超高層鋼管柱混凝土泵送澆筑施工技術(shù)應(yīng)用研究

潘德要

（廣州一建建設(shè)集團(tuán)有限公司 廣州511457）

超高層建筑是解決城市發(fā)展中土地空間日趨緊張的一種有效手段，其主要結(jié)構(gòu)方式為鋼管柱-混凝土組合結(jié)構(gòu)。超高層鋼管柱混凝土的柱芯混凝土強(qiáng)度標(biāo)號(hào)高、黏度大、澆筑高度高，采用高壓泵送，容易導(dǎo)致混凝土離析、堵管、甚至混凝土因停滯時(shí)間過長(zhǎng)而作廢，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，必須對(duì)作業(yè)方法精心選擇，合理施工，方可保證混凝土澆筑質(zhì)量與安全，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 工程概況

廣州某超高層建筑位于市中心，周邊交通人流量大，總用地面積25 102 m2，西側(cè)為38層塔樓B（高167 m），東側(cè)為58 層塔樓A（高284 m），中間為商業(yè)裙樓。塔樓A 為帶1 道伸臂桁架加強(qiáng)層的鋼管混凝土柱鋼框架+鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)，塔樓B 為鋼管混凝土柱鋼框架+鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)施工進(jìn)度，以先行施工的塔樓B 鋼管混凝土柱的混凝土澆筑施工來實(shí)例研究。

2 工程特點(diǎn)與難點(diǎn)

2.1 工程特點(diǎn)

塔樓 B 首層～38 層共有 8 根鋼管混凝土柱，2 根鋼柱間最大間距為21 m，環(huán)繞鋼管柱的周長(zhǎng)約為141 m，首層（±0.00 m）以上鋼柱頂標(biāo)高為172.4 m。

柱內(nèi)混凝土等級(jí)標(biāo)號(hào)如表1所示。

結(jié)構(gòu)樓層與層高如表2所示。

表1 鋼管柱概況Tab.1 Overview of Steel Pipe Columns

表2 結(jié)構(gòu)樓層概況Tab.2 Structural Floor Overview

現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地有限，泵車及混凝土罐車只能停在相對(duì)較近的1號(hào)鋼平臺(tái)上，距離塔樓B核心筒約70 m。

2.2 工程難點(diǎn)

⑴ 本項(xiàng)目處于廣州市中心，每天上下班高峰期7∶00～9∶00 及17∶00～19∶00 實(shí)行交通管制，此時(shí)間段內(nèi)攪拌車無法進(jìn)入供應(yīng)混凝土。

⑵ 高標(biāo)號(hào)混凝土黏度與骨料硬度大，泵送時(shí)，混凝土與泵管摩擦阻力大，且硬化速度快。

⑶ 環(huán)繞鋼管柱周長(zhǎng)141 m，在澆筑過程中，邊澆筑邊拆接泵管，臨時(shí)中斷澆筑，管內(nèi)混凝土硬化容易發(fā)生堵管。

⑷ 高拋澆筑混凝土，未振搗，存在密實(shí)度問題。

3 澆筑方案

3.1 總體思路

⑴ 經(jīng)設(shè)計(jì)確認(rèn)，先在現(xiàn)場(chǎng)按照實(shí)際施工情況，模擬25～32 層鋼管柱澆筑混凝土情況，按鋼管柱同比例制作直徑1 000 mm，高度10 m 的試驗(yàn)柱，澆筑C80 自密實(shí)混凝土，其配合比參照專利《鋼管混凝土柱針式混凝土澆筑施工方法》（專利號(hào)：ZL201310455112.1），并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，檢測(cè)合格后方可進(jìn)行塔樓B 的鋼管柱澆筑。

⑵ 現(xiàn)場(chǎng)泵管布置合理，采用高壓泵管并盡可能減少彎頭及臨時(shí)拆接泵管，現(xiàn)場(chǎng)有配備軟管接頭，勞動(dòng)力不少于12人。

3.2 試驗(yàn)柱施工與檢測(cè)

