超高層鋼管混凝土柱側(cè)拋免振澆筑技術(shù)*

姜繼果，薛曉宏，楊 磊，姜子麒，古 剛

(中鐵二十局集團第六工程有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

鋼管混凝土柱具有承載力高、抗震性能優(yōu)越、施工方便和耐火性能好等優(yōu)點，在超高層建筑施工領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，且發(fā)展迅速[1]。但鋼管混凝土柱在施工過程中存在各種交叉作業(yè)和高空作業(yè)，柱芯混凝土由于強度等級大、澆筑高度高，采用傳統(tǒng)澆筑工藝易使混凝土離析、堵管，最終導致柱內(nèi)混凝土存在澆筑不密實、脫空等缺陷，影響結(jié)構(gòu)整體受力性能。由此可見，施工工藝對鋼管混凝土施工質(zhì)量至關(guān)重要。

目前已有許多關(guān)于超高層鋼管混凝土澆筑技術(shù)的研究。潘德要[2]闡述了高拋澆筑鋼管柱混凝土施工過程中采用的開孔泵送澆筑、泵管布置、車載泵選擇、堵管風險控制等內(nèi)容，并實際驗證了該施工方法的可靠性。高華杰等[3]結(jié)合實際工程研究了超高層頂升澆筑混凝土配合比、頂升及預(yù)留孔設(shè)計等技術(shù)難題。彭春涪等[4]通過現(xiàn)場模擬試驗進一步驗證頂升澆筑的可行性，同時介紹了自密實混凝土泵送壓力的計算。孫金坤等[5]分析小直徑鋼管混凝土與大直徑鋼管混凝土阻力損失因素，并對比阻力損失計算方法，最終形成一套新的鋼管混凝土柱頂升法澆筑工藝。龐洪海等[6]結(jié)合某塔樓工程進行1∶1模擬構(gòu)件試驗，總結(jié)出高拋自密實鋼管混凝土關(guān)鍵施工技術(shù)。趙陽[7]對超高壓泵送機械及管路布置進行深入研究分析。葉仁瑞[8]結(jié)合具體工程案例，對高強自密實混凝土配合比設(shè)計提出一種應(yīng)用于商業(yè)分析的試驗設(shè)計方法。王兆錦[9]結(jié)合實際工程介紹鋼管柱側(cè)向開孔澆筑自密實混凝土施工工藝。宋理志等[10]總結(jié)了鋼管側(cè)灌的原理、特點和技術(shù)措施，并與傳統(tǒng)澆筑技術(shù)進行效益對比分析。

上述研究對鋼管混凝土澆筑有重要指導意義，但對鋼管柱混凝土側(cè)拋澆筑的研究主要集中在工藝流程和施工注意事項上，沒有提及混凝土配合比設(shè)計、鋼管截面設(shè)計、質(zhì)量保障措施等技術(shù)問題。本文結(jié)合實際工程，系統(tǒng)介紹混凝土側(cè)拋澆筑施工工藝，總結(jié)主要技術(shù)問題。

1 側(cè)拋免振澆筑技術(shù)原理及特點

在鋼管柱頂部側(cè)面適當位置開孔，并安裝帶截止閥的混凝土輸送管，利用混凝土泵壓力將微膨脹自密實混凝土泵送至鋼管內(nèi)，直至注滿整根鋼管混凝土柱。

相較于靠混凝土自重和泵送壓力保證混凝土密實度的泵送頂升法，側(cè)拋免振澆筑對泵送設(shè)備和施工組織的要求低，澆筑過程中不會因緊急情況而無法繼續(xù)頂升澆筑。高拋自密實法在施工過程中受施工步驟限制，須上一層混凝土澆筑完成后才能進行下一層鋼柱安裝，施工時間較長；側(cè)拋免振法澆筑過程中鋼框架安裝和混凝土澆筑可錯開4～6層，澆筑時間較短，可有效保證施工工期。側(cè)拋澆筑更適用于鋼管內(nèi)節(jié)點板少、混凝土下落過程中阻擋物不多的工程。對于單次澆筑量大、構(gòu)件截面面積大和鋼管柱內(nèi)節(jié)點板間距較密的工程，為實現(xiàn)鋼管內(nèi)混凝土的側(cè)拋澆筑，保證施工質(zhì)量，需滿足以下條件：①混凝土應(yīng)具有較好的流動性、穩(wěn)定性和較低的黏度；②合理調(diào)整輸送泵液壓系統(tǒng)最大工作壓力，嚴格控制泵送步驟，以確?；炷凉ぷ餍阅?；③驗算側(cè)拋澆筑過程中鋼管承載能力，并采取相應(yīng)的加固措施；④在鋼管柱上合理設(shè)置預(yù)留孔，以方便混凝土的澆筑和鋼管內(nèi)原有氣體的排出。

