超高大直徑斜向弧形鋼管混凝土柱施工技術(shù)

摘要：結(jié)合湖北省荊州市新一代天氣雷達(dá)遷建項(xiàng)目，從設(shè)計(jì)制作、吊裝安裝、混凝土澆筑等方面，對(duì)超高大直徑斜向弧形鋼管混凝土柱的施工工藝及技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行分析，闡述施工流程各控制要點(diǎn)，解決了弧形鋼管柱安裝和高空施工作業(yè)安全問題，使弧形鋼管柱體現(xiàn)出原設(shè)計(jì)效果。

關(guān)鍵詞：超高；大直徑；斜向；弧形；鋼管混凝土柱

1 " 工程概況

湖北省荊州市新一代天氣雷達(dá)遷建項(xiàng)目地下1層結(jié)構(gòu)層，地上38層構(gòu)筑物，結(jié)構(gòu)形式為鋼管混凝土柱框架-核心筒結(jié)構(gòu)，房屋總高度為118.35m，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑物安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防烈度按六度設(shè)防。

工程結(jié)構(gòu)類型為鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)，中間是直徑為13m的混凝土核心筒，外面圍繞12根弧形鋼管柱構(gòu)件。從平面圖看，呈圓形平面；從立面看，鋼構(gòu)構(gòu)件從地面逐層收向中上部收縮，到31層開始又慢慢發(fā)散，呈現(xiàn)出像獎(jiǎng)杯形狀。12根鋼管柱直徑由最底層的1450mm，往上慢慢縮小至直徑400mm，鋼管柱內(nèi)灌注C35等級(jí)的混凝土。鋼結(jié)構(gòu)部分主要構(gòu)件是鋼管柱、環(huán)梁、鋼梁，鋼材主要為Q235B。

2 " 施工中的重點(diǎn)、難點(diǎn)分析

第一，項(xiàng)目整體結(jié)構(gòu)中間為直徑為13m的超高層混凝土核心筒，外面布置12根弧形鋼管柱構(gòu)件，鋼構(gòu)件從地面逐層收向中上部收縮后又慢慢發(fā)散，造型復(fù)雜，施工難度大。第二，超高大直徑斜向弧形鋼管柱的設(shè)計(jì)制作與吊裝工作量大，對(duì)空間安裝定位要求精確，對(duì)焊縫檢測質(zhì)量要求高。第三，弧形鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)施工時(shí)，勁性骨架承擔(dān)施工階段荷載和結(jié)構(gòu)自重大，對(duì)承重材料性能要求高。第四，超大直徑斜向弧形鋼管柱結(jié)構(gòu)特殊，混凝土澆筑困難，容易出現(xiàn)混凝土離析分層、孔洞、裂縫等質(zhì)量問題。

3 " 施工流程控制要點(diǎn)

施工工藝流程為：施工準(zhǔn)備→鋼管分段設(shè)計(jì)與制作→鋼結(jié)構(gòu)安裝→鋼管柱、鋼梁與環(huán)梁安裝→鋼結(jié)構(gòu)的焊接與檢測→超高大直徑弧形鋼管柱分段澆筑→養(yǎng)護(hù)與檢測→檢查驗(yàn)收。

3.1 " 施工準(zhǔn)備

在施工準(zhǔn)備階段，安排好相應(yīng)人員做好前期工作，工作協(xié)調(diào)、對(duì)接要提前落實(shí)到位。施工前，編制好鋼結(jié)構(gòu)施工和混凝土灌注專項(xiàng)施工方案，作業(yè)人員根據(jù)施工方案按部就班進(jìn)行各項(xiàng)前提工作的開展。

審核結(jié)構(gòu)圖紙，確認(rèn)鋼結(jié)構(gòu)圖紙有無設(shè)計(jì)漏洞，確保鋼結(jié)構(gòu)工程各部位構(gòu)件標(biāo)高、尺寸標(biāo)注、軸線定位是否清晰、準(zhǔn)確，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)向設(shè)計(jì)單位反饋。

