钢管混凝土柱顶升与高抛相结合的混凝土浇筑施工技术

王 刚 司法强 黄沛林 陈 华 潘钧俊 余少乐

中国建筑第八工程局有限公司 上海 201204

1 工程概况

杭州萧山国际机场三期项目新建航站楼及陆侧交通中心工程中的旅客航站楼及北三指廊工程新建航站楼屋盖为异形双曲面钢结构屋架，下部设置钢管柱。其中，标准支撑柱由支撑柱＋分叉节点＋分叉柱组成（图1、图2），底部通过预埋件与下部混凝土结构连接，顶部分叉柱与屋盖封边桁架相贯焊接连接，共计40组。梭形钢管柱共10组，底部通过预埋件与下部土建结构连接，顶部与屋盖下弦通过球支座连接。

图1 钢管柱分布

图2 标准支撑柱示意

本文以杭州萧山国际机场三期项目新建T4航站楼不同类型钢管柱为例，针对钢管柱不同特点以及现场施工实际情况，采用顶升法与高抛法相结合的施工工艺，通过在混凝土浇筑过程中对钢管自身以及成形后对钢管混凝土柱密实性等进行监测，最终顺利完成了钢管柱的灌注且成形质量良好。

2 施工方法选择

钢管柱内的混凝土为C60自密实混凝土，经过对普通混凝土浇筑法、高抛法以及顶升法的对比和分析，决定针对不同情况采用不同的方式对钢管柱内的混凝土进行浇筑。

标准支撑柱由于上部为分叉柱节点，且上部留设有直径约800 mm的孔洞，内部每隔1.25 m设置隔板及加劲板，内部布置有栓钉。针对上口开孔情况，此类钢管柱采用高抛法浇筑，配合人工辅助振捣，确保钢管混凝土密实度满足设计要求。

梭形柱由于上下部均为抗震球形钢支座，整根钢管柱内部为密闭空间，同时内部栓钉及加劲板布置十分密实（图3）。采用泵送顶升法浇筑，自柱下部侧面预留混凝土顶升接口，自下而上一次性顶入自密实高性能混凝土无需振捣，可以避免因加强钢板阻隔造成的局部不密实或混凝土离析等质量缺陷，该类型钢管柱采用顶升法浇筑。

图3 梭形柱节点示意

3 工艺原理

钢管混凝土柱柱芯混凝土顶升施工工艺是利用混凝土输送泵的泵送压力，在钢管柱柱脚开顶升口，在钢管柱顶开出浆孔，将混凝土从钢管柱底部灌入，直至注满整根钢管柱的一种混凝土免振捣施工方法，需在钢管接近楼板面的适当位置安装一个带止回阀的进料短钢管。本工艺能一次性将钢管混凝土柱内的混凝土顶升至所需高度，可减少工序环节，降低劳动强度，加快施工进度。采用顶升法浇筑的钢管柱，在混凝土密实性、收缩性、强度以及浇筑结合面等方面都能够满足设计和现行规范的质量要求[1]。

钢管混凝土柱柱芯混凝土高抛法加人工辅助振捣施工工艺原理是采用高密实混凝土合理的配比，使混凝土拌和物具有很高的流动性，在高空抛落中不离析、不泌水，在浇筑过程中利用高处抛下的混凝土自重产生的动能达到自密实效果，在混凝土浇筑至柱顶4 m范围内时，采用人工辅助振捣，确保柱顶混凝土密实度满足要求[2]。

4 施工过程控制

4.1 混凝土配制

混凝土施工浇筑过程需重点解决的2个问题为钢管混凝土浇筑时的密实度与C60混凝土的可泵性。

2种施工工艺均对混凝土性能要求非常高，最关键的是需保证混凝土有良好的扩展度、泵送性和流动性，特别是对于高强度混凝土来说，这也是高强混凝土生产控制的技术难点。同时，还需要关注混凝土泵送后坍落度和扩展度的泵送损失问题。

