钢管束是由若干U型钢或U型钢与矩形钢管、钢板拼装组成的具有多个竖向空腔的结构单元, 形式有一字形、L形、T形、工字形、十字形等。在钢管束中浇筑混凝土, 可形成钢管混凝土束剪力墙构件。当前对钢结构抗侧力体系的研究热点主要集中在各种连接形式连接的组合钢板剪力墙上, 例如栓钉连接形式、加劲板连接形式、格构连接形式的组合钢板剪力墙等^[1,2,3]。

　　 与钢管混凝土柱一样, 钢管混凝土束剪力墙结构在施工过程中, 需要先竖立钢构件再进行内部混凝土的灌注, 对混凝土的流动性要求高。浇筑过程中, 关键是要使混凝土稳定地在两块钢板之间流动, 并控制混凝土的流向, 以保证混凝土浇筑质量。

　　 本文通过对钢管混凝土束剪力墙的混凝土灌注试验, 考察浇筑普通混凝土后, 钢管束内的混凝土成型质量和浇筑过程中混凝土的侧压力对钢管的影响。

　　 试验设计1个试件, 钢材的材质为Q235B, 采用的U型钢规格为U130×240×4, 每个钢管高厚比为60。墙体试件厚度为130mm, 宽度964mm (4个U型钢) 。钢管与钢管之间焊接熔深3mm。每个钢管之间完全隔绝, 无孔洞。

　　 图1为试验试件尺寸和测点位置图。试件总高度为9m, 在3m和6m高处开圆孔, 并在浇筑混凝土前穿入钢筋, 用以模拟实际工程中楼板的钢筋, 钢筋间距为140mm或100mm。钢筋采用HRB335, 共需要32根, 钢筋长度150mm, 直径12mm, 插入预留孔后进行点焊固定。采用M24膨胀螺栓将试件与混凝土地面进行固定。

　　 图1 试验试件尺寸和测点位置

　　 通过有限元分析, 混凝土浇筑过程中对钢管产生的施工应力都在弹性范围内, 且以前研究者对钢管中浇筑混凝土的应力分析和相关试验已经很充分, 本文不再进行相关测量, 重点测量钢管的变形。因此, 沿着钢管束试件高度, 在距离试件基座300mm处的钢管壁中部位置设置测点, 现场采用百分表测量每个钢管在浇筑混凝土作用下的变形。一面设置4个测点 (点1、点3、点4和点5) , 另一面对称于测点1的位置设置测点2, 共5个测点。图2为测点位置实际百分表的安装。

　　 图2 测点百分表的安装

　　 钢管内混凝土采用C30普通混凝土。根据高层建筑泵送普通混凝土和高抛法的要求, 设计混凝土坍落度为160mm (普通泵送混凝土常用坍落度为100～140mm) 。为避免因混凝土粗骨料粒径过大导致高抛过程中水泥和粗骨料产生分离, 并保证粗骨料易于通过钢筋间的空隙, 要求粗骨料最大公称粒径不大于25mm (普通泵送混凝土粒径最大不超过40mm) 。

　　 采用汽车吊将试件吊装就位, 用4根揽风绳从两面固定钢管束, 并安装M24膨胀螺栓。采用两台汽车吊, 分别吊起施工吊篮和漏斗。吊篮内有两个施工工人, 分别控制漏斗位置和漏斗下部出料口开关。漏斗下部仅有一个出料口, 可对准每个钢管束腔体。

　　 模拟实际施工时的浇筑顺序, 从端部钢管1开始向墙体另一端逐个钢管腔体进行浇筑。浇筑方法采用高空抛落免振捣法 (图3) 。

　　 从浇筑现场钢管管壁变形过程可以得出如下结论, 往钢管浇筑混凝土对与其紧邻空钢管造成的影响较小, 未测出与其紧邻空钢管的变形量。浇筑管2的混凝土时, 造成管1的变形回缩量为0.3mm;浇筑管3的混凝土时, 造成管2的变形回缩量为0.29mm。故往钢管浇筑混凝土时会造成与其紧邻的已灌注混凝土的钢管管壁变形减小, 但不会对其他已灌注混凝土的钢管产生影响。由于管1采用端板封闭, 相当于方管, 端板对钢管壁约束作用最大, 浇筑管1的混凝土时, 管1产生的瞬时最大变形为0.59mm (混凝土灌注过程中, 每隔1.5mm灌注高度记录一次百分表的读数, 重点记录钢管内混凝土浇筑到3, 6, 9m位置时百分表的读数, 取这些读数的最大值, 即为瞬时最大变形) , 其他管壁受约束作用相对较弱, 往钢管内浇筑混凝土时产生的瞬时最大变形为0.66～1.03mm。

