中欧钢管混凝土（塔架）施工质量检验标准对比

2013-10-23戴浚高善飞梁太平

水泥技术 2013年6期

戴浚，高善飞，梁太平

1 研究背景

钢管混凝土的基本原理是借助圆形钢管对核心混凝土的套箍约束作用，使核心混凝土处于三向受压状态，从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和压缩变形能力。除具有强度高、重量轻、延性好、耐疲劳、耐冲击等优越的力学性能外，钢管混凝土还具有省工省料、架设轻便、施工快速等优越的施工性能[1]，在高层和大跨度建筑结构中，得到了广泛应用。水泥工业中窑尾预热器塔架（以下称塔架）的结构设计方案现已普遍采用钢框架支撑的结构体系、钢管及钢管混凝土柱为主的结构选型。此方案具有增大结构抗侧刚度、提高材料利用率、降低钢柱用钢等优点，进一步显现了钢管混混凝土的独特优势。

对于国内水泥项目预热器塔架钢管混凝土施工，我国工程建设标准化委员会于1990年颁布的《钢管混凝土结构设计与施工规程》（CECS28：90）中明确规定了相关施工方法及质量检验标准。但对于国外项目，由于对欧标、美标相关标准缺乏深入的研究和转化，在塔架钢管混凝土施工中仍然按照国内标准进行质量检验，由于无法出具相关国外通行标准佐证施工方案的正确性、可靠性，导致施工中建设方和监理方（业主方）容易产生分歧，影响工程进度。如某项目在塔架钢管混凝土施工过程中，由于无法出具国外钢管混凝土施工质量检验的相关标准，双方对混凝土浇灌方式及质量检验始终未达成一致，使安装工作停工20d，给项目执行带来风险。

2 钢结构部分比较

2.1 钢管混凝土钢结构的质量检验

《钢管混凝土结构设计与施工规程》中涉及塔架钢结构的钢管制作、钢管拼接、钢管柱吊装等关键质量检验标准，是以《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2001）为基础制定，对应的欧标（英国标准）中钢结构施工标准主要为《Execution of steel structures and aluminium structures-Part 2:Technical requirements for the execution of steel structures（钢结构和铝结构的实施第二部分：钢结构实施的技术要求）》（BS EN1090-2:2008）。

塔架钢结构部件一般为工厂加工。钢管柱一般采用直缝焊接钢管和螺旋焊接钢管，目前我国焊接钢管制造工艺、生产设备、检验技术已达到国际先进水平。正规厂家的焊接钢管质量可靠，但须提供加工件的材料质量报告、部件质量检验报告。钢结构部件进场前，应对部件进行检查，要对钢管柱、主梁等关键部件进行100%检验（每条焊缝长度的20%，且≮200mm）。

塔架钢结构现场施工主要控制组装及吊装偏差（表1、表2），并须对钢管柱现场拼装焊缝须进行100%超声检测。

2.2 钢管混凝土钢结构的施工要点——柱脚的安装

预热器塔架结构承载除自身重量以外，还包括预热器本体和其他输送设备的重量。为了将塔架所承载的重量有效传递给基础，要求塔架柱脚与基础结合得非常紧密。在塔架柱脚的实际施工过程中，一般用砂墩调整第一层钢管柱垂直度和标高，当第一层塔架调整完成后，再进行钢管柱的灌浆。这种施工方案可以保证钢管柱脚与基础完全结合。

3 混凝土结构部分比较

3.1 钢管混凝土的一般质量检验

3.1.1 检验标准

钢管混凝土施工中，混凝土浇灌是钢管柱混凝土结构的关键点。浇灌出现缺陷，会直接削弱钢管混凝土构件的力学性能和整体性能。根据水泥工程特点，塔架钢管混凝土普遍采用立式高位抛落无振捣浇灌法进行浇注，《钢管混凝土结构设计与施工规程》第7.4.4-5条规定了采用该方法时的施工方法、质量控制（骨料粒径、水灰比、塌落度）的标准，欧标中，未明确钢管混凝土的质量检验标准，参照欧标中混凝土规范《Concrete-Part 1:Specification,performance,production and conformity（混凝土第一部分：规定、性能、制造和合格证）》（BS EN206-1:2000）中新拌混凝土（Flesh concrete）的标准予以检验，对比对见表3。

3.1.2 检验方法

1902年，赵忠尧出生在浙江诸暨，父亲当过私塾老师、行医医生，对中国积贫积弱的局面痛心疾首，特别寄希望于子女能够有出息。1916年，15岁的赵忠尧考入诸暨县立中学，1920年，又考入中国创办最早的四所高等师范学校之一，南京高等师范学校！赵忠尧入南京高等师范学校就读时，南京高师正要扩建为东南大学。1924年毕业后，他留在东南大学，并遇到了改变他一生命运的人——中国近代物理学奠基人叶企孙。

对于塌落度、抗压强度等混凝土质量试验方法，测定方法国内外基本一致，参考表4执行。

3.2 钢管内混凝土的检验——超声波检测

钢管混凝土在施工中，有时会因管理不善和施工原因，使混凝土材料存在空洞、疏松、施工缝不均匀以及混凝土与钢管胶结不良等缺陷，从而不同程度地削弱钢管混凝土构件的力学性能和整体性能，所以要在一般质量检验的基础上加强钢管混凝土施工质量的监控，《钢管混凝土结构设计与施工规程》第7.4.9条规定：钢管内混凝土如有异常则应用超声波检测。

