矩形截面鋼管柱內高拋自密實混凝土的施工

馮宏斌

陜西建工第十一建設集團有限公司 陜西 咸陽 712000

1 工程概況

中國電子·彩虹光電第8.6代薄膜晶體管液晶顯示器件（TFT-LCD）項目ACF廠房工程、OC廠房工程，位于咸陽高新技術產業開發區。ACF廠房工程總建筑面積479 549.72 m2，結構形式為矩形鋼管混凝土柱框架結構，矩形鋼管柱截面尺寸1.0 m×1.0 m、鋼板厚度為35 mm，高42.47 m，共計788根，采用高拋法施工自密實鋼管柱混凝土。OC廠房工程總建筑面積166 277.34 m2，結構形式為矩形鋼管混凝土柱框架結構，矩形截面鋼管柱截面尺寸1.2 m×1.2 m、鋼板厚度為35 mm，高33.92 m，共計420根。自密實鋼管柱混凝土采用高拋法分節施工，其中首節柱柱身9.50 m，二節柱柱身16.25 m，三節柱柱身最大值16.72 m。

2 工藝原理及特點

將自密實混凝土從一定高度拋落，利用墜落時產生的動能以及自密實混凝土高流動性、自密實性、高均質性、高保水等性能，使混凝土充滿矩形截面柱空間，實現混凝土密實的效果，同時使鋼管柱與混凝土緊密結合，共同承受荷載。

充分利用新型混凝土外加劑、活性細摻合料的減水性能、保水性能、塑化性能、引氣性能，通過試配、優化自密實混凝土配合比，使其拌和物具有高流動性，且從高處拋落時不離析、不泌水，不經振搗就能充滿鋼管柱內空間，并形成均勻、密實的結構。其特點如下[1-4]：

1）混凝土與鋼柱結合緊密，確保協同承載。采用自密實混凝土，保證混凝土密實度和充盈性，使混凝土與鋼柱協同承載。

2）有效避免結構變形。高拋混凝土側壓力小，不會引起柱截面變形，有利于后期鋼結構水平構件的安裝。

3）操作簡便、速度快，工效高。采用泵車澆筑、混凝土免振搗，簡便的操作使工效提高，速度加快。

4）節材效果明顯。免去混凝土泵管及截止閥等材料的使用。

5）本施工技術適用于建筑工程圓形、方形鋼柱內混凝土自由墜落高度大于4 m、小于12 m的高拋法施工。

3 主要施工技術準備

常見的頂升法施工準備時間長，需在鋼結構主體一跨完成安裝后才可進行。經計算，混凝土頂升壓力對方柱側面、隔板產生的破壞超過鋼柱側壁、隔板及焊縫可承受范圍，影響柱體結構穩定性，需對鋼柱進行加固，導致工序繁雜、費用增加、工期延長。

經研究對比后，我們選擇高拋自密實澆筑法施工，并組織技術人員、專家對高拋免振搗自密實微膨脹混凝土進行科研攻關，對自密實混凝土配合比進行試配及測驗、現場模擬澆筑、整合數據等，以此指導施工。

3.1 配合比研究

現場對混凝土的要求為高位拋落不離析、不泌水、不需振搗，利用自重充盈鋼柱并且不能因凝固過程中溫度變化引起收縮而與鋼柱產生縫隙。

經與預拌混凝土廠家協作，對所提供基礎杯口高強度灌漿料進行取樣分析，對比現有自密實混凝土，配制出30余組配合比，并逐一試驗。

3.1.1 坍落度與坍落擴展度

通過坍落度筒，在測定坍落度值的同時測定坍落擴展值，反映混凝土拌和物的變形能力。混凝土相關性能指標必須滿足試驗要求，混凝土入模時的坍落擴展度不小于500 mm，擴展時間T500不大于5 s（圖1）。

