自密實鋼管混凝土研究與工程應用

摘 要：在介紹自密實鋼管混凝土特點及應用基礎(chǔ)上，綜述了國內(nèi)外在自密實鋼管混凝土性能方面的數(shù)值計算及試驗研究進展，并以工程實例對自密實鋼管混凝土進行了現(xiàn)場模擬試驗和分析，采取的高拋自密實混凝土技術(shù)方案，較好的滿足了設(shè)計和施工要求，可為類似采用該技術(shù)的工程做參考。

關(guān)鍵詞：鋼管；自密實混凝土；研究；工程應用

Abstract： Based on the Characteristics and application of Self-Compacting Concrete（SCC）and steel tubular filled with concrete， the development of numerical calculation and experimental research home and abroad are expounded. Taking Xiamen Xinglin operations center as an example， Simulation test and analysis of Self-Compacting Concrete（SCC）and steel tubular are finished. The technical scheme of high dropping self- compacting concrete（SCC） is met the requirements of design and construction.

Key word：steel tubular； Self-Compacting Concrete（ SCC ）； research； Engineering application

自密實混凝土可以依靠自重及流動性填充試模，并且保持混合料的均勻性，尤其適用于薄壁、結(jié)構(gòu)形狀復雜、振搗困難以及對施工噪聲有特殊要求的工程[2]。因此，在鋼管內(nèi)填充自密實混凝土形成的組合結(jié)構(gòu)材料，具有很好的工程應用前景。近年來，鋼管自密實混凝土在工程中的應用范圍日益廣泛，我國的北京南站改擴建工程[3]、國家體育館“鳥巢”[4]、廈門財富中心[5]等工程中均使用了鋼管自密實混凝土，取得了很好的技術(shù)與經(jīng)濟效益。本文先介紹自密實混凝土研究進展情況，再就具體的工程實例進行自密實混凝土配合比優(yōu)化，以及施工模擬試驗與分析，并在工程中開展應用。

1.自密實鋼管混凝土研究進展

由于自密實混凝土的特點，自90年代以來，自密實混凝土得到了迅速的發(fā)展和推廣應用。近年來在國內(nèi)外陸續(xù)展開了對鋼管自密實混凝土的研究，研究包括其與普通鋼管混凝土在承載力方面的差別，鋼管自密實混凝土受力性能、材料本構(gòu)關(guān)系等方面的研究等。

在承載力試驗研究方面，中南大學蔣麗忠、余志武教授等通過鋼管自密實混凝土短柱軸壓試驗[6]，研究了不同混凝土強度等級、鋼管中部是否開小孔或不同高度的橫槽以及不同加載方式對鋼管自密實混凝土極限承載力的影響。

堯國皇、韓林海教授在自密實鋼管混凝土力學性能方面做了較多研究。通過18個軸壓構(gòu)件和20個壓彎構(gòu)件，進行了試驗研究和理論分析?？紤]了核心混凝土的振搗方式、截面形式、徑厚比和荷載偏心率等參數(shù)[7]。

大連理工大學黃承逵等人對15根鋼管自應力自密實混凝土柱和3根普通鋼管自密實混凝土柱進行了偏心受壓試驗研究。結(jié)果表明：與普通鋼管自密實混凝土相比，鋼管自應力自密實混凝土具有較長的彈性工作段，初始自應力對結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)幾乎沒有影響[8]。

王慶利等[9]研究鋼管自密實混凝土軸壓構(gòu)件的靜力性能，為遼寧省相關(guān)地方標準的編制提供參考依據(jù)。方法通過18個鋼管自密實混凝土軸壓構(gòu)件（內(nèi)填混凝土的立方試塊抗壓強度達96 MPa）的靜力試驗，時軸壓構(gòu)件的破壞模態(tài)、軸力一中截面撓度曲線、軸力一應變曲線和側(cè)向撓曲線形狀等進行了分析。從試驗研究的整體情況來看，澆筑強度達96 MPa的混凝土的鋼管自密實混凝土與普通鋼管混凝土在靜力性能方面沒有本質(zhì)區(qū)別。對鋼管自密實混凝土軸壓構(gòu)件的靜力性能進行有限元模擬，進一步了解其工作機理分析。在試驗研究的基礎(chǔ)上，采用有限元法建立分析模型并模擬試件的軸力一中截面撓度曲線和破壞模態(tài)，驗證有限元分析模型可靠，以此模型深入研究了鋼管自密實混凝土軸壓構(gòu)件中鋼管和混凝土應力和應變等的分布規(guī)律[10]。

