鋼管混凝土柱施工技術(shù)及質(zhì)量控制在天津?yàn)I海圖書館中的應(yīng)用

張楊 徐勇 劉睿 榮彬

（1.天津開發(fā)區(qū)建設(shè)工程監(jiān)理公司，天津 300453；2.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072）

【摘 要】鋼管混凝土柱是指在鋼管中填充混凝土而形成的豎向受力構(gòu)件，在大型框架結(jié)構(gòu)中廣為應(yīng)用。天津市濱海新區(qū)文化中心圖書館為鋼框架結(jié)構(gòu)，使用鋼管混凝土柱作為承重構(gòu)件。作為組合結(jié)構(gòu)，鋼管混凝土柱的制作、運(yùn)輸、安裝等環(huán)節(jié)都有別于其他傳統(tǒng)構(gòu)件形式，需要過硬的施工技術(shù)及嚴(yán)格的質(zhì)量控制。文章以在建工程濱海圖書館為例，對(duì)鋼管混凝土柱的施工技術(shù)和質(zhì)量控制方法進(jìn)行探討和總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】鋼管混凝土柱；施工技術(shù)；質(zhì)量控制

【中圖分類號(hào)】TU765 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2016）07-0089-03

0 引言

目前，鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高層及超高層建筑中。究其原因，主要是鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)結(jié)合了鋼材和混凝土2種材料的優(yōu)勢，有著優(yōu)異的力學(xué)性能。一方面，鋼管對(duì)混凝土的套箍作用可以有效地增加混凝土的抗壓強(qiáng)度。另一方面，內(nèi)填混凝土對(duì)于外部鋼管的支撐可以防止鋼管發(fā)生失穩(wěn)，同樣提高了抗壓強(qiáng)度[1]。此外，采用鋼管混凝土代替鋼筋混凝土和結(jié)構(gòu)鋼，可大幅度地節(jié)省鋼材、木材、水泥等結(jié)構(gòu)自重。理論分析和實(shí)踐表明，鋼管混凝土與鋼結(jié)構(gòu)相比，在保持自重相近和承載能力相同的條件下，可節(jié)省鋼材約50%，焊接工作量大大減少；與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，在鋼材用量和承載能力相當(dāng)?shù)臈l件下，鋼結(jié)構(gòu)的橫截面會(huì)減小約1/2，從而加大了建筑的空間面積，空間的有效實(shí)用面積也會(huì)大大增加，混凝土和水泥用量及構(gòu)件自重相應(yīng)減少50%。因此，鋼管混凝土柱作為豎向受壓構(gòu)件有著很大的優(yōu)勢。與此同時(shí)，鋼管混凝土柱作為組合結(jié)構(gòu)，其施工方法有別于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，其制作、運(yùn)輸、安裝等環(huán)節(jié)都需要配套的施工技術(shù)和嚴(yán)格的質(zhì)量把控。

1 工程簡介

天津市濱海新區(qū)文化中心（一期）項(xiàng)目位于天津市濱海新區(qū)中心商務(wù)區(qū)天堿片區(qū)，總建筑面積為31.2萬m2。主要包括濱海現(xiàn)代城市與工業(yè)探索館、濱海現(xiàn)代美術(shù)館、濱海圖書館、濱海市民活動(dòng)中心、濱海東方演藝中心及濱海文化長廊“五館一廊”6個(gè)單體建筑，是具有科技、展示、教育等多元功能的綜合性文化商業(yè)區(qū)。工程總建筑面積約30.9萬m2，占地面積約12.0萬m2。

濱海圖書館坐落于濱海文化中心的東南側(cè)，東側(cè)為文化公園，南側(cè)通過文化長廊與濱海東方演藝中心相對(duì)，西側(cè)通過文化長廊與濱海市民活動(dòng)相對(duì)，北側(cè)為中央大廳。濱海圖書館設(shè)置了數(shù)字圖書館、球幕演示廳、媒體圖書館等多種新型交流設(shè)施，為市民提供了良好的休閑閱讀空間。圖書館分為地下3層、地上5層，結(jié)構(gòu)主體長110 m、寬60 m，建筑面積為33 700 m2，建筑高度為28 m。圖書館結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，地上部分為特大跨度連體結(jié)構(gòu)，主體為鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)，部分柱為鋼管混凝土柱，支撐采用中心支撐，局部為偏心支撐。中間連接體由四榀54 m跨雙層高的平面桁架及樓面梁、板、水平支撐等組成。圖書館共有組合柱構(gòu)件20件，有加工長度大、單件重量大等特點(diǎn)。