⑴ 現(xiàn)場(chǎng)選取試驗(yàn)柱場(chǎng)地，放置鋼管空心柱，封底并綁扎底基礎(chǔ)鋼筋、支模，用C30 混凝土澆筑試驗(yàn)柱底座基礎(chǔ)，注意用鋼筋燒焊扶柱固定，鋼管柱底部封底嚴(yán)密，可用薄鋼板燒焊封嚴(yán)，避免底座混凝土流入空心鋼管柱；或者用水泥砂漿原地面找平。

⑵ 空心鋼管柱放置3 根φ80 mm 超聲波檢測(cè)管，呈正三角形，如圖1所示。

圖1 超聲波檢測(cè)管Fig.1 Ultrasonic Test Tube

⑶ 采用泵送自密實(shí)混凝土澆筑，毋須振搗。現(xiàn)場(chǎng)混凝土坍落度260±30 mm；水泥用材為P·Ⅱ52.5R級(jí)，澆筑高度約10 m。澆筑管頭應(yīng)離澆筑口250～750 mm之間，避開鋼管柱的內(nèi)隔板。

⑷ 養(yǎng)護(hù)28 d 后，進(jìn)行強(qiáng)度與柱身混凝土完整性檢測(cè)：標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下C80 混凝土14 d 齡期抗壓強(qiáng)度代表值78.9 MPa，28 d齡期抗壓強(qiáng)度代表值93.0 MPa；在距鋼管柱底1 700 mm 高度處，割開鋼管柱外壁，鉆孔抽芯抗壓強(qiáng)度為88 MPa；對(duì)其他部位用回彈儀測(cè)得抗壓強(qiáng)度均在85 MPa 以上。聲波透射法柱身質(zhì)量完整性檢測(cè)結(jié)果為：柱身完整。

3.3 鋼管柱澆筑

3.3.1 泵管布置

塔樓B 泵管布置以最少彎頭管接駁為原則［1］，采用高壓泵管。

⑴ 水平泵管布置：地面部分由1 號(hào)鋼平臺(tái)接管，從塔樓西側(cè)到大約十字通道中心位置，離核心筒剪力墻700 mm。樓層面部分則從泵管孔出樓面，離核心筒剪力墻約2 500 mm，繞外樓面板最大3/5 圈，最多3個(gè)直角彎頭；剩余2/5 圈逆方向重新從出樓面泵管開始接，注意出樓面泵管要在安裝卸料平臺(tái)正面，以防泵送混凝土?xí)r，用塔吊和斗車補(bǔ)尾料。

⑵ 豎直泵管布置：在塔樓西側(cè)，大約十字通道中心位置，離核心筒剪力墻700 mm，預(yù)留300 mm×300 mm 泵管孔，與核心管泵管分開。首層水平泵管長(zhǎng)度與垂直泵管長(zhǎng)度比為70∶176＞1∶3［2］，所以可在水平管首設(shè)置截止閥。為保證安全與方便維護(hù)，本次垂直管布置在主體結(jié)構(gòu)內(nèi)的十字通道，垂直管經(jīng)過預(yù)留洞口處用木楔楔緊。具體布置如圖2所示。

圖2 泵管平面布置Fig.2 Pump Pipe Floor Plan

⑶ 泵管接入鋼柱采用在鋼柱預(yù)留的澆筑孔直插，進(jìn)入深度以接近鋼柱中心，不小于鋼柱直徑的1/3為宜，如圖3所示。

圖3 泵管接入鋼柱Fig.3 Pump Pipe Connected to Steel Column

⑷ 第2 次布管，根據(jù)施工需要，當(dāng)塔樓B 核心筒施工至38 層時(shí)，低樓層（1～10 層）已插入裝修施工，為滿足材料進(jìn)出施工工地需要，把車載泵放在塔樓B 首層?xùn)|面。這樣布管，一是方便場(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸，二是縮短了首層的水平管長(zhǎng)度。同時(shí)保留原管，以備應(yīng)急用。

3.3.2 泵送阻力

根據(jù)《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程：JGJ/T 10-2011》，混凝土泵的最大泵送阻力為：

式中：Pmax為混凝土最大泵送阻力（MPa）；L為各類布置狀態(tài)下混凝土輸送管路系統(tǒng)的累計(jì)水平換算距離（m）；△PH為混凝土在水平輸送管內(nèi)流動(dòng)每米產(chǎn)生的壓力損失（Pa/m）；Pf為混凝土泵送系統(tǒng)附件及泵體內(nèi)部壓力損失（MPa）。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況：

