復(fù)雜鋼筋混凝土斜圓柱施工技術(shù)

陳文渝

(中國(guó)五冶集團(tuán)有限公司，四川成都 610063)

1 工程概況

某大型演藝中心，整體為陀螺狀，最高標(biāo)高46.6 m，直徑150 m，地下2層，地上6層。主體結(jié)構(gòu)一、二層為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，三層以上采用33榀懸挑現(xiàn)澆鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力桁架體系。桁架的最外側(cè)為大直徑外挑斜柱，最大直徑達(dá)1 200 mm，傾斜角度由24～73 °不等，每個(gè)軸線柱的角度、長(zhǎng)度以及柱子在每層的角度均不同，斜柱最大總長(zhǎng)約32 m，懸挑水平投影最大約20 m。斜柱與每榀桁架的徑向預(yù)應(yīng)力梁和樓層最外圍的環(huán)梁相交。柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60(圖1、圖2)。

圖1 結(jié)構(gòu)示意

1-斜圓柱；2-徑向預(yù)應(yīng)力梁；3-環(huán)向梁；4-屋面結(jié)構(gòu)圖2 懸挑桁架示意

2 施工特點(diǎn)與難點(diǎn)

(1)外伸斜圓柱數(shù)量多，每根軸線、每一層柱子的傾斜角度都不同，在柱梁節(jié)點(diǎn)處有不同方向、不同標(biāo)高的梁交叉穿過(guò)，配模不易。同時(shí)，由于斜柱與水平面夾角較小，直徑較大并且為圓形，造成模板支撐所受的荷載很大，在模板及支撐體系的選擇不僅要考慮到混凝土結(jié)構(gòu)的施工安全與質(zhì)量，還需要考慮支撐體系不能影響整體進(jìn)度推進(jìn)。

(2)斜圓柱鋼筋密集，特別是梁柱節(jié)點(diǎn)處，涉及到柱筋角度偏移，多方向梁筋和預(yù)應(yīng)力筋穿插，鋼筋施工難度極大。

(3)受到柱與水平角度較小、上部有梁的支撐體系以及柱內(nèi)鋼筋過(guò)多的影響，普通混凝土澆筑方式不能滿足施工需要，必須考慮其他解決辦法。

3 施工工藝原理及流程

(1)使用定型鋼模板，設(shè)計(jì)時(shí)將圓形模板與支撐系統(tǒng)的線接觸變?yōu)槊娼佑|，增大受力面積，使支撐系統(tǒng)受力更合理。同時(shí)，通長(zhǎng)平底模使其對(duì)不同角度的柱子均具有很好的適應(yīng)性，不必按每段柱子分別考慮底模與支撐系統(tǒng)連接處的角度問(wèn)題，大大簡(jiǎn)化模板設(shè)計(jì)和制作的難度。

(2)針對(duì)懸挑構(gòu)件履蓋范圍廣、起止高度高的情況，設(shè)計(jì)多層鋼結(jié)構(gòu)支撐平臺(tái)與鋼管支撐架相結(jié)合的方式做為支撐體系，既能與形狀多變的結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，又能留出足夠的底部空間做為其他工序的施工通道，同時(shí)在簡(jiǎn)單改造后也可做為幕墻施工的操作平臺(tái)。

(3)利用BIM技術(shù)，對(duì)斜圓柱與預(yù)應(yīng)力梁及其他框架梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模分析，深化設(shè)計(jì)，優(yōu)化施工工序，確定鋼筋安裝原則，滿足結(jié)構(gòu)受力體系要求。

(4)利用高強(qiáng)自密實(shí)混凝土解決斜圓柱混凝土澆筑振搗不易的難題。

(5)工藝流程見(jiàn)圖3。

圖3 鋼筋混凝土斜圓柱施工工藝流程

4 操作要點(diǎn)

