矩形鋼柱自密實(shí)混凝土頂升施工中鋼柱變形成因及施工控制

肖釗哲，田炫宏

（蘭州宏建建材集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730050）

矩形鋼柱自密實(shí)混凝土頂升施工中鋼柱變形成因及施工控制

肖釗哲，田炫宏

（蘭州宏建建材集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730050）

本文結(jié)合工程實(shí)例主要介紹 C60 自密實(shí)混凝土在矩形鋼柱結(jié)構(gòu)頂升施工中發(fā)生的鋼柱變形問(wèn)題，分析成因，總結(jié)施工控制要點(diǎn)并提出預(yù)防及處理措施。

矩形鋼柱；自密實(shí)混凝土；頂升施工；變形；成因

0 引言

高性能自密實(shí)頂升混凝土應(yīng)用在國(guó)外已經(jīng)相對(duì)比較廣泛，應(yīng)用技術(shù)也相對(duì)比較成熟，已成功運(yùn)用于鐵路、隧道、水工大壩、地下結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。其施工原理就是利用機(jī)械設(shè)備向鋼柱內(nèi)由下而上填充自密實(shí)混凝土，通過(guò)泵壓及混凝土自身的流動(dòng)使鋼柱內(nèi)混凝土自動(dòng)密實(shí)，最后將兩種不同性質(zhì)的材料混合成為一體的復(fù)合結(jié)構(gòu)。我國(guó)自密實(shí)頂升混凝土應(yīng)用相對(duì)較晚，主要應(yīng)用于形體復(fù)雜，配筋密集、薄壁、鋼管（柱）混凝土等受空間限制的結(jié)構(gòu)；環(huán)境噪音要求較小和工程進(jìn)度緊張的工程結(jié)構(gòu)；普通混凝土受振搗限制無(wú)法密實(shí)的工程結(jié)構(gòu)；以及國(guó)家重點(diǎn)工程項(xiàng)目和對(duì)工程質(zhì)量耐久性有特殊要求的建筑項(xiàng)目。頂升施工的一般做法是：在鋼結(jié)構(gòu)的下壁上開設(shè)一個(gè)孔洞，加裝一節(jié)帶有開關(guān)功能的輸送管，使用時(shí)與混凝土泵管連接，利用高壓泵將高性能自密實(shí)混凝土依靠泵壓通過(guò)管線連續(xù)注入管柱內(nèi)，使混凝土由柱底部向頂部均勻填充，混凝土注滿后關(guān)閉連接管，待混凝土凝固后拆除焊接封堵。國(guó)內(nèi)頂升混凝土的特點(diǎn)主要是：（1）鋼柱形狀大多為圓形，矩形鋼柱使用較少。（2）鋼柱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，柱內(nèi)開孔直徑較大，多大于 200mm，且四周開有透氣孔，混凝土頂升阻力小。（3）頂升使用混凝土強(qiáng)度等級(jí)低，一般 C40 左右。（4）頂升施工高度低。

1 控制要點(diǎn)

頂升混凝土施工是混凝土施工中難度較大的一種施工工藝，對(duì)混凝土生產(chǎn)單位及施工單位技術(shù)要求相對(duì)較高。根據(jù)施工要求、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工環(huán)境、混凝土原材料品質(zhì)等施工條件的不同，其質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)控制要點(diǎn)是：第一，混凝土品質(zhì)滿足自密實(shí)混凝土的相關(guān)要求；第二，生產(chǎn)、供應(yīng)環(huán)節(jié)必須連續(xù)穩(wěn)定；第三，泵送過(guò)程各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)必須穩(wěn)定可控；第四，柱內(nèi)混凝土頂升速度、高度、位置等參數(shù)控制及監(jiān)控措施必須齊全；第五，泵送點(diǎn)與監(jiān)控點(diǎn)通信聯(lián)絡(luò)通道必須暢通及時(shí)；第六，鋼柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)及檢驗(yàn)必須滿足圖紙要求；第七，鋼柱外加固措施及監(jiān)測(cè)措施必須可靠準(zhǔn)確。

頂升施工使用的混凝土工作性能品質(zhì)是決定施工成敗的關(guān)鍵。由于混凝土在鋼柱內(nèi)填充上升受到橫向筋板等的制約，因此混凝土必須有很好的流變性能和粘聚性能，實(shí)際生產(chǎn)中按照 CECS203:2006《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》、CECS207:2006《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》控制，主要控制擴(kuò)展度必須大于 650mm，T50≤10s，不得出現(xiàn)泌水、離析、分層、抓底等現(xiàn)象，混凝土凝結(jié)時(shí)間控制在 12h 以上，限制膨脹率必須通過(guò)試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制，防止混凝土與鋼柱之間黏結(jié)出現(xiàn)質(zhì)量隱患。

