鮑豐,艾浩源,李德君,葉偉涵
(潮峰鋼構(gòu)集團(tuán)有限公司,浙江 杭州 311215)
鋼管混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合了鋼材和混凝土兩種材料的特性,承載力高、延性好,防火和耐腐蝕性能均優(yōu)于普通鋼結(jié)構(gòu),而且施工方便,近年來在高層建筑、重型廠房和大跨度橋梁中迅速得到應(yīng)用。在高層建筑中鋼管混凝土構(gòu)件多用作框架-支撐結(jié)構(gòu)、框架-核心筒結(jié)構(gòu)或筒中筒結(jié)構(gòu)中的框架柱。由于核心混凝土的澆筑空間封閉而又狹小、隱蔽,因施工過程管控不細(xì)致、澆筑工藝不恰當(dāng)而產(chǎn)生脫空、孔洞等密實(shí)性質(zhì)量缺陷比較普遍。余亞斌結(jié)合兩例超高層建筑實(shí)踐得出鋼管混凝土質(zhì)量控制的重點(diǎn)有梁柱節(jié)點(diǎn)型式、混凝土澆筑方法、脫空問題和精細(xì)施工等[1];蘇清藝從混凝土制備和現(xiàn)場施工兩個(gè)方面探討了澆筑方案、混凝土配合比、原材料和拌合物對(duì)密實(shí)性的影響以及質(zhì)量缺陷處理[2]。本文以當(dāng)前研究成果為基礎(chǔ),從高層鋼管混凝土施工的全過程出發(fā),對(duì)影響混凝土密實(shí)性的主要因素進(jìn)行分析,分解各施工環(huán)節(jié)的質(zhì)量管控要點(diǎn),提出應(yīng)對(duì)措施,探究有效保證混凝土密實(shí)性的綜合應(yīng)對(duì)方案。
高層鋼管混凝土的密實(shí)性缺陷主要有:(1)脫空:管內(nèi)混凝土與鋼管管壁粘結(jié)不良,相互脫離,形成局部空鼓;(2)孔洞:混凝土內(nèi)部存在空隙,局部或全部沒有混凝土,一般存在于鋼管內(nèi)橫隔板(如加強(qiáng)板、拼接隔板等)下方的邊角部;(3)蜂窩:局部混凝土離析,骨料間有較大的空隙,大都出現(xiàn)在內(nèi)部難以澆筑密實(shí)的部位;(4)疏松:局部混凝土松散、不密實(shí)。有關(guān)研究表明,內(nèi)部缺陷對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件的穩(wěn)定和承載力影響較大,在缺陷率相同的條件下,中心位置缺陷時(shí),承載力損失較小,而管壁側(cè)位置缺陷(如脫空)時(shí),承載力損失較大,并且缺陷率越大承載力損失越大,彈塑性階段的歷程越短[3]。
影響高層鋼管混凝土密實(shí)性的因素貫穿于施工全過程,其中混凝土的澆筑方法、混凝土的性能、鋼結(jié)構(gòu)的特征、混凝土的澆筑工藝和現(xiàn)場管理非常關(guān)鍵,以下作重點(diǎn)分析,并對(duì)應(yīng)對(duì)措施和質(zhì)量管控要點(diǎn)分解說明。
用于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中的混凝土包括普通混凝土、自密實(shí)混凝土和高流態(tài)混凝土,澆筑方法有從管頂向下澆筑、從管底泵送頂升澆筑和立式手工澆筑等。自密實(shí)混凝土具有高流動(dòng)性、穩(wěn)定性和抗離析性,填充性能好,以泵送或吊斗吊裝從管頂向下澆筑,無需振搗,依靠自重即均勻地流動(dòng)填充至模板各處,澆筑質(zhì)量可靠,操作安全簡便。高層建筑通常位于城市中心或近郊,從混凝土的保障供應(yīng)、澆筑工藝、質(zhì)安管控以及施工效益等方面綜合考慮,高層鋼管混凝土結(jié)構(gòu)宜優(yōu)先采用自密實(shí)混凝土,從管頂向下澆筑。
2.2.1 自密實(shí)混凝土拌合物的性能指標(biāo)
