当前,钢管混凝土柱(以下简称钢管柱)由于受力性能好、结构韧性强、构件截面积相对混凝土柱较小、施工方便等优势,在建筑结构设计中得到了越来越广泛的应用。钢管柱的防火措施一般采用防火涂料设计,但是自从美国世贸大厦被撞击起火导致大楼整体坍塌事件以后,钢结构的防火和结构耐久性问题越来越受到人们的关注。为了解决防火涂料易空鼓脱落、使用年限低和耐久性差等缺陷,钢管柱外包混凝土方案设计开始得到尝试和应用。

钢管柱外包混凝土与结构结合紧密,不易空鼓开裂,耐久性强,但是施工难度大。本文从超高层钢管柱外包混凝土的模板设计、配合比设计和泵送浇筑等关键技术进行研究和总结。

广西九洲国际工程建筑高度318m,地下6层,地上71层,采用钢管混凝土柱+钢筋混凝土环梁+框架核心筒结构体系,大楼外框柱设计为钢管混凝土,柱内浇筑C60混凝土,钢管柱外包混凝土分为150mm厚及50mm厚两种情况,其中管内C60混凝土和人防部位设计外包150mm厚混凝土与主体结构同步施工,外包50mm厚C20混凝土待主体结构分段验收合格后再进行浇筑,本文重点总结50mm厚外包混凝土的综合施工技术。

钢管柱自基础底板至71层,结构高度317.6m,柱外包混凝土内径随楼层钢管柱截面变化逐渐减小,其中大堂层高最大15.6m,平均层高为3.8m和4.2m。如表1所示。

钢管柱外包混凝土设计构造主要由定位角钢(一肢两侧与钢管贴焊H_f=3mm,共4根,竖向间距600mm)、2mm厚20mm×40mm钢板网(角钢间钢板上绑扎25mm厚水泥垫块控制钢板网位置)、定位混凝土垫块和C20混凝土组成,具体如图1所示。

外包混凝土厚度50mm,中间设置钢板网,混凝土有效截面尺寸25mm,一次浇筑高度3.3m,混凝土强度C20,如何实现混凝土的泵送浇筑工艺,是配合比设计的一大难题。经反复试验,确定解决方案如下。

1)采用高流态混凝土配制方案,原材料中水泥采用华润产红河水P·C32.5复合硅酸盐水泥,武鸣产直径5~10mm碎石,钦州细砂,外加剂采用聚羧酸KNF-3B高效减水剂。经试验确定,水灰比0.52,坍落度230~240mm,扩展度540~570mm,倒筒时间6s。具体如表2所示。

2)考虑外包混凝土方量小,泵送部位多,单根浇筑时间长,采用现场搅拌方案。

外包混凝土柱总计77层,单层最大高度15.6m,截面尺寸变化17次,如何完成薄壳混凝土质量的外坚内美,模板方案选择是重中之重。经对比分析,钢模板坚固、易加工、不易破损,但存在质量大、不利于高空作业搬运、成本高昂等特点,对于超高层外包混凝土模板施工不是最佳选择。

采用定型加工木模板方案彻底解决了上述问题:(1)圆柱模板采用4片组装方案,设凹+凸企口拼接,模板采用50mm宽、3mm厚柔性钢带锁紧固定,间距500mm布置。梁下预留100mm条带浇筑口,拆模后人工抹细石混凝土收口。(2)对酒店区3.8m和办公区4.2m以下层高的外包柱采用一次配模一次浇筑工艺。对商业区4.5m及以上层高分段配模浇筑,大堂15.6m外包柱采用3段配模浇筑。

钢管柱外包混凝土厚度仅5cm,进料口与钢管柱间距过小,混凝土输送泵管直接向模板内灌送混凝土将会因混凝土输送过快却又下落过慢而造成混凝土外溢或泵管堵塞。混凝土输送管道出料口处如采用人工控制灌送将费工费时,且极易产生浪费。而且大楼结构高度317.6m,地上71层,外包混凝土泵送难题亟待解决。对此,经多次试验反复论证,采用如下方案。

1)采用HBT40.8.45ES电动拖式混凝土泵+ф80mm混凝土输送泵管+特制出料口组合方案,额定泵压8MPa,改进泵机后泵送高度120m。

2)出料口设计类似听诊器状的U形泵管构件对输送管道内混凝土进行分流,减小出料口处混凝土输出量,在模板顶部入模位置,设置入料口,将混凝土出料口与木制圆柱模进行有效连接,如图2所示。

