复杂钢筋混凝土斜圆柱施工技术

2019-11-06陈文渝

四川建筑 2019年4期

陈文渝

(中国五冶集团有限公司，四川成都 610063)

1 工程概况

某大型演艺中心，整体为陀螺状，最高标高46.6 m，直径150 m，地下2层，地上6层。主体结构一、二层为钢筋混凝土框架结构，三层以上采用33榀悬挑现浇钢筋混凝土预应力桁架体系。桁架的最外侧为大直径外挑斜柱，最大直径达1 200 mm，倾斜角度由24～73 °不等，每个轴线柱的角度、长度以及柱子在每层的角度均不同，斜柱最大总长约32 m，悬挑水平投影最大约20 m。斜柱与每榀桁架的径向预应力梁和楼层最外围的环梁相交。柱混凝土强度等级为C60(图1、图2)。

图1 结构示意

1-斜圆柱；2-径向预应力梁；3-环向梁；4-屋面结构图2 悬挑桁架示意

2 施工特点与难点

(1)外伸斜圆柱数量多，每根轴线、每一层柱子的倾斜角度都不同，在柱梁节点处有不同方向、不同标高的梁交叉穿过，配模不易。同时，由于斜柱与水平面夹角较小，直径较大并且为圆形，造成模板支撑所受的荷载很大，在模板及支撑体系的选择不仅要考虑到混凝土结构的施工安全与质量，还需要考虑支撑体系不能影响整体进度推进。

(2)斜圆柱钢筋密集，特别是梁柱节点处，涉及到柱筋角度偏移，多方向梁筋和预应力筋穿插，钢筋施工难度极大。

(3)受到柱与水平角度较小、上部有梁的支撑体系以及柱内钢筋过多的影响，普通混凝土浇筑方式不能满足施工需要，必须考虑其他解决办法。

3 施工工艺原理及流程

(1)使用定型钢模板，设计时将圆形模板与支撑系统的线接触变为面接触，增大受力面积，使支撑系统受力更合理。同时，通长平底模使其对不同角度的柱子均具有很好的适应性，不必按每段柱子分别考虑底模与支撑系统连接处的角度问题，大大简化模板设计和制作的难度。

(2)针对悬挑构件履盖范围广、起止高度高的情况，设计多层钢结构支撑平台与钢管支撑架相结合的方式做为支撑体系，既能与形状多变的结构相适应，又能留出足够的底部空间做为其他工序的施工通道，同时在简单改造后也可做为幕墙施工的操作平台。

(3)利用BIM技术，对斜圆柱与预应力梁及其他框架梁节点进行建模分析，深化设计，优化施工工序，确定钢筋安装原则，满足结构受力体系要求。

(4)利用高强自密实混凝土解决斜圆柱混凝土浇筑振捣不易的难题。

(5)工艺流程见图3。

图3 钢筋混凝土斜圆柱施工工艺流程

4 操作要点

4.1 钢模设计、制作

(1)将柱模的设计分为标准节和异形节，标准节在同直径柱中可周转使用，每一节又分为三瓣，即一个底模和两个侧模。首先研究结构施工图纸，对所有的斜柱柱头、柱脚进行统一而且是唯一的编号，在扣除标准节长度后确定柱头与柱脚的初步长度，然后进行所有异形节的三维模型建立。模型建立后，综合考虑重量、尺寸、拼接节点(包括钢模与梁木模连接)、模板安、拆等因素，对钢模进行深化设计，形成加工图。为保证加工精度，所有异形节全部绘制下料展开图，加工厂根据加工图进行模板的加工制作(图4～图6)。

图4 柱头模型示意

1-侧模；2-底模；3-与木模连接处挡块图5 斜柱钢模板加工示意(单位:mm)

图6 模板展开(单位:mm)

(2)由于模板所选材料厚度较小，优先选用二氧化碳气体保护焊，焊接电流要小，对称施焊。分块加工完成后，进行节段预拼装，确保尺寸准确、连接可靠。所有项目检查合格后，进行表面涂装，做好标记，按节整体运至工地。

4.2 斜柱支撑体系

4.2.1 钢结构施工平台

从安全性、经济性、可持续利用的角度综合考虑，悬挑部分混凝土构件采用钢结构施工平台结合钢管支撑架体系的方案。根据结构形状，设置多层钢结构平台，再在钢结构平台上搭设模板支撑架，解决了脚手架体搭设高度过高过密，操作困难、安全性不高的问题。同时，由于钢平台的立柱主要布置在地下室的混凝土柱顶上，钢平台底层留有较大的空间，同时地下室楼板也不再需要过密的架体加固，可做为内外施工的通道，不影响其他专业的施工(图7、图8)。

图7 支撑体系设计分析

图8 钢结构平台立面示意

由于有安装在结构外围的钢支撑平台，所以可以将斜柱支撑架的搭设高度控制在7 m以内，大大减小了钢管脚手架的搭设量，搭设后检查也很方便。

4.2.2 钢管支撑架

通过对所有柱子的荷载情况进行总体分析，初步确定架体的立杆间距、步距等参数，之后绘出每根柱子的架体搭设模型，利用结构分析软件对其承载能力分析，再根据计算结果对参数进行适当调整(图9)。

图9 斜柱支撑架计算模型

强度验算结果

长细比

KL/r=66.5<150.0(Memb:856.LCB:1)

O.K.

轴向应力验算

N/Nrc=24575.0/89211.2=0.275<1.000

O.K.

