關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)和混凝土組合結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)

沈楠

（重慶拓達建設(shè)（集團）有限公司 重慶市 南岸區(qū) 400061）

關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)和混凝土組合結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)

沈楠

（重慶拓達建設(shè)（集團）有限公司 重慶市 南岸區(qū) 400061）

隨著建筑工程的不斷發(fā)展，建筑物的高度與跨度不斷提高，經(jīng)過多年的研究及工程實踐，鋼筋混凝土-鋼組合結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)展成為既區(qū)別于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式（混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)），又與之密切相關(guān)和交叉的結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)類型和適用范圍涵蓋了結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用的很多領(lǐng)域。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，組合結(jié)構(gòu)有明顯的優(yōu)勢：造價比鋼結(jié)構(gòu)低，結(jié)構(gòu)剛度比鋼結(jié)構(gòu)大，施工速度比混凝土結(jié)構(gòu)快，抗震性能優(yōu)于混凝土結(jié)構(gòu)，尤其是框架-核心筒體系采用組合結(jié)構(gòu)時，其建筑高度可以比鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)更高，具有廣闊的發(fā)展前景。這里我們就談一下這種組合結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)。

鋼管混凝土；組合結(jié)構(gòu)；施工技術(shù)

成果概述：

鋼筋混凝土-鋼組合結(jié)構(gòu)將兩種材料的構(gòu)件通過某種方式組合在一起共同工作，組合后的整體工作性能要明顯優(yōu)于各自性能的簡單疊加。采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的構(gòu)件主要包括型鋼-混凝土組合梁、鋼骨混凝土梁/柱、鋼骨混凝土墻/筒、鋼板混凝土連梁、鋼板混凝土墻、鋼骨混凝土柱、鋼管混凝土柱等。

鋼筋混凝土-鋼組合結(jié)構(gòu)中，常采用鋼骨混凝土柱和鋼管混凝土柱，主要截面形式有鋼骨混凝土柱、鋼管混凝土柱、空心鋼管混凝土柱等，相應(yīng)的其梁柱節(jié)點連接也于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同。在梁的應(yīng)用方面鋼筋混凝土-鋼組合結(jié)構(gòu)中，常采用型鋼混凝土組合。

在上述常用的組合構(gòu)件中，鋼管混凝土柱在我國應(yīng)用較早且較為廣泛，尤其是近年來在高層建筑中使用較多，下面主要對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)進行重點闡述：

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是介于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)之間的一種復(fù)合結(jié)構(gòu)。鋼管混凝土通常用于柱，即在鋼管中灌注混凝土，鋼管和混凝土這兩種結(jié)構(gòu)材料在受力過程中相互制約。鋼管混凝土柱的承載力，比鋼管和混凝土柱芯各自承載力的綜合提高約40%。鋼管混凝土承載力高，塑性和韌性良好，耐火耐腐蝕性能好，無需鋼筋綁扎、支拆模等工序，施工簡便，可大量節(jié)約人工費用。鋼管混凝土柱有良好的經(jīng)濟性能，同一般型鋼混凝土柱比較，在同等條件下，鋼管混凝土柱可節(jié)約30%的用鋼量。同鋼筋混凝土比較，可節(jié)省水泥70%，節(jié)約鋼材10%，節(jié)省模板100%，而造價大致相等。在美國、澳大利亞等國家，已建成的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)高層建筑已經(jīng)超過40幢。我國的高層、超高層建筑工程中也在推廣應(yīng)用這種優(yōu)良的結(jié)構(gòu)形式，如先后開工建設(shè)的總高610m的廣州電視塔、總高437.5m的廣州西塔均采用了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。可以預(yù)見，今后鋼管混凝土結(jié)構(gòu)將成為高層和超高層建筑中大量使用的結(jié)構(gòu)形式。

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在施工過程中，最為關(guān)鍵的幾個施工環(huán)節(jié)，即鋼管制作、鋼管拼接組裝、鋼管柱吊裝、鋼管內(nèi)混凝土澆筑。

（1）鋼管制作若由施工單位自行卷制，其鋼板必須平直。當采用滾床卷管及手工焊縫接時，宜采用直流電焊機進行反接焊接施工。

（2）鋼管拼接組裝時，應(yīng)嚴格保持焊后管肢的平直。在鋼管焊接前，點焊定位適用于小直徑鋼管，對于大直徑鋼管可另用附加鋼筋焊于鋼管外壁作臨時固定連焊。在接焊接過程中，若點焊定位地方的焊縫現(xiàn)出微裂縫，對此微裂縫部位務(wù)必全部鏟除重新焊接。

（3）鋼管柱吊裝

吊裝時，應(yīng)注意減少吊裝荷載作用下的變形，吊點位置應(yīng)根據(jù)鋼管本身強度和穩(wěn)定性驗算后確定。采用預(yù)制鋼管混凝土構(gòu)件時，應(yīng)等管內(nèi)混凝土達到強度設(shè)計值的50%后，才可以進行吊裝。鋼管柱吊裝的允許偏差應(yīng)符合要求。