　　 从图4的钢管管壁变形与时间的关系曲线可以看出, 随着混凝土浇筑完成时间的增加, 每个钢管管壁变形量逐渐减小, 4.5h后, 最大减小量为0.28mm (管1) , 0.34mm (管2) , 0.35mm (管3) , 0.38mm (管4) 。

　　 根据相关规定, 水泥初凝时间不得早于45min, 终凝时间不得迟于10h。混凝土的终凝时间与水泥终凝时间不同, 一般为5～8h。因此, 可以看出, 混凝土从流态转变为固态的过程中, 随着时间的推移钢管管壁侧压力会逐渐消散。4.5h后钢管管壁的最大变形为0.69mm (管2) 、最小变形为0.31mm (管1) , 平均变形为0.45mm, 此时混凝土仍然没有完全凝固。由于试验天气等其他条件的限制, 4.5h后, 没有进一步测量变形, 但可以推测其变形量将进一步减小, 直到混凝土完全凝固。

　　 沿试件高度方向上, 每隔3m设置间距100mm的钢筋。混凝土浇筑过程顺利, 混凝土自由下落, 钢筋网未对混凝土形成较大阻碍。从图5可以看出, 试验结束后, 剖开钢板, 钢筋部位混凝土成型良好, 未产生缺陷。证明此处设置钢筋不会影响混凝土施工浇筑和混凝土成型质量。

　　 将钢管混凝土束剪力墙的钢板剖开, 依据《混凝土结构工程施工质量验收规范》 (GB 50204—2002) 进行混凝土表观质量检查。结果如下:

　　 (1) 未发现存在裂缝 (缝隙从混凝土表面延伸至混凝土内部) 。

　　 (2) 未发现存在夹渣 (混凝土中夹杂物深度超过保护层厚度) 。

　　 (3) 未发现外表缺陷 (表面麻面、掉皮、起砂、沾污) 。

　　 (4) 未发现疏松 (混凝土局部不密实) 。

　　 (5) 发现存在孔洞 (混凝土中孔穴深度超过15mm) 。从图6 (a) 中圈内可以看到, 两个钢管内混凝土的表面各存在一个长度约12cm、宽度约3cm、深度约4cm的长条形孔洞。从图6 (b) 中圈内可以看到, 一个钢管内混凝土的表面有两个深度约4cm的点状孔洞。

　　 (6) 未发现外形缺陷 (缺棱掉角、棱角不平、翘曲不平、飞边凸侧) 。从图7可以看出, 混凝土表面平整, 特别是在钢管弯弧处, 混凝土成型为弧形, 没有掉角或空隙, 说明未经振捣, 混凝土可以以钢板为模板, 养护成型;混凝土与钢板贴紧在一起。图7中有一些混凝土的损坏是由于火焰切割钢板时, 混凝土受热产生的。

　　 (7) 发现有蜂窝 (混凝土表面缺少水泥砂浆而形成石子外露的现象) 。从图8可以看出, 距试件顶部0.2～1m处, 1个钢管的中部出现长度约500mm、宽度50mm的蜂窝 (石子外露, 砂子少量聚集, 无水泥浆) ;距试件顶部3～3.5m处, 1个钢管的中部出现长度约400mm、宽度80mm的蜂窝 (石子没有外露, 砂子大量聚集, 无水泥浆) ;距试件顶部6～6.5m处, 4个钢管的中部或边部均出现长度约400mm、宽度50mm蜂窝 (石子没有外露, 砂子聚集, 无水泥浆) 。

　　 图8 混凝土的蜂窝

　　 普通混凝土结构产生蜂窝现象主要有以下原因:混凝土和易性差, 振捣不密实;混凝土下料不当, 一次下料过多或过高, 使石子集中, 造成砂浆和石子离析;振捣不密实或靠近模板处漏振, 或下料和振捣未很好配合, 未及时振捣就下料;模板缝隙未堵严, 振捣时水泥浆大量流失, 严重漏浆, 造成石子外露形成蜂窝。由于本次试验是在钢管内浇筑, 可直接排除模板和漏浆的原因;且抛落高度大于6m的部位未见蜂窝现象, 可排除下料过高和混凝土配合比的原因;因此, 对于普通混凝土, 本次试验未进行振捣是导致混凝土出现蜂窝的主要原因。

　　 浇筑时发现, 浇筑到最后, 钢管顶部都会产生浮浆。施工1.4h后, 第一个浇筑混凝土的管1内出现深度约200mm浮浆;于是调整试验方案, 对已浇筑的管1和管2进行补灌混凝土, 用以挤出浮浆。对管3和管4不进行补灌混凝土20d后, 管3和管4中浮浆的水分完全蒸发, 测量混凝土下沉量, 与管1和管2中混凝土下沉量进行对比。从图9可以看出, 管1和管2内经过一次补灌混凝土后, 最终钢管内混凝土下沉量为20～30mm。管3和管4没有进行补灌混凝土, 最终钢管内混凝土下沉量约为200mm。