①樓層水平接管最大長(zhǎng)度約為：水平段77 m，有4個(gè)φ125 直角500 mm 長(zhǎng)彎頭；②首層地面水平接管最大長(zhǎng)度約為：70 m，有 3 個(gè)φ125 直角 500 mm 長(zhǎng)彎頭；③豎向向上泵管接管最大長(zhǎng)度約為：167 m，豎向向上泵管每米換算成水平長(zhǎng)度為167×4=668 m，有2 個(gè)φ125直角500 mm長(zhǎng)彎頭。

在每層的轉(zhuǎn)角處，離鋼柱約7.5 m處，設(shè)置1個(gè)“S”型［3］的彎頭，提高泵管的高度，對(duì)準(zhǔn)鋼管柱的注漿孔，亦可通過靈活擺動(dòng)“S”型彎頭，快速泵送澆筑轉(zhuǎn)角的鋼柱。此彎頭按2個(gè)直角彎頭換算水平長(zhǎng)度。

每個(gè)φ125 直角500 mm 長(zhǎng)彎頭水平換算長(zhǎng)度為12×90/90=12 m。

最大累計(jì)水平換算距離：

根據(jù)公式：

泵送效率約為15 m3/h。

求得：當(dāng)坍落度為260 mm時(shí)，

每臺(tái)泵車的泵體附屬結(jié)構(gòu)的啟動(dòng)內(nèi)耗為1 MPa，未使用管路截止閥。

現(xiàn)場(chǎng)要求攪拌站3名試驗(yàn)員必須到場(chǎng)全程監(jiān)測(cè)混凝土的坍落度，到場(chǎng)混凝土坍落度不小于260 mm，《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)：GB 50164-2011》要求自密實(shí)混凝土擴(kuò)展度不低于600 mm，每一車必須測(cè)量擴(kuò)展度，因堵管、拆換管停滯時(shí)間超20 min時(shí)，必須重測(cè)。

3.3.3 豎向泵管內(nèi)混凝土自身重力［4］

該工程天面剪力墻混凝土要求為C60。根據(jù)攪拌站提供的混凝土配合比設(shè)計(jì)報(bào)告，C40、C60 控制的平均容重為2 410 kg/m3，首層（±0）以上鋼柱頂標(biāo)高為172.4 m。重力加速度g=9.8 m/s2。豎向泵管泵送時(shí)，管內(nèi)儲(chǔ)藏混凝土，其首層彎管處的自重壓強(qiáng)為：

最大泵送壓強(qiáng)為P泵=2.09+4.07=6.16 MPa

項(xiàng)目部選用中聯(lián)重科HBT90.40.572RS 混凝土泵，最大混凝土泵送壓力（高壓/低壓）為40/20 MPa，滿足使用要求［5］。

4 質(zhì)量控制措施

⑴ 每層鋼管柱對(duì)稱開2個(gè)溢水孔（直徑2 cm、澆筑口下約300～500 mm），位置在每層樓板結(jié)構(gòu)面上10 cm。用于在澆筑時(shí)觀測(cè)混凝土的澆筑高度，以柱內(nèi)混凝土面低于溢水孔5 cm為宜。

⑵ 高強(qiáng)度混凝土坍落度低于180 mm時(shí)，運(yùn)動(dòng)黏度大，泵送阻力大，堵管風(fēng)險(xiǎn)大。所以現(xiàn)場(chǎng)施工要求高強(qiáng)度混凝土到場(chǎng)坍落度不低于260 mm，如遇接駁管、堵管等暫停泵送時(shí)，未泵完的混凝土，要重新測(cè)量坍落度，低于230 mm時(shí)，不得泵送，查明原因，明確責(zé)任。

⑶ 泵送混凝土拌合物坍落度經(jīng)時(shí)損失不宜大于30 mm/h，如有中斷泵送，應(yīng)重測(cè)坍落度、擴(kuò)展度，經(jīng)試驗(yàn)員確認(rèn)后方可繼續(xù)泵送。

