钢管混凝土叠合柱在湖州东吴国际广场的应用

为满足建筑物的刚度、强度及抗震性能,高层特别是超高层建筑中越来越多地采用钢管混凝土叠合柱。钢管混凝土叠合柱是在钢筋混凝土柱的截面中部设置钢管混凝土的一种叠合构件,在我国已形成自主开拓的一种结构体系,它较钢管混凝土和钢骨混凝土(型钢混凝土)柱具有更优良的抗压性能和抗震性能。设计采用钢管混凝土叠合柱既可减少柱子断面而节约空间,又能满足建筑物的刚度、强度及抗震性能,减少对钢管防腐的使用成本,增强钢管的防火性能。本文结合浙江省湖州市东吴·国际广场龙鼎大厦工程,对钢管混凝土叠合柱中钢管的制作、焊接、安装和钢筋绑扎以及柱模板加固、混凝土浇筑等施工技术进行论述。

1 工程概况

湖州东吴·国际广场龙鼎大厦工程,主塔楼地上51层,地下2层,最大建筑高度288 m,工程总建筑面积约180 000 m2。工程主楼地下室为桩承台筏板基础,工程桩为φ1 400、φ1 500嵌岩钻孔灌注桩。主塔楼结构形式为框架-筒体结构,由筒体及四周共20个钢管混凝土叠合柱组成。工程地下2层至地上7层框架柱为钢管混凝土叠合柱,混凝土强度为C70；钢管混凝土柱截面尺寸为1 400 mm×1 400 mm, 钢管柱截面尺寸为Φ1 000 mm×28 mm,钢管总用量约为720 t。劲性钢管柱安装于主楼地下室桩承台筏板基础顶面,上部根据楼层高度每两层一节,逐节接至第7层(38.950 m)。在楼层框架梁钢筋绑扎完成后,钢管内的混凝土浇筑至楼层结构面标高以上1 000 mm,钢管外侧混凝土与楼层梁板混凝土同时浇筑至楼层结构面标高。

2 工程设计特点及施工难点

1)本工程钢管混凝土叠合柱截面尺寸为1 400 mm×1 400 mm,混凝土为C70高性能混凝土,其强度高、延性大、抗震性能优异；外包普通钢筋混凝土,既提高柱的承载力和减少柱的截面尺寸,又无须再对钢管柱进行防火处理,减少了工程造价。

2)该结构类型配置中心混凝土是关键,中心混凝土量占整个混凝土量的1/3,所承担的轴力为3/4。配置C70高性能混凝土难度较大,并且对混凝土密实度、收缩性要求较高。所以，在此高强度混凝土施工时,试块、试模、验收等方面均非常重要。

3)结构梁跨度大,钢筋直径粗,须在钢管柱上开孔,钢管柱开孔的标高、位置、洞口大小等须严格按要求控制,并且应尽量减少钢筋根数。

4)本工程设计钢管柱两层一节,混凝土浇灌高度大；钢管柱内及外侧混凝土下料、振捣难度大。

工程结构平面及叠合柱配筋见图1、图2。

图1 叠合柱配筋

图2 工程结构平面布置图

3 施工顺序

本工程施工流程如下：基础埋设高强螺栓→钢管起吊→钢管就位螺栓初拧→垂直度初步校核→螺栓终拧、垂直复核→会审安装测量记录、确定焊接顺序→焊接完成垂直度测量校对→校正验收→钢管外柱筋绑扎及框架柱模板安装→安装梁底模→绑扎梁钢筋→安装梁侧模及楼面模板→绑扎楼板钢筋及上部结构插筋→钢管内C70混凝土浇筑→浇筑钢管外框架柱及梁板混凝土。

4 施工要点及技术措施

4.1 钢管柱的制作及安装

4.1.1 钢管的制作

1)本工程钢管采用Φ1 000 mm×28 mm,钢管在专业厂家制作,并经检验合格。钢板必须平直,并有出厂证明及试验报告,卷制钢管的钢板焊接采用CO2气体保护焊。钢管卷管方向前应与钢板压延方向垂直,Q345钢卷管内径不应小于钢板厚度的40倍。卷制钢管前应根据要求将板端开好坡口,坡口端应与管轴严格垂直。卷管过程中,应保持管端平面与管线垂直。考虑到现场安装的实际要求,在钢管柱的连接端头设有临时连接件,临时连接件采用Q235钢,具体做法见图3。