朱國平等借助有限元分析軟件ANSYS，考慮了鋼管與混凝土兩種材料本構(gòu)關(guān)系的非線性，對軸心受壓鋼管自密實混凝土短柱進行了大量的非線性有限元分析，建立了鋼管自密實混凝土短柱在軸心壓力作用下的非線性有限元計算模型[11]。

國外的一些學者也對鋼管自密實混凝土受力性能、與鋼管普通混凝土等方面進行了大量的試驗研究。除了對鋼管自密實混凝土的大量研究外，工程中的應用也在大力推廣。

2.工程案例分析

2.1 工程概況

某工程建筑高度262m，南北邊長最長約為205m，建筑占地面積為8049.5m2，地下3層主要是商業(yè)購物廣場、停車位、機房等，地上1層～4層為商業(yè)部分，5層～53層為辦公部分，54層為觀光大廳。

本工程大樓豎向采用鋼管柱承載體系，主樓存在14根鋼管混凝土柱，鋼管內(nèi)填充C60混凝土，單根鋼管直徑900～1200mm，在鋼管柱與鋼梁、斜撐連接部位內(nèi)設(shè)橫向環(huán)形加勁板，加勁板中心設(shè)有通孔。加勁板的存在使鋼管內(nèi)混凝土不易振搗、施工難度大。為保證鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量，采用C60自密實混凝土高拋法進行澆筑。

2.2 自密實混凝土配制

按照《自密實混凝土應用技術(shù)規(guī)程》（JGJT283-2012）要求配制自密實混凝土。

2.2.1 混凝土原材料的選用

（1）水泥

選用標號為P·O42.5R閩福水泥，性能指標檢驗結(jié)果符合GB175-2007中P·O42.5R水泥的技術(shù)要求。

（2）細集料

細集料采用河砂，氯離子含量0.004%≤0.02%，含泥量1.8%≤2.0%，泥塊含量0.4%≤0.5%。顆粒級配符合JGJ52-2006中Ⅱ區(qū)中砂的質(zhì)量要求。

（3）粗集料（碎石）

選用最大粒徑5～10mm（碎石1）及10～20mm（碎石2）兩種規(guī)格的碎石，抽檢結(jié)果，碎石1含泥量0.4%≤0.5%，泥塊含量0.2%≤0.2%，針片狀4%≤8%；碎石2含泥量0.4%≤0.5%，泥塊含量0.1%≤0.2%，針片狀2%≤8%。兩種規(guī)格的碎石顆粒級配分別符合JGJ52-2006中5～10mm連續(xù)粒級和10～20mm單粒級的質(zhì)量要求。

（4）摻合料

選用粉煤灰和?；郀t礦渣粉兩種摻合料。兩種摻合料的技術(shù)指標檢驗結(jié)果分別符合GB/T1596-2005中Ⅰ級（F類）粉煤灰和GB/T18046-2008中S95礦渣粉的技術(shù)要求。

（5）混凝土外加劑

選用緩凝型點石聚羧酸系高效減水劑Point-400s及JYQ-A膨脹劑，兩種外加劑的主要性能指標檢驗結(jié)果分別符合GB8076-2008中外加劑的技術(shù)要求和GB23439-2009中Ⅱ型膨脹劑的技術(shù)要求。

2.2.2配合比設(shè)計

依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ55-2011），按28d強度69MPa，塌落度270mm，密度2420kg/m3，初凝時間475min，終凝時間630min，和易性好的要求進行配合比設(shè)計。

2.3 模擬試驗

2.3.1試驗的目的

現(xiàn)場按1：1的比例模擬鋼管混凝土澆筑試驗，通過現(xiàn)場觀測自密實混凝土本身拌合物性能，包括流動性、和易性、檢查坍落度、擴展度等檢驗施工現(xiàn)場混凝土的基本性能；通過沿著對稱位置切割鋼管，取下其中一側(cè)鋼管時能否感受到混凝土與鋼管壁的粘結(jié)力以及觀察混凝土與未取下的鋼管邊沿的結(jié)合情況，從而定性判斷鋼管與混凝土的粘結(jié)性能；通過觀察混凝土表面是否存在氣泡及裂縫，判斷自密實混凝土的澆筑質(zhì)量；通過對混凝土鉆芯取樣，目測混凝土密實情況并檢驗其強度。通過試驗結(jié)果檢驗自密實混凝土澆筑方案的可行性，確保自密實鋼管混凝土的施工質(zhì)量。 2.3.2試件設(shè)計及制作