弯曲应力验算

My/My=383993/965983=0.398<1.000

O.K.

Mz/Mz=0/965988=0.000<1.000

O.K.

整体稳定验算(压缩+弯曲)

Rmax1=N/(fPhi-y*A)+Beta-my*My/[f*Gammay*W1y*(1-0.8*N/N-Ey)]

Rmax=Rmax1=0.615<1.000

O.K.

剪切强度验算

Vy/Vy=0.000<1.000

O.K.

Vz/Vz=0.054<1.000

O.K.

4.3 斜柱钢筋制作与绑扎

(1) 梁柱节点钢筋数量多，且大部分柱钢筋需要弯折贯通或者弯折锚固，同时还要预留足够的间隙保证预应力管道的埋设。为解决此问题，引入BIM技术，通过建模分析，对节点内每一根柱纵筋的弯折角度、下料长度以及放置位置进行详细定位并编号，无法避让的钢筋与设计沟通采取并筋、加排等方法解决。在钢筋位置确定后，再进行施工模拟，选择合理的钢筋安装顺序(图10、图11)。

图10 梁柱节点钢筋模型

图11 钢筋碰撞检测及模拟施工

(2)钢筋施工顺序：斜柱钢筋编号、加工→ 斜柱钢筋绑扎→闭合柱定型钢模标准节及柱脚节→采用与预应力管道等直径的定位管按照预应力张拉端每根预应力管道位置进行管道定位，与斜柱箍筋有碰撞的，应将碰撞部位箍筋截断，用短钢筋封闭 → 安装预应力梁非预应力钢筋 → 安装非预应力梁钢筋 → 绑扎与斜柱相交部位梁双向对拉开口箍 →拆除定位管道，穿插预应力波纹管和钢绞线→ 封闭预应力端头模板和梁侧模板。

(3)由于柱箍过密，柱子钢筋的绑扎在模板支撑架基本完成后即开始进行，待柱钢筋笼基本成型后再安装底模；柱主筋采用机械连接方式，相邻钢筋接头错开35d(d为钢筋直径)；在梁、板模板支撑架上增加横杆，搭设柱钢筋笼绑扎的临时支架，横杆的数量要足够，防止钢筋笼将钢管压弯；按隔一接一的方式先接长一半主筋，箍筋绑扎完成后再穿另一半主筋，这样可方便套箍筋和绑扎；柱筋整体就位，在角度、方向都调整好后再穿与之相交的梁钢筋。

4.4 模板安装与加固

(1) 柱钢筋绑扎完成后，先安装底模，后安装侧模。使用吊车将钢模吊至柱旁，然后用手动葫芦接住就位。将底模放到支撑架上后，调整其位置并基本固定，之后把支撑钢筋笼的临时支架拆除，将钢筋笼放入底模中。由下至上逐节安装侧模，边安装边校正，保证连接部位顺直，接缝严密。

(2) 柱头与梁交接处是模板施工的难点，有时会遇到局部钢模面积过小的情况，由于其自身刚度无法保证且现场与梁模拼接困难，因此在设计制作钢模时便将这类面积过小的钢模取消，而改用小块木模根据现场尺寸进行拼接，实践证明能够达到预期效果。

(3) 斜柱模板全部安装完成后再次对角度、方向、模板拼缝等进行检查，均无误后进行模板的加固，加固包括用钢管从四个方向将模板锁紧，防止爆模，同时用钢管配合顶撑与梁板架体相连，防止模板侧向偏移(图12)。

图12 斜柱支撑架示意

(4) 因斜柱的荷载比较大，斜柱的模板支撑架均属于高大模板体系，在浇筑前必须按高大模板验收程序进行验收，发现问题立即整改，确保施工安全。

4.5 混凝土浇筑

(1) 由于柱内箍筋均与柱轴线垂直，同时还有多向梁筋穿过，钢筋非常比较密集，使用普通混凝土无法插入振动棒进行振捣，经方案比选，决定在斜柱上使用自密实混凝土(图13)。

图13 梁柱节点处的钢筋实况

(2) CECS 203-2006 依据《自密实混凝土应用技术规程》，结合本工程的实际情况选用性能等级为一级的自密实混凝土，技术参数达到表1规定。

表1 自密实混凝土性能参数

自密实混凝土经过多次试拌，确保所配制的混凝土能够达到强度及性能要求；在正式施工前，还根据实体的状况做了模拟浇筑，对浇筑样品进行检测以验证混凝土的性能。

(3)自密实混凝土的浇筑。考虑到每次的浇筑量和操作便捷性，斜柱自密实混凝土采用塔吊配合专用料斗接料、放料。运输车辆在现场等待时不得停止旋转，快速旋转60～90 s后才能卸料，这有利于保持混凝土具有良好的工作状态。混凝土生产和浇筑过程中，由具有丰富经验的专业人员在商混站和浇筑现场对混凝土的坍落扩展度和坍落度进行检验和目测，判定混凝土性能是否符合施工技术要求，不符合要求的混凝土不得使用。混凝土的放料速度要慢，防止带入过多的空气形成表面气泡而对外观质量产生不良影响。柱内过密的箍筋会影响混凝土靠近柱边缘处的流动，因此需要对钢模进行适当的敲击振动。

(4)斜圆柱混凝土浇筑完成后带模养护，直至模板拆除。

(5)混凝土浇筑质量。模板拆除后，斜柱成型较好，混凝土强度达到设计要求。同时，还通过超声波和内窥镜对实体内部进行检查，证明内部密实无孔洞(图14、图15)。