复杂钢管混凝土柱的混凝土浇筑施工技术

彭伟;汪再红

【摘 要】介绍高层建筑中,复杂钢管混凝土柱的混凝土高抛法施工浇筑技术.通过具体工程实例,重点介绍了自密实混凝土在钢管混凝土柱中的应用和钢管内混凝土浇筑质量控制的方法.

【期刊名称】《建材世界》 【年(卷),期】2010(031)003 【总页数】4页(P-67)

【关键词】钢管混凝土柱;自密实混凝土;高抛法 【作 者】彭伟;汪再红

【作者单位】中建三局成都分公司,成都,610000;中建三局成都分公司,成都,610000 【正文语种】中 文

早在19世纪80年代,钢管混凝土结构就已经出现。例如,1879年英国塞文(severn)铁路桥的建造中采用了钢管桥墩,在钢管中灌注了混凝土以防止内部锈蚀并承受压力。法国巴黎居民区的第一座摩天大楼采用了钢管混凝土框架柱,比钢结构节省钢材40%。日本、瑞士等国在输电跨越塔中采用钢管混凝土结构,也都取得了可观的经济效益。 1 钢管混凝土柱结构

钢管混凝土结构即在钢管内填充混凝土,将2种不同性质的材料组合而形成的复合结构,具有强度高、重量轻、塑性好、耐疲劳、耐冲击等优点。

在我国,钢管混凝土结构技术的开发和应用已有近40年的历史。近10年来,随着国家经济的迅猛发展,钢管混凝土结构在我国的高层建筑工程、地铁车站工程和大跨度桥梁工程中得到了较多的应用。此外,近年来在多层、高层民用住宅建筑中也已开始采用钢管混凝土柱和钢梁组成的框筒(剪)结构体系,并且经济效益显著。钢管混凝土结构按照截面形式的不同可以分为矩形钢管混凝土结构、圆钢管混凝土结构和多边形钢管混凝土结构等,其中矩形钢管混凝土结构和圆钢管混凝土结构应用较广泛。 2 工程概况

川投调度中心工程,结构形式为钢框架-钢筋混凝土核心筒结构,钢框架柱全为钢管混凝土柱,内部浇注强度等级为C45、C40的自密实混凝土,钢管柱中矩形柱有43根(其中变截面柱4根,Y形柱4根,斜柱1根),圆形柱4根。钢管柱截面尺寸随高度逐渐收缩(矩形柱尺寸从700×900×32变化到500×500×18),钢管柱内布置有大量的栓钉、内隔板和框架梁穿插钢筋。

川投调度中心工程结构形式为钢框架-钢筋混凝土核心筒结构,大量采用了钢管混凝土柱结构作为钢框架的主要承重构件。根据施工要求,减少钢管柱的现场焊接量,对钢管柱的制作、安装进行了深化设计,地下室钢管柱分节为9.8m,地上部分钢管柱分节为8 m。因结构较为复杂,钢结构与混凝土结构相互穿插协同工作,在进行钢管柱内混凝土浇筑时有相当的难度:

1)受现场施工条件及结构设计的,无法采用顶升法浇铸法施工,只能采用高抛法进行施工。

2)钢管混凝土柱内在节点处设计极其复杂,地下室的梁柱节点处,大量钢筋与钢板穿插,无法进行钢管柱内混凝土振捣。

3)地上部分单节钢管柱高度较高,采用高抛法施工极易使混凝土离析,在钢管混凝土柱中形成薄弱层。 3 混凝土配合比的设计

川投调度中心工程钢管柱内混凝土浇筑采用高抛免振法进行施工,但因为节点复杂,钢管壁内布置有大量的栓钉,使得无法下棒进行振捣,同时为保证高空自由下落的混凝土不产生离析,且保证强度的同时具有很高的扩展度,因此,钢管内混凝土采用自密实混凝土。

由于该工程位于成都平原,受地区资源的,结合本地区天然砂稀缺、机制砂资源丰富的特点,采用机制砂高强度自密实混凝土。 3.1 原材料的选择 1)胶凝材料

水泥选用四川峨胜水泥厂的PO42.5R洋房水泥,与外加剂适应性良好,质量指标见表1。

表1 水泥质量指标细度/%初凝/min终凝/min安定性标准稠度用水量/%抗折强度/MPa 抗压强度/MPa 3 d 28 d 3 d 28 d 1.7 140 215 合格 25.2 5.5 28.2 28.5 49.7