如表1 所示,自密實(shí)混凝土拌合物的性能是進(jìn)行免振搗施工的關(guān)鍵,拌合物除滿足普通混凝土的性能外,還應(yīng)滿足自密實(shí)性能,其中坍落擴(kuò)展度應(yīng)嚴(yán)格控制,不僅對(duì)填充性能有直接影響,坍落擴(kuò)展度過大還容易離析。
表1 混凝土拌合物自密實(shí)性能指標(biāo)
2.2.2 自密實(shí)混凝土材料和配合比要求
自密實(shí)混凝土粗集料宜采用連續(xù)級(jí)配或兩個(gè)及以上單粒徑級(jí)配搭配使用,最大公稱粒徑不宜大于20mm,細(xì)集料宜采用級(jí)配Ⅱ區(qū)中砂,粉煤灰不低于Ⅱ級(jí),采用高性能或高效減水劑。高性能聚羧酸系減水劑能防止混凝土坍落度損失而不引起明顯緩凝,在低摻量下保持較高的塑性,對(duì)混凝土增強(qiáng)效果顯著,并減少混凝土收縮,宜優(yōu)先選用[4]。
混凝土配合比是影響混凝土密實(shí)性的最關(guān)鍵因素。自密實(shí)混凝土配合比應(yīng)根據(jù)工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、施工工藝以及環(huán)境因素進(jìn)行設(shè)計(jì),一般要求水膠比宜小于0.42,膠凝材料用量控制在450~550kg/m3,含氣量控制在2.0%~4.0%。可通過增加膠凝材料以增加漿體體積或添加外加劑的方法來改善漿體的抗離析性和流動(dòng)性。
2.2.3 高流態(tài)混凝土的性能
高流態(tài)混凝土是一種新型的高性能特種混凝土,具有高流動(dòng)性、自密實(shí)性和良好的泵送性[5]。自密實(shí)混凝土是高流態(tài)混凝土的一個(gè)重要分支,相較自密實(shí)混凝土,高流態(tài)混凝土在保證基本性能的條件下,允許拌合物的粗集料粒徑更大些(25mm 以上)。粒徑較大的拌合物在狹小的鋼管中澆筑不便,易離析,導(dǎo)致產(chǎn)生孔洞、蜂窩等密實(shí)性缺陷,因而高流態(tài)混凝土在高層鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中的使用受到一定限制,當(dāng)前也少有研究。但這樣的混凝土另有優(yōu)點(diǎn):坍落度高,抗收縮性好,水泥用量少因而水化熱低,更加經(jīng)濟(jì)。對(duì)于圓鋼管直徑大于2.0m 或矩形鋼管長邊大于1.0m這樣的大規(guī)格鋼管混凝土構(gòu)件,鋼管內(nèi)部混凝土澆筑條件好,又有控制混凝土水化熱和收縮性的要求,因而一定條件的高流態(tài)混凝土(粗集料不宜大于25mm)是非常適宜的選擇。有些攪拌站將高流態(tài)混凝土稱作為高流態(tài)自密實(shí)混凝土,使用較大粒徑的粗集料以節(jié)省成本,易與自密實(shí)混凝土混淆,需引起注意。
鋼管的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造做法是影響混凝土密實(shí)性的重要因素,但并未引起特別注意,當(dāng)前研究也不深入。大多數(shù)情況下,項(xiàng)目中的鋼結(jié)構(gòu)工程(包括鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼管)由總承包方專業(yè)分包給鋼結(jié)構(gòu)公司,如果總包方未能認(rèn)識(shí)到鋼結(jié)構(gòu)對(duì)密實(shí)性的重要影響,可能錯(cuò)失通過設(shè)計(jì)和制作優(yōu)化而主動(dòng)改善混凝土澆筑條件的機(jī)會(huì)。
2.3.1 鋼管的外形特征
外形尺寸較大的鋼管,混凝土澆筑時(shí)拌合物能直落管底,高拋拌合物動(dòng)能的沖擊振實(shí)效應(yīng)強(qiáng),自密實(shí)效果好,可采用自密實(shí)或高流態(tài)混凝土(粗集料不宜大于25mm);若鋼管的外形尺寸偏小,管內(nèi)的橫隔板等配件對(duì)于混凝土的流動(dòng)阻隔強(qiáng),氣泡不易溢出,宜采用粗集料粒徑不大于16mm 的自密實(shí)混凝土,配用漏斗導(dǎo)管澆筑。