圖1 坍落度與坍落擴展度試驗

3.1.2 混凝土拌和物離析率試驗

該試驗主要模擬施工過程中澆灌于模板中的自密實混凝土，在后續澆筑引起的振動或其他干擾下的抗離析、抗分層能力。該試驗能夠客觀、準確地反映出拌和物的穩定性（圖2）。

圖2 混凝土拌和物離析率試驗

3.1.3 U形箱試驗

U形箱試驗用來評定自密實混凝土拌和物的填充性，兩邊高度差不超過40 mm即表示混凝土的流動和通過能力好（圖3）。

圖3 U形箱試驗

3.1.4 自密實混凝土J-環擴展度試驗

混凝土流動能力采用沒有阻攔圓環時測得的流動度來判定。通常自密實混凝土流動度（sm）應在700～800 mm之間。混凝土流動性能還可以采用帶有阻攔圓環（通過阻攔圓環鋼筋柱之間空隙）時測得的流動度（smb）來判定。特別重要的是要驗證水泥灰漿中的大的骨料流動是否能穿過阻礙（如鋼筋柱）或穿過阻礙的大的骨料是否分離。因此檢驗時阻攔圓環柱子數量和間距取決于骨料的最大粒徑，阻攔圓環鋼筋柱直徑為18 mm，阻攔圓環直徑為30 cm。使用非連續級配的骨料更加提高了阻攔的阻力。如果在阻攔圓環內外沒有產生高度差時，最大骨料穿過鋼筋柱間空隙很順并且最大的smb的值比sm值小，方可被視為有用。

3.1.5 自密實混凝土配合比

經30多次試驗，最終確定以下材料及比例：

1）膠凝材料：采用強度等級為42.5的硅酸鹽水泥。

2）骨料：卵石粒徑為25 mm，碎石粒徑為20 mm，含泥量不宜大于1%；粒徑5～10 mm的小石子；細度模數為2.6～3.0的中砂，含泥量不大于2%。

3）自密實混凝土配合比（質量比）為：水∶水泥∶砂∶大石∶小石∶粉煤灰∶礦渣粉∶膨脹劑∶減水劑= 165∶315∶870∶560∶240∶50∶11.6∶40∶9。其中水灰比為0.3，砂率41%，坍落度＞240 mm，坍落擴展度660～ 755 mm，擴展時間≥2 s，流動性695 mm，抗離析性≤15%，保塑性在90 mm范圍內。經試驗，該配合比的C40混凝土性能滿足施工要求。

3.2 施工設施及機械設備選擇

3.2.1 制作工具式操作平臺

一節柱、二節柱頂安裝根據工程施工要求，保障高處作業人員施工安全，選用工具式操作平臺（圖4）。按照2個人協同作業考慮，人與衣著及工具的質量按75 kg計算，酌量乘以動荷載安全系數1.5確定平臺上作業和上下時的總質量為225 kg。

圖4 工具式操作平臺

3.2.2 選用移動式液壓布料機

04板之上的三節柱無法使用天泵進行澆筑，如果采用傳統方法每根鋼柱搭設架體，再加上布置泵管進行澆筑，則工序復雜、費用增加。所以選用移動式液壓布料機，其需求場地小，在04板空間下實用性高（圖5）。

液壓布料機整機質量10 000 kg，主要操作平臺為04層華夫板，使用時華夫板強度已經達到設計使用強度，承載力滿足液壓布料機使用要求。但存在以下難點：液壓布料機雖可移動但無牽引動力，無法實現自移動；04板華夫板結構，地面為華夫筒口，移動存在困難；檁條安裝后液壓布料機展臂存在一定困難。

圖5 鋼柱四周鋼管架搭設布置及移動式液壓布料機

經論證，采取解決方法如下：

1）利用塔吊運輸3 t叉車至04板面，作為牽引液壓布料機使用。

2）在液壓布料機行駛路線上鋪設鋼板覆蓋華夫筒口，達到順利移動的目的。

3）澆筑順序及液壓布料機路線的選取十分關鍵，運用BIM進行場地實施模擬，優化澆筑路線及方法，協調鋼結構安裝在關鍵部位留出位置為鋼柱澆筑提供便利。

3.2.3 采用BIM技術輔助校核

通過BIM技術預先碰撞檢查施工過程，包括車載泵及泵管布局走向、進料洞口朝向、垂直向泵管位置等，從而節省大量的時間、人力以及財力。

采用廣聯達BIM土建算量軟件，將Revit建立的土建模型導入算量軟件中，并且對檢測出的錯誤進行修改，再對所需要的數據進行提量，并對現場實際澆筑混凝土量進行二次校核（圖6）。

圖6 BIM技術輔助校核

4 施工工藝流程及操作要點

4.1 首節柱、二節柱導管輔助高拋法澆筑

澆筑首節柱、二節柱時，選用導管輔助減小澆筑時混凝土在柱內流動的自由高度，提高混凝土穩定性，防止發生離析現象。另外，也防止了因混凝土流速快或特殊粒徑骨料堵住排氣孔，引起隔板下部出現孔洞，保證質量。同時解決了第2節鋼柱柱頂進料口位置超過高拋極限高度的問題。

