自密實超高鋼管混凝土柱的施工

張 雙 陳學英 李云燕 劉 磊 李繼越

中國建筑第二工程局有限公司 廣西 南寧 530022

1 工程概況

某項目室內主題樂園平面尺寸為165.2 m×148.5 m，地上高度30 m；屋面采用兩點支撐大跨弧形倒三角空間立體管桁架結構屋架，內部僅用2個凈高24.1 m、直徑1 800 mm的大直徑鋼管混凝土柱與外圍鋼筋混凝土排架柱共同作用撐起了主題樂園的巨大空間，因此鋼管混凝土柱的施工質量關系到整個屋面結構的安全及使用功能。如何提高鋼管柱安裝精度、避免細微裂縫、提高焊接質量且保證施工安全，最終達到成本控制，成為亟待解決的技術難點[1-4]。

2 施工重、難點

鋼管混凝土柱施工過程水化熱造成的溫升較高，會引起鋼管“安裝焊接鋼管（冷縮）—澆筑混凝土（熱脹）”的熱脹冷縮循環，造成不同分段產生不均勻應力，如何控制這種不均勻應力是工程重難點之一；低溫狀態下，為快速進入下一道施工工序，如何確保高位拋落免振搗法一次性澆筑低收縮自密實混凝土的施工質量是工程重難點之二；通過對吊車站位、吊幅計算，合理策劃鋼柱分段吊裝，使資源充分利用是工程重難點之三；鋼柱采用兩點就位，一點吊裝，如何控制鋼柱垂直度，保證鋼柱焊接質量是工程的重難點之四。自密實混凝土的試配過程及試配結果為本工程控制重點。

3 施工工藝

3.1 施工工藝流程

施工工藝流程為：自密實混凝土配合比試驗、鋼管柱分段吊裝分析、鋼柱定位軸線及定位線測設→分析混凝土配合比試驗結果、確認最終配比、鋼柱吊裝前預檢驗收、柱底標高確認及找平→首節鋼柱吊裝及固定→第2節鋼柱吊裝→垂直度調整及連接施工→第3、4節鋼柱吊裝及調節→高拋免振自密實混凝土澆筑→驗收。

3.2 施工工藝原理

本工程主題樂園對超大直徑鋼管混凝土柱的加工、定位、安裝的方式及流程進行了優化，采用旋轉回直法進行鋼柱吊裝并根據“三點一線”原理控制鋼柱垂直度，可以有效控制施工質量。同時為減小“安裝焊接鋼管（冷縮）—澆筑混凝土（熱脹）”循環模式下造成不同分段產生不均勻應力，經實驗室試驗配比后選用可靠的自密實混凝土，并采用立式高位拋落免振搗法，大大縮短了鋼管柱安裝、混凝土澆搗等過程的時間。采用柱底定位環及限位板技術，操作更方便，安裝更精準快捷，施工質量更可靠。鋼管柱對接均采用內襯管施工工藝，使接頭焊縫質量得以充分保證。鋼柱安裝軸線、標高準確、垂直度高。

3.3 施工技術要點

3.3.1 鋼管柱分段吊裝分析

本工程超高鋼管柱最后一段施工過程與地下管廊施工過程發生重疊，而地下管廊結構復雜、管廊縱橫交錯，為確保后期管廊施工便捷及鋼管柱施工，對吊車站位、作業半徑、鋼管柱運輸和吊運的空間及時間安排等進行了優化。

通過分析現場施工環境，鋼管柱高約24.1 m，根據自密實混凝土設計澆筑結果及工期安排，可分為4段進行吊裝作業，利用塔吊吊裝不經濟，因此采用汽車吊吊裝。吊車型號基于吊裝距離、吊裝角度、最大吊裝質量綜合考慮后選擇。最終將鋼管柱分為6 305、10 000、4 910、7 405 mm共4段吊裝，吊裝機械采用50 t汽車吊，鋼管柱最大質量為13 t。鋼管柱周邊10 m范圍為承臺施工完成后填土，經場地強夯處理后，可滿足汽車吊站位需要，汽車吊站位吊距15 m。

3.3.2 超高鋼管柱的安裝

在平面控制網的基礎上結合圖紙尺寸，采用圓管環切法放出鋼柱四周切點線，利用圓柱四周切點依次放出300 mm安裝控制線，用于測量及控制鋼柱安裝及復核。采用直角坐標法放出每個鋼柱基礎的縱橫軸線。將所測軸線彈墨線后，復核相鄰柱間尺寸。軸線復核無誤后，畫紅油漆三角標記，作為下一節鋼柱吊裝就位時的對中依據。

用水準儀從高程控制點引測標高，根據所測混凝土面標高偏差值，用不同厚度的墊鐵找平，由于焊接柱口有一定的焊接收縮量，因此，在安裝過程中應保證柱頂標高有2～3 mm的正公差，待焊接完成、焊縫冷卻以后再進行復檢高程，做好記錄并作為下一柱段高程調整的依據。

根據上述吊裝分析得知，吊裝機械采用50 t汽車吊，鋼管柱最大質量為13 t。鋼管柱周邊10 m范圍為承臺施工完成后填土，汽車吊站位吊距15 m，滿足吊裝要求。鋼柱吊裝就位后，觀測由制作廠在柱身上畫好的標高線，若有標高誤差，加減薄鐵板調整高度。

