自密实钢管混凝土研究与工程应用

麦高波

摘 要：在介绍自密实钢管混凝土特点及应用基础上，综述了国内外在自密实钢管混凝土性能方面的数值计算及试验研究进展，并以工程实例对自密实钢管混凝土进行了现场模拟试验和分析，采取的高抛自密实混凝土技术方案，较好的满足了设计和施工要求，可为类似采用该技术的工程做参考。

关键词：钢管；自密实混凝土；研究；工程应用

自密实混凝土可以依靠自重及流动性填充试模，并且保持混合料的均匀性，尤其适用于薄壁、结构形状复杂、振捣困难以及对施工噪声有特殊要求的工程[2]。因此，在钢管内填充自密实混凝土形成的组合结构材料，具有很好的工程应用前景。近年来，钢管自密实混凝土在工程中的应用范围日益广泛，我国的北京南站改扩建工程[3]、国家体育馆“鸟巢”[4]、厦门财富中心[5]等工程中均使用了钢管自密实混凝土，取得了很好的技术与经济效益。本文先介绍自密实混凝土研究进展情况，再就具体的工程实例进行自密实混凝土配合比优化，以及施工模拟试验与分析，并在工程中开展应用。

1.自密实钢管混凝土研究进展

由于自密实混凝土的特点，自90年代以来，自密实混凝土得到了迅速的发展和推广应用。近年来在国内外陆续展开了对钢管自密实混凝土的研究，研究包括其与普通钢管混凝土在承载力方面的差别，钢管自密实混凝土受力性能、材料本构关系等方面的研究等。

在承载力试验研究方面，中南大学蒋丽忠、余志武教授等通过钢管自密实混凝土短柱轴压试验[6]，研究了不同混凝土强度等级、钢管中部是否开小孔或不同高度的横槽以及不同加载方式对钢管自密实混凝土极限承载力的影响。

尧国皇、韩林海教授在自密实钢管混凝土力学性能方面做了较多研究。通过18个轴压构件和20个压弯构件，进行了试验研究和理论分析。考虑了核心混凝土的振捣方式、截面形式、径厚比和荷载偏心率等参数[7]。

大连理工大学黄承逵等人对15根钢管自应力自密实混凝土柱和3根普通钢管自密实混凝土柱进行了偏心受压试验研究。结果表明：与普通钢管自密实混凝土相比，钢管自应力自密实混凝土具有较长的弹性工作段，初始自应力对结构的破坏形态几乎没有影响[8]。

王庆利等[9]研究钢管自密实混凝土轴压构件的静力性能，为辽宁省相关地方标准的编制提供参考依据。方法通过18个钢管自密实混凝土轴压构件（内填混凝土的立方试块抗压强度达96 MPa）的静力试验，时轴压构件的破坏模态、轴力一中截面挠度曲线、轴力一应变曲线和侧向挠曲线形状等进行了分析。从试验研究的整体情况来看，浇筑强度达96 MPa的混凝土的钢管自密实混凝土与普通钢管混凝土在静力性能方面没有本质区别。对钢管自密实混凝土轴压构件的静力性能进行有限元模拟，进一步了解其工作机理分析。在试验研究的基础上，采用有限元法建立分析模型并模拟试件的轴力一中截面挠度曲线和破坏模态，验证有限元分析模型可靠，以此模型深入研究了钢管自密实混凝土轴压构件中钢管和混凝土应力和应变等的分布规律[10]。

朱国平等借助有限元分析软件ANSYS，考虑了钢管与混凝土两种材料本构关系的非线性，对轴心受压钢管自密实混凝土短柱进行了大量的非线性有限元分析，建立了钢管自密实混凝土短柱在轴心压力作用下的非线性有限元计算模型[11]。