2 主要施工工藝

2.1 微膨脹自密實混凝土配合比設(shè)計

鋼管柱有梁連接的牛腿位置處有隔板，內(nèi)部設(shè)有加勁板，且鋼管柱過高，振搗棒難以對鋼管內(nèi)混凝土進行有效振搗，所以普通混凝土不能滿足使用要求。微膨脹自密實混凝土流動性優(yōu)良，可利用澆筑過程中高處下拋產(chǎn)生的動能實現(xiàn)自流平并充滿鋼管柱，同時避免管內(nèi)危險作業(yè)和人為影響混凝土的因素，有效提高混凝土質(zhì)量與施工安全程度。

為保證鋼管混凝土工作性能和強度等級要求，應(yīng)于混凝土攪拌站實驗室進行反復試配，尋找最合適的混凝土配合比，并在現(xiàn)場做試配試件，檢測混凝土坍落度經(jīng)時損失、流動性、離析度、強度值等各項指標，形成最優(yōu)配合比[11]。須保證混凝土具有較好的流動性、穩(wěn)定性和較低的黏度，選用合適的外加劑、粗細骨料、摻和物，并進行特殊混凝土配合比設(shè)計[12]；控制粗骨料空隙率，空隙率較小時，不僅節(jié)約水泥，還能提高混凝土流動性，減少混凝土拌合物泌水。混凝土收縮是其固有屬性，摻一定量膨脹劑可補償混凝土自身收縮，以補償因溫差和干縮產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，還可降低混凝土水化熱，避免產(chǎn)生冷縫，確?；炷猎阡摴苤刑畛涿軐嵅划a(chǎn)生過多缺陷；同時也要防止膨脹劑摻量過大引起混凝土過度膨脹，對結(jié)構(gòu)造成破壞，需模擬混凝土在鋼管中的條件，測定不同摻量下混凝土的各項性能及變形值，確定膨脹劑的最佳摻量[13]。

2.2 混凝土泵送

確定混凝土泵送方案時，需注意泵送壓力和泵管布置。對于超高層建筑來說，過長的泵送路徑會增加泵送壓力，柱內(nèi)混凝土強度等級很高，其黏度比普通混凝土大很多，會增加混凝土與泵管間的摩阻力?；炷帘盟颓笆紫纫紤]如何避免泵管內(nèi)混凝土回流，要確保減少混凝土回流壓力措施的可行性，防止泵送過程中發(fā)生事故。由于超高層泵送壓力過大，應(yīng)根據(jù)泵送壓力選擇合適的高壓泵管，布置時也應(yīng)與主體結(jié)構(gòu)固定牢固。

混凝土泵送時，泵機應(yīng)處于低速運轉(zhuǎn)狀態(tài)，注意觀察泵壓力和各部分工作情況，待順利泵送后方可提高到正常輸送速度[14]。在泵送過程中，注意觀察壓力變化，若壓力出現(xiàn)異常波動，先降低排量，再視情況反泵1～2次，然后再正泵，輸送泵液壓系統(tǒng)最大工作壓力應(yīng)根據(jù)混凝土工作性能隨時調(diào)整。若泵送過程中出現(xiàn)堵管，應(yīng)先關(guān)閉鋼管柱處截止閥并拆除泵管，然后進行反泵疏通，敲打堵管部位。若以上方法排除堵管無效，可先關(guān)閉液壓閘閥，待泄壓后，清除堵管中混凝土，接好管道，開啟液壓閘閥再繼續(xù)泵送[15]。遇到爆管現(xiàn)象時，應(yīng)關(guān)閉垂直管與水平管處的液壓閘閥，并更換管道；在泵送過程中定期用紅外線測厚儀檢測水平段與垂直段輸送管厚度，厚度<4mm時更換，可有效避免爆管。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