混凝土生產(chǎn)供應(yīng)環(huán)節(jié)必須的連續(xù)穩(wěn)定，杜絕出現(xiàn)擴(kuò)展度忽大忽小或者中斷運(yùn)輸導(dǎo)致停泵現(xiàn)象。頂升一旦開始必須頂?shù)接?jì)劃位置，中途不得出現(xiàn)停泵。如果中途停泵再次起泵爆管風(fēng)險(xiǎn)很大，如果出現(xiàn)停泵馬上停止施工，補(bǔ)救措施是在停泵位置略高于 50cm 位置再次開孔進(jìn)入下道工序。泵送過(guò)程各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)的監(jiān)控具有指導(dǎo)意義，必須專人負(fù)責(zé)泵送設(shè)備參數(shù)記錄指揮，同時(shí)及時(shí)聯(lián)絡(luò)工作面監(jiān)控人員使頂升高度可控。為了準(zhǔn)確掌握柱內(nèi)混凝土頂升速度、高度、位置等參數(shù)，必須專人負(fù)責(zé)柱內(nèi)攝像頭監(jiān)控錄像的控制。監(jiān)控人員與泵送點(diǎn)監(jiān)控人員的通信聯(lián)絡(luò)通道必須暢通及時(shí)，使泵送監(jiān)控人員及泵工能在第一時(shí)間掌握柱內(nèi)混凝土的頂升情況，防止發(fā)生意外。

鋼柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)是必須的，主要檢查鋼柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否滿足圖紙要求、筋板開孔及排氣孔尺寸及位置是否準(zhǔn)確、柱內(nèi)垃圾特別是鋼絲團(tuán)等加工垃圾是否清理干凈，確保不留下堵塞等重大隱患，保證柱內(nèi)混凝土頂升流動(dòng)順暢。

鋼柱外加固措施及監(jiān)測(cè)措施必須可靠準(zhǔn)確。頂升施工最常發(fā)生的故障就是中斷頂升和爆管，由于受力的原因矩形鋼柱相比圓形更容易發(fā)生爆管，除了前面提到的幾個(gè)控制點(diǎn)以外，為了監(jiān)控和克服鋼柱在頂升過(guò)程受力產(chǎn)生的形變，鋼柱外部采取適當(dāng)?shù)呐R時(shí)加固和加裝千分表等測(cè)量裝置措施是非常有必要的。我們?cè)谀彻こ添斏┕ぶ邪l(fā)生的矩形鋼柱變形爆管后采取加固監(jiān)測(cè)措施效果非常理想。

2 工程實(shí)例

某工程建筑高度 156m，結(jié)構(gòu)柱全部采用矩形鋼柱，其最大截面尺寸為 (1200×800)mm2，最小為 (800×600) mm2，鋼柱結(jié)構(gòu)鋼板厚度最大 40mm，柱內(nèi)間距 2m 設(shè)置橫向加強(qiáng)筋板，筋板中心開孔 ?200，四周設(shè)置 4×?20 排氣孔（見圖 1），每次頂升高度為兩層 11m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60～C40。頂升過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有柱內(nèi)排氣孔不符要求的（見圖2），在底部混凝土施工過(guò)程中，混凝土嚴(yán)格按照《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中的一級(jí)自密實(shí)混凝土進(jìn)行控制，混凝土主要性能參數(shù)要求如下：

（1）C60 混凝土不離析、不泌水、不分層，流動(dòng)性、勻質(zhì)性、穩(wěn)定性保塑性能良好。

（2）現(xiàn)場(chǎng)坍落度 250～270mm 之間， 4 小時(shí)坍落度平均損失≤10mm，坍落擴(kuò)展度 650～750mm 之間，4 小時(shí)擴(kuò)展度損失≤100mm，頂升入口擴(kuò)展度最小值≥650mm，泵送坍落度損失≤10mm，初凝時(shí)間≥12h，終凝時(shí)間≯24h，經(jīng)試驗(yàn)確定的膨脹率控制在 0.02%～0.05% 之間。

圖 1 柱內(nèi)開孔圖

圖 2 排氣孔不符要求的開孔

3 變形特點(diǎn)