3.2 " 鋼管分段設(shè)計(jì)與制作

鋼結(jié)構(gòu)的加工制作以設(shè)計(jì)圖紙為基礎(chǔ)，考慮現(xiàn)場布設(shè)的塔機(jī)吊裝能力、制作工藝、現(xiàn)場布置等情況，將鋼管混凝土柱進(jìn)行分段設(shè)計(jì)、制作。

鋼構(gòu)件加工制作好后運(yùn)至施工現(xiàn)場，項(xiàng)目部組織人員進(jìn)行驗(yàn)收，驗(yàn)收重點(diǎn)主要是鋼構(gòu)件的截面尺寸、構(gòu)件長度、臨時(shí)連接板規(guī)格及構(gòu)件加工制作的成品質(zhì)量。

3.3 " 鋼結(jié)構(gòu)安裝

斜鋼管柱安裝時(shí)采用鋼管搭設(shè)施工操作平臺(tái)，橫向間距1.2m，縱向間距1.5m。沿立面設(shè)置斜向撐桿，在距連接面下1m的高度設(shè)置操作平臺(tái)，平臺(tái)鋪滿木方板，四周設(shè)護(hù)欄，安裝上人爬梯供人員上下平臺(tái)。本工程的鋼構(gòu)件主要為鋼管柱、鋼梁、環(huán)梁等，鋼材主要為Q235B。鋼結(jié)構(gòu)吊裝分兩個(gè)階段進(jìn)行，即17層（50.40m）以下用150t汽車起重機(jī)，17層以上采用塔機(jī)吊裝。汽車起重機(jī)型號(hào)為QY150H，最大額定起重量150t，最小額定幅度3m。塔機(jī)型號(hào)為TC6515。吊裝時(shí)采用雙點(diǎn)起吊，吊索夾角為60°。構(gòu)件質(zhì)量在4t以上時(shí)，吊索采用Φ38mm鋼絲繩（6×37+1）纖維芯鋼絲繩，卡環(huán)采用GD7.5型。構(gòu)件質(zhì)量在4t以下時(shí)，吊索采用Φ32mm鋼絲繩（6×37+1）纖維芯鋼絲繩，卡環(huán)采用GD4.5型。每安裝一節(jié)鋼管、鋼管柱前，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，測量定位鋼管柱的標(biāo)高和設(shè)計(jì)角度[1]。安裝完成后，測量柱頂?shù)慕^對(duì)標(biāo)高，根據(jù)測量結(jié)果控制下一節(jié)鋼管柱的標(biāo)高。如與設(shè)計(jì)標(biāo)高不符，及時(shí)做出校正。弧形鋼管柱通過測量、觀測，測算其是否達(dá)到設(shè)計(jì)角度，如有偏差按設(shè)計(jì)圖紙要求及時(shí)做出校正。

3.4 " 鋼管柱、鋼梁與環(huán)梁安裝

為了形成穩(wěn)定的、安全的結(jié)構(gòu)體系，吊裝的順序按照鋼管柱→鋼框梁→水平圓管環(huán)梁依次進(jìn)行。鋼結(jié)構(gòu)安裝時(shí)，先焊接耳板，然后按照構(gòu)件吊裝，吊裝完成后校正，位置正確后擰緊的施工順序進(jìn)行流水施工[2]。在主塔結(jié)構(gòu)施工時(shí)，在樓梯處留置施工洞，作為施工人員進(jìn)出通道，并在進(jìn)出通道兩側(cè)焊接防護(hù)架。

3.4.1 " 鋼管柱的吊裝

吊裝前，在起吊場地與鋼柱一起綁好安全爬梯、防墜器、纜風(fēng)繩等，核對(duì)鋼管柱的定位軸線和構(gòu)件編號(hào)，試吊安全后再起吊。在每一根柱子上端用定制卡箍卡好成品操作平臺(tái)。用于上下柱子連接螺栓緊固平臺(tái)，也可用作鋼框梁與鋼管圓柱子的連接螺栓緊固操作平臺(tái)。

