大型場館類建筑鋼管柱側拋混凝土工藝的應用研究

劉長亮,劉江濤

(陜西建工第五建設集團有限公司,西安 710000)

0 引言

大型場館類建筑逐漸增多,為實現大空間、可改造等目標,滿足各種展覽、展會、活動的需要。需應用鋼管混凝土柱,其兼具鋼結構與混凝土結構的優勢,施工周期短,承載能力高,抗震好,施工便捷,已廣泛用于大型場館類建筑支撐體系中。

鋼管混凝土出現于20世紀初,當時人們對建筑材料性能和耐久性提出了更高的要求,傳統的混凝土在重載、強震等極端環境中具有一定的局限性,而鋼管混凝土因其獨特的性能受到青睞。其具備鋼的高強度及抗拉性能和混凝土的耐久性及抗壓性能,成為大型場館建筑結構設計的理想選擇[1]。但傳統的鋼管混凝土工藝在實際應用中存在一些問題,因傳統的澆筑方式是從鋼管上方進行注入,混凝土均勻性及施工效率難以保證,故此鋼管柱側拋混凝土工藝應運而生。鋼管柱側拋混凝土工藝改變傳統的澆筑方式,將混凝土注入方向從上方改為側向,解決了均勻性及施工效率等問題,這一創新工藝不僅提高了混凝土密實性,增加了整體結構強度,還降低了施工難度,提高了工程施工效率[2],為大型場館建筑結構的可靠性及安全性提供了有力保障。鋼管柱側拋混凝土工藝通過改變混凝土流動方向可以更好地填充鋼管內部,確保混凝土的均勻性和致密性,能夠有效降低混凝土開裂傾向,提高結構耐久性及抗震性能,這對于大型場館建筑來說至關重要[3]。

本研究以某項目為例,對鋼管混凝土柱側拋混凝土施工工藝進行創新,提前預開鋼管柱側澆筑口,利用澆筑工具高位側拋免振混凝土,極大地提高了鋼管柱內混凝土澆筑施工速度及質量,減少了上層主體鋼結構施工及整體鋼結構卸載對工序的制約。實踐表明,鋼管混凝土柱側拋混凝土工藝在施工質量、成本、安全、綠色等方面效果顯著。

1 鋼管混凝土柱側拋混凝土技術特點

1.1 保證混凝土的均勻性與致密性

傳統澆筑方式中混凝土在管道內分布不均勻,導致結構局部強度和穩定性難以保證[4]。鋼管混凝土柱側拋混凝土技術通過側向注入方式改變了流動方向,使混凝土能夠更加均勻地填充鋼管內部,實現了對整體建筑結構性能的全新優化,保證了混凝土的均勻性與致密性。

混凝土的均勻性直接影響建筑結構的整體性能。鋼管混凝土柱側拋混凝土技術在側向注入過程中完成了精準填充,避免了由上至下澆筑方式引起的不均勻分布,有效提高了建筑結構的整體強度及穩定性[5],為大型場館建筑結構的可靠性奠定了堅實基礎,提高了整體結構對外部荷載及環境因素的適應能力。

1.2 顯著提升施工效率

鋼管混凝土柱側拋混凝土技術采用側向注入方式,改變了傳統澆筑方式,顯著提升了施工效率。其施工過程簡化,大大減少了工程周期,避免了傳統澆筑方式由上至下的復雜操作,極大提高了混凝土注入速度和精準度,有效縮短了建筑施工周期[6]。施工效率的提升為大型場館建筑提供了施工優勢,可滿足緊迫的工程時間要求,確保項目按計劃高效推進。由于施工流程的簡化,減少了工程周期及資源占用,推動了工程竣工。對于大型場館建筑而言,意味著更短的建設周期、更低的成本及更高效的資源利用。

鋼管混凝土柱側拋混凝土技術施工效率的提升帶來了更為靈活的管理和控制。通過簡化施工流程降低對施工人員技術水平的要求,提高施工團隊的靈活性。應用該技術可減少對高技術水平的依賴,進一步保障施工質量。

1.3 混凝土配制具有高度靈活性

鋼管混凝土柱側拋混凝土技術在混凝土配制方面具有高度靈活性,為大型場館建筑提供混凝土性能精細調控。可根據工程要求靈活調整混凝土配比,滿足不同部位對混凝土性能的需求,為建筑設計提供了更多的可能性,適應各種復雜的結構形式及設計要求。通過混凝土配制的精細調控,鋼管混凝土柱側拋混凝土技術為建筑功能性提供了更多的可能性。在大型場館建筑中,不同部位對混凝土性能的需求各異,如抗壓強度、耐久性等。通過可調控的混凝土配比,根據具體需求精確調整混凝土性能,更好地滿足各個部位的特殊要求[7],令大型場館建筑在結構上更加靈活多樣,滿足實用性需求,在審美和藝術性方面提供更大的創作空間。通過合理調整混凝土成分,可以更好地滿足現代建筑對環保材料的需求,降低對傳統材料的依賴,減少對自然資源的開采,增強大型場館建筑施工環保性,將環保理念融入實際建設中。