（4）鋼管內(nèi)混凝土澆筑

管內(nèi)混凝土可采用高位拋落無振搗法、立式手工澆搗法、泵送頂升澆筑法。泵送頂升澆筑法是在鋼管接近地面的適當位置安裝一個帶閘門的進料支管，直接與泵車的輸送管相連，由泵車的壓力將混凝土連續(xù)不斷自下而上灌入鋼管，無需振搗；立式手工澆搗法即能達到振實混凝土的目的，適合使用于管徑大于350mm、高度不小于4m情況。

對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)來說，雖然鋼管核心混凝土在施工中振搗困難，甚至無法振搗，導(dǎo)致混凝土密實性不夠，存在大量氣泡和空洞，影響工程質(zhì)量。為解決這一問題，目前，高層、超高層鋼管混凝土結(jié)構(gòu)施工中通常采用高性能自密實混凝土。自密實混凝土在澆筑過程中，僅靠自重或少振搗的情況下就能在模板內(nèi)自密實成型。它與常規(guī)澆筑、振搗混凝土最大的區(qū)別在于：能夠自流平填密，避免出現(xiàn)因振搗不足而造成空洞、蜂窩、麻面等質(zhì)量缺陷。同時，自密實混凝土所用的水泥量較少、粗骨料較少、摻合料較多、砂率較大，即使外加劑的成本較普通混凝土高，但從制作混凝土的成本材料上面作比較，強度等級為C40自密實混凝土的材料成本與同強度的普通混凝土材料成本相近。而且，隨著水泥價格越來越來高，普通混凝土材料的成本已高出了自密實混凝土材料的成本。假如從工程質(zhì)量、工程的施工進度及材料成本等多方面綜合對比，鋼管混凝土中運用自密實混凝土，整個工程的經(jīng)濟效益及技術(shù)效益將明顯提高。

（5）鋼管混凝土澆筑模型試驗

為確定科學(xué)、合理的澆筑工藝用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工，可在施工前進行1：1模型模擬澆筑實驗。分別采用與工程實際直徑相符的直段鋼管和節(jié)點鋼管進行試驗，鋼管的大小和安裝角度均與實際結(jié)構(gòu)一樣，以保證試驗的可靠性。直段鋼管柱與節(jié)點鋼管柱澆筑同標號混凝土。在鋼管混凝土澆筑完成后作檢測：

①外觀檢測：1：1模型鋼管混凝土澆筑完成達到28d齡期后，將試驗用鋼管混凝土放到，剖開外面的鋼管，檢測其混凝土外觀質(zhì)量，直觀地了解混凝土的澆筑質(zhì)量（試驗用混凝土外觀光滑、平整）。

②斷面檢測：將混凝土沿橫向切開觀察混凝土斷面的密實情況（混凝土的斷面密實，沒有孔隙）。

③抽芯檢測：為了檢驗混凝土的強度等級，對混凝土實行抽芯取樣強度試壓，試快的抽取采取大型抽芯機和普通抽芯機這兩種機械進行，抽芯部位同樣采用兩種情況——豎向抽取和橫向抽取。經(jīng)過對抽芯取樣的試件進行抗壓強度和預(yù)留試件抗壓強度的對比，證明混凝土強度符合設(shè)計規(guī)范要求。

④絕熱溫升檢測：為驗證各標號鋼管混凝土絕熱溫升條件下的強度是否滿足要求，做了絕熱溫升試驗，具體試驗方法如下：

用高度1.2m、直徑1m、厚度1cm的鋼管做模擬試驗。用密封膠試模制作150mm×150mm×150mm立方體標準試件3組，制作完成后用塑料薄膜包裹好放入鋼管混凝土內(nèi)。為了確保所制作的試件具有代表性，試驗所取的混凝土應(yīng)該跟實體構(gòu)件的鋼管混凝土是同一批的，混凝土的分層澆筑，把2根鋼筋焊接在鋼筋內(nèi)壁上作為分層界面，然后把事前已準備好的混凝土試件放進鋼管混凝土柱內(nèi)鋼筋上，連續(xù)澆灌混凝土至試模上口，每分一次層，就在鋼管壁的外側(cè)畫上一個標志線，做為后續(xù)分層切割的依據(jù)。

測量溫度時，在各個鋼管混凝土樁內(nèi)都要設(shè)置1個測量溫度的點，以便觀測混凝土升溫升情況。等到混凝土的強度到28d齡期后，首先把鋼管剝開，然后沿著之前所做的分界面標記將混凝土一層一層分開，最后把試模周邊的混凝土剔除，打開試模后將試塊取出送檢，混凝土強度應(yīng)滿足要求。

