鋼管混凝土疊合柱在湖州東吳國際廣場的應用

為滿足建筑物的剛度、強度及抗震性能,高層特別是超高層建筑中越來越多地采用鋼管混凝土疊合柱。鋼管混凝土疊合柱是在鋼筋混凝土柱的截面中部設置鋼管混凝土的一種疊合構件,在我國已形成自主開拓的一種結構體系,它較鋼管混凝土和鋼骨混凝土(型鋼混凝土)柱具有更優(yōu)良的抗壓性能和抗震性能。設計采用鋼管混凝土疊合柱既可減少柱子斷面而節(jié)約空間,又能滿足建筑物的剛度、強度及抗震性能,減少對鋼管防腐的使用成本,增強鋼管的防火性能。本文結合浙江省湖州市東吳·國際廣場龍鼎大廈工程,對鋼管混凝土疊合柱中鋼管的制作、焊接、安裝和鋼筋綁扎以及柱模板加固、混凝土澆筑等施工技術進行論述。

1 工程概況

湖州東吳·國際廣場龍鼎大廈工程,主塔樓地上51層,地下2層,最大建筑高度288 m,工程總建筑面積約180 000 m2。工程主樓地下室為樁承臺筏板基礎,工程樁為φ1 400、φ1 500嵌巖鉆孔灌注樁。主塔樓結構形式為框架-筒體結構,由筒體及四周共20個鋼管混凝土疊合柱組成。工程地下2層至地上7層框架柱為鋼管混凝土疊合柱,混凝土強度為C70；鋼管混凝土柱截面尺寸為1 400 mm×1 400 mm, 鋼管柱截面尺寸為Φ1 000 mm×28 mm,鋼管總用量約為720 t。勁性鋼管柱安裝于主樓地下室樁承臺筏板基礎頂面,上部根據樓層高度每兩層一節(jié),逐節(jié)接至第7層(38.950 m)。在樓層框架梁鋼筋綁扎完成后,鋼管內的混凝土澆筑至樓層結構面標高以上1 000 mm,鋼管外側混凝土與樓層梁板混凝土同時澆筑至樓層結構面標高。

2 工程設計特點及施工難點

1)本工程鋼管混凝土疊合柱截面尺寸為1 400 mm×1 400 mm,混凝土為C70高性能混凝土,其強度高、延性大、抗震性能優(yōu)異；外包普通鋼筋混凝土,既提高柱的承載力和減少柱的截面尺寸,又無須再對鋼管柱進行防火處理,減少了工程造價。

2)該結構類型配置中心混凝土是關鍵,中心混凝土量占整個混凝土量的1/3,所承擔的軸力為3/4。配置C70高性能混凝土難度較大,并且對混凝土密實度、收縮性要求較高。所以，在此高強度混凝土施工時,試塊、試模、驗收等方面均非常重要。

3)結構梁跨度大,鋼筋直徑粗,須在鋼管柱上開孔,鋼管柱開孔的標高、位置、洞口大小等須嚴格按要求控制,并且應盡量減少鋼筋根數。

4)本工程設計鋼管柱兩層一節(jié),混凝土澆灌高度大；鋼管柱內及外側混凝土下料、振搗難度大。

工程結構平面及疊合柱配筋見圖1、圖2。

圖1 疊合柱配筋

圖2 工程結構平面布置圖

3 施工順序

本工程施工流程如下：基礎埋設高強螺栓→鋼管起吊→鋼管就位螺栓初擰→垂直度初步校核→螺栓終擰、垂直復核→會審安裝測量記錄、確定焊接順序→焊接完成垂直度測量校對→校正驗收→鋼管外柱筋綁扎及框架柱模板安裝→安裝梁底模→綁扎梁鋼筋→安裝梁側模及樓面模板→綁扎樓板鋼筋及上部結構插筋→鋼管內C70混凝土澆筑→澆筑鋼管外框架柱及梁板混凝土。

4 施工要點及技術措施

4.1 鋼管柱的制作及安裝

4.1.1 鋼管的制作

1)本工程鋼管采用Φ1 000 mm×28 mm,鋼管在專業(yè)廠家制作,并經檢驗合格。鋼板必須平直,并有出廠證明及試驗報告,卷制鋼管的鋼板焊接采用CO2氣體保護焊。鋼管卷管方向前應與鋼板壓延方向垂直,Q345鋼卷管內徑不應小于鋼板厚度的40倍。卷制鋼管前應根據要求將板端開好坡口,坡口端應與管軸嚴格垂直。卷管過程中,應保持管端平面與管線垂直?？紤]到現(xiàn)場安裝的實際要求,在鋼管柱的連接端頭設有臨時連接件,臨時連接件采用Q235鋼,具體做法見圖3。