　　 图9 管内浮浆水分蒸发后的情况

　　 由于配置的混凝土流动高, 试件顶部易于产生浮浆。在实际施工中应加强对最后一节钢管顶部混凝土浇筑质量的控制, 及时补浆后, 才能封端头钢板。

　　 为检测混凝土抗压强度, 选取距离试件顶部约1, 3, 6, 12m的部位, 采用钻芯法进行混凝土试块取样;取样过程中, 特别选取有蜂窝处的部位进行取样。测试结果表明:12m部位的混凝土无蜂窝, 抗压强度 (最小31MPa, 最大43MPa) 合格;6m部位有蜂窝处的混凝土抗压强度为22.1MPa (不合格) , 其他处混凝土抗压强度合格;3m部位有蜂窝处的混凝土抗压强度为10.6MPa, 其他处混凝土抗压强度合格;1m部位有蜂窝处混凝土抗压强度为26.9MPa, 其他处混凝土抗压强度合格。总体来看, 混凝土表观有缺陷处的抗压强度不合格。

　　 考虑到混凝土的粘滞性能, 对各钢管混凝土束剪力墙施加沿墙体高度线性变化的流体静压力时, 不能直接用混凝土的密度计算侧压力, 但可通过试算来确定侧压力的压力折减值。

　　 根据浇筑完所有钢管内混凝土的实测变形值等于折减压力后变形计算值的原则, 可列出侧压力折减系数方程组如下:

　　 $\{\begin{array}{c}2.10\alpha {}_1-0.42\alpha {}_3+0.10\alpha {}_4-0.02\alpha {}_5=0.29\\ -0.56\alpha {}_1+1.83\alpha {}_3-0.52\alpha {}_4+0.10\alpha {}_5=0.85\\ 0.10\alpha {}_1-0.52\alpha {}_3+1.83\alpha {}_4-0.56\alpha {}_5=0.60\\ -0.02\alpha {}_1+0.10\alpha {}_3-0.42\alpha {}_4+2.10\alpha {}_5=0.73\end{array}(1)$

　　 式中α₁, α₃, α₄, α₅为管壁各测点所对应的侧压力折减系数。

　　 求解方程组 (1) 可得:α₁为0.252, α₃为0.702, α₄为0.650, α₅为0.447。本次试验得到的钢管束侧压力折减系数平均值为0.513, 变异系数为0.347。

　　 文献[1]对采用无振捣方式、浇筑钢管截面为□500×500×20的钢管混凝土柱管壁所受的混凝土侧压力进行了试验, 对3, 4, 6m高的柱共测得15个管壁侧压力折减系数试验值, 其平均值为0.521, 变异系数为0.390。两次试验 (本文试验和文献[1]试验) 得到的侧压力折减系数值在统计意义上比较相符。因此, 计算钢管束管壁侧压力时, 可偏保守取折减系数为0.6。

　　 采用通用有限元软件ANSYS对灌注混凝土试验过程进行模拟。钢材弹性模量取E_s=2.06×10⁵N/mm², 混凝土密度取24kg/m³。选用三维实体单元Solid45, 并对模型底部约束三个方向的自由度。

　　 加载方式为垂直于钢板表面均匀加载, 见图10, 加载值为侧压力的0.6倍。

　　 图11为有限元模拟施工过程的各测点变形计算值与实际施工过程的各测点变形实测值对比, 从图中可以看出, 在各个时刻, 两种方法所得的各测点变形值较为接近, 且最终时刻, 变形计算值比实测值略高, 偏保守。

　　 (1) 浇筑钢管混凝土时, 仅对与其紧邻的已灌注混凝土钢管管壁变形影响较大, 对空钢管管壁变形影响较小, 对间隔超过一个钢管距离的已灌注混凝土钢管管壁变形几乎不产生影响, 最大变形量位于距离钢管底部300～400mm高度处。浇筑9m高的钢管 (最大的U形钢) 混凝土时, 瞬时最大变形为1.03mm, 4.5h后钢管最终平均变形为0.45mm。这表明混凝土从流态转变为固态的过程中, 随着时间的推移, 管壁侧压力会逐渐消散, 钢管管壁变形逐渐减小。

　　 (2) 钢管束沿高度每隔3m设置间距100mm的钢筋不会影响混凝土浇筑质量。

　　 (3) 普通混凝土在仅改变粗骨料直径和塌落度的情况下, 浇筑时若不进行振捣, 钢管束内的混凝土质量难以达到要求。

　　 (4) 计算钢管束管壁混凝土侧压力时, 可偏保守地取折减系数为0.6。