框筒體系鋼管柱側(cè)灌工藝的實(shí)踐與創(chuàng)新

宋理志 熊 齊 楊 旭 林永祥 花俊哲

中建三局集團(tuán)有限公司（滬） 上海 200135

隨著高層、超高層建筑逐漸增多，內(nèi)筒外鋼的框筒結(jié)構(gòu)體系越來越被社會(huì)認(rèn)可。而鋼管混凝土柱更是兼顧鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，具有承載力高、抗震性能好、經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)良和施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，在框筒體系中得到廣泛的應(yīng)用。

目前，高層鋼管混凝土柱柱內(nèi)混凝土澆筑多采用泵送頂升法、高位拋落免振攪法、導(dǎo)管澆筑法、手工逐段澆筑法等。每種澆筑方式的技術(shù)要求、作業(yè)環(huán)境、混凝土成形質(zhì)量、工期進(jìn)度及施工成本等各不相同。鋼管混凝土柱內(nèi)部混凝土澆筑仍是制約現(xiàn)場(chǎng)工期進(jìn)度與施工質(zhì)量的關(guān)鍵因素[1-4]。

本項(xiàng)目通過改進(jìn)現(xiàn)有的混凝土澆筑工藝，在工廠預(yù)制柱側(cè)壁灌漿孔，在現(xiàn)場(chǎng)采用泵送混凝土澆筑，大大提高了現(xiàn)場(chǎng)混凝土澆筑速度，減少了鋼管混凝土澆筑對(duì)核心筒和鋼結(jié)構(gòu)施工的工序制約，同時(shí)，在施工質(zhì)量、施工安全及成本方面均有顯著改善。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于上海市普陀區(qū)大渡河路與同普路交會(huì)處，總建筑面積147 992 m2，建筑功能為商業(yè)辦公。地下為2層地下室，地上為2棟18層塔樓。塔樓均為鋼筋混凝土核心筒＋鋼結(jié)構(gòu)框架體系。本工程鋼管混凝土柱概況如表1所示。

表1 鋼管混凝土柱主要參數(shù)

2 常規(guī)混凝土澆筑方式比較

2.1 泵送頂升法

泵送頂升法是通過在鋼管柱柱根部400～1 000 mm范圍內(nèi)開設(shè)灌漿孔，利用高壓泵車將混凝土自下而上連續(xù)輸送，使鋼管內(nèi)部混凝土達(dá)到密實(shí)狀態(tài)。此種澆筑方法，有利于保證混凝土的施工質(zhì)量，混凝土出現(xiàn)孔洞的概率也會(huì)大大降低。

同時(shí)混凝土頂升不制約上層鋼結(jié)構(gòu)施工，節(jié)約了項(xiàng)目工期。缺點(diǎn)是頂升所需泵車壓力較大，泵車需采用大型號(hào)，增加施工成本；頂升法工序較為繁雜，需在鋼管上開孔、焊接臨時(shí)導(dǎo)管、安裝截止閥，在混凝土澆筑完成后需進(jìn)行清孔和孔洞封補(bǔ)等工序，大大增加工作量?；炷另斏^程中，易出現(xiàn)頂升不順、堵塞等現(xiàn)象，影響現(xiàn)場(chǎng)施工。

2.2 高位拋落免振攪法

高位拋落免振攪法，一般分為塔吊吊運(yùn)高位拋落法和泵送高位拋落法。

塔吊吊運(yùn)法需利用塔吊將混凝土吊運(yùn)至鋼柱頂部，自上而下進(jìn)行澆灌。此法占用塔吊資源，影響核心筒材料吊運(yùn)和鋼結(jié)構(gòu)的吊裝；另外，施工作業(yè)人員需站在柱頂搭設(shè)的施工平臺(tái)上進(jìn)行操作，施工風(fēng)險(xiǎn)較大，混凝土澆筑速度和澆筑質(zhì)量有待提高。

泵送高位拋落法多采用布料機(jī)進(jìn)行配合澆筑。布料機(jī)置于鋼梁之上，作業(yè)人員立于柱頂操作平臺(tái)上，施工時(shí)具有較大的安全隱患，且布料機(jī)布置需占用塔吊資源。

2.3 導(dǎo)管澆筑法

導(dǎo)管澆筑法通過插入鋼管柱的鋼導(dǎo)管，將料斗的混凝土自下而上邊退邊澆筑至管內(nèi)。導(dǎo)管法不受柱子截面形狀、柱子高度、柱內(nèi)隔板影響，混凝土澆筑質(zhì)量容易保證。缺點(diǎn)是導(dǎo)管法需在澆筑面搭設(shè)操作平臺(tái)，增加了額外的人工和材料費(fèi)用；需利用塔吊完成混凝土的吊運(yùn)；高空作業(yè)存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3 新型鋼管柱側(cè)灌工藝原理及特點(diǎn)

通過對(duì)現(xiàn)有鋼管柱柱內(nèi)混凝土澆筑方式進(jìn)行比較，并結(jié)合項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本項(xiàng)目采用鋼管柱側(cè)灌混凝土施工技術(shù)。