粉煤灰使用博磊Ⅰ级灰,质量指标见表2;矿粉选用成都常用S75级。

表2 博磊Ⅰ级灰质量指标烧失量/% 含水率/% 需水量比/% 细度/%5.5 0.3 101 24 2)碎石

使用新津彭山粗卵碎石,级配良好,具体质量指标见表3。

表3 卵碎石质量指标含泥量/%泥块含量/%针片状含量/%压碎指标/%颗粒级配区域0.5 0.3 2 4 5～25连续级配 3)机制砂

机制砂是该工程研究区别于传统自密实混凝土的关键,与河砂相比,其颗粒粒形、石

粉含量、级配曲线对混凝土性能有较大影响。其中颗粒粒形是无法改变的,而石粉含量和级配曲线则可进行控制,根据查阅相关文献,机制砂中石粉含量5%～15%时,机制砂混凝土的和易性最优。此外,要使混凝土具有比较好的工作性能,细集料的Ⅱ区级配曲线也是关键。所以,据此对机制砂进行选择,机制砂的质量指标见表4。 表4 卵碎石质量指标石粉含量/% 细度模数 颗粒级配 亚甲蓝值82.8 Ⅱ区 1.0 4)高效减水剂

使用聚羧酸高效减水剂,复配微量的缓凝剂、保塑剂以及引气剂,减水率大于25%,与水泥的适用性良好。 5)膨胀剂

由于粗骨料用量小,粉体材料用量大,自密实混凝土的干燥收缩会大些,容易产生有害裂缝,但还不至于产生太不利影响。据日本的资料,标准条件下养护7 d的试件在(20+2)℃、相对湿度(60+5)%的条件下,6个月的干缩率小于8×10-4,比同种骨料的普通混凝土收缩量大10%。掺用少量膨胀剂有利于减小收缩。为减少混凝土体积收缩以及最终的强度,采用补偿收缩方式(自应力小于1 MPa),掺入SY-G型膨胀剂,掺量为7%。 3.2 配合比设计

从试验中选取的几组比较有代表性的配合比关键参数,见表5。表6是表5几组配比试验的结果。

表5 自密实混凝土设计配合比参数编号 容重/(kg·m-3)胶凝材料总量/(kg·m-3)掺合料掺量/%粉煤灰 矿粉砂率/% 水/(kg·m-3)减水剂用量/(kg·m-3)1# 2450 500 20 20 43 170 0.92# 2450 500 30 10 45 180 1.03# 2450 550 20 20 43 175 0.94# 2450 550 25 15 45 180 1.05# 2450 550 35 0 48 185 1.0

表6 混凝土配合比的性能指标初始工作性能1.5 h工作性能编号坍落度 扩展度 坍落度 扩展度倒筒时间/s 稳定性能/mm 试件表观1# 200 570 180 500 16 - -2#

230 650 200 580 9 30 内实外光、有较大气泡3# 240 650 200 600 8.5 45 内实外光、有较大气泡4# 225 670 240 630 7 5 内实外光、少量小气泡均匀分布5# 240 670 240 660 6.5 25 内实外光、少量小气泡均匀分布 3.3 现场模拟施工及实验

该工程自密实混凝土设计塌落度为180～240mm。扩展度为600～670mm,混凝土运抵现场前,提前通知现场质量检验人员和技术人员,根据设计配合比对到场的自密实混凝土进行随机抽样检测。为保证钢管内的自密实混凝土成形质量,该工程在现场模拟了一段钢管柱进行现场浇筑,作为样板进行检查。考虑到方便观察成型后的混凝土质量,现场试验用双面覆膜18mm模板制作模拟钢管壁,尺寸按照原钢管柱尺寸制作,原钢管内的隔板及钢筋穿插,采取1∶1的比例进行现场模拟安装。样板柱高度设计为9.8m,采取高抛法施工,无振捣,1 d拆模后外观质量合格,内实外光,表面有少量均匀分布的气泡。未采取养护措施,28 d后强度达到设计要求,几何尺寸规整。确定表5中4#配合比为最终配合比。现场施工自密实混凝土的技术参数见表7。

表7 自密实混凝土现场施工技术参数初始工作性能1.5 h工作性能 抗压强度/MPa编号坍落度 扩展度 坍落度 扩展度倒筒时间/s R7 R28 1240 680 230 660 6 48.5 63.7

该混凝土容重2450 kg/m3,砂率45.4%,出机塌落度/扩展度为 240/665,和易性好,流动性好,黏度适中,倒坍落度流动时间为6 s,90 min后塌落度/扩展度为240/610,倒坍落度流动时间为8 s 3 d强度为35 MPa,28 d强度达到60 MPa。 4 施工过程控制 4.1 施工流程

混凝土搅拌站计算机下料※混凝土运输※现场检测塌落度及坍落扩展度※钢管内混凝土下料※钢管壁外浇水养护※检查浇筑质量。

4.2 施工难点及实施对策

1)在以往工程的施工中,采用高抛无振捣法浇筑钢管混凝土的试验发现,常常在钢管内的加强环板下存在大量气泡,并连成片,气泡高度约为2～3mm。经哈尔滨工业大学钟善桐教授分析和试验,早已指出:采用分段法浇灌混凝土以减少隔板下产生气泡的方法是有效的,当隔板下有气泡总面积占隔板净面积66.4%时,并不影响试件的承载力。可以认为浇灌钢管内混凝土时,在隔板下形成的气泡,并不影响构件的承载力,但应尽量减少气泡。