圖3 鋼管柱連接端頭臨時連接

2)鋼管穿筋孔的開設：開設鋼筋孔時,需要采用CAD精確定位放樣。鋼管管壁上開孔位置應考慮節(jié)點不同主向梁縱向鋼筋標高的差異,同時應滿足：開孔孔徑D=d+13 mm(d為鋼筋直徑),鋼管上下排之間的預留孔中心距離為2D,預留孔之間的水平距離一般大于3D,預留孔邊距鋼管邊大于3D。應在鋼管外壁準確定出鋼管十字中心線,彈出墨線作基線,根據圖中尺寸用鋼皮尺沿鋼管壁上下定出各鋼筋中心點,兩點連線。再根據立面圖中各排鋼筋中點距梁上下邊線的尺寸,在鋼管外壁上定出各鋼筋中點,復核無誤后打眼。

4.1.2 鋼管柱的吊裝及就位

1)柱吊裝前準備：待現(xiàn)場檢驗合格,堆放及行車路線確定后,即檢查預埋板、預埋螺栓的軸線位置(允許偏差5.0 mm)、平整度、標高,待檢查、測量合格后,用基礎螺母(柱底下)擰到預埋螺栓上,用水準儀或經緯儀把基礎螺母調平至同一水平,并加以適當固定。

柱按編號分別運至確定位置并按規(guī)定擺放,擺放位置是其柱腳中心應基本與基礎面中心形成一個同心弧,柱應適當墊高200～300 mm并準備好適當規(guī)格的方木。柱吊裝前應再次檢查柱的各種基準點,吊(捆扎)點以及表面是否有損壞和污垢,確認無誤后才能捆扎和吊裝。

2)鋼管柱的吊裝就位：鋼柱由專業(yè)鋼構公司經過分段制作后運到現(xiàn)場,采用主塔樓核心筒內安裝的QTZ315內爬式塔式超重機進行單機回轉法吊裝,能夠滿足現(xiàn)場鋼管柱卸車及安全吊裝要求(本工程單根鋼柱最大重量約為8.3 t)。

鋼柱吊裝前應先將鋼爬梯臨時固定在柱頂,并且將爬梯底部用繩索固定在鋼管柱底部。吊點綁扎方式為兩點綁扎,綁扎位置為通過卡環(huán)連接在耳板上,鋼柱吊裝用的兩根短頭應掛設在兩個基本處于水平面的吊耳上，以免起吊過程中一根吊索受力引起柱身翻滾?，F(xiàn)場采用單機回轉法起吊,起吊前鋼柱應橫放在枕木上,起吊時不得使鋼柱在地面上有拖拉現(xiàn)象,鋼柱起吊必須距地面2 m以上才可以回轉。鋼柱吊裝示意圖見圖4。

圖4 鋼柱吊裝示意圖

鋼柱提升就位后,利用連接板連接柱段端頭的耳板進行鋼柱臨時固定。鋼管柱就位以后操作人員通過鋼爬梯上至鋼管柱頂端進行摘鉤,摘鉤人員安全帶應掛在鋼柱耳板之上,不允許將安全帶直接掛在吊鉤上。吊裝過程中,要盡量避免鋼柱在地面拖動,不得歪拉斜吊。

3)鋼管柱現(xiàn)場對接焊接

連接件安裝校正完畢后,應根據實測垂偏結果來確定焊接順序,并按設計要求(全熔透坡口焊)進行焊接。本工程柱與柱的對接焊接采用兩人對稱焊接,焊接的形式為CO2氣體保護焊,焊絲采用LXQ-506,焊機為2臺KR(Ⅱ)-500(CO2)。氣體保護焊的焊縫引出長度應大于25 mm,在保證焊透的前提下采用小角度、窄間隙焊接坡口,采用小焊縫、多道多層的方法以減小收縮量,同時保證焊縫的長度和焊腳高度以符合設計要求,做到邊焊接邊檢查。焊完板厚的1/3方能停焊,且嚴格做好后熱處理,再進行保溫處理。

焊接完成后,首先清理表面的熔渣及兩側的飛濺物,隨后進行焊縫檢驗,檢驗方法按照《鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范(GB 50205—2001)》進行。本工程鋼管柱連接焊縫為全熔透焊縫,要求達到一級焊縫的規(guī)定。

4.2 鋼管疊合柱鋼筋、模板及混凝土施工

4.2.1 鋼筋施工

鋼管疊合柱梁柱節(jié)點區(qū)的鋼筋較為復雜,特別是梁的鋼筋安裝(圖5)。

1)柱鋼筋安裝 設計柱縱向鋼筋為Φ25～32的HRB400級鋼筋,均采用機械直螺紋接頭,這種連接方式不受天氣、環(huán)境影響,施工速度快且連接可靠；箍筋為Φ14HRB335級鋼筋,鋼管外側焊有栓釘,且柱弧形箍筋末端設有135°彎鉤。

