巨型截面多腔體鋼管混凝土柱施工技術

南 耀 琴

(山西八建集團有限公司，山西 太原 030027)

1 概述

隨著超高層建筑的不斷發展，巨型柱作為整個超高層的主要受力構件，大截面多腔鋼管柱混凝土柱的應用越來越廣泛,在超高層建筑豎向結構中起主要作用。在施工中，由于受到內部復雜腔體的影響，在現行施工技術往往針對施工過程中某一方面進行控制，沒有進行綜合技術研究，使得建筑結構各受力構件的施工質量不容易得到保障。多腔體巨柱主要施工技術體現在以下幾個方面：1)多腔體內部混凝土質量的保證；2)節點處多向鋼筋的連接方式對結構構件受力影響和施工質量保證；3)腔體內混凝土的澆筑和養護方式的選擇以及其質量控制。

本文首先對復雜多向梁柱節點進行了研究，對復雜節點施工影響因素進行了研究分析，并提出了多種連接方式組合應用。以C60高強混凝土為例做正交試驗，同時還對澆筑及泵送技術進行了試驗研究，通過總結國內超高層發展現狀，提出了最佳的施工技術，并通過山西建投商務中心項目的施工實踐檢驗，取得了良好的效果。

大截面多腔鋼管柱混凝土柱的應用越來越廣泛。但由于受到工期緊、周邊場地有限、澆筑高度高、梁柱節點復雜、高強混凝土等因素所限，常規方法無法滿足實際施工。因此必須尋求一種合理的施工方法保證大截面多腔鋼管柱混凝土施工質量。

為控制大截面、澆筑高度10 m以上多腔鋼管巨柱高強混凝土施工質量，應著手從高強混凝土預配技術、梁柱節點

鋼筋優化技術、鋼平臺搭設技術、鋼管混凝土澆筑導管制作安裝、混凝土灌注高度、澆筑速度、坍落度、養護等施工技術進行控制。

2 工程概況

山西建投商務中心項目的塔樓結構采用型鋼混凝土框架—核心筒結構，設巨型鋼管混凝土柱，見圖1，地下3層、地上2層，共5層，總高28.45 m，每延米9.8 t，單根巨柱重達278.81 t。截面為多腔焊接箱型截面，尺寸為2 300×3 400×60×60；每個巨柱分為四個腔體，每個腔體截面尺寸為1 700 mm×1 150 mm，內配置鋼筋芯柱，內部主要采用十字矩形加勁肋，形成4腔鋼管混凝土柱，加勁肋最大截面規格為-1 650×400×40×40；鋼材材質均采用Q390GJC-Z35。

腔體內混凝土強度等級為C60，混凝土方量共計2 800 m3。

根據工程整體計劃每根巨柱分四節安裝，混凝土澆筑高度為10 m～14.5 m之間。通過巨型截面多腔體鋼管混凝土柱施工技術研究與應用，保證混凝土施工質量。塔樓多腔體巨柱鋼結構深化設計分段計劃每根巨柱分四節安裝，混凝土澆筑高度為10 m～14.5 m之間。

本項目塔樓主體豎向結構為超大截面多腔體巨型柱，由外框長方形巨型鋼管及內部隔板將巨型柱分為四個腔體，巨柱從地下室一直到主體結構三層頂板。巨型多腔體柱與周邊不同角度的混凝土梁和鋼梁連接；巨柱鋼板厚度為60 mm，節點BIM模型見圖2。梁板傾斜角度各自不同，節點施工和內部混凝土施工的控制難度空前。

3 主要技術方案

在保證結構整體各項指標滿足要求下，對關鍵構件多腔體巨型鋼管混凝土柱進行專項分析；山西汾酒文化商務中心塔樓采用國際、國內先進的多種分析程序，ETBAS，MIDAS，SATWE，ABAQUS進行了多遇地震、設防地震、罕遇地震下等效彈性分析及罕遇地震下的彈塑性時程分析，對結構中的薄弱環節進行針對性加強，各項指標均滿足規范及預設性能目標的相關要求，同時對巨柱等關鍵構件采取了更為嚴格的抗震性能要求，保證結構的整體抗震延性。

