多腔體多邊形鋼管巨柱全過(guò)程試驗(yàn)研究*

翁邦正， 侯川川， 王文淵， 喬穩(wěn)超， 楊 猛

(1.中國(guó)建筑第二工程局有限公司，北京 100160; 2.北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

1 工程概況

春之眼商業(yè)中心項(xiàng)目位于昆明市東風(fēng)廣場(chǎng)工人文化宮以南，拓東路以北，盤龍江以東及北京路以西，建筑高度407m，建筑面積60.06萬(wàn)m2，共有地下室 5層，地上80層，其中一期施工至12層。主體結(jié)構(gòu)采用巨型鋼框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，其中巨型鋼框架中在角部布置了 6 根多腔體多邊形鋼管混凝土巨柱，如圖1所示。

圖1 主體結(jié)構(gòu)巨型鋼框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系

主塔外框巨柱是結(jié)構(gòu)的核心受力構(gòu)件，巨柱最大截面尺寸707mm× 4 489mm×2 880mm×2 722mm× 4 811mm,巨柱截面共分為 9 個(gè)腔體。鋼板最大厚度為100mm，鋼材材質(zhì)為Q345B。巨柱采用分片方式進(jìn)行安裝，如圖2所示。

圖2 多腔體多邊形鋼管巨柱

2 研究目的

為確保超高層結(jié)構(gòu)中多腔體多邊形鋼管巨柱混凝土施工質(zhì)量的可靠性及結(jié)構(gòu)安全性，對(duì)澆筑及養(yǎng)護(hù)過(guò)程中巨柱鋼管側(cè)壁承受的壓力以及巨柱中混凝土的收縮應(yīng)變進(jìn)行測(cè)試。

2.1 巨柱鋼管壁側(cè)壓力測(cè)試

混凝土澆筑過(guò)程中，拋落壓力會(huì)對(duì)鋼管產(chǎn)生側(cè)壓力，未凝固的混凝土?xí)a(chǎn)生靜水壓力；另外，混凝土逐漸凝固后，由于混凝土水化放熱致使其溫度升高而產(chǎn)生膨脹，對(duì)鋼管也可能產(chǎn)生作用力。為保證結(jié)構(gòu)安全性，有必要對(duì)混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)過(guò)程中鋼管承受的側(cè)壓力進(jìn)行監(jiān)控。

2.2 混凝土應(yīng)變測(cè)試

收縮是混凝土固有的性質(zhì)，高強(qiáng)混凝土由于水灰比或水膠比相對(duì)較低，因此水化初期的自收縮較大，甚至可能引起混凝土與鋼管內(nèi)壁之間產(chǎn)生縫隙，從而導(dǎo)致混凝土脫空。因此，有必要對(duì)鋼管混凝土巨柱中的混凝土應(yīng)變進(jìn)行測(cè)試。

3 研究過(guò)程

試驗(yàn)對(duì)象包括施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)多腔體多邊形鋼管巨柱以及足尺模型柱，測(cè)試需要考慮施工情況，在現(xiàn)場(chǎng)能夠提供的條件下，保障測(cè)試順利進(jìn)行，同時(shí)保證測(cè)試結(jié)果的可靠性。在此過(guò)程中，通過(guò)合理走線，使得傳感器的導(dǎo)線能夠在長(zhǎng)期觀測(cè)過(guò)程中不受其他施工因素的干擾，對(duì)于本測(cè)試而言極為關(guān)鍵。試驗(yàn)中采取的走線方案和相關(guān)技術(shù)措施如圖3所示。

圖3 測(cè)試走線過(guò)程示意

首先從傳感器上將線引出，根據(jù)傳感器類型的不同，采取特定的保護(hù)措施。由于混凝土采用高拋澆筑方式，巨柱內(nèi)部導(dǎo)線在澆筑過(guò)程中很容易被拉斷或者砸壞，因此需要在必要位置搭設(shè)鋼筋，將導(dǎo)線順鋼筋牽引。由于巨柱壁上無(wú)開口，因此導(dǎo)線聚攏成股后需從鋼結(jié)構(gòu)鎖口位置引出，為了將導(dǎo)線引出至結(jié)構(gòu)外部的測(cè)量室，在外墻設(shè)置套管，從而保證后續(xù)施工不會(huì)影響本試驗(yàn)的持續(xù)監(jiān)測(cè)。