2.3.2 鋼管梁柱節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造做法與優(yōu)化
鋼管梁柱連接節(jié)點(diǎn)的做法決定了鋼管內(nèi)部空間的通透性,其中外加強(qiáng)板式連接做法鋼管內(nèi)部的貫通配件少,混凝土傾落自由,澆筑工藝簡單,密實(shí)性容易保證,對(duì)于圓鋼管或成品矩形鋼管柱宜優(yōu)先采用;內(nèi)加強(qiáng)板式連接做法鋼管內(nèi)部橫隔板構(gòu)造復(fù)雜,更可能形成密實(shí)性質(zhì)量缺陷,宜做設(shè)計(jì)和制作優(yōu)化。做法包括:(1)通過精確的計(jì)算,盡量加大橫隔板上灌漿孔的孔徑,減小孔邊橫隔板的凈寬;(2)合理設(shè)置橫隔板上的排氣孔和鋼管管壁上的防火排氣孔,孔徑不小于25mm;(3)優(yōu)化焊接工藝,制作時(shí)不加工藝隔板;(4)對(duì)于邊長較?。?50~400mm)的矩形鋼管,為保證灌漿孔(孔徑不小于200mm)不過多削弱加強(qiáng)板,可增加加強(qiáng)板厚度以提高其受力能力;(5)鋼管制作前清除內(nèi)壁上的油污、氧化皮和污染物等。
在梁柱節(jié)點(diǎn)處,當(dāng)與鋼管柱連接的鋼梁截面高度不同時(shí),會(huì)出現(xiàn)多道加強(qiáng)板并存的復(fù)雜情況,如圖1 所示,這時(shí)除實(shí)施前述優(yōu)化做法外,還可采取的措施包括:(1)將截面高度較小的鋼梁端部加腋,以斜坡過渡與大梁同高;(2)將鋼柱分段點(diǎn)設(shè)置在該節(jié)點(diǎn)上方1.30m 處,混凝土澆筑后進(jìn)行人工振搗;(3)采用粗集料粒徑不大于16mm 的自密實(shí)混凝土。
圖1 梁柱連接節(jié)點(diǎn)大樣圖
應(yīng)該指出的是,鋼管內(nèi)的加強(qiáng)板對(duì)保證鋼管與混凝土共同工作起著重要作用,研究表明,規(guī)律設(shè)置的樓層梁柱節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)板能夠阻止因鋼管管壁和核心混凝土界面粘結(jié)剪力不足(包括脫粘、脫空情況)而產(chǎn)生的滑移,基本消除滑移帶來的不利影響[6]。因此不宜簡單化地機(jī)械推薦外加強(qiáng)板式做法,對(duì)于復(fù)雜的內(nèi)加強(qiáng)板式連接,應(yīng)通過節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的優(yōu)化和混凝土澆筑工藝的改進(jìn)來保證混凝土的密實(shí)性。
2.4.1 混凝土的澆筑工藝
高層鋼管混凝土柱的混凝土澆筑次數(shù)應(yīng)與鋼柱的分節(jié)方式對(duì)應(yīng),對(duì)于一層一節(jié)柱(如地下室)可一次性澆筑完成,對(duì)于兩層一節(jié)或三層一節(jié)(如標(biāo)準(zhǔn)層)且設(shè)置內(nèi)加強(qiáng)板的柱,考慮到拌合物難以直拋管底,宜采用導(dǎo)管分2~3 次澆筑。每完成一節(jié)鋼柱安裝,應(yīng)及時(shí)澆筑混凝土,不得積累安裝多節(jié)鋼柱后再一次性澆筑?;炷羶A落高度大于9m 時(shí),應(yīng)采用串筒、溜管等輔助裝置;當(dāng)傾落高度不足4m 時(shí),應(yīng)用振搗棒振實(shí);為促使拌合物流動(dòng)和氣泡溢出,澆筑時(shí)可在鋼管外壁用木槌敲擊。
2.4.2 現(xiàn)場管理措施