国外的一些学者也对钢管自密实混凝土受力性能、与钢管普通混凝土等方面进行了大量的试验研究。除了对钢管自密实混凝土的大量研究外，工程中的应用也在大力推广。

2.工程案例分析

2.1 工程概况

某工程建筑高度262m，南北边长最长约为205m，建筑占地面积为8049.5m2，地下3层主要是商业购物广场、停车位、机房等，地上1层～4层为商业部分，5层～53层为办公部分，54层为观光大厅。

本工程大楼竖向采用钢管柱承载体系，主楼存在14根钢管混凝土柱，钢管内填充C60混凝土，单根钢管直径900～1200mm，在钢管柱与钢梁、斜撑连接部位内设横向环形加劲板，加劲板中心设有通孔。加劲板的存在使钢管内混凝土不易振捣、施工难度大。为保证钢管混凝土结构的施工质量，采用C60自密实混凝土高抛法进行浇筑。

2.2 自密实混凝土配制

按照《自密实混凝土应用技术规程》（JGJT283-2012）要求配制自密实混凝土。

2.2.1 混凝土原材料的选用

（1）水泥

选用标号为P·O42.5R闽福水泥，性能指标检验结果符合GB175-2007中P·O42.5R水泥的技术要求。

（2）细集料

细集料采用河砂，氯离子含量0.004%≤0.02%，含泥量1.8%≤2.0%，泥块含量0.4%≤0.5%。颗粒级配符合JGJ52-2006中Ⅱ区中砂的质量要求。

（3）粗集料（碎石）

选用最大粒径5～10mm（碎石1）及10～20mm（碎石2）两种规格的碎石，抽检结果，碎石1含泥量0.4%≤0.5%，泥块含量0.2%≤0.2%，针片状4%≤8%；碎石2含泥量0.4%≤0.5%，泥块含量0.1%≤0.2%，针片状2%≤8%。两种规格的碎石颗粒级配分别符合JGJ52-2006中5～10mm连续粒级和10～20mm单粒级的质量要求。

（4）掺合料

选用粉煤灰和粒化高炉矿渣粉两种掺合料。两种掺合料的技术指标检验结果分别符合GB/T1596-2005中Ⅰ级（F类）粉煤灰和GB/T18046-2008中S95矿渣粉的技术要求。

（5）混凝土外加剂

选用缓凝型点石聚羧酸系高效减水剂Point-400s及JYQ-A膨胀剂，两种外加剂的主要性能指标检验结果分别符合GB8076-2008中外加剂的技术要求和GB23439-2009中Ⅱ型膨胀剂的技术要求。

2.2.2配合比设计

依据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011），按28d强度69MPa，塌落度270mm，密度2420kg/m3，初凝时间475min，终凝时间630min，和易性好的要求进行配合比设计。

2.3 模拟试验

2.3.1试验的目的

现场按1：1的比例模拟钢管混凝土浇筑试验，通过现场观测自密实混凝土本身拌合物性能，包括流动性、和易性、检查坍落度、扩展度等检验施工现场混凝土的基本性能；通过沿着对称位置切割钢管，取下其中一侧钢管时能否感受到混凝土与钢管壁的粘结力以及观察混凝土与未取下的钢管边沿的结合情况，从而定性判断钢管与混凝土的粘结性能；通过观察混凝土表面是否存在气泡及裂缝，判断自密实混凝土的浇筑质量；通过对混凝土钻芯取样，目测混凝土密实情况并检验其强度。通过试验结果检验自密实混凝土浇筑方案的可行性，确保自密实钢管混凝土的施工质量。 2.3.2试件设计及制作

该模拟试验的构件与工程实际构件在构造上一致，包括加劲板设置，排气孔设置等。实验柱采用的钢管直径900mm，厚度20mm，单节高度9.9m，钢管内壁焊接厚32mm宽度245mm的横隔板，横隔板共8块，隔板中线4个对称位置各设置直径25mm的排气孔。