鋼管柱側(cè)灌混凝土施工是一種通過在鋼管柱側(cè)壁開設(shè)灌漿孔，以已施工完成后的樓承板作為泵管架設(shè)面，通過泵送混凝土完成管內(nèi)混凝土澆筑的施工技術(shù)。

為方便泵管架設(shè)與混凝土澆筑、振攪，灌漿孔宜設(shè)置在朝向核心筒的一側(cè)，孔高出梁頂標(biāo)高500 mm，灌漿孔宜在柱壁上居中布置。為減小開孔對(duì)柱體結(jié)構(gòu)的影響，本項(xiàng)目選擇隔層開設(shè)灌漿孔，以減少開孔數(shù)量（圖1）。

圖1 鋼管柱灌漿孔開設(shè)要求

為減小現(xiàn)場(chǎng)開孔對(duì)鋼管柱結(jié)構(gòu)的損傷，減少現(xiàn)場(chǎng)切割及焊接工作量，鋼管柱灌漿孔開設(shè)與洞口加固均在工廠預(yù)制完成。

為提高現(xiàn)場(chǎng)施工的便捷性，本項(xiàng)目對(duì)鋼管柱側(cè)灌節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了創(chuàng)新深化。管內(nèi)設(shè)置旋轉(zhuǎn)銷軸，管外設(shè)置封閉插銷。澆筑狀態(tài)，封堵板上翻，完成混凝土澆筑；非澆筑狀態(tài)，澆筑孔封閉，避免施工垃圾進(jìn)入。內(nèi)部封堵板稍大于灌漿孔，方便封堵板的外部焊接（圖2）。

圖2 鋼管柱側(cè)灌節(jié)點(diǎn)大樣

側(cè)灌混凝土施工工藝特點(diǎn)：

1）施工工藝簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)工作量小，現(xiàn)場(chǎng)只需完成澆筑工作和澆筑孔的封堵工作。

2）在已澆筑的樓承板上進(jìn)行泵送混凝土施工，大大加快管內(nèi)混凝土澆筑速度。

3）鋼管柱混凝土澆筑無需占用塔吊資源，緩解現(xiàn)場(chǎng)垂直運(yùn)輸緊張狀態(tài)，從而保證內(nèi)部核心筒的施工進(jìn)度。

4）調(diào)整了鋼結(jié)構(gòu)施工工序，上部鋼結(jié)構(gòu)吊裝與下部鋼管混凝土澆筑可以同步進(jìn)行，提高了外框鋼結(jié)構(gòu)的安裝速度。

5）作業(yè)人員在樓承板上完成混凝土的澆筑，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大大降低。

6）相對(duì)于高拋法和頂升法，投入成本更低，無需專門的操作平臺(tái)和頂升裝置。

4 工藝流程及技術(shù)措施

4.1 工藝流程

鋼管柱側(cè)灌工藝流程為：側(cè)灌節(jié)點(diǎn)工廠預(yù)制→樓承板施工完成→自密實(shí)混凝土澆筑→封堵板焊接→焊后處理→焊縫質(zhì)量檢測(cè)→混凝土質(zhì)量檢測(cè)。

4.2 技術(shù)措施

1）側(cè)灌節(jié)點(diǎn)工廠預(yù)制。深化設(shè)計(jì)階段，會(huì)同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)鋼管柱側(cè)灌節(jié)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核確認(rèn)。按照設(shè)計(jì)要求在工廠完成相關(guān)零件的下料、切割、開孔、焊接拼裝等工作。保證開啟時(shí)，內(nèi)部封堵板能夠?qū)崿F(xiàn)自旋轉(zhuǎn)；封堵時(shí)，封堵板能夠緊貼柱內(nèi)壁（圖3）。

圖3 鋼管柱側(cè)灌節(jié)點(diǎn)原理

2）自密實(shí)混凝土澆筑。自密實(shí)混凝土澆筑時(shí)，泵管應(yīng)伸入鋼管柱內(nèi)，豎直向下，防止混凝土直接沖擊鋼管柱內(nèi)壁，造成構(gòu)件損傷；柱內(nèi)內(nèi)隔板位置易出現(xiàn)質(zhì)量隱患，可在管外配合人工錘擊敲打，保證內(nèi)隔板位置的自密實(shí)混凝土在澆筑過程中嚴(yán)格密實(shí)。鋼管柱柱內(nèi)自密實(shí)混凝土澆筑宜連續(xù)進(jìn)行，中間若有停歇，停歇時(shí)間不應(yīng)超過混凝土的初凝時(shí)間。若超過混凝土的初凝時(shí)間，須留設(shè)施工縫。自密實(shí)混凝土澆筑前，先澆筑厚10～20 cm、與混凝土強(qiáng)度等級(jí)相同的水泥砂漿，增加施工縫的黏結(jié)性和防止自由下落的混凝土骨料產(chǎn)生彈跳。鋼管內(nèi)自密實(shí)混凝土澆筑至頂面時(shí)，應(yīng)及時(shí)清除表面浮漿，混凝土初凝后灌水養(yǎng)護(hù)，灌水高度200 mm；封堵板封閉，防止施工垃圾進(jìn)入。待混凝土終凝后，對(duì)混凝土表面進(jìn)行鑿毛處理，保證新舊混凝土的接縫質(zhì)量。

