关于钢结构和混凝土组合结构的施工技术

2015-04-16沈楠

建材与装饰 2015年34期

关键词：钢管钢筋混凝土

沈楠

（重庆拓达建设（集团）有限公司重庆市南岸区 400061）

关于钢结构和混凝土组合结构的施工技术

沈楠

（重庆拓达建设（集团）有限公司重庆市南岸区 400061）

随着建筑工程的不断发展，建筑物的高度与跨度不断提高，经过多年的研究及工程实践，钢筋混凝土-钢组合结构已经发展成为既区别于传统的结构形式（混凝土结构、钢结构），又与之密切相关和交叉的结构形式，其结构类型和适用范围涵盖了结构工程应用的很多领域。与传统结构相比，组合结构有明显的优势：造价比钢结构低，结构刚度比钢结构大，施工速度比混凝土结构快，抗震性能优于混凝土结构，尤其是框架-核心筒体系采用组合结构时，其建筑高度可以比钢结构、混凝土结构更高，具有广阔的发展前景。这里我们就谈一下这种组合结构的施工技术。

钢管混凝土；组合结构；施工技术

成果概述：

钢筋混凝土-钢组合结构将两种材料的构件通过某种方式组合在一起共同工作，组合后的整体工作性能要明显优于各自性能的简单叠加。采用钢-混凝土组合结构的构件主要包括型钢-混凝土组合梁、钢骨混凝土梁/柱、钢骨混凝土墙/筒、钢板混凝土连梁、钢板混凝土墙、钢骨混凝土柱、钢管混凝土柱等。

钢筋混凝土-钢组合结构中，常采用钢骨混凝土柱和钢管混凝土柱，主要截面形式有钢骨混凝土柱、钢管混凝土柱、空心钢管混凝土柱等，相应的其梁柱节点连接也于传统结构不同。在梁的应用方面钢筋混凝土-钢组合结构中，常采用型钢混凝土组合。

在上述常用的组合构件中，钢管混凝土柱在我国应用较早且较为广泛，尤其是近年来在高层建筑中使用较多，下面主要对钢管混凝土结构进行重点阐述：

钢管混凝土结构是介于钢结构和钢筋混凝土结构之间的一种复合结构。钢管混凝土通常用于柱，即在钢管中灌注混凝土，钢管和混凝土这两种结构材料在受力过程中相互制约。钢管混凝土柱的承载力，比钢管和混凝土柱芯各自承载力的综合提高约40%。钢管混凝土承载力高，塑性和韧性良好，耐火耐腐蚀性能好，无需钢筋绑扎、支拆模等工序，施工简便，可大量节约人工费用。钢管混凝土柱有良好的经济性能，同一般型钢混凝土柱比较，在同等条件下，钢管混凝土柱可节约30%的用钢量。同钢筋混凝土比较，可节省水泥70%，节约钢材10%，节省模板100%，而造价大致相等。在美国、澳大利亚等国家，已建成的钢管混凝土结构高层建筑已经超过40幢。我国的高层、超高层建筑工程中也在推广应用这种优良的结构形式，如先后开工建设的总高610m的广州电视塔、总高437.5m的广州西塔均采用了钢管混凝土结构。可以预见，今后钢管混凝土结构将成为高层和超高层建筑中大量使用的结构形式。

钢管混凝土结构在施工过程中，最为关键的几个施工环节，即钢管制作、钢管拼接组装、钢管柱吊装、钢管内混凝土浇筑。

（1）钢管制作若由施工单位自行卷制，其钢板必须平直。当采用滚床卷管及手工焊缝接时，宜采用直流电焊机进行反接焊接施工。

（2）钢管拼接组装时，应严格保持焊后管肢的平直。在钢管焊接前，点焊定位适用于小直径钢管，对于大直径钢管可另用附加钢筋焊于钢管外壁作临时固定连焊。在接焊接过程中，若点焊定位地方的焊缝现出微裂缝，对此微裂缝部位务必全部铲除重新焊接。

（3）钢管柱吊装

吊装时，应注意减少吊装荷载作用下的变形，吊点位置应根据钢管本身强度和稳定性验算后确定。采用预制钢管混凝土构件时，应等管内混凝土达到强度设计值的50%后，才可以进行吊装。钢管柱吊装的允许偏差应符合要求。

