鋼管混凝土柱頂升與高拋相結合的混凝土澆筑施工技術

王 剛 司法強 黃沛林 陳 華 潘鈞俊 余少樂

中國建筑第八工程局有限公司 上海 201204

1 工程概況

杭州蕭山國際機場三期項目新建航站樓及陸側交通中心工程中的旅客航站樓及北三指廊工程新建航站樓屋蓋為異形雙曲面鋼結構屋架，下部設置鋼管柱。其中，標準支撐柱由支撐柱＋分叉節點＋分叉柱組成（圖1、圖2），底部通過預埋件與下部混凝土結構連接，頂部分叉柱與屋蓋封邊桁架相貫焊接連接，共計40組。梭形鋼管柱共10組，底部通過預埋件與下部土建結構連接，頂部與屋蓋下弦通過球支座連接。

圖1 鋼管柱分布

圖2 標準支撐柱示意

本文以杭州蕭山國際機場三期項目新建T4航站樓不同類型鋼管柱為例，針對鋼管柱不同特點以及現場施工實際情況，采用頂升法與高拋法相結合的施工工藝，通過在混凝土澆筑過程中對鋼管自身以及成形后對鋼管混凝土柱密實性等進行監測，最終順利完成了鋼管柱的灌注且成形質量良好。

2 施工方法選擇

鋼管柱內的混凝土為C60自密實混凝土，經過對普通混凝土澆筑法、高拋法以及頂升法的對比和分析，決定針對不同情況采用不同的方式對鋼管柱內的混凝土進行澆筑。

標準支撐柱由于上部為分叉柱節點，且上部留設有直徑約800 mm的孔洞，內部每隔1.25 m設置隔板及加勁板，內部布置有栓釘。針對上口開孔情況，此類鋼管柱采用高拋法澆筑，配合人工輔助振搗，確保鋼管混凝土密實度滿足設計要求。

梭形柱由于上下部均為抗震球形鋼支座，整根鋼管柱內部為密閉空間，同時內部栓釘及加勁板布置十分密實（圖3）。采用泵送頂升法澆筑，自柱下部側面預留混凝土頂升接口，自下而上一次性頂入自密實高性能混凝土無需振搗，可以避免因加強鋼板阻隔造成的局部不密實或混凝土離析等質量缺陷，該類型鋼管柱采用頂升法澆筑。

圖3 梭形柱節點示意

3 工藝原理

鋼管混凝土柱柱芯混凝土頂升施工工藝是利用混凝土輸送泵的泵送壓力，在鋼管柱柱腳開頂升口，在鋼管柱頂開出漿孔，將混凝土從鋼管柱底部灌入，直至注滿整根鋼管柱的一種混凝土免振搗施工方法，需在鋼管接近樓板面的適當位置安裝一個帶止回閥的進料短鋼管。本工藝能一次性將鋼管混凝土柱內的混凝土頂升至所需高度，可減少工序環節，降低勞動強度，加快施工進度。采用頂升法澆筑的鋼管柱，在混凝土密實性、收縮性、強度以及澆筑結合面等方面都能夠滿足設計和現行規范的質量要求[1]。

鋼管混凝土柱柱芯混凝土高拋法加人工輔助振搗施工工藝原理是采用高密實混凝土合理的配比，使混凝土拌和物具有很高的流動性，在高空拋落中不離析、不泌水，在澆筑過程中利用高處拋下的混凝土自重產生的動能達到自密實效果，在混凝土澆筑至柱頂4 m范圍內時，采用人工輔助振搗，確保柱頂混凝土密實度滿足要求[2]。

4 施工過程控制

4.1 混凝土配制

混凝土施工澆筑過程需重點解決的2個問題為鋼管混凝土澆筑時的密實度與C60混凝土的可泵性。

2種施工工藝均對混凝土性能要求非常高，最關鍵的是需保證混凝土有良好的擴展度、泵送性和流動性，特別是對于高強度混凝土來說，這也是高強混凝土生產控制的技術難點。同時，還需要關注混凝土泵送后坍落度和擴展度的泵送損失問題。

