多腔體多邊形鋼管巨柱全過程試驗(yàn)研究*

翁邦正， 侯川川， 王文淵， 喬穩(wěn)超， 楊 猛

(1.中國建筑第二工程局有限公司，北京 100160; 2.北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

1 工程概況

春之眼商業(yè)中心項(xiàng)目位于昆明市東風(fēng)廣場工人文化宮以南，拓東路以北，盤龍江以東及北京路以西，建筑高度407m，建筑面積60.06萬m2，共有地下室 5層，地上80層，其中一期施工至12層。主體結(jié)構(gòu)采用巨型鋼框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，其中巨型鋼框架中在角部布置了 6 根多腔體多邊形鋼管混凝土巨柱，如圖1所示。

圖1 主體結(jié)構(gòu)巨型鋼框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系

主塔外框巨柱是結(jié)構(gòu)的核心受力構(gòu)件，巨柱最大截面尺寸707mm× 4 489mm×2 880mm×2 722mm× 4 811mm,巨柱截面共分為 9 個(gè)腔體。鋼板最大厚度為100mm，鋼材材質(zhì)為Q345B。巨柱采用分片方式進(jìn)行安裝，如圖2所示。

圖2 多腔體多邊形鋼管巨柱

2 研究目的

為確保超高層結(jié)構(gòu)中多腔體多邊形鋼管巨柱混凝土施工質(zhì)量的可靠性及結(jié)構(gòu)安全性，對澆筑及養(yǎng)護(hù)過程中巨柱鋼管側(cè)壁承受的壓力以及巨柱中混凝土的收縮應(yīng)變進(jìn)行測試。

2.1 巨柱鋼管壁側(cè)壓力測試

混凝土澆筑過程中，拋落壓力會對鋼管產(chǎn)生側(cè)壓力，未凝固的混凝土?xí)a(chǎn)生靜水壓力；另外，混凝土逐漸凝固后，由于混凝土水化放熱致使其溫度升高而產(chǎn)生膨脹，對鋼管也可能產(chǎn)生作用力。為保證結(jié)構(gòu)安全性，有必要對混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)過程中鋼管承受的側(cè)壓力進(jìn)行監(jiān)控。

2.2 混凝土應(yīng)變測試

收縮是混凝土固有的性質(zhì)，高強(qiáng)混凝土由于水灰比或水膠比相對較低，因此水化初期的自收縮較大，甚至可能引起混凝土與鋼管內(nèi)壁之間產(chǎn)生縫隙，從而導(dǎo)致混凝土脫空。因此，有必要對鋼管混凝土巨柱中的混凝土應(yīng)變進(jìn)行測試。

3 研究過程

試驗(yàn)對象包括施工現(xiàn)場的實(shí)際結(jié)構(gòu)多腔體多邊形鋼管巨柱以及足尺模型柱，測試需要考慮施工情況，在現(xiàn)場能夠提供的條件下，保障測試順利進(jìn)行，同時(shí)保證測試結(jié)果的可靠性。在此過程中，通過合理走線，使得傳感器的導(dǎo)線能夠在長期觀測過程中不受其他施工因素的干擾，對于本測試而言極為關(guān)鍵。試驗(yàn)中采取的走線方案和相關(guān)技術(shù)措施如圖3所示。

圖3 測試走線過程示意

首先從傳感器上將線引出，根據(jù)傳感器類型的不同，采取特定的保護(hù)措施。由于混凝土采用高拋澆筑方式，巨柱內(nèi)部導(dǎo)線在澆筑過程中很容易被拉斷或者砸壞，因此需要在必要位置搭設(shè)鋼筋，將導(dǎo)線順鋼筋牽引。由于巨柱壁上無開口，因此導(dǎo)線聚攏成股后需從鋼結(jié)構(gòu)鎖口位置引出，為了將導(dǎo)線引出至結(jié)構(gòu)外部的測量室，在外墻設(shè)置套管，從而保證后續(xù)施工不會影響本試驗(yàn)的持續(xù)監(jiān)測。