4.1 鋼模設(shè)計(jì)、制作

(1)將柱模的設(shè)計(jì)分為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和異形節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)在同直徑柱中可周轉(zhuǎn)使用，每一節(jié)又分為三瓣，即一個(gè)底模和兩個(gè)側(cè)模。首先研究結(jié)構(gòu)施工圖紙，對(duì)所有的斜柱柱頭、柱腳進(jìn)行統(tǒng)一而且是唯一的編號(hào)，在扣除標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長(zhǎng)度后確定柱頭與柱腳的初步長(zhǎng)度，然后進(jìn)行所有異形節(jié)的三維模型建立。模型建立后，綜合考慮重量、尺寸、拼接節(jié)點(diǎn)(包括鋼模與梁木模連接)、模板安、拆等因素，對(duì)鋼模進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，形成加工圖。為保證加工精度，所有異形節(jié)全部繪制下料展開(kāi)圖，加工廠根據(jù)加工圖進(jìn)行模板的加工制作(圖4～圖6)。

圖4 柱頭模型示意

1-側(cè)模；2-底模；3-與木模連接處擋塊圖5 斜柱鋼模板加工示意(單位:mm)

圖6 模板展開(kāi)(單位:mm)

(2)由于模板所選材料厚度較小，優(yōu)先選用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，焊接電流要小，對(duì)稱施焊。分塊加工完成后，進(jìn)行節(jié)段預(yù)拼裝，確保尺寸準(zhǔn)確、連接可靠。所有項(xiàng)目檢查合格后，進(jìn)行表面涂裝，做好標(biāo)記，按節(jié)整體運(yùn)至工地。

4.2 斜柱支撐體系

4.2.1 鋼結(jié)構(gòu)施工平臺(tái)

從安全性、經(jīng)濟(jì)性、可持續(xù)利用的角度綜合考慮，懸挑部分混凝土構(gòu)件采用鋼結(jié)構(gòu)施工平臺(tái)結(jié)合鋼管支撐架體系的方案。根據(jù)結(jié)構(gòu)形狀，設(shè)置多層鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)，再在鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)上搭設(shè)模板支撐架，解決了腳手架體搭設(shè)高度過(guò)高過(guò)密，操作困難、安全性不高的問(wèn)題。同時(shí)，由于鋼平臺(tái)的立柱主要布置在地下室的混凝土柱頂上，鋼平臺(tái)底層留有較大的空間，同時(shí)地下室樓板也不再需要過(guò)密的架體加固，可做為內(nèi)外施工的通道，不影響其他專業(yè)的施工(圖7、圖8)。

圖7 支撐體系設(shè)計(jì)分析

圖8 鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)立面示意

由于有安裝在結(jié)構(gòu)外圍的鋼支撐平臺(tái)，所以可以將斜柱支撐架的搭設(shè)高度控制在7 m以內(nèi)，大大減小了鋼管腳手架的搭設(shè)量，搭設(shè)后檢查也很方便。

4.2.2 鋼管支撐架

通過(guò)對(duì)所有柱子的荷載情況進(jìn)行總體分析，初步確定架體的立桿間距、步距等參數(shù)，之后繪出每根柱子的架體搭設(shè)模型，利用結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)其承載能力分析，再根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整(圖9)。

圖9 斜柱支撐架計(jì)算模型

強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果

長(zhǎng)細(xì)比

KL/r=66.5<150.0(Memb:856.LCB:1)

O.K.

軸向應(yīng)力驗(yàn)算

N/Nrc=24575.0/89211.2=0.275<1.000

O.K.

彎曲應(yīng)力驗(yàn)算

My/My=383993/965983=0.398<1.000

O.K.

Mz/Mz=0/965988=0.000<1.000

O.K.

整體穩(wěn)定驗(yàn)算(壓縮+彎曲)

Rmax1=N/(fPhi-y*A)+Beta-my*My/[f*Gammay*W1y*(1-0.8*N/N-Ey)]

Rmax=Rmax1=0.615<1.000

O.K.

剪切強(qiáng)度驗(yàn)算

Vy/Vy=0.000<1.000

O.K.

Vz/Vz=0.054<1.000

O.K.

