大多超高层建筑都采用“核心筒+外框巨柱”组合结构。在超高层建筑结构中, 由于外框巨柱需要传递自上而下的压力, 必须提高巨柱的承载力, 与此同时, 为了避免混凝土截面扩大, 提高建筑结构的使用率, 最大限度减小结构空间体积, 钢管混凝土结构越来越被结构工程师所青睐。

钢管混凝土具有很好的抗震性、防火性、耐腐蚀性, 但是钢管混凝土柱在施工过程中也存在明显的施工难度。从整体上看, 钢管混凝土柱的安装比外框楼板高出2层, 钢管混凝土柱的混凝土浇筑存在危险和困难, 混凝土质量保障也存在相应的难度。

本工程T1塔楼建筑高度568m, 其塔楼地下5层, 地上为113层, 总建筑面积约33.9万m², 地上32万m², 地下约2万m², 结构类型采用巨型框架-核心筒-外伸臂结构, 基础类型采用桩筏基础, 主要功能包括办公、金融、企业会所。

T1塔楼共计8根长方形巨柱, 分别位于塔楼核心筒外围。巨型柱是外框钢结构内灌混凝土组成的钢管混凝土结构, 最大截面为5 200mm×3 500mm, 钢管混凝土柱内使用自密实混凝土进行浇筑, 混凝土强度等级为C70, 单次浇筑最大高度为7m, 浇筑量约为120m³。采用自密实混凝土进行浇筑, 性能参数:水胶比0.25, 外加剂掺量2.3%, 砂率47%, 每m³混凝土原材料用量为水泥 (低热42.5) 350kg, Ⅰ级粉煤灰100kg, S95矿粉150kg, 硅灰35kg, 细度模数2.5的中砂760kg, 5~16mm的碎石860kg, 水145kg, 聚羧酸高效减水剂14.6kg, 总胶凝材料635kg, 单方容量为2 415, 坍落度/扩展度为700±50mm, 7, 28, 60d强度分别为50.8, 70.3, 82.7MPa。

主要工序依次为:巨柱安装→钢梁安装→楼承板铺装→巨柱内混凝土浇筑→组合楼板钢筋绑扎及混凝土浇筑, 按照各作业面施工流水节奏, 巨柱安装始终领先楼承板铺装2~4层。按照传统的施工方法, 沿巨柱侧壁安装固定混凝土泵管难度较大, 需要在每个巨柱侧面搭设操作脚手架, 用于安装泵管;施工时, 泵管安装操作脚手架需要根据楼板施工进度反复安装及拆除。因此施工中不仅需要大量的劳动力, 而且会影响巨柱内混凝土的浇筑和上层楼承板的铺装进度, 严重制约外框整体施工进度。

为有效解决上述问题, 本文采用在巨柱侧面 (朝核心筒一侧) 开设浇筑孔浇筑巨柱内混凝土的施工方法。

1) 确定开孔大小及高度 根据巨柱分段分节方案及楼面标高情况, 为方便混凝土浇筑, 在距每层楼面标高约700.000~1 000.000mm范围内开设混凝土浇筑孔, 孔洞开设在朝向核心筒一侧的巨柱侧板上, 每个腔体各开设1个, 浇筑孔直径为300mm, 开孔定位时要避开巨柱内侧竖向、水平向肋板、巨柱分段连接处, 且开孔中心距巨柱分段位置≥500mm, 具体如图1所示。

2) 确定开孔间隔 通过计算钢管混凝土柱混凝土浇筑时内侧壁应力应变, 并根据JGJ T283—2012《自密实混凝土应用技术规程》规定要求, 拟定本工程混凝土单次浇筑高度为9.3m。具体演算结果如图2所示。

从变形验算可看出, 其最大形变约0.634mm, 整个巨柱高10.6m, 变形在1/1 000以内, 满足规范要求。

从应力验算可看出, 其最大应力为33.58N/mm², 在水平环肋处, 外部钢板最大受力处在约1/3位置两钢板垂直连接处, 最大应力约为14.2N/mm², 如图3所示, 本钢材选用Q345GJ及Q345B, 其强度均满足要求。

经模型演算, 巨柱在混凝土中单次浇筑高度为9.3m的情况下满足受力要求。

最终结合现场施工情况及设计院意见, 确定本工程的混凝土单次浇筑高度为7m。

浇筑孔均开在朝核心筒一侧。开孔中心距巨柱内隔板≥180mm, 即孔边缘距巨柱内隔板距离≥30mm。巨柱上浇筑孔的开孔要保证为圆形, 不得出现椭圆形, 孔洞内径直径尺寸加工误差控制在±3mm。巨柱上的浇筑孔内圈加设衬垫板, 垫板为宽40mm、厚8mm钢板, 衬垫板加设后内空尺寸≥260mm。浇筑孔封板如图4所示。

开孔部位焊缝两侧100mm范围内不涂油漆;浇筑孔封板直径为290mm, 并开单边V形35°坡口。

1) 挂梯安装为了让工人在混凝土浇筑前后在混凝土表面进行剔凿和凿毛, 需要在巨柱外和内部2个腔体各挂设1副人员上下挂梯。挂梯带有护圈, 每副挂梯长度以3m为宜 (巨柱分段以3m为主) , 巨柱安装前需在地面安装完成。巨柱外侧挂梯利用2个相邻吊装耳板, 穿设1根25的钢筋, 钢筋两端与耳板焊接, 挂梯直接挂在该钢筋上。巨柱内腔通过在肋板上焊接2块挂设耳板, 挂梯挂设在该耳板上, 如图5所示。

