鋼管柱混凝土施工技術(shù)在中交匯通橫琴廣場工程中的應(yīng)用

李侃，張濱，楊盼龍，魏春春，王鑫，張國河

（民航機(jī)場建設(shè)工程有限公司，天津 300456）

0 引言

鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)具有高承載力、良好的延性和塑性、抗震性能優(yōu)越、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，能夠在結(jié)構(gòu)隨著高度不斷增加的情況下保證安全性。它既符合現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)向大跨度、重載方向發(fā)展的需要，也符合現(xiàn)代化施工的要求，因此越來越廣泛地應(yīng)用于高層、超高層建筑工程中。由于鋼管混凝土柱對結(jié)構(gòu)受力有著較大的影響，因此保證混凝土的施工質(zhì)量有著重要作用。本文以中交匯通橫琴廣場工程為例，通過混凝土配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)、施工方法優(yōu)缺點(diǎn)分析和試驗(yàn)檢測可行性論證，達(dá)到對鋼管柱混凝土施工過程的嚴(yán)格控制。

1 工程背景

中交匯通橫琴廣場3號塔樓為鋼管混凝土柱框架+鋼筋混凝土核心筒+伸臂桁架的結(jié)構(gòu)體系，建筑面積124 622 m2，地下部分共4層，地上部分共63層，建筑高度309.4 m。外框部分為鋼管混凝土柱框架結(jié)構(gòu)，外側(cè)為12根混凝土填充的鋼管混凝土柱作為豎向結(jié)構(gòu)，鋼管柱由下向上共有6種規(guī)格，分別為 準(zhǔn)2 800 mm伊70 mm、準(zhǔn)2 800 mm伊55 mm、準(zhǔn)2 400 mm伊45 mm、準(zhǔn)2 000 mm伊35 mm、準(zhǔn)1 600 mm伊25 mm。鋼管柱內(nèi)設(shè)腹板，混凝土強(qiáng)度等級分別為C60、C50、C40，屬于高強(qiáng)大體積混凝土，鋼管柱混凝土均采用微膨脹自密實(shí)混凝土。

2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.1 混凝土原材料的選擇

為防止混凝土在泵送過程中發(fā)生離析、堵管等現(xiàn)象以及避免出現(xiàn)混凝土開裂的問題，保證混凝土的質(zhì)量，針對珠海地材特點(diǎn)，對砂、石、水泥、粉煤灰、礦粉等原材料進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)研，并選用符合規(guī)范要求的材料使用到本工程中。

1）細(xì)骨料為域區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.7，含泥量1.6%，泥塊含量0.2%，氯離子0.01%，試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果符合規(guī)范要求[1]；

2）粗骨料選用粒徑5~20 mm，針片狀4%，含泥量0.3%，泥塊含量0.1%，壓碎值8%；粒徑5~25 mm，針片狀4%，含泥量0.2%，泥塊含量0.1%，壓碎值7%的連續(xù)級配的碎石，屬于花崗巖；

3）膠凝材料選用中低水化熱的普通硅酸鹽水泥42.5，域級粉煤灰，S75級礦粉；外加劑選用SP-1聚羧酸緩凝型高效減水劑。

2.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

超高層大型鋼管柱混凝土配合比設(shè)計(jì)既要考慮避免大體積混凝土開裂，又要滿足超高泵送混凝土要求。由于其結(jié)構(gòu)尺寸大、膠凝材料用量多，混凝土水化過程釋放的水化熱會(huì)產(chǎn)生較高的溫度以及硬化過程的收縮作用，由此形成的溫度應(yīng)力、收縮應(yīng)力是導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因；而混凝土的和易性更是直接影響超高泵送的重要因素。

根據(jù)以上兩個(gè)方面的要求可知，混凝土設(shè)計(jì)配合比過程中必須滿足：較好的和易性、較好的流動(dòng)性、較小的黏度、不發(fā)生離析泌水、水化熱低、強(qiáng)度達(dá)標(biāo)等要求，并符合規(guī)范對自密實(shí)性能的要求[2]。自密實(shí)拌合物性能指標(biāo)見表1。

表1 自密實(shí)拌合物的性能及要求Table 1 Performance and requirements of self-compacting mixtures

根據(jù)試驗(yàn)可知每增減10 kg水泥，其水化熱將使混凝土的溫度相應(yīng)升降1益，因此應(yīng)充分利用混凝土的后期強(qiáng)度，最大限度減少水泥用量。

結(jié)合本工程對混凝土的要求，對不同高度、不同強(qiáng)度等級的混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，通過前期多次進(jìn)行坍落擴(kuò)展度、擴(kuò)展時(shí)間、平板試驗(yàn)、J環(huán)試驗(yàn)、倒筒時(shí)間、壓力泌水、含氣量測試等試驗(yàn)[3]及絕熱溫升計(jì)算，最終確定了6組符合規(guī)范要求的混凝土配合比[4]，見表2。

表2 鋼管柱混凝土配合比Table 2 Concrete mixture ratio of steel tube column

2.3 混凝土的性能試驗(yàn)及分析

1）拌合物的工作性能分析

經(jīng)試拌驗(yàn)證，混凝土拌合物流動(dòng)性良好，保水性和黏聚性均滿足要求[5]；且在1.5 h后坍落擴(kuò)展度的損失較小，可以滿足實(shí)際運(yùn)距的要求。通過與已完成的同類項(xiàng)目類比，推斷可以滿足超高泵送要求，具體結(jié)果見表3。

表3 試配混凝土拌合物性能試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of properties of mixed concrete