2 施工技術(shù)及質(zhì)量控制

本工程的外框架柱采用矩形鋼管混凝土柱，最大截面1 000 mm×400 mm×60 mm，最大加工長度為6.5 m，最大單件重量為26 t。較大的柱截面和鋼材厚度使構(gòu)件制作安裝精度、鋼材焊接質(zhì)量、混凝土澆筑的控制難度加大。

2.1 構(gòu)件制作安裝

鋼管混凝土柱體積和重量較大，故構(gòu)件的制作和安裝進(jìn)度是施工的一個(gè)難點(diǎn)。為保證構(gòu)件制作安裝精度，工程中從以下幾個(gè)方面進(jìn)行質(zhì)量控制。

（1）鋼管均在工廠預(yù)制完成，檢驗(yàn)合格后運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，經(jīng)二次檢驗(yàn)后安裝。

（2）構(gòu)件安裝控制點(diǎn)決定了單個(gè)構(gòu)件的安裝質(zhì)量和整體結(jié)構(gòu)的精度。按照設(shè)計(jì)圖紙建立水平軸線控制網(wǎng)和高程控制點(diǎn)，將基礎(chǔ)埋件的位置測設(shè)在相應(yīng)軸線控制網(wǎng)上，用“十”字線標(biāo)出安裝參照點(diǎn)，初標(biāo)后用全站儀進(jìn)行最終確定。

（3）為防止構(gòu)件產(chǎn)生吊裝變形，需根據(jù)設(shè)計(jì)吊點(diǎn)和吊裝荷載驗(yàn)算吊裝變形。吊裝就位后，應(yīng)立即進(jìn)行校正，校正內(nèi)容包括標(biāo)高校正、扭轉(zhuǎn)校正、垂直度校正等[2]。使用塔吊、鋼楔、墊板、千斤頂?shù)裙ぞ邔?gòu)件按照標(biāo)高、扭轉(zhuǎn)、垂直度的順序進(jìn)行校正。形成框架后無需再進(jìn)行整體校正。

2.2 焊接質(zhì)量控制

本工程中大型鋼管柱的鋼板材較厚（達(dá)到40 mm），焊接難度較大，焊接質(zhì)量的影響因素多，因此焊接質(zhì)量離散性很大。而且，焊接質(zhì)量缺陷及焊接殘余應(yīng)力正是形成和發(fā)展疲勞裂紋最敏感的區(qū)域，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗震性能都產(chǎn)生不利的影響。因此，需要對(duì)焊接工藝采取焊前預(yù)熱、焊中控制、焊后保溫等措施，措施量大，且對(duì)焊工技能要求較高。具體將在以下幾個(gè)方面重點(diǎn)加強(qiáng)焊接質(zhì)量的管理。

（1）焊接必須選用可防止層狀撕裂的Z向鋼，其材質(zhì)執(zhí)行《厚度方向性能鋼板》（GB/T 5313）的規(guī)定。

（2）高空焊接時(shí)，要嚴(yán)格做好焊接防風(fēng)、防雨工作，否則嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量，進(jìn)而影響施工進(jìn)度。

（3）冬季施工時(shí)，低溫條件下對(duì)焊接工藝的要求更加嚴(yán)格。0 ℃以下時(shí)必須進(jìn)行焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度在70～100 ℃為宜。

（4）對(duì)于鋼柱接頭焊縫，預(yù)熱范圍應(yīng)大于3倍板厚，達(dá)到規(guī)定溫度后要保持構(gòu)件處于恒溫狀態(tài)維持20 min。對(duì)于鋪設(shè)加熱片的施焊部位，按圖2所示鋪設(shè)加熱片，且使用溫控儀自動(dòng)控溫。

除預(yù)加熱外，還應(yīng)采取如下措施以保證焊接質(zhì)量：每根柱由下至上固定焊工，明確責(zé)任；對(duì)稱施焊，即分段反向?qū)ΨQ順序施焊；嚴(yán)格控制同類型焊機(jī)和焊接電流參數(shù)；對(duì)于柱安裝偏差，計(jì)算后進(jìn)行機(jī)械打磨，保持焊縫間隙一致；增設(shè)防變形卡板[3]。