混凝土的制備、運(yùn)輸、泵送、澆筑等環(huán)節(jié)應(yīng)保持連續(xù),自開始接料至卸料時(shí)間不宜超過90min,各種資源的配置(如攪拌、運(yùn)輸、泵送設(shè)備等)應(yīng)充足,并有應(yīng)急措施?;炷翝仓埃瑧?yīng)做好現(xiàn)場施工準(zhǔn)備;高溫施工時(shí)混凝土入模溫度不宜超過35℃,對(duì)冬季施工時(shí)入模溫度不宜低于5℃,降雨雪時(shí)不宜露天澆筑混凝土。
2.5.1 脫粘現(xiàn)象
鋼管混凝土的脫粘是兩種收縮性能不同的材料在外界環(huán)境和時(shí)間作用下發(fā)生不同收縮進(jìn)而導(dǎo)致接觸界面脫離的現(xiàn)象。脫粘主要由混凝土的形變引起,包括泊松形變、徐變形變和收縮形變[7]。脫粘對(duì)于構(gòu)件的穩(wěn)定和承載力有較大影響,脫空缺陷也會(huì)導(dǎo)致同樣的情況。
2.5.2 混凝土的收縮和減少收縮的技術(shù)措施
混凝土收縮是凝結(jié)初期和硬化過程中出現(xiàn)的體積縮小的自發(fā)現(xiàn)象,是塑性收縮、化學(xué)收縮、干燥收縮和碳化收縮等幾種情況的綜合顯現(xiàn)。對(duì)于高層鋼管混凝土結(jié)構(gòu),應(yīng)采取可靠的技術(shù)措施減少混凝土的收縮,如降低拌合物水膠比或摻加低收縮性的減水劑、澆筑中保證振搗、澆筑后加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)等。當(dāng)圓形鋼管混凝土柱的直徑大于2.0m 或矩形鋼管混凝土柱的長邊大于1.0m 時(shí),宜采取在鋼管內(nèi)設(shè)置縱向鋼筋芯柱、鋼管內(nèi)壁焊接栓釘或縱向加勁肋等構(gòu)造做法,減小混凝土收縮的影響。
建筑產(chǎn)品(工程)具有單件性、復(fù)雜性的特點(diǎn),并且鋼管混凝土的施工過程涉及多個(gè)環(huán)節(jié),前述的分析表明影響高層鋼管混凝土密實(shí)性的因素比較復(fù)雜,因而對(duì)于具體的工程,應(yīng)根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工條件,具體地分析影響混凝土密實(shí)性的各種因素,并針對(duì)性地選擇應(yīng)對(duì)措施,從總體上制定完整的個(gè)性化綜合應(yīng)對(duì)方案,才能有效解決密實(shí)性質(zhì)量缺陷問題。工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要包括結(jié)構(gòu)型式、材料強(qiáng)度、構(gòu)件外形特征、鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造做法等;施工條件主要包括澆筑位置、泵送距離、拋落高度、溫度條件等。綜合應(yīng)對(duì)方案的內(nèi)容包括:(1)混凝土的性能選擇和制備;(2)鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化;(3)澆筑工藝;(4)現(xiàn)場管理細(xì)節(jié);(5)保障措施等。
以此指導(dǎo)制定杭州智造谷產(chǎn)業(yè)服務(wù)綜合體項(xiàng)目和北干科創(chuàng)園二期項(xiàng)目的鋼管混凝土專項(xiàng)施工(缺陷防治)方案,實(shí)施后取得了良好的效果。
