關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)和混凝土組合結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)

沈楠

（重慶拓達(dá)建設(shè)（集團(tuán)）有限公司 重慶市 南岸區(qū) 400061）

關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)和混凝土組合結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)

沈楠

（重慶拓達(dá)建設(shè)（集團(tuán)）有限公司 重慶市 南岸區(qū) 400061）

隨著建筑工程的不斷發(fā)展，建筑物的高度與跨度不斷提高，經(jīng)過多年的研究及工程實(shí)踐，鋼筋混凝土-鋼組合結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)展成為既區(qū)別于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式（混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)），又與之密切相關(guān)和交叉的結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)類型和適用范圍涵蓋了結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用的很多領(lǐng)域。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，組合結(jié)構(gòu)有明顯的優(yōu)勢：造價(jià)比鋼結(jié)構(gòu)低，結(jié)構(gòu)剛度比鋼結(jié)構(gòu)大，施工速度比混凝土結(jié)構(gòu)快，抗震性能優(yōu)于混凝土結(jié)構(gòu)，尤其是框架-核心筒體系采用組合結(jié)構(gòu)時(shí)，其建筑高度可以比鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)更高，具有廣闊的發(fā)展前景。這里我們就談一下這種組合結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)。

鋼管混凝土；組合結(jié)構(gòu)；施工技術(shù)

成果概述：

鋼筋混凝土-鋼組合結(jié)構(gòu)將兩種材料的構(gòu)件通過某種方式組合在一起共同工作，組合后的整體工作性能要明顯優(yōu)于各自性能的簡單疊加。采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的構(gòu)件主要包括型鋼-混凝土組合梁、鋼骨混凝土梁/柱、鋼骨混凝土墻/筒、鋼板混凝土連梁、鋼板混凝土墻、鋼骨混凝土柱、鋼管混凝土柱等。

鋼筋混凝土-鋼組合結(jié)構(gòu)中，常采用鋼骨混凝土柱和鋼管混凝土柱，主要截面形式有鋼骨混凝土柱、鋼管混凝土柱、空心鋼管混凝土柱等，相應(yīng)的其梁柱節(jié)點(diǎn)連接也于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同。在梁的應(yīng)用方面鋼筋混凝土-鋼組合結(jié)構(gòu)中，常采用型鋼混凝土組合。

在上述常用的組合構(gòu)件中，鋼管混凝土柱在我國應(yīng)用較早且較為廣泛，尤其是近年來在高層建筑中使用較多，下面主要對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)闡述：

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是介于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)之間的一種復(fù)合結(jié)構(gòu)。鋼管混凝土通常用于柱，即在鋼管中灌注混凝土，鋼管和混凝土這兩種結(jié)構(gòu)材料在受力過程中相互制約。鋼管混凝土柱的承載力，比鋼管和混凝土柱芯各自承載力的綜合提高約40%。鋼管混凝土承載力高，塑性和韌性良好，耐火耐腐蝕性能好，無需鋼筋綁扎、支拆模等工序，施工簡便，可大量節(jié)約人工費(fèi)用。鋼管混凝土柱有良好的經(jīng)濟(jì)性能，同一般型鋼混凝土柱比較，在同等條件下，鋼管混凝土柱可節(jié)約30%的用鋼量。同鋼筋混凝土比較，可節(jié)省水泥70%，節(jié)約鋼材10%，節(jié)省模板100%，而造價(jià)大致相等。在美國、澳大利亞等國家，已建成的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)高層建筑已經(jīng)超過40幢。我國的高層、超高層建筑工程中也在推廣應(yīng)用這種優(yōu)良的結(jié)構(gòu)形式，如先后開工建設(shè)的總高610m的廣州電視塔、總高437.5m的廣州西塔均采用了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)?？梢灶A(yù)見，今后鋼管混凝土結(jié)構(gòu)將成為高層和超高層建筑中大量使用的結(jié)構(gòu)形式。

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在施工過程中，最為關(guān)鍵的幾個(gè)施工環(huán)節(jié)，即鋼管制作、鋼管拼接組裝、鋼管柱吊裝、鋼管內(nèi)混凝土澆筑。

