超高層鋼管混凝土結(jié)構(gòu)柱芯混凝土的質(zhì)量控制

余亞斌

（廣東省城規(guī)建設(shè)監(jiān)理有限公司 廣州 510045）

0 引言

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)因其構(gòu)造特點(diǎn)，其承載力、耐火性、塑性等性能比普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)好，在超高層建筑抗震結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛。其是由混凝土與鋼管構(gòu)成的，對(duì)施工工藝和各種細(xì)部節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的處理要求高。除鋼管制作加工安裝外，澆筑到管內(nèi)的混凝土性能必須到達(dá)相關(guān)規(guī)范規(guī)定的指標(biāo)。

從以下4個(gè)方面對(duì)影響鋼管混凝土柱芯整體性能的主要因素進(jìn)行分析：①材料特性以及所使用部位；②鋼管柱結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造處理質(zhì)量（特別是梁柱節(jié)點(diǎn)選型）；③施工工藝質(zhì)量；④現(xiàn)場(chǎng)施工管理質(zhì)量［1］。常見(jiàn)內(nèi)部缺陷有：混凝土蜂窩、孔洞、氣泡、夾渣，混凝土骨料級(jí)配不連續(xù)、骨料與砂漿分層，鋼管與混凝土之間形成縫隙，梁柱節(jié)點(diǎn)處連接部位缺陷，鋼管柱內(nèi)水平、豎向構(gòu)件角部難以振搗密實(shí)，特別是管內(nèi)易產(chǎn)生縫隙，則更難控制［2-3］。如實(shí)際施工中，鋼管兼具模板作用，為高效控制混凝土的澆筑，可設(shè)置鋼筋骨架、縱向或橫向隔板、側(cè)壁栓釘、梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等構(gòu)件［1］。但是由于設(shè)置了這些構(gòu)件，加大了混凝土澆筑及振搗的難度，從而混凝土的密實(shí)性就更加難以得到保證?；炷猎牧吓渲?、運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)、澆筑、養(yǎng)護(hù)過(guò)程，以及施工管理環(huán)節(jié)等都是鋼管內(nèi)混凝土質(zhì)量問(wèn)題的潛在影響因素，控制不好極易導(dǎo)致柱芯混凝土出現(xiàn)內(nèi)部缺陷。在鋼管柱內(nèi)部澆筑柱芯混凝土屬于隱蔽工程，而鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是由內(nèi)部混凝土與鋼管共同形成，作為主要的承載結(jié)構(gòu)，實(shí)際施工中需要嚴(yán)格控制管內(nèi)混凝土的質(zhì)量［4］。尤其是超高層建筑，有必要對(duì)其承重體系所用的鋼管柱芯混凝土的全過(guò)程質(zhì)量控制進(jìn)行研究和總結(jié)。

1 工程實(shí)踐案例

1.1 廣西某大廈

廣西某大廈建筑總高度299.7 m，地面上68層，結(jié)構(gòu)的主體部分所需抵抗水平側(cè)向力顯著增大，而且樓層較高，因此選取內(nèi)部筒體+外部框架柱結(jié)構(gòu)，柱選用鋼管混凝土柱，樓板承重結(jié)構(gòu)是鋼梁+鋼筋桁架樓承板組成的受力體系。主塔樓四周外圍設(shè)置12根圓形鋼管，其半徑為0.4～0.9 m，壁厚30～50 mm，鋼材強(qiáng)度等級(jí)為Q345B，管內(nèi)混凝土等級(jí)是C60。為了更好控制混凝土質(zhì)量，沿管內(nèi)壁環(huán)每隔30 cm環(huán)向，每隔20 cm豎向布置短栓釘。鋼管柱節(jié)點(diǎn)處設(shè)置2道水平加勁環(huán)，在2塊環(huán)板間設(shè)置4塊豎向加勁板；在鋼管柱內(nèi)部，沿2.5 m設(shè)置2道水平環(huán)板。施工中起吊安裝的單根鋼管柱最長(zhǎng)不超過(guò)6.0 m。鋼管柱施工現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。針對(duì)本工程鋼管柱的施工方式，澆筑混凝土除了機(jī)械還加人工方式，混凝土為普通泵送混凝土，采用常規(guī)施工方法，如有些部位難以用機(jī)械完成的，輔以人工操作完成。