杭州智造谷產(chǎn)業(yè)服務(wù)綜合體項(xiàng)目總建筑面積568 419.91m2,由6 棟研發(fā)辦公樓、2 棟酒店及活動(dòng)中心、裙房組成,其中辦公樓和酒店為地下3 層,地上12~23 層,采用鋼框架-混凝土核心筒組合結(jié)構(gòu),矩形鋼管混凝土框架柱;酒店標(biāo)準(zhǔn)層層高3.60m,辦公樓標(biāo)準(zhǔn)層層高4.20m,最大結(jié)構(gòu)高度99.00m;鋼管混凝土框架柱自地上1 層向上直至頂層,向下延伸至-1 層(柱底標(biāo)高-6.00m),鋼管規(guī)格為B700mm×550mm×20mm×20 mm、B550mm×550mm×16mm×16mm、B600mm×450mm×16mm×16 mm 三種,如圖2 所示,鋼材材質(zhì)Q355B,核心混凝土強(qiáng)度自-1 層至頂層由C55 漸變?yōu)镃40,鋼框架梁柱連接節(jié)點(diǎn)采用內(nèi)加強(qiáng)板做法,如圖3 所示。
圖3 鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)大樣
本工程位于城市市區(qū),泵送混凝土供應(yīng)便利;鋼管柱為中小型規(guī)格鋼板焊接矩形鋼管,梁柱連接節(jié)點(diǎn)采用內(nèi)加強(qiáng)板做法,橫隔板較多,鋼管內(nèi)壁焊接栓釘;標(biāo)準(zhǔn)層鋼柱按兩層一節(jié)(柱長8 400mm)或三層一節(jié)(柱長10 800mm)分節(jié),鋼柱對(duì)接點(diǎn)位于樓層上方1.30m 處;鋼管柱頂最大高度99.00m。
4.3.1 混凝土的澆筑方法
綜合上述情況,本工程決定采用自密實(shí)混凝土,從管口向下配以導(dǎo)管澆筑,以汽車泵泵送混凝土,汽車泵不能覆蓋區(qū)域或超過其揚(yáng)程則采用塔吊吊斗吊裝。
4.3.2 混凝土的性能
鑒于鋼管截面尺寸偏小而橫隔板又較多,對(duì)配合比中粗集料粒徑、水膠比、坍落度等主要參數(shù)進(jìn)行了設(shè)定。其中C55 混凝土的一些參數(shù)如表2 所示。
表2 C55 自密實(shí)混凝土配合比
4.3.3 鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化
本項(xiàng)目采用EPC 承包模式,在結(jié)構(gòu)工程師的深度參與下,對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化:同一柱節(jié)點(diǎn)連接的鋼梁截面高度差值不大于100mm 時(shí),只在高度差中間設(shè)一道水平加強(qiáng)板,高度差值在100~500mm 時(shí),采用鋼梁端部加腋過渡,高度差值大于500mm 時(shí),設(shè)兩道加強(qiáng)板;矩形鋼柱短邊450mm 時(shí)加強(qiáng)板開Φ250mm 灌漿孔,550mm 時(shí)開Φ300mm 灌漿孔;通過焊接工藝優(yōu)化,取消全部制作工藝隔板。
4.3.4 混凝土澆筑工藝和現(xiàn)場管理措施
(1)提前協(xié)調(diào)混凝土攪拌站,對(duì)混凝土的制備、運(yùn)輸、泵送、澆筑等環(huán)節(jié)進(jìn)行全過程跟蹤,保證混凝土的質(zhì)量和連續(xù)供應(yīng)。
(2)做好現(xiàn)場施工準(zhǔn)備,混凝土澆筑前將鋼管內(nèi)部清理干凈,無雜物、無積水;檢查操作支架、漏斗、泵管等安裝情況,保證泵送時(shí)泵管安全并且不會(huì)堵塞;組織操作人員進(jìn)行技術(shù)和安全交底。
(3)混凝土泵送前先用與混凝土成分相同配合比的水泥漿料潤管,潤管液用漏斗回收,不得作為結(jié)構(gòu)混凝土使用;柱底先澆筑100~200mm 厚與混凝土成分相同配合比的水泥砂漿,防止粗集料彈跳導(dǎo)致混凝土疏松。