⑷ 養(yǎng)護(hù)，澆筑完成8 h內(nèi)對(duì)鋼柱灌水，每隔4 h觀察鋼管柱內(nèi)水位，保持混凝土面上有5 cm左右的水。

⑸ 泵送順序?yàn)楦? 層樓板，打1 次鋼管柱，混凝土的最大自由落差高度為4.5+4.2=8.7 m。

⑹ 采用φ125A 高壓泵管［6］，壁厚為 12 mm，45Mn2合金鋼特制耐磨超高壓管道，經(jīng)特殊淬火處理，壽命比普通Q345 鋼管提高3～5 倍，管道壽命大于50 000 m3（±0 以上的高強(qiáng)自密實(shí)混凝土總方量約2 100 m3）?？ü坎捎貌怀２鹦豆艿肋B接，采用公母扣固定結(jié)構(gòu)形式，O 型密封圈密封，錐面定心，確保連接密封可靠，防止泵送時(shí)漏漿。需拆卸管道連接采用公母扣活動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，拆裝方便、O 型密封圈密封，錐面定心，確保連接密封可靠［7］。

⑺ 放料時(shí)，注意混凝土罐車的放料斗離泵車的裝料斗的距離不大于200 mm，避免泵入空氣及保持裝料斗在工作中保有至少半斗的混凝土量。泵送中斷時(shí)間超過30 min 或泵送出現(xiàn)困難時(shí)，混凝土泵應(yīng)做間隔推動(dòng)，約隔5 min進(jìn)行反泵操作［8］。

⑻ 每次泵送前應(yīng)保證鋼柱焊縫檢測(cè)合格，且超聲波檢測(cè)管已預(yù)先焊在鋼柱筒內(nèi)。

⑼ 澆筑口離鋼柱連接處應(yīng)大于400 mm，在澆筑層采用先澆筑結(jié)構(gòu)外樓板，再澆筑鋼柱芯混凝土。

⑽ 鋼管柱在進(jìn)場(chǎng)后每根鋼柱預(yù)焊3條聲波管，澆筑完鋼柱混凝土后，隔8 h后灑水養(yǎng)護(hù)，待檢測(cè)完后即可用鋼柱出廠所帶的柱孔板燒焊封堵。

5 應(yīng)急處理

一旦發(fā)生堵管，先來回反泵操作幾次，如未見效，應(yīng)重點(diǎn)檢查彎管部位，尤其檢查首層垂直段與水平段泵管處的彎頭［9］。

⑴ 先用鐵錘敲打，通過聲音判斷堵塞位置，拆開清洗后再接通泵送。

⑵ 如超過半小時(shí)，經(jīng)搶救泵管仍無法打通，則拆除垂直段泵管分別與首層、澆筑作業(yè)層的彎頭管，通過車載泵車用清水打通首層水平段泵管。

⑶ 人工用清水疏通垂直段、澆筑作業(yè)層水平段泵管。

⑷ 重新接通泵管，測(cè)量混凝土擴(kuò)展度，測(cè)試合格后方可使用。重新出同標(biāo)號(hào)砂漿，加放入2 包普通硅酸鹽水泥后，按初始方式泵送混凝土，潤滑用砂漿泵出后應(yīng)妥善回收，不得作為結(jié)構(gòu)混凝土使用［10］。

交通信息及時(shí)關(guān)注，要求攪拌站調(diào)度要及時(shí)掌握交通運(yùn)輸路線情況，避免堵車導(dǎo)致料干或泵送中斷。

6 效益

⑴ 自密實(shí)混凝土無需振搗，可節(jié)省電力，比起原先用吊料斗澆筑，可節(jié)省塔吊的使用時(shí)間，縮短工期。工人施工在樓層內(nèi)，大大減少高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

⑵ 減少了常規(guī)的頂部高拋法需搭設(shè)操作平臺(tái)的風(fēng)險(xiǎn)。

⑶ 采用聲波透射法對(duì)柱身質(zhì)量完整性檢測(cè)結(jié)果為柱身完整性合格。

⑷ 在鋼管柱內(nèi)混凝土澆筑的同時(shí)，鋼管柱吊裝工序可以往上施工，提高施工進(jìn)度，實(shí)際驗(yàn)證了該施工方法安全可靠。