同時(shí)，為保證試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、可靠，在混凝土正式澆筑前，需對以下事項(xiàng)進(jìn)行檢查，確保混凝土澆筑過程中測試工作順利進(jìn)行。

1)核心混凝土澆筑前必須對混凝土配合比的合理性以及混凝土澆筑方法的可操作性進(jìn)行研究，以確保實(shí)現(xiàn)本次工藝試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

2)必須制定嚴(yán)格的混凝土澆筑方法，在試驗(yàn)過程中應(yīng)嚴(yán)格按混凝土作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行施工。

3)整個(gè)試驗(yàn)過程的施工、安裝與測試內(nèi)容，以及參與人員應(yīng)統(tǒng)籌安排。

4)混凝土澆筑前，應(yīng)將鋼管柱及其內(nèi)表面清理干凈。

5)必須在保證所有測試儀器都能正常工作，且所有工作人員到位后再開始混凝土澆筑。

6)注意及時(shí)記錄試驗(yàn)中的各種現(xiàn)象及有關(guān)數(shù)據(jù)。

7)試驗(yàn)過程中應(yīng)確保人身安全、試驗(yàn)過程安全和試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集安全；確保所安裝的各種儀器安全運(yùn)行；在測試過程中，要保證供電安全及現(xiàn)場儀器設(shè)備的安全等。

8)利用巨柱內(nèi)預(yù)留孔作為數(shù)據(jù)線引出孔。

4 研究結(jié)果分析

4.1 混凝土配合比及澆筑過程

多腔體多邊形鋼管巨柱采用C65自密實(shí)商品混凝土，實(shí)測混凝土流動性能良好。

施工過程中，商品混凝土攪拌站應(yīng)根據(jù)天氣條件、運(yùn)輸時(shí)間(白天或夜間)、運(yùn)輸距離、混凝土原材料(水泥品種、外加劑品種等)變化、混凝土坍落度損失適當(dāng)調(diào)整基準(zhǔn)配合比，保證混凝土質(zhì)量滿足要求。在鋼筋密集區(qū)域和鋼結(jié)構(gòu)縱橫隔板交錯(cuò)部位，應(yīng)輔以一定的振搗措施，保證混凝土密實(shí)。混凝土采用高拋免振法進(jìn)行澆筑，采用泵送導(dǎo)管導(dǎo)入，如圖4所示。

圖4 多腔體多邊形鋼管巨柱混凝土澆筑

4.2 環(huán)境溫度與濕度

對于混凝土材料，環(huán)境的溫度與濕度水平對其收縮和徐變的發(fā)展有較大影響。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，通常當(dāng)環(huán)境溫度較高、濕度水平較低時(shí)，混凝土收縮和徐變更容易發(fā)展，其收縮和徐變終值也通常較大。為評估本項(xiàng)目中的環(huán)境影響，在項(xiàng)目完成混凝土澆筑的 7—12月間，對昆明地區(qū)的環(huán)境溫度和濕度發(fā)展情況進(jìn)行了匯總，如圖5所示。

圖5 昆明 7—12 月平均溫度與濕度走勢

由圖5可以看出，在澆筑后的幾個(gè)月時(shí)間內(nèi)，昆明地區(qū)最高溫度在15～25℃ ，最低溫度在3～17℃。澆筑后整體環(huán)境溫度處于較低水平。同時(shí)，昆明地區(qū)的濕度水平相對較高，7—12月濕度整體穩(wěn)定在70%～80%。較低的溫度和較高的濕度有助于抑制混凝土收縮和徐變的發(fā)展，對鋼和混凝土之間的界面黏結(jié)有利。