柱縱筋連接接頭以下拉筋制作時一端彎鉤為135°,另一端彎鉤為90°,綁扎時交錯設置,最后用鋼筋扳手將90°彎鉤調整到135°。連接接頭以上部位,先將4個柱角部位及每個弧形拉筋一端的柱筋進行機械連接接長,箍筋安裝時一端勾住已連接好的縱筋,另一端綁扎定位到待安裝主筋位置,拉鉤筋交點用扎絲綁扎,保持后安裝縱筋部位彎鉤上下一致。將后安裝的縱筋由拉勾內側自上而下穿過每道拉勾鋼筋,用扳手將絲頭擰緊,將所有縱筋、箍筋位置整理后用扎絲綁扎固定。

2)梁鋼筋安裝 梁鋼筋采用Φ22～36 HRB400級鋼筋,所有接頭均采用滾軋直螺紋機械連接。根據設計要求,接頭位置設置在受力較小的部位,不宜設置在框架梁端的箍筋加密區(qū)范圍內。同一連接段的接頭面積率小于50%。本工程主框架梁截面較大,梁寬為400～1 200 mm,梁高1 000～1 600 mm,梁底模支設后即進行梁鋼筋的綁扎安裝工作,最后支設梁側模。梁鋼筋施工工藝為：梁底筋自下而上穿鋼管孔、直螺紋機械連接→梁面筋自下而上穿鋼管孔、直螺紋機械連接→梁箍筋就位→穿梁腰筋→綁扎梁底筋、腰筋、面筋→拆除梁鋼筋支承架體。

圖5 鋼管疊合柱梁柱節(jié)點區(qū)的鋼筋

4.2.2 模板施工

柱模板安裝與普通墻柱、梁板安裝基本相同,只是由于框架柱內有鋼管,不能隨意采用對拉螺桿的辦法在型鋼上開孔對模板進行加固。本工程柱外圍最大尺寸為1 400 mm×1 400 mm,支撐高度最大為6.3 m。柱模采用18 mm厚膠合板,外豎楞為50 mm×100 mm木方,間距200 mm,圍檁采用Φ48 mm雙鋼管,沿柱高度布置,間距400 mm,每道圍檁中間設2根Φ14對拉螺栓,螺桿兩頭均設螺紋(圖6)。在加工廠按規(guī)定間距在鋼管外側壁上焊接加長螺母,模板相應位置留孔。模板安裝前用扳手先將螺桿擰進螺母,調整方向,模板套裝后背木方次楞和鋼管主楞加固。混凝土澆筑完成拆模后用切割機切除外露螺絲。

圖6 柱模板安裝示意圖

4.2.3 柱混凝土澆筑

本工程鋼管內外混凝土均為高強C70混凝土,鋼管柱混凝土澆筑分兩次進行：第一次先澆筑管內混凝土；第二次將箍筋柱縱向主筋安裝完畢,外側模板支設完畢后,再澆筑鋼管外混凝土。

鋼管現(xiàn)場就位安裝校核(對接焊接)完成即可進行鋼管內混凝土澆筑。鋼管內的混凝土應具有高強、低收縮、低徐變、高彈性模量及良好的泵送性,不發(fā)生泌水現(xiàn)象。鋼管內混凝土采用補償收縮混凝土,鋼管柱的混凝土采用立式手工澆搗法,采用專用移動式鋼制活動操作平臺,安裝于鋼管柱頂,即混凝土采用料斗利用塔吊吊至空中,由鋼管上口灌入, 采用混凝土內部振搗器(振動棒)搗實?；炷琳駬v采用定制加長管(14 m)振搗棒,采用商品混凝土,混凝土配合比中摻入適量的HEA混凝土膨脹劑和減水劑(控制在7～10 h),混凝土坍落度不小于150 mm,混凝土的現(xiàn)場運至采用泵送輸送或用塔吊運至澆筑點, 混凝土澆灌高度為5～6 m,按每次下料500 mm控制,每次振搗時間不少于30 s,混凝土澆灌工作連續(xù)進行,必須間歇時,間隙時間不應超過混凝土的初凝時間, 留設施工縫時, 應將管口封閉,防止水、油和異物等落入管內。

為避免混凝土離析,鋼管內混凝土不能直接采用高拋方式下料,需設Φ200 mm的串筒下料,管內混凝土澆筑到樓面結構標高向上1 000 mm處。鋼管外混凝土采用免振自密實混凝土,為確保施工質量,澆筑時采用專用(定制)振動棒進行插搗。

5 結 語

通過充分的專家論證及現(xiàn)場采取各項施工技術措施,使得東吳·國際廣場工程大直徑鋼管混凝土疊合柱結構得以優(yōu)質高效地順序實施,為實現(xiàn)優(yōu)質結構的質量目標打下了堅實的基礎,取得了較好的社會效益與經濟效益。