超高層鋼管混凝土柱側拋免振澆筑技術*

姜繼果，薛曉宏，楊 磊，姜子麒，古 剛

(中鐵二十局集團第六工程有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

鋼管混凝土柱具有承載力高、抗震性能優(yōu)越、施工方便和耐火性能好等優(yōu)點，在超高層建筑施工領域被廣泛應用，且發(fā)展迅速[1]。但鋼管混凝土柱在施工過程中存在各種交叉作業(yè)和高空作業(yè)，柱芯混凝土由于強度等級大、澆筑高度高，采用傳統(tǒng)澆筑工藝易使混凝土離析、堵管，最終導致柱內混凝土存在澆筑不密實、脫空等缺陷，影響結構整體受力性能。由此可見，施工工藝對鋼管混凝土施工質量至關重要。

目前已有許多關于超高層鋼管混凝土澆筑技術的研究。潘德要[2]闡述了高拋澆筑鋼管柱混凝土施工過程中采用的開孔泵送澆筑、泵管布置、車載泵選擇、堵管風險控制等內容，并實際驗證了該施工方法的可靠性。高華杰等[3]結合實際工程研究了超高層頂升澆筑混凝土配合比、頂升及預留孔設計等技術難題。彭春涪等[4]通過現場模擬試驗進一步驗證頂升澆筑的可行性，同時介紹了自密實混凝土泵送壓力的計算。孫金坤等[5]分析小直徑鋼管混凝土與大直徑鋼管混凝土阻力損失因素，并對比阻力損失計算方法，最終形成一套新的鋼管混凝土柱頂升法澆筑工藝。龐洪海等[6]結合某塔樓工程進行1∶1模擬構件試驗，總結出高拋自密實鋼管混凝土關鍵施工技術。趙陽[7]對超高壓泵送機械及管路布置進行深入研究分析。葉仁瑞[8]結合具體工程案例，對高強自密實混凝土配合比設計提出一種應用于商業(yè)分析的試驗設計方法。王兆錦[9]結合實際工程介紹鋼管柱側向開孔澆筑自密實混凝土施工工藝。宋理志等[10]總結了鋼管側灌的原理、特點和技術措施，并與傳統(tǒng)澆筑技術進行效益對比分析。

上述研究對鋼管混凝土澆筑有重要指導意義，但對鋼管柱混凝土側拋澆筑的研究主要集中在工藝流程和施工注意事項上，沒有提及混凝土配合比設計、鋼管截面設計、質量保障措施等技術問題。本文結合實際工程，系統(tǒng)介紹混凝土側拋澆筑施工工藝，總結主要技術問題。

1 側拋免振澆筑技術原理及特點

在鋼管柱頂部側面適當位置開孔，并安裝帶截止閥的混凝土輸送管，利用混凝土泵壓力將微膨脹自密實混凝土泵送至鋼管內，直至注滿整根鋼管混凝土柱。

相較于靠混凝土自重和泵送壓力保證混凝土密實度的泵送頂升法，側拋免振澆筑對泵送設備和施工組織的要求低，澆筑過程中不會因緊急情況而無法繼續(xù)頂升澆筑。高拋自密實法在施工過程中受施工步驟限制，須上一層混凝土澆筑完成后才能進行下一層鋼柱安裝，施工時間較長；側拋免振法澆筑過程中鋼框架安裝和混凝土澆筑可錯開4～6層，澆筑時間較短，可有效保證施工工期。側拋澆筑更適用于鋼管內節(jié)點板少、混凝土下落過程中阻擋物不多的工程。對于單次澆筑量大、構件截面面積大和鋼管柱內節(jié)點板間距較密的工程，為實現鋼管內混凝土的側拋澆筑，保證施工質量，需滿足以下條件：①混凝土應具有較好的流動性、穩(wěn)定性和較低的黏度；②合理調整輸送泵液壓系統(tǒng)最大工作壓力，嚴格控制泵送步驟，以確保混凝土工作性能；③驗算側拋澆筑過程中鋼管承載能力，并采取相應的加固措施；④在鋼管柱上合理設置預留孔，以方便混凝土的澆筑和鋼管內原有氣體的排出。

2 主要施工工藝

2.1 微膨脹自密實混凝土配合比設計

鋼管柱有梁連接的牛腿位置處有隔板，內部設有加勁板，且鋼管柱過高，振搗棒難以對鋼管內混凝土進行有效振搗，所以普通混凝土不能滿足使用要求。微膨脹自密實混凝土流動性優(yōu)良，可利用澆筑過程中高處下拋產生的動能實現自流平并充滿鋼管柱，同時避免管內危險作業(yè)和人為影響混凝土的因素，有效提高混凝土質量與施工安全程度。