1.4 具有環保性與保溫隔熱性能的綜合優勢

鋼管混凝土柱側拋混凝土技術在環保性和保溫隔熱性能方面具有綜合優勢,可降低施工廢料的產生,減小對環境的不良影響。相較于傳統方式,該技術在施工過程中更加注重資源的有效利用,最大程度地減少建筑施工對環境的影響,滿足現代建筑對可持續性和環保性的要求。由于混凝土在鋼管中的填充更為致密,相較于傳統方式,其保溫隔熱性能更為出色,可提高大型場館建筑的能效表現,保持更穩定的室內溫度,減少對加熱或制冷系統的依賴,有效提高建筑能源利用率,符合現代建筑對能源節約及綠色環保的高標準要求,將可持續發展理念融入大型場館建筑的實際施工中。

2 實踐應用

2.1 項目概況

某大型活動場館是全運會配套工程,是一座集展覽、辦公、會議及餐飲為一體的大型活動場館,建筑包括地下一層和地上四層,總高度為58.95 m。項目地下部分采用混凝土框架結構體系,地上部分采用鋼框架-BRB支撐結構體系,為場館提供了堅實的結構支撐。地下結構的混凝土框架體系為建筑提供了牢固的基礎,能夠有效分擔地上建筑的荷載,提供足夠的穩定性和承載能力。混凝土框架結構有助于實現場館內部空間的布局靈活性,滿足不同功能區域的需求。地上結構采用鋼框架-BRB支撐結構體系,在大型場館建筑中具有顯著的應用優勢。鋼框架結構具有更大的空間跨度,增加了建筑靈活性,適用于多功能展覽、辦公、會議等要求。采用BRB(阻尼器支撐結構)能夠有效減震,提高建筑抗震性能,確保安全性。

2.2 鋼管混凝土柱相關參數

地上鋼框架體系包含1000 mm×30 mm、1000 mm×40 mm圓形鋼管混凝土柱64根,1700 mm×1700 mm×80 mm、1500 mm×1500 mm×60 mm、1200 mm×1200 mm×50 mm、1100×1100×40 mm方形鋼管混凝土柱70根,共計134根(圖1)。鋼管混凝土柱四層高度51.05 m,最大層高8 m,其材質為鋼材Q390GJC,柱體澆筑口直徑100 mm。鋼管混凝土柱內部混凝土澆筑難度大,項目要求工期短,為了不影響后續工序開展,采用側拋自密實C50混凝土。

圖1 鋼管混凝土柱分布Fig.1 Distribution of concrete filled steel tube column

2.3 鋼管混凝土柱焊接安裝

在經過定位軸線、標高復測合格后進行鋼管柱安裝。分為 6 個區進行平行施工,每個區內由邊到中進行安裝,施工順序如圖2、圖3所示。鋼管柱由兩名焊工A和B勻速、同步、對稱進行焊接(圖4)。采用掃描技術對焊接全過程進行動態監控(圖5)。

圖2 鋼管混凝土柱安裝施工順序Fig.2 Sequence diagram of concrete-filled steel tube column installation and construction

圖3 鋼管混凝土柱吊裝Fig.3 Concrete-filled steel tube column hoisting

圖4 鋼管混凝土柱焊接順序Fig.4 Sequence of concrete filled steel tube column welding

圖5 焊接全過程的動態監控Fig.5 Dynamic monitoring of the whole welding process

2.4 鋼管柱側拋混凝土澆筑施工

2.4.1 側拋混凝土配合比及性能參數

為保證鋼管柱混凝土施工質量,從源頭控制原材配比,保證C50自密實混凝土的穩定性,經設計技術人員、實驗室、商混攪拌站多方參與及多次試驗,確定C50自密實混凝土的配合比及性能參數如表1、表2。

表1 C50自密實混凝土設計配合比

表2 C50自密實混凝土性能參數

2.4.2 自密實混凝土澆筑情況

根據現場施工進度逐層、分節、分段澆筑,為滿足現場施工進度要求及安全管理目標,采用一種新型混凝土澆筑工具輔助施工,在確保安全施工的前提下解決因鋼管澆筑口小導致混凝土泵管難以深入澆筑的問題,提高施工效率[8]。鋼管柱預留澆筑口過小(洞口尺徑為100～120 mm),混凝土泵管的外徑過大(泵管外徑在140～168 mm),利用一種混凝土新型施工工具來解決混凝土泵管無法直接澆筑鋼管柱內灌混凝土的施工難題,一端連接鋼管柱混凝土側拋口,一端連接混凝土泵管,將泵管內的混凝土經新型工具流入鋼管柱內,完成鋼管柱側拋混凝土施工[9],提高了鋼管柱側拋混凝土施工質量,保證了施工工期,規避了因傳統施工操作難度大而導致的施工安全風險,節約了施工及人力成本。

混凝土澆筑工具安裝流程見圖6。

圖6 澆筑工具安裝流程Fig.6 Pouring tool installation process

3 結束語

創新鋼管混凝土柱側拋混凝土工藝,在大型場館類建筑中應用了一種高效、經濟的施工方法取得了顯著的應用效果。實踐證明,該工藝能夠滿足大型場館類建筑的施工需求,在質量、成本、安全及綠色施工方面具有顯著優勢。側拋混凝土工藝減少了上層主體鋼結構施工及整體鋼結構卸載對工序的制約,提高了施工速度,節約了工期。采用新型施工工具解決了混凝土泵管無法直接澆筑鋼管柱內灌混凝土的問題,保障了施工質量,減少了施工及人力成本,避免了潛在的施工風險。結合鋼管混凝土柱與側拋混凝土工藝可以更好地完成大型建筑工程,提高施工效率和質量,降低成本,推動建筑行業的可持續發展,為大型場館類建筑施工提供了新思路。