圖1 廣西某大廈鋼管柱構(gòu)件大樣及施工安裝Fig.1 Component Detail and Installation of Steel Pipe Column of a Building in Guangxi

1.2 順德某大廈

順德某大廈總建筑面積為210 000 m2，主樓230 m高，地上49層，地下3層，以下沿四周對(duì)稱布置了16根直徑1 500 mm圓形鋼管混凝土柱，管內(nèi)混凝土強(qiáng)度為60 MPa，柱標(biāo)高起-14.600 m，終于142.700 m。鋼管由滿足一定強(qiáng)度等級(jí)的鋼材焊接而成。核心筒9層及以下設(shè)置4根十字型勁性柱，鋼材強(qiáng)度等級(jí)為Q390B。鋼管柱施工現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件，鋼管柱采用長(zhǎng)4.5 m與9.0 m兩種規(guī)格進(jìn)行起吊安裝，鋼管內(nèi)部設(shè)置水平內(nèi)襯板，易造成氣泡及澆筑不密實(shí)情況，是施工質(zhì)量管理的重點(diǎn)。本項(xiàng)目由于鋼管內(nèi)部構(gòu)件對(duì)混凝土澆筑影響較少，可以采取多種混凝土澆筑方法。經(jīng)多方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，最終選用泵送自密實(shí)混凝土技術(shù)，可避免管內(nèi)混凝土振搗難、離析現(xiàn)象嚴(yán)重的問(wèn)題。

圖2順德某大廈鋼管柱節(jié)點(diǎn)連接處及現(xiàn)場(chǎng)安裝Fig.2 Joint Installation of steel pipe column of a Building in Shunde

2 柱芯混凝土的總體技術(shù)要求

混凝土配合比應(yīng)在施工前設(shè)計(jì)好，管內(nèi)混凝土強(qiáng)度至少達(dá)到C30或以上，滿足混凝土各項(xiàng)數(shù)據(jù)如流動(dòng)性、強(qiáng)度、保水性等［5］。選擇合理的澆筑方式，嚴(yán)格控制施工工藝，施工前對(duì)鋼管內(nèi)混凝土澆筑工藝進(jìn)行試驗(yàn)，形成工藝試驗(yàn)報(bào)告，并作為質(zhì)量驗(yàn)收的主控項(xiàng)目?jī)?nèi)容。同時(shí)采取可行的質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)手段，來(lái)驗(yàn)證施工方案的可行性。為了更好控制鋼管內(nèi)混凝土的澆筑質(zhì)量以及施工的方便性，應(yīng)盡可能避免有部件穿過(guò)鋼管，盡量減少鋼管內(nèi)部構(gòu)件對(duì)澆筑混凝土的不利影響。

2.1 混凝土材料的選擇

超高層建筑，混凝土施工必須編制專項(xiàng)施工方案，并采取減小收縮的技術(shù)措施。由于鋼管內(nèi)振搗混凝土難度大，并且普通混凝土難以充盈到每個(gè)角落，需研究工程特點(diǎn)選用適合在鋼管內(nèi)自動(dòng)充盈的混凝土，減少或無(wú)需振搗，施工方便簡(jiǎn)捷，大幅減少人工操作，節(jié)省時(shí)間。如果是普通混凝土，則需要分段澆筑并振搗；且在澆筑過(guò)程中需用溜槽或?qū)Ч艿却胧┻M(jìn)行下料，以免混凝土分層離析，穿插人工振搗。超高層建筑混凝土的選擇，有時(shí)還需要結(jié)合超長(zhǎng)、超高泵送施工技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)應(yīng)滿足不同澆筑方法的技術(shù)要求［6-7］。

2.2 鋼管混凝土澆筑方法

鋼管混凝土施工方案較多，需結(jié)合工程特點(diǎn)加以選用，主要分析以下3種。

2.2.1 泵送頂升澆筑法

基本的施工順序：鋼管底部開進(jìn)料孔?安裝進(jìn)料輸送管（帶止流閥門）并就位后?與泵車輸送管連通并將混凝土向上逆頂。該方法不需要搭設(shè)腳手架，操作簡(jiǎn)便安全，降低高空作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)，減少高空作業(yè)帶來(lái)的勞動(dòng)力投入?；炷聊軌蚩焖偈┕げ⒂捎陧斏龎毫Χ_(dá)到振搗效果，所以無(wú)須振搗［8］。