同時(shí)，為保證試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、可靠，在混凝土正式澆筑前，需對(duì)以下事項(xiàng)進(jìn)行檢查，確?；炷翝仓^(guò)程中測(cè)試工作順利進(jìn)行。

1)核心混凝土澆筑前必須對(duì)混凝土配合比的合理性以及混凝土澆筑方法的可操作性進(jìn)行研究，以確保實(shí)現(xiàn)本次工藝試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

2)必須制定嚴(yán)格的混凝土澆筑方法，在試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按混凝土作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行施工。

3)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的施工、安裝與測(cè)試內(nèi)容，以及參與人員應(yīng)統(tǒng)籌安排。

4)混凝土澆筑前，應(yīng)將鋼管柱及其內(nèi)表面清理干凈。

5)必須在保證所有測(cè)試儀器都能正常工作，且所有工作人員到位后再開始混凝土澆筑。

6)注意及時(shí)記錄試驗(yàn)中的各種現(xiàn)象及有關(guān)數(shù)據(jù)。

7)試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)確保人身安全、試驗(yàn)過(guò)程安全和試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集安全；確保所安裝的各種儀器安全運(yùn)行；在測(cè)試過(guò)程中，要保證供電安全及現(xiàn)場(chǎng)儀器設(shè)備的安全等。

8)利用巨柱內(nèi)預(yù)留孔作為數(shù)據(jù)線引出孔。

4 研究結(jié)果分析

4.1 混凝土配合比及澆筑過(guò)程

多腔體多邊形鋼管巨柱采用C65自密實(shí)商品混凝土，實(shí)測(cè)混凝土流動(dòng)性能良好。

施工過(guò)程中，商品混凝土攪拌站應(yīng)根據(jù)天氣條件、運(yùn)輸時(shí)間(白天或夜間)、運(yùn)輸距離、混凝土原材料(水泥品種、外加劑品種等)變化、混凝土坍落度損失適當(dāng)調(diào)整基準(zhǔn)配合比，保證混凝土質(zhì)量滿足要求。在鋼筋密集區(qū)域和鋼結(jié)構(gòu)縱橫隔板交錯(cuò)部位，應(yīng)輔以一定的振搗措施，保證混凝土密實(shí)?；炷敛捎酶邟伱庹穹ㄟM(jìn)行澆筑，采用泵送導(dǎo)管導(dǎo)入，如圖4所示。

圖4 多腔體多邊形鋼管巨柱混凝土澆筑

4.2 環(huán)境溫度與濕度

對(duì)于混凝土材料，環(huán)境的溫度與濕度水平對(duì)其收縮和徐變的發(fā)展有較大影響。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，通常當(dāng)環(huán)境溫度較高、濕度水平較低時(shí)，混凝土收縮和徐變更容易發(fā)展，其收縮和徐變終值也通常較大。為評(píng)估本項(xiàng)目中的環(huán)境影響，在項(xiàng)目完成混凝土澆筑的 7—12月間，對(duì)昆明地區(qū)的環(huán)境溫度和濕度發(fā)展情況進(jìn)行了匯總，如圖5所示。

圖5 昆明 7—12 月平均溫度與濕度走勢(shì)

由圖5可以看出，在澆筑后的幾個(gè)月時(shí)間內(nèi)，昆明地區(qū)最高溫度在15～25℃ ，最低溫度在3～17℃。澆筑后整體環(huán)境溫度處于較低水平。同時(shí)，昆明地區(qū)的濕度水平相對(duì)較高，7—12月濕度整體穩(wěn)定在70%～80%。較低的溫度和較高的濕度有助于抑制混凝土收縮和徐變的發(fā)展，對(duì)鋼和混凝土之間的界面黏結(jié)有利。