通過對現場施工全面技術指導，對矩形柱施工工程主要從以下三個方面進行了施工技術的研究：一是節點鋼筋連接方式從BIM技術模擬和現場實施；二是巨柱鋼結構深化設計、運輸以及現場吊裝焊接；三是腔體內混凝土的實驗室配合比設計以及現場生產配合比。通過在建投商務中心塔樓巨柱的實施將巨柱施工技術進行綜合成套技術研究。

3.1 多腔巨柱與混凝土梁柱節點多種連接方式組合應用

每根多腔巨柱與5根鋼筋混凝土梁(2根垂直相交，3根斜交)錨固連接，巨柱的穿筋孔、主筋搭焊板、腰筋搭焊板、樓板搭焊板、鋼牛腿和鋼筋錨固預留孔洞均需要提前深化設計，結合BIM技術對鋼混構件連接節點進行深化設計及加工，確保工程施工質量。利用BIM仿真模擬技術對巨柱等構件進行模擬預拼裝確保工程施工質量。

多腔體巨柱和框架梁節點是整個結構的受力中心，對框架結構中梁柱節點進行整體的受力模擬分析。梁柱的鋼筋都在節點核心區錨固，受荷后節點容易發生錨固破壞，通過節點模擬受力分析，得出三種不同類型鋼筋混凝土梁柱節點處鋼筋錨固的各自方法和技巧。梁內鋼筋與鋼柱的連接，采用在柱上設置牛腿，鋼筋與牛腿焊接的連接形式。焊縫長度大于10d。勁性鋼梁底部、樓板鋼筋、混凝土抗扭鋼筋等加設措施鋼塊用于滿足其底部離開梁底的高度。對于本工程鋼骨梁與結構柱區域的處理，在實際施工中和設計單位一起探討研究，并形成新的創新點。

具體做法如下：本工程多腔巨柱主材材質為Q390GJC，壁厚達60 mm，框架梁與巨柱之間均存在15°～45°夾角。梁最大截面達1 750 mm×1 300 mm，上部鋼筋、下部鋼筋均為48Φ28，梁鋼筋梁縱筋穿筋率不小于30%。穿孔及焊接套筒均帶有一定角度。采用BIM 技術對梁柱節點進行放樣排布、碰撞檢查，并對鋼筋進行編號，鋼筋連接方式見圖3，通過三維模型進行技術交底。

1)巨柱與框架梁節點處，當梁高h≥400 mm時，巨柱與鋼筋混凝土梁連接采用牛腿連接方式，牛腿長度為1.5h，高度為0.7h。

2)梁縱筋穿筋率不小于30%，其余未穿孔縱向鋼筋采用搭焊板和套筒的連接方式，其中梁一排鋼筋與搭焊板采用雙面焊接(焊接長度不小于5d)；二排、三排縱向鋼筋采用焊接套筒連接方式；抗扭和構造鋼筋采用搭焊板連接方式(單面焊接不小于10d)，搭焊板材質同牛腿材質Q345C。

3)梁縱筋在巨柱內錨固長度能滿足直錨固的按直錨固配置，不滿足時采用機械錨固，機械錨固長度為0.4LaE+螺紋連接錨固板(錨固板滿足JGJ 256鋼筋錨固板應用技術規程規范的相關要求)。

4)西塔樓巨柱與周邊鋼筋混凝土樓板連接采用焊接連接板的方式，連接板規格-18×150 mm，材質為Q345B，板與巨柱采用單面坡口焊，焊接等級滿足二級焊縫要求。樓板雙層鋼筋與巨柱節點處均設置連接板，樓板鋼筋與連接板雙面焊接，焊接長度不小于5d(鋼筋直徑)。