2）物理力學(xué)性能試驗(yàn)分析

按照表3中的試驗(yàn)配合比試拌，配制成型150 mm的立方體試塊，每組配合比制做4組試塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，分別在3 d、7 d、14 d和28 d對試塊進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值試驗(yàn)，具體抗壓強(qiáng)度情況見表4，符合規(guī)范要求[6]。

從表4中可得每組配合比的試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后強(qiáng)度即可滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 試配混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of compressive strength of mixed concrete

2.4 混凝土入模溫度控制

在鋼管柱混凝土施工過程中，混凝土水化過程溫差過大會(huì)導(dǎo)致后期出現(xiàn)較大的溫度應(yīng)力，使混凝土出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，因此控制混凝土的絕熱溫升、入模溫度極為重要。通過噴霧降低骨料溫度、采用中低水化熱水泥、減少水泥用量、拌和用水降溫等方法可以達(dá)到降低混凝土拌合物的溫度，同時(shí)在運(yùn)輸過程中采用混凝土罐車覆蓋棉被的方式避免外界高溫提高拌合物溫度，達(dá)到控制混凝土的絕熱溫升，降低入模溫度的目的，減少因溫度應(yīng)力而產(chǎn)生的混凝土裂縫[7]。

對試拌的混凝土拌合物每小時(shí)測1次溫度，通過測量溫度情況調(diào)整降溫措施，保證混凝土入模溫度控制在26~30益范圍內(nèi)。

3 鋼管柱混凝土施工要點(diǎn)

3.1 施工方法的選擇

確定鋼管柱混凝土施工方法是關(guān)鍵，常用施工方法有高拋法和頂升法。結(jié)合本項(xiàng)目施工特點(diǎn)，對高拋法和頂升法進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)分析，具體情況見表5。

表5 澆筑方法優(yōu)缺點(diǎn)分析Table 5 Analysis of advantages and disadvantages of casting methods

以上3種混凝土施工方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)本工程實(shí)際情況，最終選用灌漿孔高拋法澆筑鋼管混凝土柱。確定兩層（每9 m）開1個(gè)灌漿孔，并將泵管鋪設(shè)在外框樓板上進(jìn)行混凝土泵送施工。本方法可采用原泵送設(shè)備進(jìn)行施工，不需額外提高泵機(jī)性能，有效降低了施工成本，并且在不影響上部鋼管柱和鋼筋施工的同時(shí)，保證了鋼管柱混凝土的施工質(zhì)量。

3.2 泵送工藝流程

泵送施工工藝流程如圖1所示。

圖1 泵送施工工藝流程圖Fig.1 Flow chart of pumping construction process

3.3 積水處理

鋼管混凝土柱在澆筑完成后，柱頂應(yīng)進(jìn)行遮蓋處理，減少雨水進(jìn)入鋼管柱內(nèi)，避免出現(xiàn)雨水積存。混凝土澆筑面位于灌漿孔下方300 mm處，灌漿孔在下次澆筑前應(yīng)進(jìn)行封堵，在雨水或者養(yǎng)護(hù)水堆積時(shí)，可通過抽水的方式進(jìn)行內(nèi)部排水，簡單方便。

4 鋼管柱混凝土試驗(yàn)檢測

鋼管柱混凝土施工完畢后，應(yīng)進(jìn)行混凝土缺陷檢測，優(yōu)先采用敲擊法進(jìn)行100%初步檢測，為了更準(zhǔn)確地表述試驗(yàn)結(jié)果，常選用的檢測方法是超聲法和鉆芯法。根據(jù)超高層建筑施工特點(diǎn)，鋼管柱混凝土缺陷檢測采用超聲檢測法較為快捷準(zhǔn)確。

在施工前，根據(jù)鋼管柱直徑的大小預(yù)埋4根聲測管，作為換能器的通道，并注水輔助檢測。測試時(shí)每2根聲測管作為1個(gè)測向，由超聲檢測儀通過聲測管中換能器向混凝土內(nèi)發(fā)射超聲脈沖波，在另1根聲測管中的換能器接受信號。通過記錄分析超聲波傳播時(shí)間、波幅、信號頻率，判定混凝土內(nèi)部的缺陷情況[8]。鋼管柱聲測管布置見圖2。

圖2 鋼管柱混凝土聲測管布置圖Fig.2 Layout of concrete acoustic tube for steel tube column

本工程嚴(yán)格按規(guī)范比例進(jìn)行超聲檢測，現(xiàn)以8號鋼管混凝土柱首層~八層檢測為例進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，換能器通過“4根測管6個(gè)測道”共采集了1 338個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表6。

表6 8號鋼管柱混凝土超聲檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 6 Statistical table of concrete ultrasonic testing data for No.8 steel tube column

超聲波脈沖在混凝土內(nèi)傳播過程中，當(dāng)混凝土的原材料、配合比、內(nèi)部質(zhì)量及測試距離一定時(shí)，超聲波的傳播速度、波幅、頻率基本一致。通過表6中4根測管6個(gè)測道1 338個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析，混凝土的檢測區(qū)段內(nèi)測點(diǎn)聲速基本一致，未發(fā)現(xiàn)異常測點(diǎn)，由此可得出混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻、無缺陷。

5 結(jié)語

鋼管柱混凝土施工過程需要考慮的因素較多，首先原材料要滿足規(guī)范要求，其次配合比設(shè)計(jì)及混凝土拌合物性能要符合大體積混凝土和超高泵送混凝土的要求，再根據(jù)工程特點(diǎn)選用合理的施工方法和施工工藝，最后通過混凝土實(shí)體質(zhì)量的試驗(yàn)檢測，驗(yàn)證了該研究的可行性。根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際情況從3個(gè)方面進(jìn)行闡述說明，可為后續(xù)同類項(xiàng)目提供參考。