（1）鋼管制作若由施工單位自行卷制，其鋼板必須平直。當(dāng)采用滾床卷管及手工焊縫接時(shí)，宜采用直流電焊機(jī)進(jìn)行反接焊接施工。

（2）鋼管拼接組裝時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格保持焊后管肢的平直。在鋼管焊接前，點(diǎn)焊定位適用于小直徑鋼管，對于大直徑鋼管可另用附加鋼筋焊于鋼管外壁作臨時(shí)固定連焊。在接焊接過程中，若點(diǎn)焊定位地方的焊縫現(xiàn)出微裂縫，對此微裂縫部位務(wù)必全部鏟除重新焊接。

（3）鋼管柱吊裝

吊裝時(shí)，應(yīng)注意減少吊裝荷載作用下的變形，吊點(diǎn)位置應(yīng)根據(jù)鋼管本身強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算后確定。采用預(yù)制鋼管混凝土構(gòu)件時(shí)，應(yīng)等管內(nèi)混凝土達(dá)到強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的50%后，才可以進(jìn)行吊裝。鋼管柱吊裝的允許偏差應(yīng)符合要求。

（4）鋼管內(nèi)混凝土澆筑

管內(nèi)混凝土可采用高位拋落無振搗法、立式手工澆搗法、泵送頂升澆筑法。泵送頂升澆筑法是在鋼管接近地面的適當(dāng)位置安裝一個(gè)帶閘門的進(jìn)料支管，直接與泵車的輸送管相連，由泵車的壓力將混凝土連續(xù)不斷自下而上灌入鋼管，無需振搗；立式手工澆搗法即能達(dá)到振實(shí)混凝土的目的，適合使用于管徑大于350mm、高度不小于4m情況。

對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)來說，雖然鋼管核心混凝土在施工中振搗困難，甚至無法振搗，導(dǎo)致混凝土密實(shí)性不夠，存在大量氣泡和空洞，影響工程質(zhì)量。為解決這一問題，目前，高層、超高層鋼管混凝土結(jié)構(gòu)施工中通常采用高性能自密實(shí)混凝土。自密實(shí)混凝土在澆筑過程中，僅靠自重或少振搗的情況下就能在模板內(nèi)自密實(shí)成型。它與常規(guī)澆筑、振搗混凝土最大的區(qū)別在于：能夠自流平填密，避免出現(xiàn)因振搗不足而造成空洞、蜂窩、麻面等質(zhì)量缺陷。同時(shí)，自密實(shí)混凝土所用的水泥量較少、粗骨料較少、摻合料較多、砂率較大，即使外加劑的成本較普通混凝土高，但從制作混凝土的成本材料上面作比較，強(qiáng)度等級為C40自密實(shí)混凝土的材料成本與同強(qiáng)度的普通混凝土材料成本相近。而且，隨著水泥價(jià)格越來越來高，普通混凝土材料的成本已高出了自密實(shí)混凝土材料的成本。假如從工程質(zhì)量、工程的施工進(jìn)度及材料成本等多方面綜合對比，鋼管混凝土中運(yùn)用自密實(shí)混凝土，整個(gè)工程的經(jīng)濟(jì)效益及技術(shù)效益將明顯提高。

（5）鋼管混凝土澆筑模型試驗(yàn)

為確定科學(xué)、合理的澆筑工藝用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工，可在施工前進(jìn)行1：1模型模擬澆筑實(shí)驗(yàn)。分別采用與工程實(shí)際直徑相符的直段鋼管和節(jié)點(diǎn)鋼管進(jìn)行試驗(yàn)，鋼管的大小和安裝角度均與實(shí)際結(jié)構(gòu)一樣，以保證試驗(yàn)的可靠性。直段鋼管柱與節(jié)點(diǎn)鋼管柱澆筑同標(biāo)號混凝土。在鋼管混凝土澆筑完成后作檢測：

①外觀檢測：1：1模型鋼管混凝土澆筑完成達(dá)到28d齡期后，將試驗(yàn)用鋼管混凝土放到，剖開外面的鋼管，檢測其混凝土外觀質(zhì)量，直觀地了解混凝土的澆筑質(zhì)量（試驗(yàn)用混凝土外觀光滑、平整）。

