過私塾老師、行醫醫生，對中國積貧積弱的局面痛心疾首，特別寄希望于子女能夠有出息。1916年，15歲的趙忠堯考入諸暨縣立中學，1920年，又考入中國創辦最早的四所高等師范學校之一，南京高等師范學校！趙忠堯入南京高等師范學校就讀時，南京高師正要擴建為東南大學。1924年畢業后，他留在東南大學，并遇到了改變他一生命運的人——中國近代物理學奠基人葉企孫。

對于塌落度、抗壓強度等混凝土質量試驗方法，測定方法國內外基本一致，參考表4執行。

3.2 鋼管內混凝土的檢驗——超聲波檢測

鋼管混凝土在施工中，有時會因管理不善和施工原因，使混凝土材料存在空洞、疏松、施工縫不均勻以及混凝土與鋼管膠結不良等缺陷，從而不同程度地削弱鋼管混凝土構件的力學性能和整體性能，所以要在一般質量檢驗的基礎上加強鋼管混凝土施工質量的監控，《鋼管混凝土結構設計與施工規程》第7.4.9條規定：鋼管內混凝土如有異常則應用超聲波檢測。

表1 鋼結構組裝允許偏差（國標和歐標對應條款）

表2 鋼管柱吊裝允許偏差（國標和歐標對應條款）

表3 新拌混凝土質量檢驗條款

超聲法檢測技術作為混凝土非破損檢測技術之一，廣泛應用于檢測混凝土內部缺陷和勻質性等方面。我國工程建設標準化委員會于2000年頒布的《超聲法檢測混凝土缺陷技術規程》（CECS21：2000）中對鋼管混凝土缺陷監測方式和數據處理作了規定。但超聲法檢測不僅受到骨料的品種和粒徑的影響，而且還受到水灰比和水泥用量的影響，測量精度不高。2004年國家頒布《建筑結構檢測技術標準》（GB/T 50344-2004）規定用超聲法檢測鋼管內混凝土強度必須用同條件立方體試塊或混凝土芯樣試件抗壓強度進行修正。

國外項目進行超聲檢測應以《Testing concrete—Part 4:Determination of ultrasonicpulse velocity試驗混凝土第四部分：超聲波脈沖速率的測定》（BS EN 12504-4:2004）為依據操作，歐標中缺少鋼管柱混凝土檢驗，在數據處理過程中還要以《建筑結構檢測技術標準》（GB/T 50344-2004）相關規定進行修正。

3.3 鋼管混凝土施工要點——鋼管內混凝土澆灌

3.3.1 鋼管內混凝土澆灌方式的比較

《鋼管混凝土結構設計與施工規程》第四節管內混凝土澆灌規定了澆灌方式（泵送頂升澆灌法、立式手工澆搗法、立式高位拋落無振搗法）及不同澆灌方式混凝土的質量要求和檢驗。根據以往現場經驗，各種澆灌方法比較見表5。

立式高位拋落無振搗法適用于管徑大于350mm，高度不小于4m的施工條件，從實驗結論中可以看出，采用立式高拋無振搗法澆灌鋼管內混凝土，在保證混凝土的質量條件下，成型后的自密實性能及力學等各項性能滿足設計要求[22]。對于塔架這種總高度較高（大型塔架高度達到100m）且每節鋼管柱較高的鋼管混凝土結構，從施工費用、周期、技術要求等綜合考慮，宜采用立式高位拋落無振搗法。雖然目前尚未查閱到立式高位拋落無振搗法澆灌混凝土的歐洲標準，但此方法在國內已廣泛應用。

表4 混凝土試驗方法（國標和歐標對應條款）

表5 鋼管混凝土澆灌方式比較

3.3.2 鋼管內混凝土澆灌基本施工方法

（1）鋼管內混凝土在兩層框架安裝完畢后進行澆灌。框架分層澆灌的拋落高度應選擇一個比較合理的高度，既能保證底層混凝土的密實性，又能確保混凝土質量不受影響（拋落高度過大則會造成石子與水泥砂漿離析）。

（2）利用混凝土下落時產生的動能達到振實混凝土的目的，對于拋落高度不足4m的區段，應用振搗器振實，一次拋落的混凝土量宜在0.5～0.8m3左右，用料斗裝填（用塔吊），料斗卸料口尺寸應比鋼管內徑小100～200mm，以便混凝土下落時，柱內空氣能夠排出。

（3）混凝土由每段柱頂連續拋落，至每段柱頂下500mm為止，柱頂下4m內混凝土采用插入式振搗，一次振搗時間約30s。

（4）最后一層澆灌到距柱頂管口500mm處止（為方便澆注，先將頂蓋板切開），封頂蓋板，間隔10h后，從封頂蓋板預留孔向柱內灌滿混凝土，混凝土強度達到50%后封焊預留孔。