钢管内混凝土的浇筑方案与施工现场一致，用钢管架搭设实验平台，将钢管柱竖向固定，模拟现场高抛形式，用吊车将混凝土提至钢管上方，抛落高度11米，打开阀门，使混凝土以自由落体的方式灌注至钢管，利用混凝土从高位抛下时产生的动能达到振实混凝土，现场模拟见图1所示。试件的制作流程如下：

钢管的制作→安装900mm管径柱脚→安装直段钢管及支撑→安装临时操作架→浇筑系统布置→浇筑混凝土→混凝土养护。

2.3.3 试验现象及分析

运至现场的混凝土的塌落度为250mm，粘聚性、保水性和延展性都较好，浇筑过程中没有发生利息、堵管等不良现象，具有较好的流动性、和易性。在浇注混凝土的同时取样制作150mm×150mm×150mm立方块，在与试件同样的环境下养护及在实验室标准养护下，混凝土试块强度见下表。

混凝土养护至33 d时，对模型进行切割放倒，如图2、图3所示，观察钢管内混凝土的表面质量及填充效果，并钻芯取样测试混凝土强度。切割时能明显感受到混凝土与钢管壁之间的粘结力，目测混凝土与钢管切割缝无可见缝隙，表明钢管与内部混凝土结合良好，同时混凝土表面较为光滑，加劲隔板位置填充良好（见图4）；根据抽芯、取样检测结果分析，混凝土的钻芯取样试样强度测试值最小为78.9MPa，最大为99.4MPa，平均为89.5MPa，达到设计强度要求。

整个钢管柱混凝土浇筑质量观感良好、无严重质量缺陷，符合相关要求。在钢柱加劲板部位处混凝土自密实质量符合相关质量要求，可保证后期钢管混凝土施工质量要求及对钢管柱自密实混凝土施工技术的推广及应用。

3.结论

（1）在钢管混凝土中采用自密实混凝土，可以用于普通混凝土难以浇筑甚至无法浇筑的结构部位，解决施工中的难题。同时可以避免因施工带来的噪声污染，具有实际的社会意义。

（2）试验结果表明，钢管与内部混凝土粘结良好，同时混凝土表面较为光滑，混凝土的钻芯取样试样强度达到设计强度要求，表明混凝土具有较好的自密实性。

（3）通过对本工程案例的自密实混凝土配合比及现场模拟浇筑试验分析，该项目采取的高抛自密实混凝土技术方案，较好的满足了设计和施工要求。可为类似项目选择该技术的使用作为参考。

（4）本文总结了部分学者对钢管自密实混凝土配置、承载力试验等方面研究的成果，通过模拟试验验证了采用高抛自密实混凝土技术的可行性，还有一些问题如钢管超高强自密实混凝土长期荷载下的力学性能研究、钢管自密实混凝土抗震性能、钢管自密实混凝土耐火性能等方面仍有待于进一步的探索研究。

参考文献

[1] 钟善桐.钢管混凝土结构（第3版）[M].北京：清华大学出版社，2003

[2] 林冬、黄炳生、杨利生.自密实钢管混凝土的研究与应用现状[J].混凝土，2008（12）：90—92.

[3] 范灵晨.C50自密实混凝土在北京站工程中的应用[J].建设科技，2008（7）：129.

[4] 刘霞、吴冬、王兴辉.自密实混凝土在国家体育场的研究和应用[J].混凝土，2008（1）：107—111.

[5] 徐仁崇、桂苗苗、曾冲盛、刘君秀.厦门财富中心钢管自密实混凝土的研究与应用[J].施工技术.2011，40（347）：65-67

[6] 蒋丽忠、丁发兴、余志武.钢管自密实混凝士轴压受力机理试验研究[J].中国铁道科学，2006，27（4）：38—44.

[7] 尧国皇、韩林海.钢管自密实高性能混凝土压弯构件力学性能研究[J].建筑结构学报，2004.25（4）：34-42.

[8] 黄承逵、尚作庆、张鹏.钢管自应力自密实混凝土柱偏心 受压试验研究[J].大连理工大学学报.2008，48（4）：564-569.