鋼管柱吊裝采用兩點(diǎn)起吊，吊索的吊環(huán)穿過鋼管柱的耳板，吊索與鋼管柱平面形成60°的夾角[3]。鋼管柱吊裝至設(shè)計(jì)圖紙位置后，擰緊鋼管柱對(duì)接接頭處的臨時(shí)固定螺栓，防止鋼管柱由于吊裝晃動(dòng)將螺栓扭斷。將鋼管柱固定后，拉設(shè)纜風(fēng)繩與地錨固定。吊裝時(shí)，必須待連接板、纜風(fēng)繩固定后才能松開吊索。復(fù)核鋼管柱的標(biāo)高和垂直度，確保鋼管柱頂部位置準(zhǔn)確。

3.4.2 " 鋼梁吊裝

鋼梁吊裝時(shí)，采用預(yù)留吊裝孔或焊接的吊耳作為吊點(diǎn)，塔機(jī)鋼絲繩穿過吊耳。吊裝完成后，要將吊耳割掉并將切面打磨光滑。鋼梁在鋼管柱整體校正后方可安裝，與鋼管柱采用臨時(shí)螺栓進(jìn)行連接固定。吊裝至指定位置后，按照設(shè)計(jì)圖紙和規(guī)范要求對(duì)高強(qiáng)螺栓進(jìn)行初擰及終擰。

3.4.3 " 鋼環(huán)梁的吊裝及安裝

鋼環(huán)梁吊裝到指定位置后，按照梁起拱的要求、環(huán)梁的正反方向進(jìn)行安裝，嚴(yán)格控制鋼管柱上的連接軸線[4]。安裝長度較長的環(huán)梁時(shí)，采用沖釘打緊環(huán)梁兩端的螺栓孔，對(duì)正后采用普通螺栓擰緊。環(huán)梁安裝完成后，測量校正梁的標(biāo)高和水平度，保證其安裝精度。

3.5 " 鋼結(jié)構(gòu)的焊接與檢測

現(xiàn)場鋼結(jié)構(gòu)焊接，采用二氧化碳藥芯焊絲氣體保護(hù)焊和手工電弧焊相結(jié)合的焊接方法，焊縫設(shè)計(jì)等級(jí)為一級(jí)焊縫。電焊設(shè)備等采用懸掛式可移動(dòng)平臺(tái)存放，以便調(diào)整平臺(tái)位置。水平構(gòu)件和豎向構(gòu)件節(jié)點(diǎn)之間的焊接順序，按照“對(duì)稱均勻向周邊擴(kuò)展”的方式進(jìn)行焊接[5]。豎向構(gòu)件對(duì)接處的焊接，采用對(duì)稱同時(shí)施焊的方式。

焊接過程中，嚴(yán)格按照正確的焊接方式進(jìn)行施工，防止出現(xiàn)漏焊、缺焊、外觀缺陷等。焊接完成后，要對(duì)焊縫進(jìn)行驗(yàn)收，合格后方可將焊接輔助技術(shù)措施拆除。將焊接部位進(jìn)行修補(bǔ)打磨，對(duì)焊縫進(jìn)行無損檢測，檢測合格后涂刷防銹漆和保護(hù)漆。

3.6 " 超高大直徑弧形鋼管柱分段澆筑

超大直徑斜向弧形鋼管柱的混凝土澆筑前，先根據(jù)鋼管柱的高度劃分施工段，分段澆筑混凝土。利用弧形鋼管柱本身的斜度，作為混凝土流動(dòng)的溜槽，從上往下澆灌，澆筑完一節(jié)后再安裝上面一節(jié)的弧形鋼管柱。做完焊縫檢測合格后，方能進(jìn)行此節(jié)弧形鋼管柱的澆筑，施工順序依此循環(huán)進(jìn)行。

3.6.1 " 混凝土配合比的設(shè)計(jì)