開始施工時(shí)鋼柱只采取簡(jiǎn)單外加固，沒有設(shè)置測(cè)量裝置，施工也比較順利，每根柱頂升所用時(shí)間平均 15 分鐘左右，泵壓 8～13MPa，排量 10% 左右。就在一層施工快要結(jié)束的最后三根柱施工時(shí)，某根柱作業(yè)中突然發(fā)現(xiàn)的泵送監(jiān)控中泵壓達(dá)到 18MPa，樓上監(jiān)控發(fā)現(xiàn)混凝土上升停止，觀察人員近距離聽到鋼柱有異常聲響，各系統(tǒng)立即通知停止泵送，但為時(shí)已晚，鋼柱發(fā)生了嚴(yán)重變形。事后測(cè)量發(fā)現(xiàn)鋼板厚度達(dá)到 40mm 的矩形鋼柱四面出現(xiàn)不同程度的膨脹變形，長(zhǎng)面最大變形達(dá)到 40mm（見圖 3）。

圖 3 變形后的鋼柱

4 成因分析

停泵后立即對(duì)混凝土工作性能、施工工序、鋼柱加固等環(huán)節(jié)及時(shí)進(jìn)行了檢測(cè)分析論證，得出導(dǎo)致鋼柱變形的原因主要有以下幾個(gè)方面：

（1）入?；炷撂涠葦U(kuò)展度過(guò)小，實(shí)測(cè)只有580mm，可能是慣性思維所致，認(rèn)為擴(kuò)展度 750mm 頂升正常，720mm 頂升正常，650mm 也正常，最小時(shí) 600mm 也正常，就輕視甚至放棄了擴(kuò)展度指標(biāo)控制，導(dǎo)致出現(xiàn)低于600mm 也不采取措施仍然在泵送。

（2）鋼柱外加固達(dá)不到要求。該變形柱截面為矩形，幾何尺寸達(dá)到 (1200×800)mm2，受力相比圓形有不均勻受力面，需要加固。

（3）鋼柱觀測(cè)不及時(shí)。因剛開始頂升順利就去掉了專門用于測(cè)量鋼柱變形的千分表，同時(shí)，觀察人員馬虎大意，未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼柱內(nèi)部變化察覺發(fā)出的異常聲響。

5 控制措施

針對(duì)分析出的原因制定出以下預(yù)防及處理措施：

（1）頂升施工中混凝土嚴(yán)格按照既定要求指標(biāo)控制，不符合要求的混凝土不得用于頂升，逐車檢查測(cè)量記錄數(shù)據(jù)備查。

（2）現(xiàn)有鋼柱外加固采用的臨時(shí)腳手架扣件緊固明顯不滿足要求，必須設(shè)計(jì)使用專門的槽鋼螺栓加固，并且安裝測(cè)量型變的千分表，安排專人負(fù)責(zé)監(jiān)視。

（3）安排專人負(fù)責(zé)及時(shí)監(jiān)控泵送設(shè)備技術(shù)參數(shù)并做好記錄。

（4）對(duì)已變型的鋼柱在征得設(shè)計(jì)單位同意的情況下采取切割更換處理（更換處理需專門制定具體方案并且通過(guò)專家組論證）。

6 結(jié)語(yǔ)

在后續(xù)的頂升施工過(guò)程中由于嚴(yán)格按照制定的措施執(zhí)行，頂升工作非常順利，頂升高度由兩層逐漸提高到四層，最大頂升高度達(dá)到了一次頂升四層（強(qiáng)度等級(jí)為 C40）近16m，特別是標(biāo)高在 134m 以上的樓頂 10 根花架立柱，其層高超過(guò) 22m，由于措施到位也實(shí)現(xiàn)了一次頂升完成，整個(gè)過(guò)程十分順利。我們還及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)并制定出了《高性能混凝土生產(chǎn)及應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》來(lái)指導(dǎo)以后的工作，還就變形柱的切割更換為課題進(jìn)行了課題研究總結(jié)。

我們認(rèn)為雖然矩形柱頂升施工難度大，國(guó)內(nèi)工程實(shí)例較少，受地域原材料限制可借鑒經(jīng)驗(yàn)空白，但只要科學(xué)合理的堅(jiān)持按既定方案施工，不隨意更改方案，再簡(jiǎn)單的工序也不省略，嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真，就能獲得成功。

［通訊地址］蘭州市七里河區(qū)河灣堡西街 25 號(hào)蘭州宏建建材集團(tuán)有限公司（730050）

Steel columns deformation cause and construction control points in the construction of rectangle steel pillars self-compacting concrete jack-up

Xiao Zhaozhe, Tian Xuanhong
( Lanzhou HongJian Building Materials CO., Ltd, Gansu Lanzhou 730050)

Combined with engineering examples which will introduces C60 self-compacting concrete occurred steel pillars deformation in the construction of rectangle steel pillars structure jack-up. Analysis of causes, and summarize the construction control points and put forward prevention and treatment measures.

rectangular steel pillar; self-compacting concrete; jack-up construction; the deformation; cause

肖釗哲（1970—），工程師，長(zhǎng)期從事混凝土及水泥制品技術(shù)管理及研究工作。