（4）钢管内混凝土浇筑

管内混凝土可采用高位抛落无振捣法、立式手工浇捣法、泵送顶升浇筑法。泵送顶升浇筑法是在钢管接近地面的适当位置安装一个带闸门的进料支管，直接与泵车的输送管相连，由泵车的压力将混凝土连续不断自下而上灌入钢管，无需振捣；立式手工浇捣法即能达到振实混凝土的目的，适合使用于管径大于350mm、高度不小于4m情况。

对钢管混凝土结构来说，虽然钢管核心混凝土在施工中振捣困难，甚至无法振捣，导致混凝土密实性不够，存在大量气泡和空洞，影响工程质量。为解决这一问题，目前，高层、超高层钢管混凝土结构施工中通常采用高性能自密实混凝土。自密实混凝土在浇筑过程中，仅靠自重或少振捣的情况下就能在模板内自密实成型。它与常规浇筑、振捣混凝土最大的区别在于：能够自流平填密，避免出现因振捣不足而造成空洞、蜂窝、麻面等质量缺陷。同时，自密实混凝土所用的水泥量较少、粗骨料较少、掺合料较多、砂率较大，即使外加剂的成本较普通混凝土高，但从制作混凝土的成本材料上面作比较，强度等级为C40自密实混凝土的材料成本与同强度的普通混凝土材料成本相近。而且，随着水泥价格越来越来高，普通混凝土材料的成本已高出了自密实混凝土材料的成本。假如从工程质量、工程的施工进度及材料成本等多方面综合对比，钢管混凝土中运用自密实混凝土，整个工程的经济效益及技术效益将明显提高。

（5）钢管混凝土浇筑模型试验

为确定科学、合理的浇筑工艺用于指导现场施工，可在施工前进行1：1模型模拟浇筑实验。分别采用与工程实际直径相符的直段钢管和节点钢管进行试验，钢管的大小和安装角度均与实际结构一样，以保证试验的可靠性。直段钢管柱与节点钢管柱浇筑同标号混凝土。在钢管混凝土浇筑完成后作检测：

①外观检测：1：1模型钢管混凝土浇筑完成达到28d龄期后，将试验用钢管混凝土放到，剖开外面的钢管，检测其混凝土外观质量，直观地了解混凝土的浇筑质量（试验用混凝土外观光滑、平整）。

②断面检测：将混凝土沿横向切开观察混凝土断面的密实情况（混凝土的断面密实，没有孔隙）。

③抽芯检测：为了检验混凝土的强度等级，对混凝土实行抽芯取样强度试压，试快的抽取采取大型抽芯机和普通抽芯机这两种机械进行，抽芯部位同样采用两种情况——竖向抽取和横向抽取。经过对抽芯取样的试件进行抗压强度和预留试件抗压强度的对比，证明混凝土强度符合设计规范要求。

④绝热温升检测：为验证各标号钢管混凝土绝热温升条件下的强度是否满足要求，做了绝热温升试验，具体试验方法如下：

用高度1.2m、直径1m、厚度1cm的钢管做模拟试验。用密封胶试模制作150mm×150mm×150mm立方体标准试件3组，制作完成后用塑料薄膜包裹好放入钢管混凝土内。为了确保所制作的试件具有代表性，试验所取的混凝土应该跟实体构件的钢管混凝土是同一批的，混凝土的分层浇筑，把2根钢筋焊接在钢筋内壁上作为分层界面，然后把事前已准备好的混凝土试件放进钢管混凝土柱内钢筋上，连续浇灌混凝土至试模上口，每分一次层，就在钢管壁的外侧画上一个标志线，做为后续分层切割的依据。

测量温度时，在各个钢管混凝土桩内都要设置1个测量温度的点，以便观测混凝土升温升情况。等到混凝土的强度到28d龄期后，首先把钢管剥开，然后沿着之前所做的分界面标记将混凝土一层一层分开，最后把试模周边的混凝土剔除，打开试模后将试块取出送检，混凝土强度应满足要求。

