海口中心工程地下3层, 地上55层, 全高288m, 是目前国内第二高的纯钢结构建筑。本工程主楼共有57根结构柱, 均为钢管混凝土柱。钢管柱截面为箱形和圆形, 截面规格多达40余种, 其中最大截面尺寸为□2 000×1 200×100×100, 最小截面尺寸为□600×300×20×20。

钢管内混凝土强度等级共C60, C50, C45 3种, 从首层至顶层依次递减。钢管柱采用分段吊装、分段浇筑。因工期紧张, 钢管混凝土采用效率最高的高抛法浇筑, 最大倾落高度达12.6m。为满足钢管柱受力要求, 钢管柱内部构造设计复杂, 尤其是在斜支撑及加强层桁架位置, 连续设置了多道横隔板, 部分横隔板间还设有1道纵隔板。单段钢管柱最多有8道横隔板, 极易出现混凝土浇筑不密实的情况。尽管文献[3]通过试验分析得出了“浇筑管内混凝土时, 在隔板下形成气泡, 并不影响构件的承载力”这一结论, 但是该结论尚未被更多研究证实。因此在浇筑钢管混凝土时, 依然需要将保证钢管内混凝土的密实度作为质量控制的重点。

由于本工程复杂节点多, 节点处钢管柱受力复杂, 为满足节点处承载力要求, 钢管柱内部必须加设横隔板或纵隔板。纵隔板位于箱形柱正中, 以纵隔板为界, 箱形柱可划分为2个空腔。为使两空腔内的混凝土能够自由流动, 纵隔板与上下横隔板间均留出200mm左右的空隙。

柱端封板及内部横隔板均开设圆形浇筑孔, 有纵隔板的钢管柱分别在2个空腔正中各开设一列浇筑孔, 无纵隔板的钢管柱在截面中心开设一列浇筑孔。为保证混凝土能垂直下落至钢管柱底部, 柱端封板及内部横隔板浇筑孔大小一致, 圆心在同一条垂线上。浇筑孔的大小应同时满足截面受力要求及混凝土浇筑要求, 直径选定为200~300mm。

根据以往施工经验及相关文献, 在钢管柱侧壁及横隔板上均开设直径20mm的排气孔, 有助于混凝土浇筑过程中产生的气泡排出。钢管柱侧壁开孔要求为:钢管长度不超过9m时, 在与钢梁上缘板对应的柱内加强板上下50mm位置处, 沿截面长边对称开2个排气孔;长度超过9m时, 每隔1m沿截面长边对称开2个排气孔。横隔板每个浇筑孔四周设4个排气孔 (见图1) 。

高抛法对混凝土性能有较高的要求, 普通混凝土倾落高度超过2m时即有离析的风险, 影响混凝土的强度、耐久性等性能, 因此在使用高抛法施工时必须选用具有良好和易性的自密实混凝土。

自密实混凝土的流动性能对钢管混凝土的密实度至关重要。混凝土的流动性指标为坍落度和扩展度, 因海口常年高温, 混凝土泵送高度高, 配制混凝土需添加高效减水剂以减少坍落度损失。

混凝土在凝结后通常会产生收缩, 不利于钢管混凝土的密实, 因此配制混凝土需添加膨胀剂以抑制混凝土收缩。

JGJ/T283—2012《自密实混凝土应用技术规程》建议自密实混凝土在使用高抛法浇筑时倾落高度不宜大于9m, 倾落高度>9m时应加设串筒、溜槽等缓冲装置。但是本工程钢管柱浇筑孔尺寸较小, 如使用串筒、溜槽等将给现场施工带来诸多不便。考虑到规程中的建议是防止倾落高度过高而导致自密实混凝土离析, 为了现场施工时混凝土可以直接从柱顶浇筑, 配制混凝土时必须保证混凝土至少在13m高的自由倾落高度下不产生离析。向混凝土内加入适量粉煤灰或矿粉可以有效控制混凝土离析。

根据以上思路选定原材料:P·O42.5普通硅酸盐水泥, II区中砂, 10~20mm青石, HN-2000聚羧酸高性能减水剂, SY-T型膨胀剂, S95级矿粉。反复试配确定最终配合比。其中C60混凝土配合比 (kg/m³) 为:水泥∶水∶砂∶石∶减水剂∶膨胀剂∶矿粉=401∶155∶721∶996∶11.5∶43∶134, 配制混凝土坍落度为 (250±20) mm, 扩展度为 (600±50) mm, 扩展时间3s, 初凝时间8h, 终凝时间10h, 28d抗压强度达到70.6MPa, 混凝土各项性能均满足本工程施工的需要。

为验证高抛法施工的可行性, 在正式施工前对钢管柱进行浇筑模拟试验。试验柱构造设计尽量与实际钢管柱一致, 以确保试验结果与实际施工效果一致。试验柱以隔板分布密集的KZ2为原型进行设计。试验柱长×宽×高=1.5m×0.8m×4.2m, 模拟1层标准层钢管柱。

试验柱浇筑完成后的强度和密实度是衡量施工工艺可行性的两大指标, 其中强度可通过同条件养护试块及钻芯取样检测, 密实度可通过超声波法检测。但是随着钢管壁厚的增加, 超声波法检测结果的可靠性会逐渐降低。为了能够直观准确地观测试验柱的密实度, 以目测法结合超声波法全面评估试验柱的密实度, 试验柱采用木模板模拟钢管柱侧壁;用木方次龙骨、双钢管主龙骨、对拉螺栓支设, 柱内预埋检测管, 柱内隔板、柱壁排气孔均按实际尺寸设置, 如图2所示。