西安綠地絲路全球文化中心項目包括2棟超高層、1棟高層、1棟多層商業(yè)及裙房和地下車庫，總建筑面積合計315 114.24m2。其中，2棟超高層地上36層，采用矩形鋼管混凝土框架+鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)頂標高144.450m，核心筒內(nèi)無鋼柱。外框架從地下2層至頂層共設(shè)16根鋼柱通過主梁與核心筒連接，鋼管柱內(nèi)澆筑C60自密實混凝土，其中方管柱尺寸約為1 100mm×30mm，≤1 000mm×28mm，≤900mm×25mm，≤800mm×20mm，其起止標高分別為-0.050～14.300，14.300～53.900，53.900～101.300，101.300～144.300m。鋼管單節(jié)施工高度為5.84～11.7m，直徑為800～1 200mm， 單次澆筑量大，構(gòu)件截面大，且混凝土振搗量大。

3.2 混凝土配合設(shè)計

本工程鋼管柱內(nèi)混凝土強度等級高(C60)，黏性大；鋼管單節(jié)最大施工高度為11.7m，導致混凝土下落高度大，要求混凝土具有良好的流動性與和易性?？紤]實際工程特點和施工技術(shù)，結(jié)合施工現(xiàn)場當?shù)卦牧瞎?yīng)能力，合理篩選原材料為：P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，Ⅰ級粉煤灰，細度模數(shù)為3.0～2.6的中砂，粒徑為5～25mm的碎石，S95級礦渣粉，LSP聚羧酸高效減水劑。最終配合比(kg/m3)為:水泥∶水∶砂∶碎石∶減水劑∶粉煤灰∶S95礦渣粉=430∶156∶646∶1 054∶14∶60∶70，壓力泌水比<40%，泵送混凝土坍落度為(200±20)mm，混凝土初凝時間≥8h， 終凝時間≤12h，坍落度經(jīng)時損失1h<20mm，2h<40mm，28d抗壓強度為73.1MPa。混凝土各項性能均滿足本工程施工需要。

3.3 混凝土泵送方案

本工程主樓最大泵送高度為150m，混凝土泵送高度大，泵送難度高。出口壓力與整機功率是體現(xiàn)混凝土輸送泵泵送能力的兩個關(guān)鍵參數(shù)，出口壓力是泵送高度的保證，而整機功率是輸送量的保證。從理論計算與工程實踐兩方面對出口壓力與功率進行分析，再對所選輸送泵進行復核驗算。

3.3.1理論計算

2)混凝土經(jīng)過彎管及錐管的局部壓力損失P2=nΔp= 2.5MPa，其中n為彎管或錐管個數(shù)(個)；Δp為單個彎管或錐管壓力損失(MPa),一般計為0.1MPa。

3)混凝土在垂直高度方向因重力產(chǎn)生的壓力P3=ρgH=11.46MPa，其中ρ為混凝土密度(kg/m3)；g為重力加速度(m/s2)；H為泵送高度(m)。

4)泵送150m高時所需總壓力P=P1+P2+P3=5.72+2.50+11.46=19.68MPa。

3.3.2經(jīng)驗計算

1)混凝土在管道內(nèi)流動的沿程阻力造成的壓力損失P1=LΔP1=580×0.02=11.60MPa。

2)P2，P3同理論計算，即P2=2.50MPa，P3=11.46MPa。

3)泵送150m高時所需總壓力P=P1+P2+P3=11.60+2.50+11.46=25.56MPa。

理論計算出口壓力為19.68MPa，按經(jīng)驗計算主樓混凝土泵送出口壓力為25.56MPa。選擇混凝土輸送泵時，混凝土泵最大出口壓力應(yīng)比實際所需壓力高20%左右，多出的壓力儲備用來應(yīng)對混凝土變化引起的異?，F(xiàn)象，避免堵管。超高層建筑的混凝土泵送要求更高，需足夠的壓力儲備，因此，確定主樓混凝土最大出口壓力為32MPa，保證有約50%的壓力儲備。