(4)標(biāo)準(zhǔn)層鋼管混凝土均分兩次澆筑,第一次:導(dǎo)管伸至下層梁柱節(jié)點(diǎn)以下200mm,對(duì)于兩層一節(jié)柱混凝土澆筑至該節(jié)點(diǎn)上方500mm 處,對(duì)于三層一節(jié)柱混凝土澆筑至第二層節(jié)點(diǎn)上方500mm 處,然后暫停,用塔吊吊起漏斗并截短導(dǎo)管,剩余導(dǎo)管以能插入到上層梁柱節(jié)點(diǎn)以下200mm 為宜;第二次:澆筑混凝土至鋼管管口以下500mm 處,然后用振搗棒人工振搗,密插短振,每點(diǎn)振搗時(shí)間不少于60s。換管暫停時(shí)間不宜少于15min,以保證混凝土在節(jié)點(diǎn)區(qū)流動(dòng)密實(shí),在此期間,可泵送混凝土澆筑其它鋼柱。對(duì)每次通過漏斗實(shí)際灌入柱內(nèi)的混凝土體積做好記錄,并與理論計(jì)量比較,以控制柱內(nèi)混凝土表面的位置并保證安全?;炷翝仓驼駬v時(shí)鋼管外配合人工木槌敲擊,根據(jù)聲音判斷是否密實(shí),直至混凝土表面平齊,不再明顯下降和出現(xiàn)氣泡,表面泛出灰漿。
(5)除最后一節(jié)鋼柱外,每節(jié)柱混凝土澆筑完畢,在混凝土初凝后灌水養(yǎng)護(hù),并用塑料膜封住管口保濕;在下節(jié)鋼柱安裝前,清理管口混凝土表面的浮漿、松動(dòng)石子等,鋼柱安裝后及時(shí)封蓋管口,以免雜物或雨雪進(jìn)入。當(dāng)混凝土澆筑到管頂時(shí),在混凝土稍微溢出后,將封頂板壓緊到管端并點(diǎn)焊臨時(shí)固定,待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50%后,再將封頂板焊接完成。
混凝土澆筑28d 后采用敲擊法對(duì)鋼管混凝土柱逐一檢測,總體密實(shí)性良好;混凝土澆筑工藝試驗(yàn)報(bào)告齊全有效,澆筑施工記錄完整,滿足有關(guān)規(guī)范的驗(yàn)收要求。
通過上述分析和工程案例經(jīng)驗(yàn)總結(jié),形成結(jié)論如下:
(1)影響高層鋼管混凝土密實(shí)性的因素比較復(fù)雜,其中混凝土的澆筑方法、混凝土的性能、鋼結(jié)構(gòu)的特征、混凝土的澆筑工藝和現(xiàn)場管理最為重要。應(yīng)根據(jù)工程的具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工條件,全過程考慮各施工環(huán)節(jié)所涉及的影響因素和質(zhì)量管控要點(diǎn),針對(duì)性地選擇適宜的應(yīng)對(duì)措施,進(jìn)而制定出個(gè)性化綜合應(yīng)對(duì)方案,以綜合應(yīng)對(duì)措施有效解決混凝土的密實(shí)性問題。
(2)鋼結(jié)構(gòu)外形尺寸和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造特征是制定澆筑工藝的重要依據(jù),應(yīng)通過必要的設(shè)計(jì)優(yōu)化和制作工藝改進(jìn),盡可能創(chuàng)造有利于混凝土澆筑的條件。
(3)高流態(tài)混凝土對(duì)于較大規(guī)格(直徑/邊長)的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是一種經(jīng)濟(jì)適用的選擇。
脫粘現(xiàn)象是鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在長期服役期間所必然面對(duì)的問題,橋梁工程研究發(fā)現(xiàn),在鋼管混凝土中添加一定比例的膨脹劑,能提高混凝土的密實(shí)性,減小混凝土的收縮,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的抗壓性能也有較大提高[8]。膨脹劑在建筑工程鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用有必要作進(jìn)一步研究。