大直徑圓弧形鋼管柱內(nèi)混凝土導(dǎo)管澆筑法施工采用商品混凝土，采用塔機(jī)料斗運(yùn)輸。對(duì)于直徑1450mm鋼管柱，澆筑自密實(shí)混凝土。澆筑完自密實(shí)混凝土后，再澆筑普通混凝土。利用工具將振動(dòng)棒送入可以觸及的鋼管柱底部，逐層逐段進(jìn)混凝土進(jìn)行振搗，以達(dá)到混凝土密實(shí)的效果[6]。鋼管柱內(nèi)每隔一定距離便設(shè)有加強(qiáng)橫隔板，因此需將混凝土坍落度控制在120mm左右。混凝土的初凝時(shí)間根據(jù)混凝土的運(yùn)輸距離、現(xiàn)場澆筑時(shí)間綜合考慮。

3.6.2 " 弧形鋼管柱澆筑前準(zhǔn)備工作

在混凝土澆筑前，鋼結(jié)構(gòu)工程的支撐梁、環(huán)形梁需安裝完畢，安裝工程等相應(yīng)項(xiàng)目已按驗(yàn)收規(guī)范要求完成，且焊縫經(jīng)第三方檢測公司檢測并出具了檢測合格報(bào)告。對(duì)弧形鋼管柱管內(nèi)垃圾、雜物進(jìn)行清理，確保管內(nèi)積水與雜物清理干凈。鋼管柱結(jié)構(gòu)在工廠加工制作時(shí)，在每個(gè)加強(qiáng)橫隔板底的柱對(duì)角四側(cè)的位置開設(shè)排氣孔，尺寸為5mm，保證橫隔板底部的混凝土的密實(shí)度。

3.6.3 " 混凝土澆筑與振搗

開始泵送混凝土?xí)r，緩慢壓送入料斗，根據(jù)管內(nèi)混凝土上升高度暫停或繼續(xù)泵送混凝土，防止泵入鋼管柱內(nèi)混凝土超高、振搗不及時(shí)或振搗不到位，造成混凝土質(zhì)量無法達(dá)到要求。澆筑混凝土分層連續(xù)進(jìn)行，最大澆筑厚度不大于500mm。鋼管柱內(nèi)施工縫留置在鋼管柱下沿接口300～500mm處。導(dǎo)管預(yù)先在空場地上連接拼裝到所需長度后，用塔機(jī)垂直吊運(yùn)入矩形鋼管柱內(nèi)。澆筑前將導(dǎo)管下口離柱底的距離控制在300～400mm之間。

插入式振動(dòng)棒軟軸長度很長，所以在振動(dòng)棒軟軸橡膠管外側(cè)綁扎一根鋼絲繩，以增強(qiáng)振動(dòng)棒的抗拔性能。一次投料振搗高度不超過1.5m，用混凝土體積控制高度。保證導(dǎo)管入混凝土深度不小于1m，導(dǎo)管上拔后逐節(jié)卸除。振動(dòng)棒在使用過程中先開動(dòng)振動(dòng)機(jī)，再灌入混凝土。料斗運(yùn)料期間，則將振動(dòng)棒拔出混凝土層，讓其保持空振狀態(tài)。振搗方法為快插慢拔，插入點(diǎn)沿矩形平面四角分布，每次振搗時(shí)間不應(yīng)少于30s，以保證混凝土內(nèi)氣泡的順利溢出。振動(dòng)時(shí)間不能過長，以防止混凝土的離析、分層。振動(dòng)棒在澆灌過程中，保證與導(dǎo)管同步上拔。連續(xù)混凝土澆筑至離上端柱口1m處后停止，以避免上層柱子焊接產(chǎn)生高溫對(duì)混凝土質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