⑤超声波检测：1：1钢管混凝土试验还做了埋管超声检测，检测龄期分别为7d、14d、28d，可以发现：混凝土龄期越长的，超声波的检测结果就越好。钢管混凝土外壁超声波检测同时进行。结果表明：此种检测方法是不可行，声波的传递直接沿管壁分散掉了，未经过混凝土。

钢管混凝土浇筑模型试验结果，依据试验过程中记录的钢筋剖析后混凝土肢解外型外观质量、超声波检测出的结果，可以知道，没振捣过的混凝土抗压强度和外型外观质量都比经过振捣的混凝土低，由此分析、总结每个不同直径钢筋的具体振捣时间、浇筑时间全都是混凝土振捣棒连续振动及连续下料的情况。在现实情况里，假如下料过快或者是有间歇，需要按每500mm振捣时间反算实际振捣时间。

（6）钢管混凝土浇筑施工工艺

①施工现场机具配备

向现场施工人员进行安全、技术交底；

现场配备多根高频振捣棒、照明灯具、监控摄像头、绞车及扎丝若干，以及施工方案里所需要的其他施工工具；混凝土浇筑前应确保钢管内无杂物、无积水，然后将振捣棒、串筒、监控装置、照明灯具及绞车固定好，为确保混凝土振捣棒及监控装置的机械性能完好，应提前进行试用。搅拌站应严格按照试验配合比进行配料，以确保混凝土的可泵性和自收缩量在规定范围内。

②钢管混凝土浇筑

混凝土需连续浇筑，根据浇筑高度、钢管直径及泵送出料速度，放入材料后30s开始振捣，放入材料后2min振捣开始提升，振捣棒随着混凝土的下料匀速提升，提升速度的前提是需要满足混凝土振捣密实，混凝土振捣密实的表现是：表面呈现浮浆、未见气泡或是气泡不大、振捣棒的声音平缓，混凝土浇筑速度能够通过控制泵送压力来控制。

如果下料过程中有中断（中断时间禁止超过混凝土初凝时间），相隔2min开一次振捣棒，为了维持混凝土的流动性。继续放入材料后，在混凝土交界面保持振捣15s大小。为了保证混凝土的振捣质量，混凝土的浇筑速度要合理控制。同一根钢管柱混凝土浇筑应该连续，分层间不得出现冷缝。

混凝土浇筑完成后，操作人员需立即对振捣棒、串筒等机具进行清洗，以备下次施工使用。混凝土初凝后，立即对表面浮浆进行清理和凿毛，并对钢管口加以保护。

③施工现场检测

通过以上各项试验验证了钢管混凝土的浇筑工艺，但是在现场实际操作中有些检测方法是不可行的，所以，埋管超声波检测是最适用于现场钢管混凝土的质量检测的。

超声波检测采用埋设声测管的方法通过水的耦合，超声波脉冲信号从一根声管中的换能器发射出去，由另一根声管中的换能器接收，超声仪测定有关参数并采集数据储存，通过传递波形的情况判断混凝土的质量。

（7）钢管混凝土浇筑实施效果

钢管混凝土结构充分发挥了钢材和混凝土两种材料的优点，并表现出抗压强度高、塑性性能好、抗震性能优异等新的工作性能。与钢结构柱子相比，可节约钢材50%左右，造价大大降低；与钢筋混凝土柱子相比，不需要模板，节约混凝土，减轻自重50%以上，是一种优质、高强、经济合理的承重构件。

大直径钢筋混凝土柱利用钢筋和混凝土的共同受力，使混凝土的强度得以提高，塑性和韧性能大为改善。同时，由于混凝土的存在可以避免或延缓钢筋发生局部屈曲，从面保证材料性能的充分发挥，所以混凝土本身的密实度和与钢管内壁紧密结合对钢管混凝土使节力至关重要。

综上所述，钢结构和混凝土组合结构已成为建筑结构的发展方向，必将得到更广泛的应用。

[1]聂建国.广义组合结构及其发展展望[J].建筑结构学报，2006.

[2]杨玉红，李悦，郭奇.自密实混凝土的工程应用及经济分析[J].新型建筑材料，2006.

[3]钟善桐.钢管混凝土结构[M].北京：清华大学出版社，2003.