4.3 多腔體多邊形鋼管混凝土巨柱

4.3.1鋼管壁壓力

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際結(jié)構(gòu)的1個(gè)多腔體多邊形鋼管巨柱中選擇其中1個(gè)腔體，通過(guò)固定在鋼管壁上的振弦式土壓力計(jì)來(lái)測(cè)量施工過(guò)程中以及混凝土澆筑完成以后的巨柱鋼管壁側(cè)向壓強(qiáng)的持續(xù)變化。模型柱澆筑段總高度為6.4m，在離澆筑段底部3.2m和4.8m的地方分別埋置了1個(gè)土壓力計(jì)。澆筑完成后90d觀測(cè)到的管壁側(cè)壓強(qiáng)變化規(guī)律曲線如圖6所示。

圖6 鋼管混凝土巨柱側(cè)向壓強(qiáng)測(cè)試結(jié)果

由圖6可以看出，在開始澆筑后的1d時(shí)間內(nèi)，澆筑混凝土高度很快達(dá)到了3.2m和4.8m處。由于混凝土的靜水壓力作用，兩處的側(cè)壁壓強(qiáng)數(shù)據(jù)開始上升。此后，由于混凝土水化熱的作用，混凝土溫度升高，產(chǎn)生膨脹，導(dǎo)致側(cè)壁壓力進(jìn)一步上升，在壓力開始上升后的13h左右，兩處的壓強(qiáng)達(dá)到峰值，為0.6～0.7MPa。此后隨著混凝土硬化，混凝土收縮開始發(fā)展，兩處的側(cè)壓力開始下降。與模型柱結(jié)果類似，上部(4.8m處)的壓強(qiáng)下降速度比下部(3.2m處)要更快一些。在澆筑后4d左右，兩處的壓強(qiáng)下降至0左右。此后的近3個(gè)月內(nèi)，兩處的側(cè)壓力均保持了一個(gè)穩(wěn)定的發(fā)展趨勢(shì)，未出現(xiàn)大的波動(dòng),壓力穩(wěn)定在0～5kPa。

4.3.2混凝土應(yīng)變發(fā)展

在現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)巨柱中選取其中2個(gè)腔體(A腔和B腔)，在2個(gè)腔體內(nèi)各布設(shè)1個(gè)橫向和1個(gè)縱向大體積應(yīng)變計(jì)，測(cè)量腔體內(nèi)混凝土應(yīng)變的長(zhǎng)期發(fā)展情況，如圖7所示。布設(shè)位置為澆筑高度的1/2處，即3.2m處。在數(shù)據(jù)采集開始后，數(shù)據(jù)顯示位于B腔中的縱向應(yīng)變計(jì)無(wú)法獲得有效采集數(shù)據(jù)，可能因?yàn)樵诨炷翝仓^(guò)程中造成應(yīng)變計(jì)線路損壞。其他3個(gè)應(yīng)變計(jì)可獲得有效數(shù)據(jù)，所采集的混凝土應(yīng)變數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖7 鋼管混凝土巨柱大體積應(yīng)變計(jì)安裝

圖8 鋼管混凝土巨柱混凝土收縮測(cè)試結(jié)果

由圖8可以看出，現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)巨柱中核心混凝土的發(fā)展趨勢(shì)與模型柱較為相似。澆筑后混凝土的應(yīng)變迅速上升，在第2～3天達(dá)到峰值。對(duì)于A腔，腔內(nèi)混凝土的橫向應(yīng)變峰值低于縱向應(yīng)變峰值。如前所述，由于其中1個(gè)應(yīng)變計(jì)線路損壞，B腔中只測(cè)了混凝土的橫向應(yīng)變?？梢钥闯?，B腔混凝土的橫向應(yīng)變峰值要高于A腔。此后混凝土的橫向和縱向收縮開始產(chǎn)生了較為明顯的下降，在1個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，應(yīng)變從峰值時(shí)的400～700με下降至200～500με。在此后的3個(gè)月內(nèi)，混凝土應(yīng)變基本保持平穩(wěn)。但A腔中2個(gè)應(yīng)變計(jì)的讀數(shù)有較為明顯的跳動(dòng)，可能是線路連接不穩(wěn)定造成的。