[9] 王庆利、慕海涛、王月、寇清.钢管自密实混凝土轴压构件的静力性能试验[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版），2011，27（5）：866—874.

[10] 王庆利、慕海涛、王月、寇清.钢管自密实混凝土轴压构件静力性能的有限元模拟与机理分析[J]. 沈阳建筑大学学报（自然科学版），2011，27（6）：1043—1052.

[11] 朱国平、叶燕华、毛志伟、杜艳静.钢管自密实混凝土短柱的有限元分析[J].混凝土，2009（7）：17—19.

2.2.2配合比设计

依据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011），按28d强度69MPa，塌落度270mm，密度2420kg/m3，初凝时间475min，终凝时间630min，和易性好的要求进行配合比设计。

2.3 模拟试验

2.3.1试验的目的

现场按1：1的比例模拟钢管混凝土浇筑试验，通过现场观测自密实混凝土本身拌合物性能，包括流动性、和易性、检查坍落度、扩展度等检验施工现场混凝土的基本性能；通过沿着对称位置切割钢管，取下其中一侧钢管时能否感受到混凝土与钢管壁的粘结力以及观察混凝土与未取下的钢管边沿的结合情况，从而定性判断钢管与混凝土的粘结性能；通过观察混凝土表面是否存在气泡及裂缝，判断自密实混凝土的浇筑质量；通过对混凝土钻芯取样，目测混凝土密实情况并检验其强度。通过试验结果检验自密实混凝土浇筑方案的可行性，确保自密实钢管混凝土的施工质量。 2.3.2试件设计及制作

该模拟试验的构件与工程实际构件在构造上一致，包括加劲板设置，排气孔设置等。实验柱采用的钢管直径900mm，厚度20mm，单节高度9.9m，钢管内壁焊接厚32mm宽度245mm的横隔板，横隔板共8块，隔板中线4个对称位置各设置直径25mm的排气孔。

钢管内混凝土的浇筑方案与施工现场一致，用钢管架搭设实验平台，将钢管柱竖向固定，模拟现场高抛形式，用吊车将混凝土提至钢管上方，抛落高度11米，打开阀门，使混凝土以自由落体的方式灌注至钢管，利用混凝土从高位抛下时产生的动能达到振实混凝土，现场模拟见图1所示。试件的制作流程如下：

钢管的制作→安装900mm管径柱脚→安装直段钢管及支撑→安装临时操作架→浇筑系统布置→浇筑混凝土→混凝土养护。

2.3.3 试验现象及分析

运至现场的混凝土的塌落度为250mm，粘聚性、保水性和延展性都较好，浇筑过程中没有发生利息、堵管等不良现象，具有较好的流动性、和易性。在浇注混凝土的同时取样制作150mm×150mm×150mm立方块，在与试件同样的环境下养护及在实验室标准养护下，混凝土试块强度见下表。

混凝土养护至33 d时，对模型进行切割放倒，如图2、图3所示，观察钢管内混凝土的表面质量及填充效果，并钻芯取样测试混凝土强度。切割时能明显感受到混凝土与钢管壁之间的粘结力，目测混凝土与钢管切割缝无可见缝隙，表明钢管与内部混凝土结合良好，同时混凝土表面较为光滑，加劲隔板位置填充良好（见图4）；根据抽芯、取样检测结果分析，混凝土的钻芯取样试样强度测试值最小为78.9MPa，最大为99.4MPa，平均为89.5MPa，达到设计强度要求。

整个钢管柱混凝土浇筑质量观感良好、无严重质量缺陷，符合相关要求。在钢柱加劲板部位处混凝土自密实质量符合相关质量要求，可保证后期钢管混凝土施工质量要求及对钢管柱自密实混凝土施工技术的推广及应用。