（5）每次灌漿前應在前次灌漿層上澆5～10cm同等強度的水泥砂漿。

3.3.3 冬季鋼管內混凝土澆灌

某生產線預熱器塔架施工，在冬季進行鋼管內混凝土澆灌，混凝土澆灌后，塔架鋼管柱出現裂縫。檢查發現，混凝土中出現冰碴。這種情況在其他行業建設中也出現過。鋼管混凝士柱裂縫的產生，是此種結構冬季施工的質量通病，涉及混凝土內部微脹應力、凍脹和焊縫設計、施工等諸多方面。裂縫產生的最主要原因是，鋼管混凝土柱對溫度的強敏感性，鋼管和混凝土膨脹系數的差異（分別為1.2×10-5/℃與0.7×10-5/℃），同時鋼管混凝土是密閉結構，負溫下混凝土中的游離水難免凍結，體積膨脹9%，并伴有204～240MPa的凍脹應力，其外圍的鋼管在負溫下發生“冷縮”，加之鋼材的低溫韌性較差，極易形成破壞性裂紋。

雖然鋼管混凝土對溫度變化膨縮的敏感性差異很大，但只要溫度穩定或變化緩慢，不足以引起鋼管混凝土結構裂縫。在冬季鋼管內混凝土澆灌過程，應采取有效的保溫措施，使鋼管混凝土中水泥水化熱緩慢積蓄并降溫；摻入定量復合防凍劑緩解乃至消除凍脹應力；采取熱拌和延長攪拌時間的方法，加速膨脹劑溶解和水泥水化進程等措施。

4 體會和建議

對比國內外鋼管混凝土施工的質量標準，我國出臺了專門的指導規范，規定了施工的方法和部分檢驗標準，歐洲標準尚未制定鋼管混凝土規定，使用鋼結構和混凝土標準操作執行，強調通過質檢標準確保工程質量。從標準比較中可見，檢驗（試驗）方法近似，但質檢標準存在一定差異。

對于國外項目的實際施工操作中，應在國內使用的檢驗模板基礎上建立起對應的以國外標準為參照的檢驗系統，以適應當地業主需求，同時，應逐漸完善施工過程（計劃、方法、記錄等文件控制）的管理（目前國內施工管理尚較為薄弱），注重對冬季施工等特殊過程的專項管理。

[1]CECS28：90鋼管混凝土結構設計與施工規程[G].

[2]CECS21：2000超聲法檢測混凝土缺陷技術規程[G].

[3]GB 50628-2010鋼管混凝土工程施工質量驗收規范[G].

[4]GB 50119-2003混凝土外加劑應用技術規范[G].

[5]GB 50164-2011混凝土質量控制標準[G].

[6]GB 50344-2004建筑結構檢測技術標準[G].

[7]GB/T 50080-2002普通混凝土拌合物性能試驗方法標準[G].

[8]GB50081-2002普通混凝土力學性能試驗方法標準[G].

[9]JGJ 55-2011普通混凝土配合比設計規程[G].

[10]BS EN 13670:2009 Execution of concretestructures[G].

[11]BS EN1090-2:2008 Execution of steel structures and aluminium structures.Part2:Technical requirements for the execution of steel structures[G].

[12]BS EN206-1:2000Concrete-Part 1:Specification,performance,production and conformity[G].

[13]BS EN12390-3:2009 Testing hardened concrete Part 3:Compressive strength of test specimens[G].

[14]BS EN 12350-2:2009 Testing fresh concrete Part 2:Slump-test[G].

[15]BS EN 12350-8:2010 Part 8:Self-compacting concrete—Slump flowtest[G].

[16]BS EN 12504-4:2004《混凝土檢測—第四部分超聲檢測》[G].

[17]蔡紹懷.我國鋼管混凝土結構技術的最新進展[J].土木工程學.第32卷.第四期.

[18]趙茁躍.水泥廠窯尾高層鋼管混凝土塔架結構的研究及應用[N].總工論壇.

[19]黃建彰,等.鋼管柱高拋自密實混凝土澆注工藝的實驗研究及運用[J].上海建設科技.2010.1.

[20]程波,等.超聲法檢測鋼管混凝土缺陷的研究及工程應用[J].混凝土.2008.4.

[21]蔡紹懷.我國鋼管混凝土結構技術的最新進展[J].土木工程學報.第32卷.第四期.

[22]黃建彰,等.鋼管柱高拋自密實混凝土澆注工藝的實驗研究及運用[J].上海建設科技.2010.1.■