4.3 斜柱鋼筋制作與綁扎

(1) 梁柱節(jié)點(diǎn)鋼筋數(shù)量多，且大部分柱鋼筋需要彎折貫通或者彎折錨固，同時(shí)還要預(yù)留足夠的間隙保證預(yù)應(yīng)力管道的埋設(shè)。為解決此問(wèn)題，引入BIM技術(shù)，通過(guò)建模分析，對(duì)節(jié)點(diǎn)內(nèi)每一根柱縱筋的彎折角度、下料長(zhǎng)度以及放置位置進(jìn)行詳細(xì)定位并編號(hào)，無(wú)法避讓的鋼筋與設(shè)計(jì)溝通采取并筋、加排等方法解決。在鋼筋位置確定后，再進(jìn)行施工模擬，選擇合理的鋼筋安裝順序(圖10、圖11)。

圖10 梁柱節(jié)點(diǎn)鋼筋模型

圖11 鋼筋碰撞檢測(cè)及模擬施工

(2)鋼筋施工順序：斜柱鋼筋編號(hào)、加工→ 斜柱鋼筋綁扎→閉合柱定型鋼模標(biāo)準(zhǔn)節(jié)及柱腳節(jié)→采用與預(yù)應(yīng)力管道等直徑的定位管按照預(yù)應(yīng)力張拉端每根預(yù)應(yīng)力管道位置進(jìn)行管道定位，與斜柱箍筋有碰撞的，應(yīng)將碰撞部位箍筋截?cái)啵枚啼摻罘忾] → 安裝預(yù)應(yīng)力梁非預(yù)應(yīng)力鋼筋 → 安裝非預(yù)應(yīng)力梁鋼筋 → 綁扎與斜柱相交部位梁雙向?qū)_(kāi)口箍 →拆除定位管道，穿插預(yù)應(yīng)力波紋管和鋼絞線→ 封閉預(yù)應(yīng)力端頭模板和梁側(cè)模板。

(3)由于柱箍過(guò)密，柱子鋼筋的綁扎在模板支撐架基本完成后即開(kāi)始進(jìn)行，待柱鋼筋籠基本成型后再安裝底模；柱主筋采用機(jī)械連接方式，相鄰鋼筋接頭錯(cuò)開(kāi)35d(d為鋼筋直徑)；在梁、板模板支撐架上增加橫桿，搭設(shè)柱鋼筋籠綁扎的臨時(shí)支架，橫桿的數(shù)量要足夠，防止鋼筋籠將鋼管壓彎；按隔一接一的方式先接長(zhǎng)一半主筋，箍筋綁扎完成后再穿另一半主筋，這樣可方便套箍筋和綁扎；柱筋整體就位，在角度、方向都調(diào)整好后再穿與之相交的梁鋼筋。

4.4 模板安裝與加固

(1) 柱鋼筋綁扎完成后，先安裝底模，后安裝側(cè)模。使用吊車將鋼模吊至柱旁，然后用手動(dòng)葫蘆接住就位。將底模放到支撐架上后，調(diào)整其位置并基本固定，之后把支撐鋼筋籠的臨時(shí)支架拆除，將鋼筋籠放入底模中。由下至上逐節(jié)安裝側(cè)模，邊安裝邊校正，保證連接部位順直，接縫嚴(yán)密。

(2) 柱頭與梁交接處是模板施工的難點(diǎn)，有時(shí)會(huì)遇到局部鋼模面積過(guò)小的情況，由于其自身剛度無(wú)法保證且現(xiàn)場(chǎng)與梁模拼接困難，因此在設(shè)計(jì)制作鋼模時(shí)便將這類面積過(guò)小的鋼模取消，而改用小塊木模根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)尺寸進(jìn)行拼接，實(shí)踐證明能夠達(dá)到預(yù)期效果。

(3) 斜柱模板全部安裝完成后再次對(duì)角度、方向、模板拼縫等進(jìn)行檢查，均無(wú)誤后進(jìn)行模板的加固，加固包括用鋼管從四個(gè)方向?qū)⒛０彐i緊，防止爆模，同時(shí)用鋼管配合頂撐與梁板架體相連，防止模板側(cè)向偏移(圖12)。