3.结论

（1）在钢管混凝土中采用自密实混凝土，可以用于普通混凝土难以浇筑甚至无法浇筑的结构部位，解决施工中的难题。同时可以避免因施工带来的噪声污染，具有实际的社会意义。

（2）试验结果表明，钢管与内部混凝土粘结良好，同时混凝土表面较为光滑，混凝土的钻芯取样试样强度达到设计强度要求，表明混凝土具有较好的自密实性。

（3）通过对本工程案例的自密实混凝土配合比及现场模拟浇筑试验分析，该项目采取的高抛自密实混凝土技术方案，较好的满足了设计和施工要求。可为类似项目选择该技术的使用作为参考。

（4）本文总结了部分学者对钢管自密实混凝土配置、承载力试验等方面研究的成果，通过模拟试验验证了采用高抛自密实混凝土技术的可行性，还有一些问题如钢管超高强自密实混凝土长期荷载下的力学性能研究、钢管自密实混凝土抗震性能、钢管自密实混凝土耐火性能等方面仍有待于进一步的探索研究。

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[7] 尧国皇、韩林海.钢管自密实高性能混凝土压弯构件力学性能研究[J].建筑结构学报，2004.25（4）：34-42.

[8] 黄承逵、尚作庆、张鹏.钢管自应力自密实混凝土柱偏心 受压试验研究[J].大连理工大学学报.2008，48（4）：564-569.

[9] 王庆利、慕海涛、王月、寇清.钢管自密实混凝土轴压构件的静力性能试验[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版），2011，27（5）：866—874.

[10] 王庆利、慕海涛、王月、寇清.钢管自密实混凝土轴压构件静力性能的有限元模拟与机理分析[J]. 沈阳建筑大学学报（自然科学版），2011，27（6）：1043—1052.

[11] 朱国平、叶燕华、毛志伟、杜艳静.钢管自密实混凝土短柱的有限元分析[J].混凝土，2009（7）：17—19.

2.2.2配合比设计

依据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011），按28d强度69MPa，塌落度270mm，密度2420kg/m3，初凝时间475min，终凝时间630min，和易性好的要求进行配合比设计。

2.3 模拟试验

2.3.1试验的目的

现场按1：1的比例模拟钢管混凝土浇筑试验，通过现场观测自密实混凝土本身拌合物性能，包括流动性、和易性、检查坍落度、扩展度等检验施工现场混凝土的基本性能；通过沿着对称位置切割钢管，取下其中一侧钢管时能否感受到混凝土与钢管壁的粘结力以及观察混凝土与未取下的钢管边沿的结合情况，从而定性判断钢管与混凝土的粘结性能；通过观察混凝土表面是否存在气泡及裂缝，判断自密实混凝土的浇筑质量；通过对混凝土钻芯取样，目测混凝土密实情况并检验其强度。通过试验结果检验自密实混凝土浇筑方案的可行性，确保自密实钢管混凝土的施工质量。 2.3.2试件设计及制作

该模拟试验的构件与工程实际构件在构造上一致，包括加劲板设置，排气孔设置等。实验柱采用的钢管直径900mm，厚度20mm，单节高度9.9m，钢管内壁焊接厚32mm宽度245mm的横隔板，横隔板共8块，隔板中线4个对称位置各设置直径25mm的排气孔。

钢管内混凝土的浇筑方案与施工现场一致，用钢管架搭设实验平台，将钢管柱竖向固定，模拟现场高抛形式，用吊车将混凝土提至钢管上方，抛落高度11米，打开阀门，使混凝土以自由落体的方式灌注至钢管，利用混凝土从高位抛下时产生的动能达到振实混凝土，现场模拟见图1所示。试件的制作流程如下：

钢管的制作→安装900mm管径柱脚→安装直段钢管及支撑→安装临时操作架→浇筑系统布置→浇筑混凝土→混凝土养护。

2.3.3 试验现象及分析

运至现场的混凝土的塌落度为250mm，粘聚性、保水性和延展性都较好，浇筑过程中没有发生利息、堵管等不良现象，具有较好的流动性、和易性。在浇注混凝土的同时取样制作150mm×150mm×150mm立方块，在与试件同样的环境下养护及在实验室标准养护下，混凝土试块强度见下表。