为防止挂梯在人员上下时晃动, 在每个挂梯底部用绳子将挂梯与巨柱绑扎固定。同时为保证混凝土振捣工人安全, 在每处挂梯顶部安装1个防坠器, 人员上下巨柱及在巨柱内作业时, 全程要与防坠器相连。梯梁及踏棍分别采用扁钢及圆钢塞焊而成, 每副挂梯设置≥2道支撑, 制作完成后喷涂红白相间防腐漆。

2) 照明安装 为满足巨柱内施工照明要求, 在巨柱每个腔体内安装1根灯带进行照明。安装灯带时长度以20m为宜, 灯带底部需伸至振捣人员操作平台位置。

1) 混凝土剔凿 工人通过挂梯爬至巨柱内混凝土表面, 在混凝土浇筑前进行表面剔凿工作, 表面保持毛糙, 无其他杂物。从底面爬升的过程中, 清理巨柱侧面的杂物。剔凿清理完成后, 将钢管混凝土柱内的爬梯收回。

2) 泵管安装 巨柱混凝土浇筑泵送采用安装在核心筒外墙外侧的2根泵管 (依次为3, 4号立管) 进行。当拟浇筑孔所在的楼层外框楼承板铺设完成后, 即可组织巨柱内混凝土浇筑施工。

浇筑巨柱混凝土时, 将外框楼板的3, 4号竖向高压泵管引出, 利用90°变径弯管将150mm的高压泵管转换为125mm的普通泵管, 用来浇筑巨柱内混凝土。按照外框南北分段流水施工原则, 4号泵管负责北段巨柱混凝土浇筑, 3号泵管负责南段巨柱混凝土浇筑。施工时按照由远到近、拆管后退的方式进行浇筑, 如4号泵管依次浇筑4, 3, 2, 1号巨柱, 3号泵管依次浇筑8, 7, 6, 5号巨柱。外框巨柱混凝土浇筑泵管布置如图6所示, 泵管在同一巨柱2个浇筑孔转换连接如图7所示。

3) 现场检测自密实混凝土性能 坍落扩展度 (SF) 为700±50mm;倒坍时间为6~10s;U形箱填充高度差≤30mm;自密实混凝土初凝6~8h;终凝10~12h。

4) 混凝土浇筑 以17层以上混凝土浇筑为例, 混凝土通过在浇筑孔上架设泵管进行浇筑, 泵管深入巨柱内约1m, 且不得短于内隔板宽度。为有效控制每次混凝土的浇筑高度≤7m, 基本为每3层开设2排浇筑孔, 巨柱内混凝土采用浇筑孔施工工序流程, 以18~21层为例进行说明, 其施工步骤如图8所示: (1) 第1步巨柱18层以下混凝土浇筑完成, 进入养护阶段。利用该阶段时间将18层巨柱浇筑孔封闭焊接, 并探伤合格后, 涂刷防腐漆; (2) 第2步利用20层浇筑孔浇筑18层~19层巨柱混凝土, 浇筑高度控制在7m左右; (3) 第3步养护18~19层巨柱混凝土, 封闭焊接20层巨柱浇筑孔, 并探伤合格后, 涂刷防腐漆; (4) 第4步利用21层浇筑孔浇筑19~20层巨柱混凝土。

5) 混凝土养护 待混凝土浇筑完成后, 为防止混凝土因内部温度过高产生温度裂纹, 保证混凝土在一定时间温度、湿度的稳定, 使胶凝材料充分水化。在浇筑结束后应立即用塑料薄膜进行保水养护。养护期间, 派专人随时检查, 确保表面湿润。同时在巨柱内混凝土养护阶段, 对浇筑孔进行封闭焊接, 探伤合格后涂刷防腐涂料。

6) 混凝土凿毛 在混凝土浇筑完成后强度达到2.5MPa, 即可进行凿毛施工, 凿毛要轻微细致, 深度控制在10mm即可达到要求效果, 避免条状、点状或坑式凿毛, 施工难度大处可以酌情采用点式凿毛。

7) 孔洞补板 待混凝土浇筑完成后, 进行孔洞补板工作。具体要求: (1) 为防止浇筑孔焊接面被混凝土污染, 使用防火布包裹焊缝坡口; (2) 现场采用半自动实芯焊丝CO₂气体保护焊的焊接方法, 同时采用立焊及横焊的焊接工艺进行封板施工, 分层焊接; (3) 补焊钢板与巨柱同材质、同强度、同厚度; (4) 浇筑孔补焊完成后按照一级焊缝要求进行100%探伤, 并出具探伤报告; (5) 焊接完成并探伤完成后, 经监理及业主工程师验收通过后, 方可按要求涂刷防腐漆进行隐蔽。

巨柱混凝土浇筑前各项准备措施必须到位, 振捣工必须佩戴安全带及头灯。工人攀爬挂梯时, 手中不得持物, 安全带要与防坠器挂设连接。人员上下巨柱时必须挂设好防坠器, 当下至巨柱底部时, 必须将防坠器钢丝绳与爬梯底部固定挂设好, 防止收回防坠器钢丝绳。

在超高层建筑施工中, 巨柱钢管混凝土柱的混凝土浇筑是一个难题。本工程研发了一种新型的钢管混凝土柱混凝土浇筑施工技术, 对钢管混凝土柱外壁进行开孔自密实混凝土。该技术有效解决了泵管布置难度大、巨柱混凝土浇筑难度大、混凝土质量控制困难、影响其他施工工序等问题;在保证混凝土施工过程中人员的安全和施工质量的同时, 也提高了施工速度、降低了施工难度。使用该技术给本工程节省了极大的成本, 为项目带来了明显的经济效益。