混凝土在澆筑過程中需注意以下幾點：

1）必須保證混凝土強度能滿足設計強度要求。

2）混凝土在澆筑過程中免振搗，凝結硬化后的密實性應良好。

3）確保鋼管柱與混凝土形成一個有機整體，混凝土與鋼板側壁之間不得出現明顯收縮，不產生表觀裂縫，兩者合二為一，形成一個整體受力構件。

4）混凝土應具有良好的可泵性和流動性，便于自動擴展填充，保證頂升或高拋時的密實性能。

5）混凝土應具有較小的黏度、較低的擴展度（坍落度）和較小的流動性損失率，有足夠的初凝時間，保證混凝土在澆筑過程中始終保持良好的流動狀態。

在滿足以上性能的同時，仍需要防止自密實混凝土離析、泌水現象的發生。離析現象會導致混凝土粗骨料在泵管中堆積并導致堵管，同時離析混凝土進入鋼管柱內部時，粗骨料下沉，砂漿上浮，導致混凝土發生嚴重的分層現象，形成局部薄弱區域，硬化后會嚴重影響混凝土與鋼管柱內壁的黏結，對整個鋼管混凝土柱的成形質量造成嚴重影響。

4.2 自密實混凝土性能指標

C60高強自密實混凝土高拋或頂升對其混凝土自身性能要求較高，需結合工程實際對其性能提出詳細要求。

本工程混凝土需同時滿足泵送頂升和高拋2種施工工藝要求。采用泵送頂升施工工藝時必須杜絕頂升中斷的情況，這需要對混凝土原材料的選擇、配合比設計、生產過程、運輸和現場泵送等整個生產施工環節和過程都做好控制。特別是配合比性能的穩定性方面，要從根本上確保高強自密實混凝土性能，選擇優質原材料，根據選用的水泥配制專用優質外加劑，在確?；炷磷悦軐嵭阅艿耐瑫r，解決黏度和和易性之間的矛盾以及擴展度和坍落度經時損失的問題。同時，在摻加微硅粉優質摻合料時，需充分保證混凝土自密實性能的穩定性和抗壓強度。針對粗、細骨料，需嚴格控制其含泥量＜1%，以滿足混凝土拌和物的流動性和強度的要求，并有效減少混凝土的收縮。最后，需對混凝土配合比進行優化，調整各摻合料的比例，保證混凝土各項性能指標均滿足使用要求。另外，在使用過程中加強對混凝土性能的檢測，確保出場混凝土與入模混凝土性能滿足頂升和高拋泵送要求。

4.3 頂升模擬澆筑試驗檢測結果分析

采用泵送頂升法進行混凝土澆筑時，泵送壓力會對其鋼管產生動壓力，混凝土會產生靜水壓力，對鋼管產生的施工應力會導致鋼管變形增加，影響施工階段的剛度和承載力等力學性能，嚴重時會導致鋼管脹裂，帶來結構缺陷。因此，需通過測試混凝土澆筑過程中產生的動壓力和靜水壓力以及核心混凝土溫度變化產生的附加應力，來觀測混凝土對鋼管內壁的壓應力在不同時間段的變化規律。通過觀測發現，混凝土在澆筑和硬化過程中對鋼管壁的總體側壓力不大，且未凝固的混凝土靜水壓力以及混凝土溫度變化引起的溫度應力較泵送時泵送壓力對鋼管壁產生的側壓力影響更大（圖4）。

圖4 頂升鋼管壁應力變形示意

澆筑過程中對鋼管的變形進行監測，通過應變值與鋼管的材料性能試驗結果，得到鋼管在此過程中的應力、應變變化情況。采用靜態電阻應變儀對鋼管壁典型位置處安裝的應變片進行監測，以便測試混凝土澆筑過程中鋼管壁的應變變化規律以及后期鋼管的微觀變形。對關鍵部位進行了橫向和豎向的應變檢測，從混凝土泵送過程到凝固過程來看，鋼管的應變值均很小，表明鋼管所受應力較小（圖5、圖6）。

圖5 剪應力云圖

圖6 正應力云圖

鋼管混凝土采用C60高強混凝土，有必要對其內部溫度進行測試，以控制混凝土溫差變化。通過采用熱電阻對混凝土和大氣溫度進行測試，得知混凝土內部實際最大溫升為24 K，且在達到峰值后5 d內的降溫速度大于3 K/d。