表1 钢结构组装允许偏差（国标和欧标对应条款）

表2 钢管柱吊装允许偏差（国标和欧标对应条款）

表3 新拌混凝土质量检验条款

超声法检测技术作为混凝土非破损检测技术之一，广泛应用于检测混凝土内部缺陷和匀质性等方面。我国工程建设标准化委员会于2000年颁布的《超声法检测混凝土缺陷技术规程》（CECS21：2000）中对钢管混凝土缺陷监测方式和数据处理作了规定。但超声法检测不仅受到骨料的品种和粒径的影响，而且还受到水灰比和水泥用量的影响，测量精度不高。2004年国家颁布《建筑结构检测技术标准》（GB/T 50344-2004）规定用超声法检测钢管内混凝土强度必须用同条件立方体试块或混凝土芯样试件抗压强度进行修正。

国外项目进行超声检测应以《Testing concrete—Part 4:Determination of ultrasonicpulse velocity试验混凝土第四部分：超声波脉冲速率的测定》（BS EN 12504-4:2004）为依据操作，欧标中缺少钢管柱混凝土检验，在数据处理过程中还要以《建筑结构检测技术标准》（GB/T 50344-2004）相关规定进行修正。

3.3 钢管混凝土施工要点——钢管内混凝土浇灌

3.3.1 钢管内混凝土浇灌方式的比较

《钢管混凝土结构设计与施工规程》第四节管内混凝土浇灌规定了浇灌方式（泵送顶升浇灌法、立式手工浇捣法、立式高位抛落无振捣法）及不同浇灌方式混凝土的质量要求和检验。根据以往现场经验，各种浇灌方法比较见表5。

立式高位抛落无振捣法适用于管径大于350mm，高度不小于4m的施工条件，从实验结论中可以看出，采用立式高抛无振捣法浇灌钢管内混凝土，在保证混凝土的质量条件下，成型后的自密实性能及力学等各项性能满足设计要求[22]。对于塔架这种总高度较高（大型塔架高度达到100m）且每节钢管柱较高的钢管混凝土结构，从施工费用、周期、技术要求等综合考虑，宜采用立式高位抛落无振捣法。虽然目前尚未查阅到立式高位抛落无振捣法浇灌混凝土的欧洲标准，但此方法在国内已广泛应用。

表4 混凝土试验方法（国标和欧标对应条款）

表5 钢管混凝土浇灌方式比较

3.3.2 钢管内混凝土浇灌基本施工方法

（1）钢管内混凝土在两层框架安装完毕后进行浇灌。框架分层浇灌的抛落高度应选择一个比较合理的高度，既能保证底层混凝土的密实性，又能确保混凝土质量不受影响（抛落高度过大则会造成石子与水泥砂浆离析）。

（2）利用混凝土下落时产生的动能达到振实混凝土的目的，对于抛落高度不足4m的区段，应用振捣器振实，一次抛落的混凝土量宜在0.5～0.8m3左右，用料斗装填（用塔吊），料斗卸料口尺寸应比钢管内径小100～200mm，以便混凝土下落时，柱内空气能够排出。

（3）混凝土由每段柱顶连续抛落，至每段柱顶下500mm为止，柱顶下4m内混凝土采用插入式振捣，一次振捣时间约30s。

（4）最后一层浇灌到距柱顶管口500mm处止（为方便浇注，先将顶盖板切开），封顶盖板，间隔10h后，从封顶盖板预留孔向柱内灌满混凝土，混凝土强度达到50%后封焊预留孔。

（5）每次灌浆前应在前次灌浆层上浇5～10cm同等强度的水泥砂浆。

3.3.3 冬季钢管内混凝土浇灌

某生产线预热器塔架施工，在冬季进行钢管内混凝土浇灌，混凝土浇灌后，塔架钢管柱出现裂缝。检查发现，混凝土中出现冰碴。这种情况在其他行业建设中也出现过。钢管混凝士柱裂缝的产生，是此种结构冬季施工的质量通病，涉及混凝土内部微胀应力、冻胀和焊缝设计、施工等诸多方面。裂缝产生的最主要原因是，钢管混凝土柱对温度的强敏感性，钢管和混凝土膨胀系数的差异（分别为1.2×10-5/℃与0.7×10-5/℃），同时钢管混凝土是密闭结构，负温下混凝土中的游离水难免冻结，体积膨胀9%，并伴有204～240MPa的冻胀应力，其外围的钢管在负温下发生“冷缩”，加之钢材的低温韧性较差，极易形成破坏性裂纹。

虽然钢管混凝土对温度变化膨缩的敏感性差异很大，但只要温度稳定或变化缓慢，不足以引起钢管混凝土结构裂缝。在冬季钢管内混凝土浇灌过程，应采取有效的保温措施，使钢管混凝土中水泥水化热缓慢积蓄并降温；掺入定量复合防冻剂缓解乃至消除冻胀应力；采取热拌和延长搅拌时间的方法，加速膨胀剂溶解和水泥水化进程等措施。