⑤超聲波檢測：1：1鋼管混凝土試驗還做了埋管超聲檢測，檢測齡期分別為7d、14d、28d，可以發(fā)現(xiàn)：混凝土齡期越長的，超聲波的檢測結(jié)果就越好。鋼管混凝土外壁超聲波檢測同時進行。結(jié)果表明：此種檢測方法是不可行，聲波的傳遞直接沿管壁分散掉了，未經(jīng)過混凝土。

鋼管混凝土澆筑模型試驗結(jié)果，依據(jù)試驗過程中記錄的鋼筋剖析后混凝土肢解外型外觀質(zhì)量、超聲波檢測出的結(jié)果，可以知道，沒振搗過的混凝土抗壓強度和外型外觀質(zhì)量都比經(jīng)過振搗的混凝土低，由此分析、總結(jié)每個不同直徑鋼筋的具體振搗時間、澆筑時間全都是混凝土振搗棒連續(xù)振動及連續(xù)下料的情況。在現(xiàn)實情況里，假如下料過快或者是有間歇，需要按每500mm振搗時間反算實際振搗時間。

（6）鋼管混凝土澆筑施工工藝

①施工現(xiàn)場機具配備

向現(xiàn)場施工人員進行安全、技術(shù)交底；

現(xiàn)場配備多根高頻振搗棒、照明燈具、監(jiān)控攝像頭、絞車及扎絲若干，以及施工方案里所需要的其他施工工具；混凝土澆筑前應(yīng)確保鋼管內(nèi)無雜物、無積水，然后將振搗棒、串筒、監(jiān)控裝置、照明燈具及絞車固定好，為確保混凝土振搗棒及監(jiān)控裝置的機械性能完好，應(yīng)提前進行試用。攪拌站應(yīng)嚴格按照試驗配合比進行配料，以確保混凝土的可泵性和自收縮量在規(guī)定范圍內(nèi)。

②鋼管混凝土澆筑

混凝土需連續(xù)澆筑，根據(jù)澆筑高度、鋼管直徑及泵送出料速度，放入材料后30s開始振搗，放入材料后2min振搗開始提升，振搗棒隨著混凝土的下料勻速提升，提升速度的前提是需要滿足混凝土振搗密實，混凝土振搗密實的表現(xiàn)是：表面呈現(xiàn)浮漿、未見氣泡或是氣泡不大、振搗棒的聲音平緩，混凝土澆筑速度能夠通過控制泵送壓力來控制。

如果下料過程中有中斷（中斷時間禁止超過混凝土初凝時間），相隔2min開一次振搗棒，為了維持混凝土的流動性。繼續(xù)放入材料后，在混凝土交界面保持振搗15s大小。為了保證混凝土的振搗質(zhì)量，混凝土的澆筑速度要合理控制。同一根鋼管柱混凝土澆筑應(yīng)該連續(xù)，分層間不得出現(xiàn)冷縫。

混凝土澆筑完成后，操作人員需立即對振搗棒、串筒等機具進行清洗，以備下次施工使用。混凝土初凝后，立即對表面浮漿進行清理和鑿毛，并對鋼管口加以保護。

③施工現(xiàn)場檢測

通過以上各項試驗驗證了鋼管混凝土的澆筑工藝，但是在現(xiàn)場實際操作中有些檢測方法是不可行的，所以，埋管超聲波檢測是最適用于現(xiàn)場鋼管混凝土的質(zhì)量檢測的。

超聲波檢測采用埋設(shè)聲測管的方法通過水的耦合，超聲波脈沖信號從一根聲管中的換能器發(fā)射出去，由另一根聲管中的換能器接收，超聲儀測定有關(guān)參數(shù)并采集數(shù)據(jù)儲存，通過傳遞波形的情況判斷混凝土的質(zhì)量。

（7）鋼管混凝土澆筑實施效果

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了鋼材和混凝土兩種材料的優(yōu)點，并表現(xiàn)出抗壓強度高、塑性性能好、抗震性能優(yōu)異等新的工作性能。與鋼結(jié)構(gòu)柱子相比，可節(jié)約鋼材50%左右，造價大大降低；與鋼筋混凝土柱子相比，不需要模板，節(jié)約混凝土，減輕自重50%以上，是一種優(yōu)質(zhì)、高強、經(jīng)濟合理的承重構(gòu)件。

大直徑鋼筋混凝土柱利用鋼筋和混凝土的共同受力，使混凝土的強度得以提高，塑性和韌性能大為改善。同時，由于混凝土的存在可以避免或延緩鋼筋發(fā)生局部屈曲，從面保證材料性能的充分發(fā)揮，所以混凝土本身的密實度和與鋼管內(nèi)壁緊密結(jié)合對鋼管混凝土使節(jié)力至關(guān)重要。

綜上所述，鋼結(jié)構(gòu)和混凝土組合結(jié)構(gòu)已成為建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向，必將得到更廣泛的應(yīng)用。

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TU765

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1673-0038（2015）34-0069-02

2015-8-3