主要有2个原因导致出现该问题:1)在混凝土配合比设计中,未经过严密设计和试验,掺合料的原材料选择优化不够;2)浇灌混凝土时没有采取有效地排气措施。 因此,针对这两个原因,项目部采取以下2个保障措施:1)自密实混凝土配合比中,优化原材料的选择,同时进行大量的试配试验;2)在浇筑混凝土过程中,采取分段浇筑,在浇筑至内隔板下4～5cm处时,暂停约5 min,使气泡尽量排出,施工地上钢管柱时,在连续浇筑高度1 m后,可插入振捣棒振捣,振捣时间不得少于30 s,快插慢拔,振至混凝土面泛浆且混凝土不冒泡不下沉即止,避免过振;3)料斗下口尺寸比钢管内径小200mm,以便混凝土下落时,钢管内空气能够排出。

2)浇筑高度问题一直是高抛法施工需要解决的关键性问题,本工程钢管柱的分节高度为9.8 m和8m,采用的是自密实混凝土,而根据《自密实混凝土应用技术规程》(以下简称“自密实规程”)(CECS203:2006)7.3.7条规定,浇筑时的最大自由落下高度宜在5 m以下。

如按照自密实规程要求,则需要在塔吊吊斗下安装导管,导管长度超过3m,需要穿过多重隔板,浇筑施工时需要先将混凝土浇筑至导管下端,取下导管缩短后再继续浇筑。这样增加了高空操作难度和危险性,同时使得施工周期大大延长,并且地下室因节点处的钢筋在钢管内密集穿插,无法实现导管浇筑。

在《钢管混凝土结构设计与施工规程》(以下简称“钢管混凝土规程”)(CECS28—

90)中,未对钢管内混凝土浇筑高度做出明确规定,而自密实规程所作出的要求主要是为防止钢管混凝土下落高度过高,其中的粗骨料遇到钢筋、栓钉或内隔板会发生弹跳现象,改变了自密实混凝土的组成结构,因此下落高度。为此,通过将优化配合比设计后的自密实混凝土用于现场试验,采用高抛无振捣法进行混凝土浇筑,且吊斗下不设计有导管,通过现场1∶1的模拟试验,拆模后混凝土密实,经超声波检测未发现异常现象,未出现分层离析现象,且取芯试压强度达到设计要求。经试验证明,本工程选择的浇筑高度和方式合理可行。

为尽量避免自由下落的混凝土粗骨料出现弹跳现象,每次抛落的混凝土量为0.7m3,在浇筑前先灌入10cm厚与混凝土同等级的水泥砂浆。

3)每节钢管柱接驳处,因为焊接高温容易致使混凝土受损,为避免此种情况的发生,每节钢管柱内混凝土浇筑至距离封口顶板400mm即可。

4)钢管内浇筑完毕后,因为钢管封闭,且自密实混凝土和易性好,有部分浮浆在混凝土顶面形成,厚度约2cm左右的浆体。经分析研究后,采取如下措施:(1)浇筑完混凝土3h左右,在水泥终凝前,将浮浆舀出;(2)安装下一节钢管柱之前,将钢管内混凝土表面浮浆凿出,直至露出粗骨料。

5)同时在混凝土运抵现场后,为保证自密实混凝土在运输过程中未影响其内部结构性能,进行现场塌落扩展度测试。要求坍落扩展度(SF):600mm≤SF≤700m。 6)钢管柱内极易由于人员操作意识不强,使得钢管内有杂物。钢管柱吊装前将管内清理干净,吊装焊接完成后,混凝土浇筑前,采用圆形的薄铁皮覆盖,防止施工中杂物落入其中。

7)虽然该工程采用的自密实混凝土进行浇筑施工,试验证明无需养护亦能达到设计要求,但是,考虑到钢管与混凝土之间热导系数的差异,容易在混凝土浇筑完的前3 d时间内受温度影响有变形差,可能导致温度应力的累积,所以,本工程在混凝土浇筑完3 d内采用在钢管外壁湿水的方式,尽量减小钢管与混凝土之间的温差。

8)由于单节钢管高度较高,常规振捣棒无法插入至底部,且容易在振捣中触碰到栓钉和隔板,损坏钢柱和振捣棒。本工程采用特制的振捣棒,直径为40mm,长度为8m。下棒时,振捣棒由灌注孔中心插入进行振捣。 5 结 语

钢管混凝土柱结构以其自身的巨大优点,将在工程领域得到更加广泛的应用。针对复杂钢管柱内的混凝土施工技术进行了一系列的试验和实践,施工质量得到了业主及监理单位的一致好评。相信随着钢管混凝土结构理论和实践的进一步发展,将迎来更加广阔的发展前景。 参考文献

【相关文献】

[1]CECS 28:90.钢管混凝土结构设计与施工规程[S]. [2]GB50204—2002.混凝土结构工程施工质量验收规范[S]. [3]GB50205—2001.钢结构工程施工质量验收规范[S].

[4]刘小洁,余志武.自密实混凝土的研究与应用综述[J].铁道科学与工程学报,2006,3(2):