3.7 " 養(yǎng)護(hù)與檢測

在混凝土澆筑過程中，除了最頂層的鋼管柱混凝土需灌滿外，其余區(qū)段的鋼管柱的混凝土澆筑至鋼管頂面以下50cm位置處即可，防止上一節(jié)鋼管柱焊接產(chǎn)生高溫影響鋼管柱內(nèi)的混凝土質(zhì)量。鋼管柱混凝土澆筑完成后，及時(shí)清除混凝土上表面的浮漿。澆筑后8～12h，在柱頭內(nèi)注入水進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，使混凝土在水中凝結(jié)硬化。保溫養(yǎng)護(hù)期間，注意觀察鋼管柱內(nèi)是否缺水，如缺水應(yīng)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)水。養(yǎng)護(hù)期結(jié)束后，用海綿吸干積水，并用塑料布或者薄膜將鋼管柱口封閉，防止雨水、垃圾等掉入。鋼管混凝土柱混凝土采用常規(guī)的敲擊法進(jìn)行檢測，對(duì)已預(yù)埋的鍍鋅管的鋼管柱進(jìn)行超聲波檢測。

3.8 " 檢查與驗(yàn)收

對(duì)鋼結(jié)構(gòu)安裝全過程進(jìn)行質(zhì)量控制，驗(yàn)收也穿插于全過程中。驗(yàn)收的主要內(nèi)容包括：原材料是否按照規(guī)范要求，是否有質(zhì)量合格證明、檢驗(yàn)報(bào)告等；鋼構(gòu)件安裝、連接是否合格；鋼構(gòu)件的軸線位移、標(biāo)高垂直度、設(shè)計(jì)角度等是否合格；各項(xiàng)檢驗(yàn)、試件是否符合規(guī)范及設(shè)計(jì)要求；主體結(jié)構(gòu)是否符合設(shè)計(jì)要求及符合規(guī)范。

4 " 質(zhì)量管控措施

下一道工序施工前，先檢查上道工序是否合格。施工時(shí)，嚴(yán)格控制鋼結(jié)構(gòu)各構(gòu)件安裝的垂直度、標(biāo)高、位置等，測量和檢測工具要配備齊全。高強(qiáng)螺栓跟普通螺栓不能混用，且要保存得當(dāng)。氧氣、乙炔等氣體瓶放在干燥潔凈、溫度適中的倉庫中，并遠(yuǎn)離火源。焊縫冷卻后，及時(shí)對(duì)焊縫質(zhì)量要進(jìn)行外觀檢查，對(duì)梁柱構(gòu)件在焊接完成24h后，復(fù)查焊縫及熱影響區(qū)是否存在裂縫。發(fā)現(xiàn)有裂紋疑點(diǎn)時(shí)，用磁粉探傷或著色滲透探傷進(jìn)行復(fù)查。

混凝土澆筑完成后，養(yǎng)護(hù)期內(nèi)要注意控制混凝土構(gòu)件內(nèi)部的溫升，盡可能減少溫度應(yīng)力，避免因混凝土水化熱過高導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫。混凝土所有的砂、石材料采取遮陽措施，避免太陽直射，達(dá)到降低混凝土出機(jī)溫度的目的。選擇適宜的商品混凝土攪拌站，盡量縮短運(yùn)輸時(shí)間，確保混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)合格。在高溫季節(jié)澆筑鋼管柱混凝土?xí)r，盡可能選擇溫度較低的早上或晚上進(jìn)行，如必須在中午澆筑混凝土，澆筑前必須澆淋鋼管柱表面以散發(fā)熱量。

5 " 結(jié)束語

本文結(jié)合湖北省荊州市新一代天氣雷達(dá)遷建項(xiàng)目，從設(shè)計(jì)制作、吊裝安裝、混凝土澆筑等方面，對(duì)超高大直徑斜向弧形鋼管混凝土柱的施工工藝及技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行分析。圓弧形鋼管柱內(nèi)填充混凝土具有自重輕、耐疲勞、耐沖擊等特點(diǎn)，替代鋼結(jié)構(gòu)的受壓桿件可大量節(jié)省鋼材，且整體結(jié)構(gòu)安全性高，穩(wěn)定性強(qiáng)。本技術(shù)具有施工快捷、易于掌握，施工綜合費(fèi)用較低等特點(diǎn)，有利于保證質(zhì)量和施工進(jìn)度，具有一定的推廣價(jià)值。

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