②斷面檢測：將混凝土沿橫向切開觀察混凝土斷面的密實(shí)情況（混凝土的斷面密實(shí)，沒有孔隙）。

③抽芯檢測：為了檢驗(yàn)混凝土的強(qiáng)度等級，對混凝土實(shí)行抽芯取樣強(qiáng)度試壓，試快的抽取采取大型抽芯機(jī)和普通抽芯機(jī)這兩種機(jī)械進(jìn)行，抽芯部位同樣采用兩種情況——豎向抽取和橫向抽取。經(jīng)過對抽芯取樣的試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和預(yù)留試件抗壓強(qiáng)度的對比，證明混凝土強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

④絕熱溫升檢測：為驗(yàn)證各標(biāo)號鋼管混凝土絕熱溫升條件下的強(qiáng)度是否滿足要求，做了絕熱溫升試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方法如下：

用高度1.2m、直徑1m、厚度1cm的鋼管做模擬試驗(yàn)。用密封膠試模制作150mm×150mm×150mm立方體標(biāo)準(zhǔn)試件3組，制作完成后用塑料薄膜包裹好放入鋼管混凝土內(nèi)。為了確保所制作的試件具有代表性，試驗(yàn)所取的混凝土應(yīng)該跟實(shí)體構(gòu)件的鋼管混凝土是同一批的，混凝土的分層澆筑，把2根鋼筋焊接在鋼筋內(nèi)壁上作為分層界面，然后把事前已準(zhǔn)備好的混凝土試件放進(jìn)鋼管混凝土柱內(nèi)鋼筋上，連續(xù)澆灌混凝土至試模上口，每分一次層，就在鋼管壁的外側(cè)畫上一個(gè)標(biāo)志線，做為后續(xù)分層切割的依據(jù)。

測量溫度時(shí)，在各個(gè)鋼管混凝土樁內(nèi)都要設(shè)置1個(gè)測量溫度的點(diǎn)，以便觀測混凝土升溫升情況。等到混凝土的強(qiáng)度到28d齡期后，首先把鋼管剝開，然后沿著之前所做的分界面標(biāo)記將混凝土一層一層分開，最后把試模周邊的混凝土剔除，打開試模后將試塊取出送檢，混凝土強(qiáng)度應(yīng)滿足要求。

⑤超聲波檢測：1：1鋼管混凝土試驗(yàn)還做了埋管超聲檢測，檢測齡期分別為7d、14d、28d，可以發(fā)現(xiàn)：混凝土齡期越長的，超聲波的檢測結(jié)果就越好。鋼管混凝土外壁超聲波檢測同時(shí)進(jìn)行。結(jié)果表明：此種檢測方法是不可行，聲波的傳遞直接沿管壁分散掉了，未經(jīng)過混凝土。

鋼管混凝土澆筑模型試驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)試驗(yàn)過程中記錄的鋼筋剖析后混凝土肢解外型外觀質(zhì)量、超聲波檢測出的結(jié)果，可以知道，沒振搗過的混凝土抗壓強(qiáng)度和外型外觀質(zhì)量都比經(jīng)過振搗的混凝土低，由此分析、總結(jié)每個(gè)不同直徑鋼筋的具體振搗時(shí)間、澆筑時(shí)間全都是混凝土振搗棒連續(xù)振動(dòng)及連續(xù)下料的情況。在現(xiàn)實(shí)情況里，假如下料過快或者是有間歇，需要按每500mm振搗時(shí)間反算實(shí)際振搗時(shí)間。