圖12 斜柱支撐架示意

(4) 因斜柱的荷載比較大，斜柱的模板支撐架均屬于高大模板體系，在澆筑前必須按高大模板驗(yàn)收程序進(jìn)行驗(yàn)收，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題立即整改，確保施工安全。

4.5 混凝土澆筑

(1) 由于柱內(nèi)箍筋均與柱軸線垂直，同時(shí)還有多向梁筋穿過(guò)，鋼筋非常比較密集，使用普通混凝土無(wú)法插入振動(dòng)棒進(jìn)行振搗，經(jīng)方案比選，決定在斜柱上使用自密實(shí)混凝土(圖13)。

圖13 梁柱節(jié)點(diǎn)處的鋼筋實(shí)況

(2) CECS 203-2006 依據(jù)《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，結(jié)合本工程的實(shí)際情況選用性能等級(jí)為一級(jí)的自密實(shí)混凝土，技術(shù)參數(shù)達(dá)到表1規(guī)定。

表1 自密實(shí)混凝土性能參數(shù)

自密實(shí)混凝土經(jīng)過(guò)多次試拌，確保所配制的混凝土能夠達(dá)到強(qiáng)度及性能要求；在正式施工前，還根據(jù)實(shí)體的狀況做了模擬澆筑，對(duì)澆筑樣品進(jìn)行檢測(cè)以驗(yàn)證混凝土的性能。

(3)自密實(shí)混凝土的澆筑。考慮到每次的澆筑量和操作便捷性，斜柱自密實(shí)混凝土采用塔吊配合專用料斗接料、放料。運(yùn)輸車輛在現(xiàn)場(chǎng)等待時(shí)不得停止旋轉(zhuǎn)，快速旋轉(zhuǎn)60～90 s后才能卸料，這有利于保持混凝土具有良好的工作狀態(tài)。混凝土生產(chǎn)和澆筑過(guò)程中，由具有豐富經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)人員在商混站和澆筑現(xiàn)場(chǎng)對(duì)混凝土的坍落擴(kuò)展度和坍落度進(jìn)行檢驗(yàn)和目測(cè)，判定混凝土性能是否符合施工技術(shù)要求，不符合要求的混凝土不得使用。混凝土的放料速度要慢，防止帶入過(guò)多的空氣形成表面氣泡而對(duì)外觀質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。柱內(nèi)過(guò)密的箍筋會(huì)影響混凝土靠近柱邊緣處的流動(dòng)，因此需要對(duì)鋼模進(jìn)行適當(dāng)?shù)那脫粽駝?dòng)。

(4)斜圓柱混凝土澆筑完成后帶模養(yǎng)護(hù)，直至模板拆除。

(5)混凝土澆筑質(zhì)量。模板拆除后，斜柱成型較好，混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，還通過(guò)超聲波和內(nèi)窺鏡對(duì)實(shí)體內(nèi)部進(jìn)行檢查，證明內(nèi)部密實(shí)無(wú)孔洞(圖14、圖15)。

圖14 超聲波檢查

圖15 斜圓柱混凝土成型效果

4.6 模板拆除

因斜柱與地面夾角較小，所以均按懸挑構(gòu)件考慮，強(qiáng)度必須達(dá)到100 %之后才能拆除底模板。模板拆除時(shí)，遵循先裝后拆、后裝先拆的拆除原則，鋼模均使用手動(dòng)葫蘆輔助拆除，拆除后材料及時(shí)傳入樓層中，周轉(zhuǎn)的模板用吊車吊至下一安裝點(diǎn)，不周轉(zhuǎn)的模板轉(zhuǎn)移至專用堆場(chǎng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

雖然本工程的斜柱數(shù)量多、尺寸多變，但是利用本施工技術(shù)很好地解決了圓形斜鋼筋混凝土柱模板和支撐、鋼筋制作與綁扎、混凝土澆筑等難點(diǎn)，成型斜柱外光內(nèi)實(shí)，尺寸、角度、位置偏差均在規(guī)范允許之內(nèi)，保證了施工質(zhì)量與安全，技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)合理，在演藝中心的施工中得到圓滿的應(yīng)用，為同類工程的施工積累了經(jīng)驗(yàn)。