4.4 混凝土泵送管道的布置

混凝土泵送管道布設應根據現場實際情況以及混凝土泵車和運輸車站位綜合考慮，利用樓內框架柱固定泵管至樓面，再將管線水平鋪設至頂升接口位置，頂升接口裝置如圖7所示，包含頂升接口、轉換接頭、止回閥以及45°彎頭，防止混凝土直接沖擊對面鋼柱壁，增加頂升阻力。頂升接口采用泵管制作，與泵送管道配套使用，鋼管柱底部孔洞需在鋼管柱進場前提前開好，在開孔位置焊接短管，短管另一端焊接一小塊方形鋼板，頂升接口焊接可現場進行。泵管與頂升接口的轉換接頭采用長500 mm的泵管，泵管一端為標準接口，另一端焊接與頂升接口相匹配的方形連接鋼板，滿足高壓泵管與頂升接口的快速連接要求。同時，泵管上需安裝止回閥裝置。止回閥采用方形鋼板制作，固定在頂升接口與轉換接頭中間，防止泵送完成后鋼管內混凝土回流，在混凝土達到強度后進行拆除并焊接封堵預留孔。

圖7 混凝土頂升接口

4.5 鋼管柱操作平臺

鋼管柱在采用高拋法施工時需搭設操作平臺。操作平臺由鋼管、花紋板和H型鋼制作而成，中間直徑根據圓鋼管柱直徑而定，為對半連接式，開口面與通道相連。操作平臺用于操作人員輔助振搗混凝土以及觀察混凝土澆筑高度，平臺四周焊接防護欄桿（圖8）。

圖8 操作平臺

5 鋼管混凝土密實度檢測

目前，國內鋼管混凝土完整性檢測的方法不少，如人工敲擊法、鉆芯取樣法、超聲波法、表面波法以及光纖監測系統等，最常用的檢測方法有超聲波法、人工敲擊法以及鉆芯取樣法等。

5.1 人工敲擊法

人工敲擊法主要是對鋼管柱管壁進行敲擊，根據經驗判斷出缺陷位置以及種類，但是敲擊帶有太多的主觀色彩，完全取決于技術人員的經驗，缺乏理論數據的支撐，對整個超大體量鋼結構鋼管柱施工沒有指導意義，只能作為一種輔助檢測的手段。

5.2 鉆芯取樣法

鉆芯取樣法是最為直觀可靠的方法，通過對芯樣的觀察，可看出鋼管柱內部混凝土的密實度情況以及更精確地判斷混凝土強度是否滿足設計要求。但鉆芯取樣法同樣存在缺點，即取樣部位存在局限性，僅能代表該區域鋼管柱的施工質量，容易以偏概全，以點帶面，導致對整根鋼管柱造成誤判。因此，鉆芯取樣法只適用于局部抽查檢測，需結合其他檢測方法同步進行。

5.3 超聲波檢測法

超聲波檢測法的主要原理是利用鋼管外壁一端的發射換能器輻射高頻振動，經過鋼管圓心傳遞至另一端的接收換能器。超聲波在傳遞過程中遇到缺陷時，波速會發生變化，同時改變其傳播方向和路徑，在缺陷處能量衰減。當超聲波到達接收器端時，聲波幅度以及頻率會發生變化。超聲波檢測鋼管混凝土就是利用這個原理，從而通過波形、振幅以及頻率對鋼管柱的整體施工質量進行分析判斷[3]。

聲波檢測時需特別注意，必須保證超聲波通過混凝土時的傳播波速小于直接通過鋼管壁傳播的波速，否則，聲波將不穿過混凝土而直接通過鋼管壁傳播至接收器，這樣就無法判定其內部缺陷了。

本工程利用超聲波檢測法判定鋼管混凝土成形密實度的方法是行之有效的。通過合理布設檢測點，可對鋼管混凝土內部混凝土的密實性以及均勻性進行全面檢測。通過對產生的波形進行分析，較好地判斷出了管內混凝土各個位置的成形質量、缺陷部位，但需結合鉆芯取樣和人工敲擊法，才能更精確地檢測鋼管柱的施工質量。

6 結語

本文以杭州蕭山國際機場三期項目新建T4航站樓鋼結構屋面下部的鋼管柱施工為例，對泵送頂升法和高拋法2種施工工藝原理進行了闡述。分別從混凝土配制、高強度自密實混凝土性能控制、頂升模擬澆筑、混凝土泵送頂升接口設置、高拋法操作平臺的搭設等方面出發，分析了鋼管混凝土的整個施工過程。對鋼管混凝土成形質量進行了3種檢測方法的優、缺點分析，指出鋼管混凝土應采用超聲波檢測法、鉆芯取樣法和人工敲擊法相結合的綜合檢測方法，從而確保鋼管混凝土最終的澆筑質量。