3）灌漿孔封堵板焊接。封堵板焊接前，清除待焊處表面銹跡、混凝土、油污等不利于焊接的物體。調(diào)整內(nèi)部封堵板，使內(nèi)部封堵板緊貼柱內(nèi)側(cè)壁。焊接時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)的預(yù)熱措施及層間溫度控制措施，控制焊縫區(qū)母材溫度，保證層間溫度符合要求。中途需中斷焊接時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)谋卮胧?，再次焊接時(shí)采取高于初始的預(yù)熱溫度重新進(jìn)行預(yù)熱。

4）焊后處理及焊縫質(zhì)量檢測(cè)。對(duì)焊縫進(jìn)行打磨處理，并保證焊縫外觀質(zhì)量滿足要求，同時(shí)對(duì)封堵焊縫進(jìn)行100%超聲波探傷檢測(cè)，確保焊縫質(zhì)量合格（圖4）。待封堵焊縫質(zhì)量檢測(cè)合格后，按照設(shè)計(jì)要求對(duì)開孔位置及周邊進(jìn)行補(bǔ)漆。

圖4 封堵板焊后處理及超聲波檢測(cè)

5）混凝土澆筑質(zhì)量檢測(cè)。鋼管混凝土澆筑完成后，可以采用人工敲擊法進(jìn)行檢測(cè)，通過聲音來辨別管內(nèi)混凝土是否密實(shí)。人工敲擊法是對(duì)鋼管混凝土密實(shí)度的初步檢測(cè)，如發(fā)現(xiàn)有異常情況，則應(yīng)用超聲檢測(cè)法檢測(cè)。對(duì)鋼管柱混凝土存在的空腔、收縮縫缺陷、混凝土與管壁黏結(jié)不良、混凝土空洞、離析、松散等缺陷采用鉆孔壓漿法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

5 效益對(duì)比分析

本項(xiàng)目塔樓區(qū)域的鋼管柱采用側(cè)灌隔層澆筑，單層自密實(shí)混凝土澆筑量140 m3。以下分別從工期、成本、安全性、質(zhì)量可控性等4個(gè)方面對(duì)鋼管柱混凝土采用側(cè)灌、塔吊吊運(yùn)、頂升法3種澆筑方式的效益進(jìn)行對(duì)比分析：

1）工期：鋼管柱側(cè)灌澆筑的單層澆筑用時(shí)為8 h；塔吊吊運(yùn)的單層澆筑用時(shí)為50 h（0.8 m3料斗，單次吊運(yùn)耗時(shí)20 min）；頂升法的單層澆筑用時(shí)為8 h。

2）成本：鋼管柱側(cè)灌澆筑的人工費(fèi)為2 000元/層（堵洞）；塔吊吊運(yùn)的操作平臺(tái)費(fèi)用為6 000元/層，塔吊均攤費(fèi)為8 000元/層，人工費(fèi)為2 000元/層（塔吊司機(jī)及指揮）；頂升法主要包括增加高壓泵車、開孔、封孔、安裝截止閥等費(fèi)用。

3）安全性：鋼管柱側(cè)灌澆筑時(shí)在樓承板上進(jìn)行施工，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)??；塔吊吊運(yùn)澆筑時(shí)在柱頂操作平臺(tái)上施工，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)；頂升法在樓承板上進(jìn)行澆筑施工，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)小。

4）質(zhì)量可控性：鋼管柱側(cè)灌澆筑的操作簡(jiǎn)單，施工質(zhì)量可控性強(qiáng)；塔吊吊運(yùn)澆筑的施工難度大，質(zhì)量可控性差；頂升法的混凝土澆筑質(zhì)量高。

6 結(jié)語

在某項(xiàng)目鋼管混凝土的澆筑中，項(xiàng)目部針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用鋼管柱側(cè)灌工藝進(jìn)行混凝土澆筑，工程應(yīng)用效果良好，得到了業(yè)主和監(jiān)理的一致認(rèn)可。鋼管柱側(cè)灌工藝操作簡(jiǎn)單，技術(shù)要求低，不但加快了混凝土的澆筑速度，節(jié)約了施工成本，降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提高了施工效率，而且解決了鋼管柱管內(nèi)混凝土澆筑難、澆筑慢的施工難題，取得了較好的效果。

通過此次項(xiàng)目實(shí)踐，項(xiàng)目施工人員對(duì)鋼管柱側(cè)灌工藝有了新的認(rèn)識(shí)與理解，相關(guān)的工藝要點(diǎn)為以后的超高層建筑施工提供了技術(shù)借鑒。