為保證鋼管混凝土工作性能和強度等級要求，應于混凝土攪拌站實驗室進行反復試配，尋找最合適的混凝土配合比，并在現場做試配試件，檢測混凝土坍落度經時損失、流動性、離析度、強度值等各項指標，形成最優(yōu)配合比[11]。須保證混凝土具有較好的流動性、穩(wěn)定性和較低的黏度，選用合適的外加劑、粗細骨料、摻和物，并進行特殊混凝土配合比設計[12]；控制粗骨料空隙率，空隙率較小時，不僅節(jié)約水泥，還能提高混凝土流動性，減少混凝土拌合物泌水。混凝土收縮是其固有屬性，摻一定量膨脹劑可補償混凝土自身收縮，以補償因溫差和干縮產生的內應力，還可降低混凝土水化熱，避免產生冷縫，確保混凝土在鋼管中填充密實不產生過多缺陷；同時也要防止膨脹劑摻量過大引起混凝土過度膨脹，對結構造成破壞，需模擬混凝土在鋼管中的條件，測定不同摻量下混凝土的各項性能及變形值，確定膨脹劑的最佳摻量[13]。

2.2 混凝土泵送

確定混凝土泵送方案時，需注意泵送壓力和泵管布置。對于超高層建筑來說，過長的泵送路徑會增加泵送壓力，柱內混凝土強度等級很高，其黏度比普通混凝土大很多，會增加混凝土與泵管間的摩阻力。混凝土泵送前首先要考慮如何避免泵管內混凝土回流，要確保減少混凝土回流壓力措施的可行性，防止泵送過程中發(fā)生事故。由于超高層泵送壓力過大，應根據泵送壓力選擇合適的高壓泵管，布置時也應與主體結構固定牢固。

混凝土泵送時，泵機應處于低速運轉狀態(tài)，注意觀察泵壓力和各部分工作情況，待順利泵送后方可提高到正常輸送速度[14]。在泵送過程中，注意觀察壓力變化，若壓力出現異常波動，先降低排量，再視情況反泵1～2次，然后再正泵，輸送泵液壓系統(tǒng)最大工作壓力應根據混凝土工作性能隨時調整。若泵送過程中出現堵管，應先關閉鋼管柱處截止閥并拆除泵管，然后進行反泵疏通，敲打堵管部位。若以上方法排除堵管無效，可先關閉液壓閘閥，待泄壓后，清除堵管中混凝土，接好管道，開啟液壓閘閥再繼續(xù)泵送[15]。遇到爆管現象時，應關閉垂直管與水平管處的液壓閘閥，并更換管道；在泵送過程中定期用紅外線測厚儀檢測水平段與垂直段輸送管厚度，厚度<4mm時更換，可有效避免爆管。

3 工程應用

3.1 工程概況

西安綠地絲路全球文化中心項目包括2棟超高層、1棟高層、1棟多層商業(yè)及裙房和地下車庫，總建筑面積合計315 114.24m2。其中，2棟超高層地上36層，采用矩形鋼管混凝土框架+鋼筋混凝土核心筒結構體系，結構頂標高144.450m，核心筒內無鋼柱。外框架從地下2層至頂層共設16根鋼柱通過主梁與核心筒連接，鋼管柱內澆筑C60自密實混凝土，其中方管柱尺寸約為1 100mm×30mm，≤1 000mm×28mm，≤900mm×25mm，≤800mm×20mm，其起止標高分別為-0.050～14.300，14.300～53.900，53.900～101.300，101.300～144.300m。鋼管單節(jié)施工高度為5.84～11.7m，直徑為800～1 200mm， 單次澆筑量大，構件截面大，且混凝土振搗量大。

3.2 混凝土配合設計

本工程鋼管柱內混凝土強度等級高(C60)，黏性大；鋼管單節(jié)最大施工高度為11.7m，導致混凝土下落高度大，要求混凝土具有良好的流動性與和易性。考慮實際工程特點和施工技術，結合施工現場當地原材料供應能力，合理篩選原材料為：P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，Ⅰ級粉煤灰，細度模數為3.0～2.6的中砂，粒徑為5～25mm的碎石，S95級礦渣粉，LSP聚羧酸高效減水劑。最終配合比(kg/m3)為:水泥∶水∶砂∶碎石∶減水劑∶粉煤灰∶S95礦渣粉=430∶156∶646∶1 054∶14∶60∶70，壓力泌水比<40%，泵送混凝土坍落度為(200±20)mm，混凝土初凝時間≥8h， 終凝時間≤12h，坍落度經時損失1h<20mm，2h<40mm，28d抗壓強度為73.1MPa。混凝土各項性能均滿足本工程施工需要。