2.2.2 立式手工澆筑法

是將混凝土從鋼管上部通過(guò)溜槽或?qū)Ч芄嗳?，利用人工操作振搗器來(lái)振搗管內(nèi)的混凝土。為了防止管底部混凝土出現(xiàn)骨料與砂漿混合不均勻出現(xiàn)爛根現(xiàn)象，需先鋪設(shè)一定厚度的同配合比的砂漿。由于柱子有一定高度，澆筑需分層，并控制層厚進(jìn)行澆筑。分層澆筑嚴(yán)格按照要求進(jìn)行，在規(guī)定的施工時(shí)間內(nèi)完成［1-2］。

2.2.3 高位拋落無(wú)振搗法

自密實(shí)混凝土從管頂向下澆筑，利用自身從高位落下時(shí)的動(dòng)能，達(dá)到充滿鋼管柱并密實(shí)的目的。當(dāng)拋落高度小于4.0 m高度時(shí)，拋落動(dòng)能難以保證混凝土密實(shí)，仍需要采用振搗手段［1-2］。

2.3 施工縫處理

由于施工組織或者現(xiàn)場(chǎng)情況而導(dǎo)致混凝土不能一次性完成，為了后續(xù)部位施工順利需設(shè)置施工縫。等施工條件達(dá)到允許后續(xù)部位混凝土施工時(shí)，先處理施工縫，如清理浮渣、剝落石塊、清洗干凈并澆水濕潤(rùn)。新混凝土澆筑并終凝后在管內(nèi)混凝土面層上蓄水5～10 cm進(jìn)行封口養(yǎng)護(hù)。

3 柱芯混凝土的全過(guò)程質(zhì)量控制要點(diǎn)

3.1 設(shè)計(jì)過(guò)程質(zhì)量控制

3.1.1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

混凝土應(yīng)采取減小收縮的技術(shù)措施，如配合比在設(shè)計(jì)過(guò)程中，嚴(yán)格控制水泥的品種及用量、砂與石子的大小及雜物含量，水的類別及用量、外加劑和摻合料的用量。

3.1.2 梁柱節(jié)點(diǎn)型式選擇

梁板結(jié)構(gòu)體系的選擇方面，框架結(jié)構(gòu)體系的框架柱如是鋼筋混凝土柱，那么梁則可以是現(xiàn)澆的鋼筋混凝土梁，也可以是鋼梁。如框架柱是由鋼管和混凝土組合而成的鋼管柱時(shí)，框架梁則可以選擇鋼-混凝土組合梁。柱與梁接頭處的型式還受鋼管柱的豎向變截面處理及直徑的大小等情況的影響。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)體系以及柱梁情況，選擇合適的梁柱節(jié)點(diǎn)型式，這樣才能把結(jié)構(gòu)的整體承載能力和使用狀態(tài)以及后續(xù)施工成本控制在可接受范圍［9］。

梁柱節(jié)點(diǎn)受力可靠性方面，在選擇梁板結(jié)構(gòu)體系時(shí)，結(jié)構(gòu)工程師還需清楚分析相匹配的梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土的極限開裂破壞模式、力的傳遞路徑。

管內(nèi)混凝土與管壁之間是否能夠壓緊不分離，在設(shè)計(jì)階段必須重視并制定相應(yīng)的解決方案。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，鋼管混凝土柱施工常遇到的影響柱整體質(zhì)量的因素有：①混凝土振搗不足，混凝土后期的徐變都會(huì)致使混凝土與鋼管內(nèi)壁產(chǎn)生縫隙。隨著混凝土收縮或開裂，使縫隙進(jìn)一步加寬，那么鋼管與混凝土便得不到最好的協(xié)作性能，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體承載能力趨向降低；②隨著軸壓比與鋼管初應(yīng)力的加大，節(jié)點(diǎn)整體的極限承載力也降低。綜上分析，上述2個(gè)因素在梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程中必須加以考慮。

設(shè)計(jì)還應(yīng)合理分析梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域的鋼筋排布［10］。組合結(jié)構(gòu)由于鋼筋與型鋼都占據(jù)一定位置，故梁柱節(jié)點(diǎn)鋼筋密集，如何合理的排布鋼筋及鋼骨，使得結(jié)構(gòu)受力合理同時(shí)又方便施工，一直是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。例如：鋼梁貫通式節(jié)點(diǎn)，宜應(yīng)用在鋼管柱直徑較大、梁寬較小情況下，利于混凝土澆筑。內(nèi)部設(shè)置環(huán)行隔板時(shí)，應(yīng)考慮實(shí)際施工出現(xiàn)氣泡、澆筑不密實(shí)的技術(shù)解決方法。