3.3.3 自密實無收縮混凝土配合比設計

工程自密實混凝土在實驗室進行配比試驗，采用雙摻合料配比試驗，最終的配合比符合JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應用技術規程》的要求。

膨脹劑采用武漢三源特種建材有限公責任公司生產的S-AC高性能混凝土膨脹劑，試驗按膠凝材料的4%、6%、8%分3組進行對比，其中6%摻量的配合比試塊（100 mm立方體試塊）在3 d初始拆模尺寸平均值為99.99 mm，28 d和60 d初始拆模尺寸為100.00 mm，其無收縮，效果最優，最終采用6%摻量作為自密實無收縮混凝土膨脹劑配合比。

3.3.4 高拋免振自密實混凝土的施工

混凝土在預拌廠拌制完成，運距約10 km。行車約30 min可到達工地。混凝土采用天泵進行澆筑，入模溫度不超過35 ℃。澆筑混凝土時，現場有質保部及技術部人員進行旁站，澆筑前做坍落度試驗。

鋼管柱分段設有內加勁環排氣孔，故可以連續澆筑作業。混凝土泵送和澆筑過程保持其連續性，減少分層，保持混凝土流動性。

混凝土澆筑時，澆筑混凝土在分段鋼柱頂以下1 m即停止澆筑，避免混凝土施工縫與鋼柱焊接段在同一個位置。

最后澆筑頂部段時，澆筑完畢30 min后，觀察鋼管混凝土有無回落下沉，若有下沉，則用人工補澆管補澆混凝土。

3.4 鋼柱混凝土柱驗收

1）鋼柱垂直度驗收，確保受力平均。

2）吊裝各節鋼柱焊接質量、焊縫強度、表面觀感等進行驗收，確保焊接質量。

3）澆筑完成后采用超聲波進行探測，確保鋼管柱內部不出現空洞，以避免影響最終受力。4）對柱頂標高進行驗收，確保不影響后期桁架驗收。5）對混凝土標養、同養試塊強度進行檢測，確保澆筑強度。

3.5 施工效果

1）通過使用高拋免振自密實混凝土，確保混凝土強度及澆筑質量，可以一次性完成鋼柱焊接和混凝土澆筑。

2）超高鋼管柱焊接焊縫強度滿足設計要求，垂直度偏差滿足鋼結構規范、設計控制要求，使用效果良好。

3）使用此技術大大節約了機械使用費用，減少了重復焊接時間和重復澆筑時間，同時也節約施工時間，縮短工期，提高了施工經濟效益。

3.6 施工保證措施

1）測量定位時間不宜選在每天10：30—15：30期間，避免因氣溫過高造成視覺誤差。

2）混凝土澆筑完成后注意是否有沉降，若有沉降，應及時補料填平頂口。

3）整個施工過程中，應保持對鋼管柱垂直度的監測，若發生位移偏差，應立刻停止澆筑并采取有效措施。

4）鋼柱安裝前應對下一節鋼柱的標高與軸線進行復驗，若發現誤差超過規范，應立即修正。

5）鋼柱加工廠應按要求在柱兩端設置臨時連接耳板，待鋼柱焊接完成且驗收合格后，再將耳板割除。

6）一般鋼柱采用兩點就位，一點吊裝。吊裝采用旋轉回直法，嚴禁根部拖柱，吊點位置在柱頂。

7）安裝連接板固定，上下柱不能出現錯口，然后進行校正焊接。每一個柱的定位軸線，應從地面控制軸線引到柱頂，以保證每節鋼柱安裝無誤，避免產生過大的積累偏差；柱-柱安裝校正重點為對鋼柱有關尺寸進行預檢；影響垂直因素的預先控制安裝誤差主要有鋼柱的柱頂垂直偏差、位移量、焊接變形、日照溫度、垂直校正及彈性壓縮等；壁厚30 mm的柱-柱焊接收縮值應控制在1.7～2.0 mm。

8）臨時連接耳板的螺栓孔應比螺栓直徑大4.0 mm，利用螺栓孔的余量來調節鋼柱制作時±3 mm的誤差。

9）鋼柱-臨時耳板連接，焊接時根據焊接工藝評定參數進行，在焊接過程中，若發現少量偏差，可用電焊校正方法修正。

10）現場進行鋼結構施工過程中，必須進行噪聲監測，防止噪聲污染，夜間施工應在取得夜間施工許可證的前提下進行；現場噪聲排放不得超過國家標準GB 12523—2011《建筑施工場界環境噪聲排放標準》的規定，并保證晝間≤70 dB、夜間＜55 dB。

4 結語

主題樂園項目對超高鋼管混凝土柱的加工、定位、安裝的方式及流程進行了優化，采用旋轉回直法進行鋼柱吊裝并根據“三點一線”原理控制鋼柱垂直度，可以有效控制施工質量。同時采用立式高位拋落免振搗法，縮短了鋼管柱安裝、混凝土澆筑等過程的時間，提高了施工效率和混凝土澆筑質量，節約了機械使用費用，同時也節約了施工時間，縮短了工期。采用柱底定位環及限位板技術，操作更方便，安裝更精準快捷，施工質量更可靠。本工程鋼柱安裝軸線標高準確，垂直度高，同時高拋免振自密實混凝土的配合比為高溫地區免振混凝土的配合比提供了參考經驗。本次施工過程中鋼管混凝土澆筑未實現實時監測，不能實時修復質量問題，未來可依據超聲波檢測原理進行混凝土澆筑的實時檢測，以實現澆筑過程的實時調整。