3.2 優化高強自密實混凝土配合比

通過對混凝土的強度、擴展度、自收縮性等方面進行實驗適配，同時結合太原地區周邊地材供應現狀，項目部進行了多次正交試驗，控制擴展度指標，使得混凝土在多腔矩形柱內充分密實，并達到設計強度。為控制大截面、澆筑高度10 m以上多腔鋼管巨柱高強混凝土施工質量，著手從高強混凝土預配技術、梁柱節點鋼筋優化技術、鋼平臺搭設技術、鋼管混凝土澆筑導管制作安裝、混凝土灌注高度、澆筑速度、坍落度、養護等施工技術進行控制。保證大截面多腔體巨柱高強度混凝土施工質量。依據試驗數據確定出了最佳配合比：水膠比為0.293、膠凝材料的總量為590 kg、粉煤灰為116 kg、礦粉為87 kg、水灰比0.45，在現場的使用中效果顯著。

主要實施內容如下：實際條件進行試配，最終確定配合比，C60自密實混凝土具體要求如下：

1)采用P.O52.5水泥；

2)采用Ⅰ級粉煤灰；

3)細集料采用中砂(豆羅水洗砂)；

4)粗集料選用5 mm～20 mm優質碎石(泥屯碎石)和5 mm～16 mm細石連續級配；

5)采用GK-3000聚羧酸高性能減水劑；

6)采用28 d強度驗收指標作為混凝土配合比的設計依據；

7)擴展度T500≤12 s；

8)初凝時間8 h～10 h，終凝時間12 h～16 h。

3.3 導管法澆筑高強度混凝土

由于巨型鋼柱焊接分段為8.8 m，多腔體內部混凝土澆筑高度達10 m以上，內部網多腔體，每個腔體均需開孔，再加上混凝土的特殊性，通過分別對常規超高層的巨型柱的澆筑技術進行比較、分析，發現均不能滿足現場施工要求。根據現場實際情況和多腔巨柱的澆筑技術研究分析，研究人員通過將灌注樁的導管澆筑方法引入，并改進施工機具，將澆筑導管插入多腔體巨柱內，采用導管向下延伸和上下抽動有效的解決腔體內混凝土的振搗難題。

具體做法：

1)柱頂搭設裝配式安全操作平臺：為保證多腔巨柱混凝土施工的方便性和安全性，巨柱頂部搭設裝配式操作平臺。

2)在巨柱各個腔體內的頂部銷軸固定兩塊中間半圓鋼板作為導管卡扣，定位導管和接長。

3)導管每段長度為2 m，上部接料斗的地方為活動的螺旋接口，加快卸管的時間。

4)對導管下料斗進行改裝，在底部設置與下部導管同規格的300 mm長導管，同時設置吊耳和龍骨。

5)觀察孔、排氣孔鉆孔：在多腔巨柱內隔板中每隔三塊用磁力鉆鉆一個直徑20 mm的小孔作為觀察孔。每個樓層的巨柱在樓板相交位置上、下方100 mm處，均應設置直徑為30 mm的排氣孔，沿柱身反對稱布設。

6)混凝土澆筑：混凝土采用汽車泵澆筑，鋼管進行分段澆筑，每4 m為一段，每澆筑一次至少要停頓30 s，讓自密實混凝土自然塌落。整個4 m過程一次性澆筑完成，然后才能逐漸拆下頂部的導管，繼續上部混凝土澆筑。

7)混凝土養護：采用在巨柱內注入300 mm高清水，并對巨柱上部進行封閉覆蓋，來降低混凝土水分蒸發的效果，達到混凝土的養護條件。

4 結語

目前國內超高層結構的多腔體巨柱綜合技術經驗還非常欠缺，本文內容結合國內外的施工經驗,對巨柱復雜節點、混凝土配合比、混凝土施工工藝和安全措施進行了深入的研究分析。并通過試驗論證,最終達到施工速度快、投入設備簡單、操作工藝簡單、無污染、低噪聲，施工質量容易保證，取得了較好的經濟效益。技術源于工程實際，本項目在研究和現場實施期間取得了3項國家專利知識產權技術，2項省級科技成果，對其他類似工程具有極大參考價值。