混凝土养护至33 d时，对模型进行切割放倒，如图2、图3所示，观察钢管内混凝土的表面质量及填充效果，并钻芯取样测试混凝土强度。切割时能明显感受到混凝土与钢管壁之间的粘结力，目测混凝土与钢管切割缝无可见缝隙，表明钢管与内部混凝土结合良好，同时混凝土表面较为光滑，加劲隔板位置填充良好（见图4）；根据抽芯、取样检测结果分析，混凝土的钻芯取样试样强度测试值最小为78.9MPa，最大为99.4MPa，平均为89.5MPa，达到设计强度要求。

整个钢管柱混凝土浇筑质量观感良好、无严重质量缺陷，符合相关要求。在钢柱加劲板部位处混凝土自密实质量符合相关质量要求，可保证后期钢管混凝土施工质量要求及对钢管柱自密实混凝土施工技术的推广及应用。

3.结论

（1）在钢管混凝土中采用自密实混凝土，可以用于普通混凝土难以浇筑甚至无法浇筑的结构部位，解决施工中的难题。同时可以避免因施工带来的噪声污染，具有实际的社会意义。

（2）试验结果表明，钢管与内部混凝土粘结良好，同时混凝土表面较为光滑，混凝土的钻芯取样试样强度达到设计强度要求，表明混凝土具有较好的自密实性。

（3）通过对本工程案例的自密实混凝土配合比及现场模拟浇筑试验分析，该项目采取的高抛自密实混凝土技术方案，较好的满足了设计和施工要求。可为类似项目选择该技术的使用作为参考。

（4）本文总结了部分学者对钢管自密实混凝土配置、承载力试验等方面研究的成果，通过模拟试验验证了采用高抛自密实混凝土技术的可行性，还有一些问题如钢管超高强自密实混凝土长期荷载下的力学性能研究、钢管自密实混凝土抗震性能、钢管自密实混凝土耐火性能等方面仍有待于进一步的探索研究。

参考文献

[1] 钟善桐.钢管混凝土结构（第3版）[M].北京：清华大学出版社，2003

[2] 林冬、黄炳生、杨利生.自密实钢管混凝土的研究与应用现状[J].混凝土，2008（12）：90—92.

[3] 范灵晨.C50自密实混凝土在北京站工程中的应用[J].建设科技，2008（7）：129.

[4] 刘霞、吴冬、王兴辉.自密实混凝土在国家体育场的研究和应用[J].混凝土，2008（1）：107—111.

[5] 徐仁崇、桂苗苗、曾冲盛、刘君秀.厦门财富中心钢管自密实混凝土的研究与应用[J].施工技术.2011，40（347）：65-67

[6] 蒋丽忠、丁发兴、余志武.钢管自密实混凝士轴压受力机理试验研究[J].中国铁道科学，2006，27（4）：38—44.

[7] 尧国皇、韩林海.钢管自密实高性能混凝土压弯构件力学性能研究[J].建筑结构学报，2004.25（4）：34-42.

[8] 黄承逵、尚作庆、张鹏.钢管自应力自密实混凝土柱偏心 受压试验研究[J].大连理工大学学报.2008，48（4）：564-569.

[9] 王庆利、慕海涛、王月、寇清.钢管自密实混凝土轴压构件的静力性能试验[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版），2011，27（5）：866—874.

[10] 王庆利、慕海涛、王月、寇清.钢管自密实混凝土轴压构件静力性能的有限元模拟与机理分析[J]. 沈阳建筑大学学报（自然科学版），2011，27（6）：1043—1052.

[11] 朱国平、叶燕华、毛志伟、杜艳静.钢管自密实混凝土短柱的有限元分析[J].混凝土，2009（7）：17—19.