钢管混凝土的浇筑是一项对技术要求高的施工工艺, 试验柱无法保证一次性浇筑成功。本次试验先制作试验柱1, 浇筑完成后对成品柱进行质量评估, 如果质量不合格, 则分析质量缺陷产生的原因及应对措施, 然后改进施工工艺, 再浇筑试验柱2进行评估。依次类推, 直至试验柱质量合格为止。

多次试验采用控制变量的方法, 试验过程应避免除浇筑工艺以外的其他因素对试验结果的影响, 因此每次试验时, 试验柱构造一致, 混凝土均采用同配合比的C60自密实混凝土, 浇筑时间选择气温相近的晴天。

试验柱1用高抛免振施工工艺按照规范要求进行浇筑。混凝土倾落位置选在离柱底12.5m高处, 在试验柱周围搭设12m高的浇筑平台。混凝土用塔式起重机+料斗运至试验柱上方, 以自由倾落方式灌入试验柱内。浇筑过程需注意以下几点:

1) 在浇筑混凝土前, 先浇灌1层厚度约为100mm的与混凝土强度等级相同的水泥砂浆, 以免自由下落的混凝土骨料产生弹跳。

2) 为防止混凝土倾落过程中与柱壁或内隔板碰撞离析, 将料斗的出料口置于浇筑孔正中心。

3) 本次试验为全程高抛, 利用混凝土从高位落下时产生的动能达到振实, 过程中不振捣。

试验柱1拆模后, 观察试验柱表面。柱内混凝土除隔板下方产生了不同程度的缝隙外, 其余部位无明显缺陷, 如图3所示。经超声波检测, 柱内混凝土无明显缺陷, 但在隔板附近波形异常, 与目测结果一致。

28d后, 对试验柱进行钻芯取样, 钻芯部位选在隔板附近。对同条件养护试块和钻芯试件进行强度检测, 分别达到设计强度值的111%和114%, 强度达标。

试验柱1检测结果表明, 自密实混凝土在高抛的情况下基本能自行填实整个钢管, 但在隔板附近难以达到自密实的效果, 可能是因为该处排气难度大、隔板与混凝土接触面光滑造成的。

试验柱1说明了高抛免振法对本工程多隔板的钢管混凝土浇筑并不适用, 需要针对隔板附近的混凝土密实度对浇筑工艺加以改进。改进方法有2种: (1) 在混凝土浇筑到隔板附近时加强振捣; (2) 浇筑全程辅以振捣。因钢管柱浇筑高度高, 内部隔板多, 光线差, 第1种方法实际操作难, 难以控制, 故试验柱2采用了全程振捣的方法。

试验柱2浇筑工艺是在试验柱1的基础上加入了全程振捣, 拆模后发现效果明显, 整根柱子均无明显缺陷, 隔板与混凝土结合紧密, 表面观感较好, 如图4所示。超声波检测结果显示试验柱全高波形正常, 内部密实。

对同条件养护试块和钻芯试件进行强度检测, 分别达到设计强度值的104%和105%, 强度比试验柱1略有降低, 但仍高于设计强度。

试验柱2检测结果表明, 采用高抛+全程振捣的施工工艺可以保证钢管内部全部密实。本工程自密实混凝土配制良好, 振捣对其强度的影响在允许范围内。

试验柱2各项指标均已合格, 浇筑模拟试验至此结束。

由上述试验确定了现场施工采用高抛+全程振捣的施工工艺。为保证施工的顺利进行, 结合现场条件的特殊性及施工的可行性, 特制定以下施工措施:

1) 低楼层钢管柱的浇筑施工机械以天泵为主, 天泵浇筑范围外的钢管柱采用塔式起重机+料斗浇筑;高楼层钢管柱的浇筑施工机械采用地泵+布料机。

2) 每段钢管柱高8.4~12.6m, 侧壁安装垂直登高挂梯。柱顶高出钢梁1.5m左右, 在钢管柱柱头位置搭设可拆卸式定型操作平台, 落在钢梁上。

3) 浇筑时将出料口伸入浇筑孔, 调整出料角度, 使混凝土垂直下落。振捣工具采用12m加长振捣棒。对于有2个浇筑孔的钢管柱, 2个空腔轮流下料, 轮流振捣, 一次下料高度不超过2m, 在下料的同时从另一浇筑孔插入振捣棒, 边浇筑边振捣。对于有一个浇筑孔的钢管柱, 提前计算, 控制好一次下料量, 分层下料, 分层振捣。

4) 混凝土只浇筑到离柱顶500~600mm处, 以防柱顶对接焊接产生的高温影响混凝土的质量。浇筑时利用直尺控制浇筑面高度。

5) 浇筑完毕后, 将浮浆、积水掏出, 用料斗运出。用塑料布将管口封住, 阻止水分蒸发, 保持管内湿润以养护混凝土, 同时防止异物掉入。

1) 钢管柱在深化设计阶段就应该考虑到混凝土浇筑施工的需要, 浇筑孔、排气孔、隔板等深化均需与土建技术人员沟通。

2) 自密实混凝土倾落高度较高或需要振捣时, 必须在配合比设计中考虑高抛及振捣的影响, 在保证混凝土自密实性能的前提下不发生离析。

3) 在不能确保钢管内混凝土的浇筑质量时, 必须进行浇筑模拟试验。

4) 钢管混凝土隔板处混凝土不易密实, 是质量控制的重点部位。