图3 钢管柱连接端头临时连接

2)钢管穿筋孔的开设：开设钢筋孔时,需要采用CAD精确定位放样。钢管管壁上开孔位置应考虑节点不同主向梁纵向钢筋标高的差异,同时应满足：开孔孔径D=d+13 mm(d为钢筋直径),钢管上下排之间的预留孔中心距离为2D,预留孔之间的水平距离一般大于3D,预留孔边距钢管边大于3D。应在钢管外壁准确定出钢管十字中心线,弹出墨线作基线,根据图中尺寸用钢皮尺沿钢管壁上下定出各钢筋中心点,两点连线。再根据立面图中各排钢筋中点距梁上下边线的尺寸,在钢管外壁上定出各钢筋中点,复核无误后打眼。

4.1.2 钢管柱的吊装及就位

1)柱吊装前准备：待现场检验合格,堆放及行车路线确定后,即检查预埋板、预埋螺栓的轴线位置(允许偏差5.0 mm)、平整度、标高,待检查、测量合格后,用基础螺母(柱底下)拧到预埋螺栓上,用水准仪或经纬仪把基础螺母调平至同一水平,并加以适当固定。

柱按编号分别运至确定位置并按规定摆放,摆放位置是其柱脚中心应基本与基础面中心形成一个同心弧,柱应适当垫高200～300 mm并准备好适当规格的方木。柱吊装前应再次检查柱的各种基准点,吊(捆扎)点以及表面是否有损坏和污垢,确认无误后才能捆扎和吊装。

2)钢管柱的吊装就位：钢柱由专业钢构公司经过分段制作后运到现场,采用主塔楼核心筒内安装的QTZ315内爬式塔式超重机进行单机回转法吊装,能够满足现场钢管柱卸车及安全吊装要求(本工程单根钢柱最大重量约为8.3 t)。

钢柱吊装前应先将钢爬梯临时固定在柱顶,并且将爬梯底部用绳索固定在钢管柱底部。吊点绑扎方式为两点绑扎,绑扎位置为通过卡环连接在耳板上,钢柱吊装用的两根短头应挂设在两个基本处于水平面的吊耳上，以免起吊过程中一根吊索受力引起柱身翻滚。现场采用单机回转法起吊,起吊前钢柱应横放在枕木上,起吊时不得使钢柱在地面上有拖拉现象,钢柱起吊必须距地面2 m以上才可以回转。钢柱吊装示意图见图4。

图4 钢柱吊装示意图

钢柱提升就位后,利用连接板连接柱段端头的耳板进行钢柱临时固定。钢管柱就位以后操作人员通过钢爬梯上至钢管柱顶端进行摘钩,摘钩人员安全带应挂在钢柱耳板之上,不允许将安全带直接挂在吊钩上。吊装过程中,要尽量避免钢柱在地面拖动,不得歪拉斜吊。

3)钢管柱现场对接焊接

连接件安装校正完毕后,应根据实测垂偏结果来确定焊接顺序,并按设计要求(全熔透坡口焊)进行焊接。本工程柱与柱的对接焊接采用两人对称焊接,焊接的形式为CO2气体保护焊,焊丝采用LXQ-506,焊机为2台KR(Ⅱ)-500(CO2)。气体保护焊的焊缝引出长度应大于25 mm,在保证焊透的前提下采用小角度、窄间隙焊接坡口,采用小焊缝、多道多层的方法以减小收缩量,同时保证焊缝的长度和焊脚高度以符合设计要求,做到边焊接边检查。焊完板厚的1/3方能停焊,且严格做好后热处理,再进行保温处理。

焊接完成后,首先清理表面的熔渣及两侧的飞溅物,随后进行焊缝检验,检验方法按照《钢结构工程施工质量验收规范(GB 50205—2001)》进行。本工程钢管柱连接焊缝为全熔透焊缝,要求达到一级焊缝的规定。

4.2 钢管叠合柱钢筋、模板及混凝土施工

4.2.1 钢筋施工

钢管叠合柱梁柱节点区的钢筋较为复杂,特别是梁的钢筋安装(图5)。

1)柱钢筋安装 设计柱纵向钢筋为Φ25～32的HRB400级钢筋,均采用机械直螺纹接头,这种连接方式不受天气、环境影响,施工速度快且连接可靠；箍筋为Φ14HRB335级钢筋,钢管外侧焊有栓钉,且柱弧形箍筋末端设有135°弯钩。