2.3 混凝土澆筑

（1）填充順序。鋼管混凝土填充灌注利用混凝土輸送泵壓注的方式進(jìn)行，填充灌注過程中遵循對(duì)稱、均衡的原則。首先濕潤輸送泵管。用清水濕潤所有的輸送泵管的同時(shí)檢查輸送泵管工作是否正常、泵管接頭處是否有滲漏的情況。其次泵送水泥砂漿。泵送水泥砂漿可以避免粗骨料反彈及提高接頭處混凝土質(zhì)量，同時(shí)砂漿還可在泵送過程中起到潤滑管壁的作用。在混凝土填充灌注接近完成時(shí)，通過混凝土將砂漿排出鋼管。最后填充灌注混凝土。壓注過程中隨時(shí)通過調(diào)整控制混凝土輸送泵的泵送速度，確保壓注均勻、對(duì)稱，并通過錘擊鋼管管壁的方法辨別管內(nèi)是否空心，以了解混凝土壓注的高度，并憑此調(diào)整混凝土的壓注速度。當(dāng)混凝土壓注至接近拱頂面時(shí)，應(yīng)控制壓注速度以防止混凝土超過拱頂截面引起鋼管拱振動(dòng)。進(jìn)行下一次鋼管混凝土填充灌注前，對(duì)前一次灌注混凝土強(qiáng)度進(jìn)行檢測，確保前一次混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（2）填充工藝。由于單個(gè)構(gòu)件較大且鋼管內(nèi)有隔板分布，內(nèi)澆混凝土的密實(shí)程度決定了2種材料能否共同工作，是施工難點(diǎn)之一。為解決內(nèi)澆混凝土的密實(shí)問題，本工程的鋼管混凝土柱采用自密實(shí)混凝土澆筑。自密實(shí)混凝土是一種高流動(dòng)性且具有適當(dāng)黏度的混凝土，它不離析，能夠通過鋼筋填滿模板內(nèi)的任何空隙，在重力作用下自行密實(shí)，屬于高性能混凝土的一種。為了補(bǔ)償收縮、增強(qiáng)鋼材與混凝土的整體性、增加混凝土的流動(dòng)性，需要摻加膨脹劑和聚羧酸減水劑[4]。

（3）灌注后的處理。待鋼管混凝土填充灌注完成且混凝土終凝后，用鋼板對(duì)填充灌注的鋼管口進(jìn)行封閉焊接，并在表面進(jìn)行防腐涂裝處理，以防雨水進(jìn)入。

3 結(jié)論與展望

近年來，隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)逐漸在各種建筑結(jié)構(gòu)中得到廣泛的應(yīng)用。為了充分發(fā)揮其優(yōu)良性能，需要施工技術(shù)和設(shè)計(jì)方法的高度配合。濱海圖書館中的鋼管混凝土柱體量大，數(shù)量多，且厚板材、冬季低溫焊接等情況給施工造成一定難度。施工組織設(shè)計(jì)中應(yīng)具體問題具體分析，采用適合工程實(shí)際情況的施工技術(shù)方法。現(xiàn)場施工時(shí)，監(jiān)理和施工雙方需要密切配合，嚴(yán)格把控施工質(zhì)量。隨著其理論研究的深入及在各種實(shí)際工程中的實(shí)踐總結(jié)，施工工藝的提高和高性能材料的應(yīng)用，矩形鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)必將成為一種更完善的結(jié)構(gòu)形式。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]鐘善桐.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用和發(fā)展[J].建筑技術(shù)，2001（2）：80-82.

[2]石百軍，張樹新，梁斌.鋼管混凝土柱施工技術(shù)[J].施工技術(shù)，2009（S2）：135-141.

[3]安玉華.矩形鋼管混凝土柱施工技術(shù)在建發(fā)現(xiàn)代城工程中的應(yīng)用[J].寧夏工程技術(shù)，2010（4）：365-368.

[4]李江.超高層矩形鋼管混凝土柱施工質(zhì)量控制及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：北京建筑大學(xué)，2014.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]

【作者簡介】張楊，男，天津人，天津開發(fā)區(qū)建設(shè)工程監(jiān)理公司總經(jīng)理助理，工程師，研究方向：工程管理與技術(shù)；徐勇，男，內(nèi)蒙古人，天津開發(fā)區(qū)建設(shè)工程監(jiān)理公司總工程師，高級(jí)工程師，研究方向：工程管理與技術(shù)。