根據(jù)以上計算數(shù)據(jù)和模擬試驗最終確定布置2臺HBT90CH-2135D型混凝土輸送泵，1臺備用；配2套液壓截止閥+液壓泵站，1套備用。泵管選用內(nèi)徑125mm的高壓輸送管，壁厚12mm，采用法蘭接頭。泵管安裝及固定如圖1所示。

圖1 泵管安裝及固定

3.4 側(cè)拋施工

鋼管混凝土側(cè)拋免振搗澆筑工藝流程為：柱頂部開孔→連接截止閥及混凝土輸送管→試配鋼管混凝土→單根鋼管柱混凝土運送到場→現(xiàn)場檢測混凝土坍落度及坍落擴展度→澆筑微膨脹自密實混凝土→混凝土試塊制作→澆筑完成→拆除混凝土輸送管及截止閥→混凝土養(yǎng)護→焊接封口鋼板。

1)柱頂部開孔 為便于施工，澆筑孔應(yīng)設(shè)在鋼管柱中間位置并朝向建筑內(nèi)側(cè)，且應(yīng)靠近每層樓承板上表面，其中心位置距樓承板600mm，澆筑孔直徑為300mm，在澆筑孔正下方距樓承板100mm位置開設(shè)1個φ20排氣孔，便于混凝土澆筑時排出鋼管內(nèi)部氣體。為避免開孔過多對結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生影響，實際施工中采取隔層開孔，可保證施工效率。鋼管柱側(cè)壁開孔如圖2所示。

圖2 鋼管柱側(cè)壁開孔

2)泵管連接 用泵管專用卡箍連接截止閥與混凝土泵管，截止閥另一端連接短鋼管，其壁厚不得小于混凝土輸送管壁厚，端頭應(yīng)采用壓口處理，伸入鋼管柱內(nèi)部時開口應(yīng)朝下，防止?jié)仓r對鋼管壁產(chǎn)生過大壓力。澆筑鋼管柱混凝土時，應(yīng)盡量保證所在樓層樓承板已施工完成，泵管鋪設(shè)層利用木跳板和φ48.3×3.6鋼管架對泵管進行架設(shè)，形成水平泵管布設(shè)通道。該措施操作簡單，可保證泵管穩(wěn)定性，且可循環(huán)使用，水平泵管鋪設(shè)如圖3所示。

圖3 水平泵管鋪設(shè)

3)澆筑前準備 混凝土澆筑前需計算單根柱澆筑量。微膨脹自密實混凝土到場后，需檢測其工作性能，控制坍落擴展度為500～700mm，流動時間8～10s，中邊差≤30mm。

4)混凝土澆筑 為保證混凝土澆筑順暢，在混凝土輸送管與截止閥連接前，用泵送砂漿潤滑輸送管道，并將該部分砂漿清除干凈后再澆筑柱內(nèi)混凝土，澆筑至預(yù)定高度后，及時停泵[16]。立即清除表面浮漿，并進行灌水養(yǎng)護，待混凝土終凝后，對混凝土表面進行鑿毛處理，保證新舊混凝土的接縫質(zhì)量。

5)留置試塊 按規(guī)范要求，施工時按澆筑層數(shù)及混凝土總量進行試塊留置，每層澆筑微膨脹自密實混凝土100m3留置1組標準養(yǎng)護試塊，且確保每層留置不少于1組試塊。

6)輸送管及截止閥拆除 混凝土澆筑后拆除輸送管時，應(yīng)隨時做好關(guān)閉截止閥的準備，先拆混凝土泵送管，再拆截止閥和卡箍。若拆管過程中混凝土涌出，應(yīng)立即關(guān)閉截止閥，待混凝土初凝后再拆除截止閥。焊接澆筑孔前，應(yīng)先清除混凝土、鐵銹等，同時對坡口進行打磨。焊接時應(yīng)采取預(yù)熱措施和層間溫控措施，控制焊縫區(qū)母材溫度，保證層間溫度符合要求。焊接完成后應(yīng)對突出焊縫進行打磨，清除雜質(zhì)確保外觀清潔，同時對焊縫進行超聲波檢測。