該模擬試驗的構(gòu)件與工程實際構(gòu)件在構(gòu)造上一致，包括加勁板設(shè)置，排氣孔設(shè)置等。實驗柱采用的鋼管直徑900mm，厚度20mm，單節(jié)高度9.9m，鋼管內(nèi)壁焊接厚32mm寬度245mm的橫隔板，橫隔板共8塊，隔板中線4個對稱位置各設(shè)置直徑25mm的排氣孔。

鋼管內(nèi)混凝土的澆筑方案與施工現(xiàn)場一致，用鋼管架搭設(shè)實驗平臺，將鋼管柱豎向固定，模擬現(xiàn)場高拋形式，用吊車將混凝土提至鋼管上方，拋落高度11米，打開閥門，使混凝土以自由落體的方式灌注至鋼管，利用混凝土從高位拋下時產(chǎn)生的動能達到振實混凝土，現(xiàn)場模擬見圖1所示。試件的制作流程如下：

鋼管的制作→安裝900mm管徑柱腳→安裝直段鋼管及支撐→安裝臨時操作架→澆筑系統(tǒng)布置→澆筑混凝土→混凝土養(yǎng)護。

2.3.3 試驗現(xiàn)象及分析

運至現(xiàn)場的混凝土的塌落度為250mm，粘聚性、保水性和延展性都較好，澆筑過程中沒有發(fā)生利息、堵管等不良現(xiàn)象，具有較好的流動性、和易性。在澆注混凝土的同時取樣制作150mm×150mm×150mm立方塊，在與試件同樣的環(huán)境下養(yǎng)護及在實驗室標準養(yǎng)護下，混凝土試塊強度見下表。

混凝土養(yǎng)護至33 d時，對模型進行切割放倒，如圖2、圖3所示，觀察鋼管內(nèi)混凝土的表面質(zhì)量及填充效果，并鉆芯取樣測試混凝土強度。切割時能明顯感受到混凝土與鋼管壁之間的粘結(jié)力，目測混凝土與鋼管切割縫無可見縫隙，表明鋼管與內(nèi)部混凝土結(jié)合良好，同時混凝土表面較為光滑，加勁隔板位置填充良好（見圖4）；根據(jù)抽芯、取樣檢測結(jié)果分析，混凝土的鉆芯取樣試樣強度測試值最小為78.9MPa，最大為99.4MPa，平均為89.5MPa，達到設(shè)計強度要求。

整個鋼管柱混凝土澆筑質(zhì)量觀感良好、無嚴重質(zhì)量缺陷，符合相關(guān)要求。在鋼柱加勁板部位處混凝土自密實質(zhì)量符合相關(guān)質(zhì)量要求，可保證后期鋼管混凝土施工質(zhì)量要求及對鋼管柱自密實混凝土施工技術(shù)的推廣及應用。

3.結(jié)論

（1）在鋼管混凝土中采用自密實混凝土，可以用于普通混凝土難以澆筑甚至無法澆筑的結(jié)構(gòu)部位，解決施工中的難題。同時可以避免因施工帶來的噪聲污染，具有實際的社會意義。

（2）試驗結(jié)果表明，鋼管與內(nèi)部混凝土粘結(jié)良好，同時混凝土表面較為光滑，混凝土的鉆芯取樣試樣強度達到設(shè)計強度要求，表明混凝土具有較好的自密實性。

（3）通過對本工程案例的自密實混凝土配合比及現(xiàn)場模擬澆筑試驗分析，該項目采取的高拋自密實混凝土技術(shù)方案，較好的滿足了設(shè)計和施工要求?？蔀轭愃祈椖窟x擇該技術(shù)的使用作為參考。

（4）本文總結(jié)了部分學者對鋼管自密實混凝土配置、承載力試驗等方面研究的成果，通過模擬試驗驗證了采用高拋自密實混凝土技術(shù)的可行性，還有一些問題如鋼管超高強自密實混凝土長期荷載下的力學性能研究、鋼管自密實混凝土抗震性能、鋼管自密實混凝土耐火性能等方面仍有待于進一步的探索研究。

參考文獻

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[11] 朱國平、葉燕華、毛志偉、杜艷靜.鋼管自密實混凝土短柱的有限元分析[J].混凝土，2009（7）：17—19.

【基金項目】福建省教育廳項目（JB11180）

【作者簡介】麥高波（1979-），男，福建漳浦人，廈門市杏林建設(shè)開發(fā)公司副總經(jīng)理，碩士研究生，工程師，從事工程建設(shè)管理。

【文章編號】1627-6868（2017）06-0022-04