3.3 混凝土泵送方案

本工程主樓最大泵送高度為150m，混凝土泵送高度大，泵送難度高。出口壓力與整機功率是體現混凝土輸送泵泵送能力的兩個關鍵參數，出口壓力是泵送高度的保證，而整機功率是輸送量的保證。從理論計算與工程實踐兩方面對出口壓力與功率進行分析，再對所選輸送泵進行復核驗算。

3.3.1理論計算

2)混凝土經過彎管及錐管的局部壓力損失P2=nΔp= 2.5MPa，其中n為彎管或錐管個數(個)；Δp為單個彎管或錐管壓力損失(MPa),一般計為0.1MPa。

3)混凝土在垂直高度方向因重力產生的壓力P3=ρgH=11.46MPa，其中ρ為混凝土密度(kg/m3)；g為重力加速度(m/s2)；H為泵送高度(m)。

4)泵送150m高時所需總壓力P=P1+P2+P3=5.72+2.50+11.46=19.68MPa。

3.3.2經驗計算

1)混凝土在管道內流動的沿程阻力造成的壓力損失P1=LΔP1=580×0.02=11.60MPa。

2)P2，P3同理論計算，即P2=2.50MPa，P3=11.46MPa。

3)泵送150m高時所需總壓力P=P1+P2+P3=11.60+2.50+11.46=25.56MPa。

理論計算出口壓力為19.68MPa，按經驗計算主樓混凝土泵送出口壓力為25.56MPa。選擇混凝土輸送泵時，混凝土泵最大出口壓力應比實際所需壓力高20%左右，多出的壓力儲備用來應對混凝土變化引起的異常現象，避免堵管。超高層建筑的混凝土泵送要求更高，需足夠的壓力儲備，因此，確定主樓混凝土最大出口壓力為32MPa，保證有約50%的壓力儲備。

根據以上計算數據和模擬試驗最終確定布置2臺HBT90CH-2135D型混凝土輸送泵，1臺備用；配2套液壓截止閥+液壓泵站，1套備用。泵管選用內徑125mm的高壓輸送管，壁厚12mm，采用法蘭接頭。泵管安裝及固定如圖1所示。

圖1 泵管安裝及固定

3.4 側拋施工

鋼管混凝土側拋免振搗澆筑工藝流程為：柱頂部開孔→連接截止閥及混凝土輸送管→試配鋼管混凝土→單根鋼管柱混凝土運送到場→現場檢測混凝土坍落度及坍落擴展度→澆筑微膨脹自密實混凝土→混凝土試塊制作→澆筑完成→拆除混凝土輸送管及截止閥→混凝土養(yǎng)護→焊接封口鋼板。

1)柱頂部開孔 為便于施工，澆筑孔應設在鋼管柱中間位置并朝向建筑內側，且應靠近每層樓承板上表面，其中心位置距樓承板600mm，澆筑孔直徑為300mm，在澆筑孔正下方距樓承板100mm位置開設1個φ20排氣孔，便于混凝土澆筑時排出鋼管內部氣體。為避免開孔過多對結構受力產生影響，實際施工中采取隔層開孔，可保證施工效率。鋼管柱側壁開孔如圖2所示。

圖2 鋼管柱側壁開孔

2)泵管連接 用泵管專用卡箍連接截止閥與混凝土泵管，截止閥另一端連接短鋼管，其壁厚不得小于混凝土輸送管壁厚，端頭應采用壓口處理，伸入鋼管柱內部時開口應朝下，防止?jié)仓r對鋼管壁產生過大壓力。澆筑鋼管柱混凝土時，應盡量保證所在樓層樓承板已施工完成，泵管鋪設層利用木跳板和φ48.3×3.6鋼管架對泵管進行架設，形成水平泵管布設通道。該措施操作簡單，可保證泵管穩(wěn)定性，且可循環(huán)使用，水平泵管鋪設如圖3所示。

圖3 水平泵管鋪設

3)澆筑前準備 混凝土澆筑前需計算單根柱澆筑量。微膨脹自密實混凝土到場后，需檢測其工作性能，控制坍落擴展度為500～700mm，流動時間8～10s，中邊差≤30mm。

4)混凝土澆筑 為保證混凝土澆筑順暢，在混凝土輸送管與截止閥連接前，用泵送砂漿潤滑輸送管道，并將該部分砂漿清除干凈后再澆筑柱內混凝土，澆筑至預定高度后，及時停泵[16]。立即清除表面浮漿，并進行灌水養(yǎng)護，待混凝土終凝后，對混凝土表面進行鑿毛處理，保證新舊混凝土的接縫質量。