3.5 施工質(zhì)量檢測

鋼管混凝土澆筑完成并待混凝土達到一定強度后，需對混凝土澆筑質(zhì)量進行檢測。目前通用檢測方法有手敲法和超聲波檢測法。手敲法即用錘敲擊管壁，聽聲判別，精度不高，人為因素大，壁厚較大時不易進行；超聲波檢測法通過比較超聲波首波聲時長，判別混凝土缺陷，該檢測方法精度高，但對檢測設(shè)備和檢測過程要求較高。綜上所述，本工程擬采用手敲法和超聲波檢測法交互進行鋼管混凝土澆筑質(zhì)量的檢測控制。

采用HC-F800型超聲波檢測儀，發(fā)射電壓500V，采樣周期1.6μs，通道增益為80。每根柱從樓承板沿柱高600mm設(shè)置1個檢測面，共設(shè)置4個檢測面，每個檢測面設(shè)置4個檢測點。部分檢測結(jié)果如表1所示。

表1 超聲波檢測結(jié)果

由表1可知，除個別檢測點出現(xiàn)聲速異常情況外，其余檢測點的檢測結(jié)果均符合規(guī)定，說明柱鋼管壁和混凝土整體上黏結(jié)狀態(tài)良好，不存在脫空現(xiàn)象。對于檢測結(jié)果出現(xiàn)異常的情況，可能是該檢測點位置附近混凝土澆筑不密實，也可能是檢測人員在檢測過程中操作不當，具體原因需進一步分析。

3.6 鋼管混凝土缺陷分析

鋼管混凝土屬于隱蔽結(jié)構(gòu)，由于鋼管內(nèi)部排氣不通暢，即便采用最先進的混凝土澆筑施工工藝，也無法避免核心區(qū)混凝土內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生。核心區(qū)混凝土內(nèi)部缺陷的存在會對鋼管混凝土的力學性能產(chǎn)生影響，對整體結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生危害?，F(xiàn)階段對核心區(qū)混凝土內(nèi)部缺陷研究較少，無法確定缺陷大致分布范圍、截面形狀及尺寸大小。因此要研究存在內(nèi)部缺陷的鋼管混凝土柱力學性能，須考慮缺陷存在的隨機性。利用ABAQUS有限元分析軟件，結(jié)合工程實際建立鋼管混凝土有限元模型(見圖4)，然后基于正交試驗研究隨機缺陷率、缺陷位置和缺陷形狀3個主要因素對鋼管混凝土承載能力的影響。該試驗采用4個試驗水平，其因素水平如表2所示。根據(jù)設(shè)計的水平數(shù)并參照正交表設(shè)計表格，選用L16(45)正交表進行試驗方案的設(shè)計，根據(jù)此正交表只需通過16次試驗來研究4個水平下的上述3個因素對結(jié)構(gòu)軸壓承載能力的影響。

圖4 鋼管混凝土有限元模型

水平因素缺陷率/%缺陷形狀缺陷位置10.30正方體中心20.75長方體偏心0.1m31.30圓柱邊部脫空43.00棱柱角部脫空

通過有限元軟件對上述16種不同情況進行計算，得到各自的承載力數(shù)值，如表3所示。接著對計算得到的承載力數(shù)值進行方差分析，得到各因素對應(yīng)下的均方值和F值，如表4所示。由表4可知，缺陷率對鋼管混凝土柱軸向承載力產(chǎn)生的影響最大，缺陷形狀和位置對結(jié)構(gòu)承載力的影響不明顯。

表3 正交試驗計算結(jié)果

表4 方差分析

4 結(jié)語

1)相比于高拋法和頂升法，側(cè)拋免振法澆筑不影響上部鋼管柱安裝和樓層混凝土澆筑施工，可有效保障施工工期；同時可減少泵送設(shè)備和施工組織的壓力，有效減少澆筑過程中緊急情況的發(fā)生。

2)微膨脹自密實混凝土配合比設(shè)計、澆筑工藝流程設(shè)計可為類似工程施工提供參考。

3)基于正交試驗的帶缺陷鋼管混凝土柱承載力有限元分析，可降低人為因素對缺陷設(shè)計的影響。