5 測(cè)試結(jié)果分析

為確保真實(shí)結(jié)構(gòu)中現(xiàn)場(chǎng)多腔體多邊形鋼管巨柱混凝土的澆筑質(zhì)量，預(yù)先在結(jié)構(gòu)附近加工并澆灌了1個(gè)1∶1足尺模型柱，并在模型柱中進(jìn)行了與現(xiàn)場(chǎng)柱相似的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖9，10所示。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)柱與模型柱鋼管壁側(cè)壓力測(cè)試結(jié)果對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng)柱同樣的腔體進(jìn)行了鋼管側(cè)壁壓力的測(cè)量，不同之處在于澆筑高度。現(xiàn)場(chǎng)柱一次澆筑高度為6.4m，分別在澆筑高度3.2m處和4.8m處布置了土壓力計(jì)，而模型柱一次澆筑高度則只有3m，因此在澆筑高度2m和1m處分別布置了土壓力計(jì)。從圖9中可以看出，現(xiàn)場(chǎng)柱和模型柱的鋼管側(cè)壁壓力發(fā)展顯示出了相似的趨勢(shì)，均經(jīng)歷了先上升后下降的過(guò)程，且2個(gè)柱子的側(cè)壁壓力均在澆筑后3～4d降低至0MPa左右。兩者的不同之處在于峰值，現(xiàn)場(chǎng)柱的壓力峰值要高于模型柱，這可能是由于一次澆筑高度的不同造成，澆筑高度較高時(shí)，混凝土靜水壓力較大，因此在達(dá)到峰值時(shí)壓力略高一些。除此之外，2個(gè)柱子的結(jié)果吻合較好。

同樣對(duì)現(xiàn)場(chǎng)柱和模型柱的混凝土收縮測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。選取2個(gè)柱子A腔中的橫向和縱向應(yīng)變結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖10所示?？梢钥闯?，2個(gè)柱子橫向和縱向應(yīng)變的發(fā)展趨勢(shì)均比較接近。2根柱子均表現(xiàn)出縱向應(yīng)變高于橫向應(yīng)變的趨勢(shì)，且峰值應(yīng)變和后期穩(wěn)定應(yīng)變均比較接近，表明模型柱和現(xiàn)場(chǎng)柱的混凝土材料質(zhì)量和澆筑質(zhì)量較為穩(wěn)定。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)柱與模型柱混凝土收縮測(cè)試結(jié)果對(duì)比

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)春之眼商業(yè)中心項(xiàng)目多腔體多邊形鋼管巨柱的混凝土澆筑及澆筑完成后3個(gè)月左右的鋼管側(cè)壁壓力及混凝土應(yīng)變發(fā)展進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測(cè)?；诒O(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，在研究的參數(shù)范圍內(nèi)，可以得到如下主要結(jié)論。

1)側(cè)壓力的測(cè)試結(jié)果表明，巨柱的鋼管壁側(cè)向壓強(qiáng)最大可達(dá)1.2～1.4MPa。

2)多腔體多邊形鋼管巨柱現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)和模型的監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合較好，總體上說(shuō)明模型柱和現(xiàn)場(chǎng)柱的混凝土材料質(zhì)量和澆筑質(zhì)量較為穩(wěn)定。

3)混凝土收縮的測(cè)試結(jié)果表明，混凝土收縮變形的發(fā)展符合速率逐漸降低的規(guī)律，且混凝土縱向收縮變形大于橫向。結(jié)果顯示，巨柱核心混凝土的縱向收縮和橫向收縮均在500με以內(nèi)。

4)測(cè)試結(jié)果表明，混凝土鋼管壁之間的最終穩(wěn)定壓力值較小，但混凝土收縮值在可控范圍內(nèi)，可推斷所測(cè)部位混凝土的收縮未導(dǎo)致核心混凝土和鋼管壁之間的脫空；此外，測(cè)試試件所采用的混凝土配合比、澆筑工藝能滿足混凝土密實(shí)度的要求。