5)留置試塊 按規(guī)范要求，施工時按澆筑層數及混凝土總量進行試塊留置，每層澆筑微膨脹自密實混凝土100m3留置1組標準養(yǎng)護試塊，且確保每層留置不少于1組試塊。

6)輸送管及截止閥拆除 混凝土澆筑后拆除輸送管時，應隨時做好關閉截止閥的準備，先拆混凝土泵送管，再拆截止閥和卡箍。若拆管過程中混凝土涌出，應立即關閉截止閥，待混凝土初凝后再拆除截止閥。焊接澆筑孔前，應先清除混凝土、鐵銹等，同時對坡口進行打磨。焊接時應采取預熱措施和層間溫控措施，控制焊縫區(qū)母材溫度，保證層間溫度符合要求。焊接完成后應對突出焊縫進行打磨，清除雜質確保外觀清潔，同時對焊縫進行超聲波檢測。

3.5 施工質量檢測

鋼管混凝土澆筑完成并待混凝土達到一定強度后，需對混凝土澆筑質量進行檢測。目前通用檢測方法有手敲法和超聲波檢測法。手敲法即用錘敲擊管壁，聽聲判別，精度不高，人為因素大，壁厚較大時不易進行；超聲波檢測法通過比較超聲波首波聲時長，判別混凝土缺陷，該檢測方法精度高，但對檢測設備和檢測過程要求較高。綜上所述，本工程擬采用手敲法和超聲波檢測法交互進行鋼管混凝土澆筑質量的檢測控制。

采用HC-F800型超聲波檢測儀，發(fā)射電壓500V，采樣周期1.6μs，通道增益為80。每根柱從樓承板沿柱高600mm設置1個檢測面，共設置4個檢測面，每個檢測面設置4個檢測點。部分檢測結果如表1所示。

表1 超聲波檢測結果

由表1可知，除個別檢測點出現聲速異常情況外，其余檢測點的檢測結果均符合規(guī)定，說明柱鋼管壁和混凝土整體上黏結狀態(tài)良好，不存在脫空現象。對于檢測結果出現異常的情況，可能是該檢測點位置附近混凝土澆筑不密實，也可能是檢測人員在檢測過程中操作不當，具體原因需進一步分析。

3.6 鋼管混凝土缺陷分析

鋼管混凝土屬于隱蔽結構，由于鋼管內部排氣不通暢，即便采用最先進的混凝土澆筑施工工藝，也無法避免核心區(qū)混凝土內部缺陷的產生。核心區(qū)混凝土內部缺陷的存在會對鋼管混凝土的力學性能產生影響，對整體結構安全產生危害。現階段對核心區(qū)混凝土內部缺陷研究較少，無法確定缺陷大致分布范圍、截面形狀及尺寸大小。因此要研究存在內部缺陷的鋼管混凝土柱力學性能，須考慮缺陷存在的隨機性。利用ABAQUS有限元分析軟件，結合工程實際建立鋼管混凝土有限元模型(見圖4)，然后基于正交試驗研究隨機缺陷率、缺陷位置和缺陷形狀3個主要因素對鋼管混凝土承載能力的影響。該試驗采用4個試驗水平，其因素水平如表2所示。根據設計的水平數并參照正交表設計表格，選用L16(45)正交表進行試驗方案的設計，根據此正交表只需通過16次試驗來研究4個水平下的上述3個因素對結構軸壓承載能力的影響。

圖4 鋼管混凝土有限元模型

水平因素缺陷率/%缺陷形狀缺陷位置10.30正方體中心20.75長方體偏心0.1m31.30圓柱邊部脫空43.00棱柱角部脫空

通過有限元軟件對上述16種不同情況進行計算，得到各自的承載力數值，如表3所示。接著對計算得到的承載力數值進行方差分析，得到各因素對應下的均方值和F值，如表4所示。由表4可知，缺陷率對鋼管混凝土柱軸向承載力產生的影響最大，缺陷形狀和位置對結構承載力的影響不明顯。

表3 正交試驗計算結果

表4 方差分析

4 結語

1)相比于高拋法和頂升法，側拋免振法澆筑不影響上部鋼管柱安裝和樓層混凝土澆筑施工，可有效保障施工工期；同時可減少泵送設備和施工組織的壓力，有效減少澆筑過程中緊急情況的發(fā)生。

2)微膨脹自密實混凝土配合比設計、澆筑工藝流程設計可為類似工程施工提供參考。

3)基于正交試驗的帶缺陷鋼管混凝土柱承載力有限元分析，可降低人為因素對缺陷設計的影響。