4.3 多腔體多邊形鋼管混凝土巨柱

4.3.1鋼管壁壓力

在現(xiàn)場實(shí)際結(jié)構(gòu)的1個(gè)多腔體多邊形鋼管巨柱中選擇其中1個(gè)腔體，通過固定在鋼管壁上的振弦式土壓力計(jì)來測量施工過程中以及混凝土澆筑完成以后的巨柱鋼管壁側(cè)向壓強(qiáng)的持續(xù)變化。模型柱澆筑段總高度為6.4m，在離澆筑段底部3.2m和4.8m的地方分別埋置了1個(gè)土壓力計(jì)。澆筑完成后90d觀測到的管壁側(cè)壓強(qiáng)變化規(guī)律曲線如圖6所示。

圖6 鋼管混凝土巨柱側(cè)向壓強(qiáng)測試結(jié)果

由圖6可以看出，在開始澆筑后的1d時(shí)間內(nèi)，澆筑混凝土高度很快達(dá)到了3.2m和4.8m處。由于混凝土的靜水壓力作用，兩處的側(cè)壁壓強(qiáng)數(shù)據(jù)開始上升。此后，由于混凝土水化熱的作用，混凝土溫度升高，產(chǎn)生膨脹，導(dǎo)致側(cè)壁壓力進(jìn)一步上升，在壓力開始上升后的13h左右，兩處的壓強(qiáng)達(dá)到峰值，為0.6～0.7MPa。此后隨著混凝土硬化，混凝土收縮開始發(fā)展，兩處的側(cè)壓力開始下降。與模型柱結(jié)果類似，上部(4.8m處)的壓強(qiáng)下降速度比下部(3.2m處)要更快一些。在澆筑后4d左右，兩處的壓強(qiáng)下降至0左右。此后的近3個(gè)月內(nèi)，兩處的側(cè)壓力均保持了一個(gè)穩(wěn)定的發(fā)展趨勢，未出現(xiàn)大的波動,壓力穩(wěn)定在0～5kPa。

4.3.2混凝土應(yīng)變發(fā)展

在現(xiàn)場結(jié)構(gòu)巨柱中選取其中2個(gè)腔體(A腔和B腔)，在2個(gè)腔體內(nèi)各布設(shè)1個(gè)橫向和1個(gè)縱向大體積應(yīng)變計(jì)，測量腔體內(nèi)混凝土應(yīng)變的長期發(fā)展情況，如圖7所示。布設(shè)位置為澆筑高度的1/2處，即3.2m處。在數(shù)據(jù)采集開始后，數(shù)據(jù)顯示位于B腔中的縱向應(yīng)變計(jì)無法獲得有效采集數(shù)據(jù)，可能因?yàn)樵诨炷翝仓^程中造成應(yīng)變計(jì)線路損壞。其他3個(gè)應(yīng)變計(jì)可獲得有效數(shù)據(jù)，所采集的混凝土應(yīng)變數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖7 鋼管混凝土巨柱大體積應(yīng)變計(jì)安裝

圖8 鋼管混凝土巨柱混凝土收縮測試結(jié)果

由圖8可以看出，現(xiàn)場結(jié)構(gòu)巨柱中核心混凝土的發(fā)展趨勢與模型柱較為相似。澆筑后混凝土的應(yīng)變迅速上升，在第2～3天達(dá)到峰值。對于A腔，腔內(nèi)混凝土的橫向應(yīng)變峰值低于縱向應(yīng)變峰值。如前所述，由于其中1個(gè)應(yīng)變計(jì)線路損壞，B腔中只測了混凝土的橫向應(yīng)變。可以看出，B腔混凝土的橫向應(yīng)變峰值要高于A腔。此后混凝土的橫向和縱向收縮開始產(chǎn)生了較為明顯的下降，在1個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，應(yīng)變從峰值時(shí)的400～700με下降至200～500με。在此后的3個(gè)月內(nèi)，混凝土應(yīng)變基本保持平穩(wěn)。但A腔中2個(gè)應(yīng)變計(jì)的讀數(shù)有較為明顯的跳動，可能是線路連接不穩(wěn)定造成的。