3)泵站采用低区、中区、高区阶段泵送方案。低区泵站设在地下2层,主要负责地下室和25层以下,中区泵站设在25层,高区泵站设在53层。中区和高区泵站采用施工电梯输送材料。

4)混凝土泵采用气洗+水洗方案。气洗采用W-2.8/5活塞式空气压缩机,额定气压0.5MPa,从上往下通过海绵球清除管内混凝土,水洗采用混凝土泵机从下往上泵水清洗管道。

钢管柱外包混凝土壳体,最大直径1 500mm,最小直径800mm,曲率0.67~1.25,根据柱壳体理论,本工程圆柱壳体与钢管柱结合紧密,实际上参与协同受力,再加上环境气温、湿度变化,混凝土收缩等原因,壳体内部会产生复杂应力,外包混凝土容易产生裂缝,影响钢结构的耐久性能。因此:(1)重视钢结构的表面基层处理,要做到干净,无杂物附着;(2)重视混凝土配合比的控制,水灰比越大收缩越大;(3)注意薄壳混凝土浇筑的连续振捣密实,防止结构疏松;(4)加强混凝土浇筑后的保水养护,防止失水收缩产生裂缝。

施工工艺流程:施工准备→操作架搭设→钢管柱表面处理→角钢焊接→钢板网安装→底节圆柱模定位→安装底节圆柱模→底节圆柱模垂直度调整→混凝土浇捣→圆柱模拆除→接高圆柱模安装→顶节混凝土浇捣→浇筑口处理→养护。

技术人员对工人进行技术交底培训,明确施工工艺流程及质量标准,做好原材料的试验检验,做好泵送设备的维护和保养。

每颗钢柱周圈均需搭设双排操作架,架体跨距1.2m,排距0.6m,步距1.5m,架体四周加设竖向剪刀撑,架体距钢柱边缘最近距离为40cm,操作层需满铺木脚手板,操作层底部满挂安全平网,防护栏杆满挂安全立网。

清理钢管混凝土柱表面,并用钢丝刷清除钢管柱表面锈迹、混凝土流浆等。

在钢管表面焊接40mm长└25×3,沿钢柱周长四等分布置,竖向间距600mm,全高布置,角钢一肢两侧与钢管贴焊,焊脚尺寸H_f=3mm。另在圆柱模拼缝位置处及钢管柱顶部周圈以600mm间距焊接40mm长└50×3用于控制圆柱模位置及混凝土厚度。

在钢板网上按照500mm间距与角钢成梅花形布置25mm厚水泥垫块,用扎丝将钢板网与水泥垫块绑扎牢固。垫块主要起到控制钢板网位置的作用。

在楼板上确定8个定位点,确保点与钢管柱表面的垂直距离等于防火层厚度。在每个点的位置上钻孔插入ф6钢筋头,钢筋头伸出板面约30mm长,每根定位钢筋的长度为80mm,利用钢筋头定位圆柱模内侧控制防火保护层厚度。

依据定位钢筋位置安装圆柱模,拼缝处避开定位钢筋头,紧固柱箍两边接口螺栓固定牢固,柱箍第1道距地300mm,向上间距为600mm/道。要求圆柱模接口肋槽必须拼接严密。

用线坠调整圆柱模板垂直度,单节圆柱模垂直度偏差为±2mm,确定垂直后将木楔塞入圆柱模上口,固定牢固防止偏移,圆柱模底端与楼板间缝隙需使用水泥砂浆进行封堵,防止漏浆。

按施工配合比拌制C20细石混凝土,拌好后从圆柱模四周分层灌入,每层浇筑高度300~500mm。用附着式振捣器振捣至无明显气泡,辅以外侧钢管敲击保证浇捣密实。

混凝土浇捣完后,根据现场情况在约12h可拆模,拆模时应从上到下,先拆固定螺栓再拆柱箍。及时清理柱箍及模板内壁残留的砂浆等杂物,涂刷脱模剂,分类摆放整齐,严禁堆压。