3.1.3 嚴(yán)格控制鋼管與混凝土間的脫空

混凝土隨著時(shí)間推移產(chǎn)生收縮，而收縮會(huì)造成體積減少?gòu)亩鴮?dǎo)致與鋼管內(nèi)壁產(chǎn)生縫隙即鋼管與混凝土之間脫空，會(huì)進(jìn)一步對(duì)兩者之間的協(xié)同受力產(chǎn)生影響。鋼管規(guī)格越大，混凝土與管壁接觸面積越大。隨著混凝土體積變小，管壁接觸面的混凝土剝落也越來(lái)越多，進(jìn)一步導(dǎo)致縫隙發(fā)展得越來(lái)越快，常規(guī)的措施主要是在鋼管內(nèi)：側(cè)壁設(shè)置栓釘、設(shè)置鋼筋籠、分倉(cāng)等［11］。

3.2 施工過(guò)程質(zhì)量控制

根據(jù)項(xiàng)目的具體要求、施工環(huán)境、結(jié)構(gòu)體系及材料特點(diǎn)進(jìn)行混凝土配合比的計(jì)算，鋼管內(nèi)混凝土的強(qiáng)度至少在C30以上。可以委托第三方混凝土生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行此項(xiàng)工作，必須做好全程監(jiān)管工作。

對(duì)于鋼管內(nèi)混凝土澆筑工藝，一般在施工現(xiàn)場(chǎng)按相應(yīng)比例制作鋼管混凝土柱進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。重點(diǎn)通過(guò)節(jié)點(diǎn)區(qū)域和非節(jié)點(diǎn)區(qū)域檢測(cè)、空洞及不密實(shí)區(qū)域檢測(cè)、混凝土與鋼管壁脫空檢測(cè)等，來(lái)驗(yàn)證施工工藝和方法，為正式施工制定技術(shù)指導(dǎo)文件。并形成鋼管內(nèi)混凝土澆筑工藝試驗(yàn)報(bào)告，這也是質(zhì)量驗(yàn)收的主控項(xiàng)目?jī)?nèi)容。

針對(duì)混凝土與鋼管壁脫空問(wèn)題，隨著時(shí)間推移，終凝前后鋼管約束混凝土外漏但無(wú)法約束混凝土收縮，體積變小便與管壁有間隙，除了要在原材料選取時(shí)考慮此問(wèn)題，還必須選用合適的施工解決方案。

施工應(yīng)重視水平環(huán)行隔板和內(nèi)襯板處的混凝土質(zhì)量控制。由于鋼管豎向?qū)訒r(shí)需要設(shè)置水平環(huán)行隔板和內(nèi)襯板等構(gòu)造，這在混凝土澆筑時(shí)，容易造成隔板下混凝土出現(xiàn)空隙，且易造成氣泡等澆筑不密實(shí)情況。

施工應(yīng)防范混凝土通病問(wèn)題。鋼管內(nèi)的混凝土?xí)霈F(xiàn)不密實(shí)、蜂窩、離析等質(zhì)量通病問(wèn)題，對(duì)于這些通病問(wèn)題，要提前做好預(yù)防通病問(wèn)題施工方案，從施工源頭開始防范，杜絕問(wèn)題產(chǎn)生，保證柱芯混凝土的密實(shí)性。

綜上所述，嚴(yán)格控制鋼管混凝土應(yīng)當(dāng)從源頭開始，如組成混凝土各材料的比例、澆筑方式的合理確定以及施工工藝流程的監(jiān)控等措施，除了上述3個(gè)措施，還可以附加實(shí)時(shí)檢測(cè)鋼管混凝土的實(shí)體質(zhì)量。

3.3 監(jiān)理過(guò)程質(zhì)量控制

混凝土施工前，監(jiān)理人員需要對(duì)進(jìn)場(chǎng)混凝土的送料單進(jìn)行檢查，并按設(shè)計(jì)配合比要求核對(duì)進(jìn)場(chǎng)混凝土配合比，同時(shí)確認(rèn)其強(qiáng)度等級(jí)是否滿足要求。避免混凝土未澆筑完就開始初凝，所以監(jiān)理人員需要對(duì)混凝土攪拌站發(fā)車時(shí)間進(jìn)行檢查，并計(jì)算其在路上時(shí)間來(lái)確定混凝土必須在多少時(shí)間內(nèi)澆筑完畢。