首節柱柱身9.50 m，二節柱柱身16.25 m。利用塔吊（盲區使用吊車）首次吊長8 m的φ200 mm導管伸入鋼柱內，將泵管出料口對著導管料斗用天泵拋筑混凝土，排量應放小；當導管灌滿混凝土時，應停止澆筑，用塔吊或吊車吊起導管緩慢上升，讓管內混凝土自流入柱內，完成后將此導管移至另一鋼柱內（工人應配有對講機，完成指令交流）。利用塔吊或吊車將長4 m導管放入已澆筑一次的鋼柱內，利用天泵依照以上施工順序完成澆筑；首節柱僅9.50 m高，只需使用一次長4 m導管。混凝土自拋密實，無需振搗。

4.2 三節柱高拋法澆筑

三節柱柱身最大值16.72 m。用塔吊將液壓布料機及牽引設備吊至作業面，并鋪設工具式鋼蓋板做好華夫筒成品保護。連接泵管，依靠液壓布料機在空中的靈活性，伸入進料口，降低人員高空作業的危險。混凝土澆筑至低于進料口50 cm處，防止焊接高溫破壞混凝土性能，最后清理進料口。依靠牽引設備增強了液壓布料機的移動能力，提高了效率。

第3節鋼柱中部灌漿口處于高處之中，澆筑過程中無法觀察柱內混凝土面高度。為防止混凝土超澆，提前計算所需混凝土量。協調預拌混凝土攪拌站選擇混凝土罐車運輸量，做到精準控制。

與機械化施工單位協同作業，第3節鋼柱下部灌入澆筑完成后，二氧化碳氣體保護焊緊密銜接進行作業。其后從第3節鋼柱頂部澆筑鋼柱內剩余部分，形成流水式施工，提高效率。

4.3 注意事項

1）導管需根據隔板在柱內位置選擇長度（應當伸入隔板下至少200 mm），導管內徑不小于160 mm，當內徑小于此數值時，混凝土有較大可能因在導管中流速小于最小泵車排量，導致無法順利排出而發生堵塞并從導管頂部溢出，且其外徑尺寸宜小于進料口內徑80 mm，外表光滑無彎曲。

2）頂部加設漏斗（串筒），漏斗大小根據現場實際確定，過大時難以轉運，過小時流速過快，易引起外溢傷人。澆筑時臂架泵出料管口放置于漏斗處，禁止伸入導管管內。

3）澆筑前需逐根檢查鋼柱連接焊接部位及側面預留檢查口，防止漏焊引起漏漿。檢查柱內有無雜物，防止雜物將進料口排氣孔堵住，產生中空現象。

4）因柱內混凝土量為恒定值，混凝土罐車運輸量可以此為參考。澆筑完成后檢查灌內是否有余料、測量柱內剩余高度，記錄數據作為密實度檢測數據之一（因高處采用敲擊法檢測密實度僅能檢測爬梯兩側）。

5）每次混凝土澆筑完成高度應低于鋼柱焊接縫處500 mm，防止下接焊接作業中產生的高溫破壞混凝土穩定性。澆筑完成后對洞口進行封閉，防止雜物進入。當最后一節鋼柱混凝土澆筑完成后，應覆蓋薄膜、塑料布進行密封；在冬期施工應采用保溫措施。

4.4 檢測

1）鋼柱壁開孔檢測：采用磁力鉆通過鋼柱側板開孔，觀察樣品。經現場檢測（圖7），混凝土與鋼柱連接處緊密、密實，無氣泡、孔洞。

圖7 鋼柱壁開孔檢測

2）超聲波檢測：超聲波檢測儀對檢測裂縫等平面型缺陷靈敏度很高，用聲波檢測儀對矩形截面管柱高拋自密實混凝土內部缺陷的大小、位置、埋深、性質進行檢測，所用參數設置及有關波形均可存儲，供以后調用。

首批鋼柱內混凝土性能，通過以上2種方法對比，逐一檢測得出結論：柱內混凝土各項性能指標合格。抽樣檢測全部柱內混凝土的各項指標均為合格。

由此可知，矩形截面鋼管柱高拋自密實混凝土技術可有效解決鋼結構建筑混凝土施工過程中超短工期、無法澆筑或澆筑困難等問題。

5 結語

本施工技術在中國電子咸陽彩虹CEC光電廠房工程施工中有效地保證了鋼管柱內混凝土的密實度，使混凝土與鋼管緊密結合、協同受力，提高了工程質量。同時，與鋼管柱反頂法澆筑混凝土相比，該技術共取得經濟效益約24萬元，并加快了工程進度，縮短了工期，具有較強的推廣應用價值。