在施工缝向内5mm弹线使用无齿锯切割一道10mm深线,将混凝土薄弱层剔除、凿毛,直至露出混凝土石子,然后将施工缝位置松动石子及混凝土渣子清理干净,浇水润湿。沿切割缝满贴一条海绵条,根据施工层高度调整圆柱模位置,圆柱模顶部与环梁底部顶紧,底部压紧海绵条确保不漏浆,利用在圆柱模顶部焊接的定位角钢来控制混凝土厚度及圆柱模垂直度。

在顶节圆柱模2个方向顶部下10cm处对称开凿出2个直径5cm的圆洞。用上下2道柱箍将定制钢板固定于顶节圆柱模上,确保钢板上圆洞与圆柱模上圆洞对齐。连接泵管浇筑混凝土,混凝土浇筑工艺同9)。

待混凝土浇筑完成后把浇筑口的定制钢板拆下,将浇筑口混凝土清理干净,钢板循环使用。待12h上节圆柱模拆除后使用干硬性水泥将浇筑口及钢管柱顶部未充满混凝土处进行修补。

拆模后12h内对薄壳混凝土采用满刷水性养护剂并缠裹塑料薄膜的方式进行养护,养护时间≥7d。

施工中容易发生质量问题,有强度达不到设计要求、薄壳混凝土有过振和漏振缺陷、壳体裂缝空鼓等方面的问题。过程中要注意以下几点。

1)做好配合比优化,控制砂和细石的含泥量及时抽检,严禁使用不合格原材料。

2)现场搅拌严格按照配合比计量,根据每盘混凝土计算水泥、水、砂、细石和高效外加剂的用量,砂和细石换算成专用料斗计量。

3)混凝土浇筑采用改进的插入时振捣棒做外附着振捣,手持平板振捣器补充振捣。振捣中通过计时和布点控制,防止振捣不均问题。

4)养护是避免裂缝的重要环节,气温变化异常时,增加涂刷水性养护剂和满包塑料薄膜养护,防止水分散失。养护期过后如果出现表面裂纹,及时采用环氧树脂胶泥封闭。

超高层钢管柱外包混凝土施工中,安全风险极大,主要是大堂等部位的挑空高、塔楼框架柱临边700mm,高空坠物和高空作业风险不可避免,因此必须采取有效措施防范。

1)在塔楼与裙房无交接处及裙房上塔楼施工层,钢管柱外包混凝土施工用操作架搭设方式如下:除悬空侧外其他三侧搭设双排操作架,架体跨距1.2m,排距0.6m,步距1.5m,架体四周加设竖向剪刀撑,架体距钢柱边缘最近距离为40cm,操作层满铺木脚手板,操作层底部满挂安全平网,防护栏杆满挂安全立网,操作架施工部位以下每步均需与钢管柱进行抱箍;悬空侧搭设单排防护架体,并与其他三侧双排操作架连接为整体,防护架体与钢管柱间距为40cm,从底部至顶部满挂安全立网。

2)对于高挑空大堂位置,钢管柱高度均>5m,对该处钢管柱操作架需进行加固,现采取在操作层下部已施工钢管柱上采取抱箍的方式进行加固,抱箍采取隔一抱一的方式,另沿操作架四周需自下而上设置连续剪刀撑,剪刀撑与水平面夹角为45°~60°。

高流态混凝土现场制作和泵送,影响环境的主要是污水处理。施工中要注意绿色施工,加强环境保护。

混凝土泵管采用从上向下水洗,水洗产生的废水及废弃混凝土都排到泵送层的砖砌排污沟里,排污沟向下接ф150mm PVC排污管,污水通过排污管排到下一层废水沉淀箱内,沉渣清理到料斗中运输至地面垃圾池,沉淀后水用污水泵抽至泵送层搅拌机用水箱内循环使用。排污沟用砌体砌筑120mm厚侧壁,排污沟净宽为20cm,高20cm,其内侧壁及底部需用砂浆抹灰20mm厚,底部向排水口找坡1%。

1)钢管柱外包薄壳混凝土是钢结构防火防腐措施的一项创新设计。只要克服施工难题,混凝土壳体耐久性远远大于防火涂料的作用。

2)薄壳模板采用定型圆柱模板,设4片企口拼接,钢带作箍,混凝土成型良好,截面准确不变形。

3)高流态混凝土的设计要注意配合比的控制,水灰比越大混凝土收缩越大。高流态混凝土通过高效减水剂的使用能起到良好效果。

4)在薄壳混凝土泵送中,U形泵管和入料口装置的设计,解决了混凝土易堵管、泵送难的问题。