施工過(guò)程中，如果施工人員不按相關(guān)要求進(jìn)行作業(yè)，甚至是違反基本操作規(guī)程，監(jiān)理人員應(yīng)該督促其改正。為了過(guò)程質(zhì)量得到更好控制，可劃分相應(yīng)的施工段和工序進(jìn)行細(xì)化管理。除了過(guò)程控制還應(yīng)進(jìn)行澆筑后混凝土的保養(yǎng)及拆模后的實(shí)體質(zhì)量監(jiān)測(cè)，拆模后鋼管柱的質(zhì)量必須滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求。

監(jiān)理人員在監(jiān)督過(guò)程中，如發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)質(zhì)量事故或問(wèn)題時(shí)，應(yīng)當(dāng)組織相關(guān)的責(zé)任單位進(jìn)行分析研究并找出相應(yīng)的解決方案，如有必要可以組織相關(guān)專家進(jìn)行分析，并形成相應(yīng)的施工方案。

3.4 檢測(cè)過(guò)程質(zhì)量控制

施工過(guò)程的質(zhì)量控制很重要，工程完工后進(jìn)行的工程驗(yàn)收是質(zhì)量管控的最后一道關(guān)卡，所以也是十分重要。因此對(duì)實(shí)體工程的驗(yàn)收必須輔以多種方式進(jìn)行，如利用檢測(cè)儀器進(jìn)行混凝土質(zhì)量檢測(cè)，檢測(cè)內(nèi)容包括混凝土的強(qiáng)度測(cè)定、鋼管柱完成性檢測(cè)、柱承載力檢測(cè)等［12］。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法除敲擊法、超聲波法（徑向?qū)y(cè)）外，對(duì)于大直徑的鋼管混凝土，鉆芯法和超聲波法（預(yù)埋聲測(cè)管）是可靠的混凝土質(zhì)量檢測(cè)方法［2］。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼管內(nèi)柱芯混凝土的質(zhì)量好壞，涉及到超高層建筑的安全性、使用年限等關(guān)鍵影響因素。本文對(duì)超高層鋼管混凝土結(jié)構(gòu)柱芯混凝土的全過(guò)程質(zhì)量控制進(jìn)行了系統(tǒng)全面的研究總結(jié)，得出以下主要結(jié)論：

⑴柱芯混凝土配合比、現(xiàn)場(chǎng)混凝土澆筑方法，和一些重要工序的施工工藝要求，需要經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)澆筑工藝試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，并應(yīng)形成鋼管內(nèi)混凝土澆筑工藝試驗(yàn)報(bào)告，用于指導(dǎo)施工。

⑵應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件、工程特點(diǎn)，企業(yè)施工技術(shù)水平及施工機(jī)械情況選取最合適的混凝土施工方案，多借鑒已有的成熟應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

⑶梁柱節(jié)點(diǎn)型式主導(dǎo)了節(jié)點(diǎn)處混凝土澆筑的難易程度，當(dāng)貫穿鋼管構(gòu)件較多時(shí)，梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，其施工質(zhì)量控制也是非常主要的關(guān)鍵點(diǎn)。

⑷鋼管與混凝土間脫空問(wèn)題是全過(guò)程必須關(guān)注的問(wèn)題，設(shè)計(jì)、施工等都應(yīng)該對(duì)全過(guò)程質(zhì)量控制提出相應(yīng)的技術(shù)解決方案。

⑸目前的檢測(cè)手段還難以有效解決一些混凝土質(zhì)量缺陷問(wèn)題。如：橫向構(gòu)件（柱身和節(jié)點(diǎn)處橫向水平構(gòu)件）下的死角位置混凝土澆筑質(zhì)量的控制，還是需要精細(xì)的施工管理方法和隱蔽工程驗(yàn)收程序來(lái)彌補(bǔ)檢測(cè)手段的不足。

隨著混凝土施工技術(shù)的不斷發(fā)展，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的常規(guī)問(wèn)題不斷被克服，會(huì)更加廣泛地應(yīng)用于超高層建筑。希望本文的研究與總結(jié)，能為同類工程項(xiàng)目提供切實(shí)可行的借鑒與建議。