柱纵筋连接接头以下拉筋制作时一端弯钩为135°,另一端弯钩为90°,绑扎时交错设置,最后用钢筋扳手将90°弯钩调整到135°。连接接头以上部位,先将4个柱角部位及每个弧形拉筋一端的柱筋进行机械连接接长,箍筋安装时一端勾住已连接好的纵筋,另一端绑扎定位到待安装主筋位置,拉钩筋交点用扎丝绑扎,保持后安装纵筋部位弯钩上下一致。将后安装的纵筋由拉勾内侧自上而下穿过每道拉勾钢筋,用扳手将丝头拧紧,将所有纵筋、箍筋位置整理后用扎丝绑扎固定。

2)梁钢筋安装 梁钢筋采用Φ22～36 HRB400级钢筋,所有接头均采用滚轧直螺纹机械连接。根据设计要求,接头位置设置在受力较小的部位,不宜设置在框架梁端的箍筋加密区范围内。同一连接段的接头面积率小于50%。本工程主框架梁截面较大,梁宽为400～1 200 mm,梁高1 000～1 600 mm,梁底模支设后即进行梁钢筋的绑扎安装工作,最后支设梁侧模。梁钢筋施工工艺为：梁底筋自下而上穿钢管孔、直螺纹机械连接→梁面筋自下而上穿钢管孔、直螺纹机械连接→梁箍筋就位→穿梁腰筋→绑扎梁底筋、腰筋、面筋→拆除梁钢筋支承架体。

图5 钢管叠合柱梁柱节点区的钢筋

4.2.2 模板施工

柱模板安装与普通墙柱、梁板安装基本相同,只是由于框架柱内有钢管,不能随意采用对拉螺杆的办法在型钢上开孔对模板进行加固。本工程柱外围最大尺寸为1 400 mm×1 400 mm,支撑高度最大为6.3 m。柱模采用18 mm厚胶合板,外竖楞为50 mm×100 mm木方,间距200 mm,围檩采用Φ48 mm双钢管,沿柱高度布置,间距400 mm,每道围檩中间设2根Φ14对拉螺栓,螺杆两头均设螺纹(图6)。在加工厂按规定间距在钢管外侧壁上焊接加长螺母,模板相应位置留孔。模板安装前用扳手先将螺杆拧进螺母,调整方向,模板套装后背木方次楞和钢管主楞加固。混凝土浇筑完成拆模后用切割机切除外露螺丝。

图6 柱模板安装示意图

4.2.3 柱混凝土浇筑

本工程钢管内外混凝土均为高强C70混凝土,钢管柱混凝土浇筑分两次进行：第一次先浇筑管内混凝土；第二次将箍筋柱纵向主筋安装完毕,外侧模板支设完毕后,再浇筑钢管外混凝土。

钢管现场就位安装校核(对接焊接)完成即可进行钢管内混凝土浇筑。钢管内的混凝土应具有高强、低收缩、低徐变、高弹性模量及良好的泵送性,不发生泌水现象。钢管内混凝土采用补偿收缩混凝土,钢管柱的混凝土采用立式手工浇捣法,采用专用移动式钢制活动操作平台,安装于钢管柱顶,即混凝土采用料斗利用塔吊吊至空中,由钢管上口灌入, 采用混凝土内部振捣器(振动棒)捣实。混凝土振捣采用定制加长管(14 m)振捣棒,采用商品混凝土,混凝土配合比中掺入适量的HEA混凝土膨胀剂和减水剂(控制在7～10 h),混凝土坍落度不小于150 mm,混凝土的现场运至采用泵送输送或用塔吊运至浇筑点, 混凝土浇灌高度为5～6 m,按每次下料500 mm控制,每次振捣时间不少于30 s,混凝土浇灌工作连续进行,必须间歇时,间隙时间不应超过混凝土的初凝时间, 留设施工缝时, 应将管口封闭,防止水、油和异物等落入管内。

为避免混凝土离析,钢管内混凝土不能直接采用高抛方式下料,需设Φ200 mm的串筒下料,管内混凝土浇筑到楼面结构标高向上1 000 mm处。钢管外混凝土采用免振自密实混凝土,为确保施工质量,浇筑时采用专用(定制)振动棒进行插捣。

5 结 语

通过充分的专家论证及现场采取各项施工技术措施,使得东吴·国际广场工程大直径钢管混凝土叠合柱结构得以优质高效地顺序实施,为实现优质结构的质量目标打下了坚实的基础,取得了较好的社会效益与经济效益。