钢管束是由若干U形钢或U形钢与矩形钢管、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, 形成钢管混凝土束剪力墙构件, 可作为一种组合结构构件, 应用于剪力墙结构、框架-剪力墙结构、框筒结构等体系中。

试验共7个试件, 其中高度为3m的2个、高度为4.5m的2个、高度为6m的2个;高度为9m的1个。钢材材质为Q235B, 钢板厚度为4mm, 采用钢管束规格为U130×240, 每个钢管高厚比为60。

墙体试件厚度为130mm, 宽度1 920mm (8个钢管) 。钢管与钢管之间焊接熔深3mm。

分别在9m高试件的3.000, 6.000m标高处, 6m和4.5m高试件的3.000m标高处, 3m高试件的2.500m标高处的钢板上开圆孔并在浇筑混凝土前穿入直径为10mm的钢筋, 钢筋间距为140mm或100mm。

采用M24膨胀螺栓将试件与混凝土地面固定, 如图1所示。

混凝土采用C30自密实混凝土且满足JGJ/T283—2012《自密实混凝土应用技术规程》相关要求。混凝土坍落扩展度等级为SF1, 扩展时间等级为VS1。粗骨料最大公称粒径≤20mm。

试件吊装就位后采用缆风绳固定。现场采用2台汽车式起重机, 分别吊起施工吊篮和混凝土漏斗, 模拟施工时的浇筑顺序, 采用具有底部槽孔的漏斗, 从端部钢管每次浇筑2~3个腔体;采用高空抛落免振捣法进行施工。

现场测得自密实混凝土的坍落扩展度为570mm, 属于SF1级;扩展时间等级为3s, 属于VS1。

从试验过程中未发现拼接焊缝处出现掉漆、起鼓现象以及其他损伤, 证明3, 4.5, 6, 9m高度灌注自密实混凝土, 钢管侧压力要求的焊缝承载力较低。焊缝熔深≥3mm时, 即可满足施工期间的承载力要求。

混凝土浇筑过程顺利, 自由下落, 间距100mm或140mm的钢筋未对混凝土形成较大阻碍。从图2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浇筑和成型质量。

将浇筑后的试件剖开进行混凝土表观质量检查, 依据GB50204—2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》中对现浇混凝土结构的要求主控项目进行。未发现孔洞 (混凝土中孔穴深度超过保护层厚度) 、裂缝 (缝隙从混凝土表面延伸至混凝土内部) 、夹渣 (混凝土中夹杂物深度超过保护层厚度) 、外表缺陷 (表面麻面、掉皮、起砂、沾污) 、外形缺陷 (缺棱掉角、棱角不平、翘曲不平、飞边凸侧) 、疏松 (混凝土局部不密实, 混凝土各自小块) 、蜂窝 (混凝土表面缺少水泥砂浆而形成石子外露) 等情况。

从图3可以看出, 试件根部 (浇筑高度3m) 未出现混凝土质量缺陷, 证明灌注自密实混凝土时, 此处不会产生砂石聚集, 不需要对底部 (底板) 进行处理。

由图4可以看出:混凝土凝固后, 3m高试件顶部, 混凝土下沉高度为5~15cm;4m和6m高试件顶部, 混凝土下沉高度为7~14cm;9m高试件顶部, 混凝土下沉高度为7~20cm。因此, 混凝土下沉不随试件高度变化有明显变化, 混凝土下沉高度在5~20cm。浇筑1h后进行补浆, 可有效减小混凝土下沉高度, 保持在3cm以内。

分别取3m和6m高试件的顶部、中间和底部位置, 采用钻芯法取5个试样。测试结果显示:3m高试件的强度合格 (最小34.3MPa, 最大40.4MPa) ;6m高试件的强度合格 (最小34.8MPa, 最大39.1MPa) , 如图5所示。

试件钢材材质为Q345, 钢管厚度为4mm, 最大的钢管束为U130×200, 最小钢管束为U130×120。试验共12个试件, 试件高度为2.7m, 试件1~7截面为一字形, 试件8~12截面为T形, 不设置钢筋阻隔。采用C40自密实混凝土, 坍落扩展度等级为SF1, 扩展时间等级为VS1, 要求粗骨料最大公称粒径≤20mm。

浇筑过程中分别采用浇筑多个孔的槽孔漏斗和浇筑单个孔的小漏斗。浇筑顺序:从端部钢管每次浇筑2个或1个腔体。浇筑方法:自由抛落法, 如图6所示。

试验结果表明, 钢管束内混凝土逐渐失去塑性, 达到一定的强度;3d后, 试件顶部的混凝土表面失去水分, 强度较高;7d后, 钢管束混凝土完全干燥。

将试件的水平低周反复荷载试验的骨架曲线与有限元分析结果比较可以发现, 试验骨架曲线和理论骨架曲线比较接近, 表明钢管束内混凝土达到预期强度, 如图7所示。

1) 不超过9m高度建筑自密实混凝土的侧压力要求钢管之间焊缝承载力较低。焊缝熔深≥3mm可满足施工期间的承载力要求。

2) 综合混凝土表观质量检查和强度检测可以发现, 采用满足《自密实混凝土应用技术规程》相关要求的自密实混凝土, 混凝土坍落扩展度等级为SF1, 扩展时间等级为VS1, 通过自由抛落的方式, 3, 4.5, 6, 9m高钢管束试件内的混凝土质量无缺陷, 强度满足要求。

3) 钢管束内沿高度每隔3m设置间距100mm的钢筋, 不会影响混凝土浇筑质量。

4) 采用自密实混凝土浇筑, 不需要对钢管束底部的钢板做处理, 墙脚处混凝土满足质量要求, 无“烂根”出现。