5 測試結(jié)果分析

為確保真實(shí)結(jié)構(gòu)中現(xiàn)場多腔體多邊形鋼管巨柱混凝土的澆筑質(zhì)量，預(yù)先在結(jié)構(gòu)附近加工并澆灌了1個(gè)1∶1足尺模型柱，并在模型柱中進(jìn)行了與現(xiàn)場柱相似的監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果對比如圖9，10所示。

圖9 現(xiàn)場柱與模型柱鋼管壁側(cè)壓力測試結(jié)果對比

現(xiàn)場柱同樣的腔體進(jìn)行了鋼管側(cè)壁壓力的測量，不同之處在于澆筑高度。現(xiàn)場柱一次澆筑高度為6.4m，分別在澆筑高度3.2m處和4.8m處布置了土壓力計(jì)，而模型柱一次澆筑高度則只有3m，因此在澆筑高度2m和1m處分別布置了土壓力計(jì)。從圖9中可以看出，現(xiàn)場柱和模型柱的鋼管側(cè)壁壓力發(fā)展顯示出了相似的趨勢，均經(jīng)歷了先上升后下降的過程，且2個(gè)柱子的側(cè)壁壓力均在澆筑后3～4d降低至0MPa左右。兩者的不同之處在于峰值，現(xiàn)場柱的壓力峰值要高于模型柱，這可能是由于一次澆筑高度的不同造成，澆筑高度較高時(shí)，混凝土靜水壓力較大，因此在達(dá)到峰值時(shí)壓力略高一些。除此之外，2個(gè)柱子的結(jié)果吻合較好。

同樣對現(xiàn)場柱和模型柱的混凝土收縮測試結(jié)果進(jìn)行對比。選取2個(gè)柱子A腔中的橫向和縱向應(yīng)變結(jié)果進(jìn)行對比，如圖10所示。可以看出，2個(gè)柱子橫向和縱向應(yīng)變的發(fā)展趨勢均比較接近。2根柱子均表現(xiàn)出縱向應(yīng)變高于橫向應(yīng)變的趨勢，且峰值應(yīng)變和后期穩(wěn)定應(yīng)變均比較接近，表明模型柱和現(xiàn)場柱的混凝土材料質(zhì)量和澆筑質(zhì)量較為穩(wěn)定。

圖10 現(xiàn)場柱與模型柱混凝土收縮測試結(jié)果對比

6 結(jié)語

對春之眼商業(yè)中心項(xiàng)目多腔體多邊形鋼管巨柱的混凝土澆筑及澆筑完成后3個(gè)月左右的鋼管側(cè)壁壓力及混凝土應(yīng)變發(fā)展進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測。基于監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，在研究的參數(shù)范圍內(nèi)，可以得到如下主要結(jié)論。

1)側(cè)壓力的測試結(jié)果表明，巨柱的鋼管壁側(cè)向壓強(qiáng)最大可達(dá)1.2～1.4MPa。

2)多腔體多邊形鋼管巨柱現(xiàn)場結(jié)構(gòu)和模型的監(jiān)測結(jié)果吻合較好，總體上說明模型柱和現(xiàn)場柱的混凝土材料質(zhì)量和澆筑質(zhì)量較為穩(wěn)定。

3)混凝土收縮的測試結(jié)果表明，混凝土收縮變形的發(fā)展符合速率逐漸降低的規(guī)律，且混凝土縱向收縮變形大于橫向。結(jié)果顯示，巨柱核心混凝土的縱向收縮和橫向收縮均在500με以內(nèi)。

4)測試結(jié)果表明，混凝土鋼管壁之間的最終穩(wěn)定壓力值較小，但混凝土收縮值在可控范圍內(nèi)，可推斷所測部位混凝土的收縮未導(dǎo)致核心混凝土和鋼管壁之間的脫空；此外，測試試件所采用的混凝土配合比、澆筑工藝能滿足混凝土密實(shí)度的要求。