（6）鋼管混凝土澆筑施工工藝

①施工現(xiàn)場機(jī)具配備

向現(xiàn)場施工人員進(jìn)行安全、技術(shù)交底；

現(xiàn)場配備多根高頻振搗棒、照明燈具、監(jiān)控?cái)z像頭、絞車及扎絲若干，以及施工方案里所需要的其他施工工具；混凝土澆筑前應(yīng)確保鋼管內(nèi)無雜物、無積水，然后將振搗棒、串筒、監(jiān)控裝置、照明燈具及絞車固定好，為確?；炷琳駬v棒及監(jiān)控裝置的機(jī)械性能完好，應(yīng)提前進(jìn)行試用。攪拌站應(yīng)嚴(yán)格按照試驗(yàn)配合比進(jìn)行配料，以確?；炷恋目杀眯院妥允湛s量在規(guī)定范圍內(nèi)。

②鋼管混凝土澆筑

混凝土需連續(xù)澆筑，根據(jù)澆筑高度、鋼管直徑及泵送出料速度，放入材料后30s開始振搗，放入材料后2min振搗開始提升，振搗棒隨著混凝土的下料勻速提升，提升速度的前提是需要滿足混凝土振搗密實(shí)，混凝土振搗密實(shí)的表現(xiàn)是：表面呈現(xiàn)浮漿、未見氣泡或是氣泡不大、振搗棒的聲音平緩，混凝土澆筑速度能夠通過控制泵送壓力來控制。

如果下料過程中有中斷（中斷時(shí)間禁止超過混凝土初凝時(shí)間），相隔2min開一次振搗棒，為了維持混凝土的流動(dòng)性。繼續(xù)放入材料后，在混凝土交界面保持振搗15s大小。為了保證混凝土的振搗質(zhì)量，混凝土的澆筑速度要合理控制。同一根鋼管柱混凝土澆筑應(yīng)該連續(xù)，分層間不得出現(xiàn)冷縫。

混凝土澆筑完成后，操作人員需立即對振搗棒、串筒等機(jī)具進(jìn)行清洗，以備下次施工使用?；炷脸跄螅⒓磳Ρ砻娓{進(jìn)行清理和鑿毛，并對鋼管口加以保護(hù)。

③施工現(xiàn)場檢測

通過以上各項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證了鋼管混凝土的澆筑工藝，但是在現(xiàn)場實(shí)際操作中有些檢測方法是不可行的，所以，埋管超聲波檢測是最適用于現(xiàn)場鋼管混凝土的質(zhì)量檢測的。

超聲波檢測采用埋設(shè)聲測管的方法通過水的耦合，超聲波脈沖信號從一根聲管中的換能器發(fā)射出去，由另一根聲管中的換能器接收，超聲儀測定有關(guān)參數(shù)并采集數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，通過傳遞波形的情況判斷混凝土的質(zhì)量。

（7）鋼管混凝土澆筑實(shí)施效果

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了鋼材和混凝土兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，并表現(xiàn)出抗壓強(qiáng)度高、塑性性能好、抗震性能優(yōu)異等新的工作性能。與鋼結(jié)構(gòu)柱子相比，可節(jié)約鋼材50%左右，造價(jià)大大降低；與鋼筋混凝土柱子相比，不需要模板，節(jié)約混凝土，減輕自重50%以上，是一種優(yōu)質(zhì)、高強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)合理的承重構(gòu)件。

大直徑鋼筋混凝土柱利用鋼筋和混凝土的共同受力，使混凝土的強(qiáng)度得以提高，塑性和韌性能大為改善。同時(shí)，由于混凝土的存在可以避免或延緩鋼筋發(fā)生局部屈曲，從面保證材料性能的充分發(fā)揮，所以混凝土本身的密實(shí)度和與鋼管內(nèi)壁緊密結(jié)合對鋼管混凝土使節(jié)力至關(guān)重要。

綜上所述，鋼結(jié)構(gòu)和混凝土組合結(jié)構(gòu)已成為建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向，必將得到更廣泛的應(yīng)用。

[1]聶建國.廣義組合結(jié)構(gòu)及其發(fā)展展望[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2006.

[2]楊玉紅，李悅，郭奇.自密實(shí)混凝土的工程應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)分析[J].新型建筑材料，2006.

[3]鐘善桐.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[4]蘇廣洪，葛洪軍.廣州珠江新城西塔斜交鋼管混凝土柱施工技術(shù)[J].施工技術(shù)，2009.

TU765

A

1673-0038（2015）34-0069-02

2015-8-3