混凝土在浇筑过程中需注意以下几点：

1）必须保证混凝土强度能满足设计强度要求。

2）混凝土在浇筑过程中免振捣，凝结硬化后的密实性应良好。

3）确保钢管柱与混凝土形成一个有机整体，混凝土与钢板侧壁之间不得出现明显收缩，不产生表观裂缝，两者合二为一，形成一个整体受力构件。

4）混凝土应具有良好的可泵性和流动性，便于自动扩展填充，保证顶升或高抛时的密实性能。

5）混凝土应具有较小的黏度、较低的扩展度（坍落度）和较小的流动性损失率，有足够的初凝时间，保证混凝土在浇筑过程中始终保持良好的流动状态。

在满足以上性能的同时，仍需要防止自密实混凝土离析、泌水现象的发生。离析现象会导致混凝土粗骨料在泵管中堆积并导致堵管，同时离析混凝土进入钢管柱内部时，粗骨料下沉，砂浆上浮，导致混凝土发生严重的分层现象，形成局部薄弱区域，硬化后会严重影响混凝土与钢管柱内壁的黏结，对整个钢管混凝土柱的成形质量造成严重影响。

4.2 自密实混凝土性能指标

C60高强自密实混凝土高抛或顶升对其混凝土自身性能要求较高，需结合工程实际对其性能提出详细要求。

本工程混凝土需同时满足泵送顶升和高抛2种施工工艺要求。采用泵送顶升施工工艺时必须杜绝顶升中断的情况，这需要对混凝土原材料的选择、配合比设计、生产过程、运输和现场泵送等整个生产施工环节和过程都做好控制。特别是配合比性能的稳定性方面，要从根本上确保高强自密实混凝土性能，选择优质原材料，根据选用的水泥配制专用优质外加剂，在确保混凝土自密实性能的同时，解决黏度和和易性之间的矛盾以及扩展度和坍落度经时损失的问题。同时，在掺加微硅粉优质掺合料时，需充分保证混凝土自密实性能的稳定性和抗压强度。针对粗、细骨料，需严格控制其含泥量＜1%，以满足混凝土拌和物的流动性和强度的要求，并有效减少混凝土的收缩。最后，需对混凝土配合比进行优化，调整各掺合料的比例，保证混凝土各项性能指标均满足使用要求。另外，在使用过程中加强对混凝土性能的检测，确保出场混凝土与入模混凝土性能满足顶升和高抛泵送要求。

4.3 顶升模拟浇筑试验检测结果分析

采用泵送顶升法进行混凝土浇筑时，泵送压力会对其钢管产生动压力，混凝土会产生静水压力，对钢管产生的施工应力会导致钢管变形增加，影响施工阶段的刚度和承载力等力学性能，严重时会导致钢管胀裂，带来结构缺陷。因此，需通过测试混凝土浇筑过程中产生的动压力和静水压力以及核心混凝土温度变化产生的附加应力，来观测混凝土对钢管内壁的压应力在不同时间段的变化规律。通过观测发现，混凝土在浇筑和硬化过程中对钢管壁的总体侧压力不大，且未凝固的混凝土静水压力以及混凝土温度变化引起的温度应力较泵送时泵送压力对钢管壁产生的侧压力影响更大（图4）。

图4 顶升钢管壁应力变形示意

浇筑过程中对钢管的变形进行监测，通过应变值与钢管的材料性能试验结果，得到钢管在此过程中的应力、应变变化情况。采用静态电阻应变仪对钢管壁典型位置处安装的应变片进行监测，以便测试混凝土浇筑过程中钢管壁的应变变化规律以及后期钢管的微观变形。对关键部位进行了横向和竖向的应变检测，从混凝土泵送过程到凝固过程来看，钢管的应变值均很小，表明钢管所受应力较小（图5、图6）。

图5 剪应力云图

图6 正应力云图

钢管混凝土采用C60高强混凝土，有必要对其内部温度进行测试，以控制混凝土温差变化。通过采用热电阻对混凝土和大气温度进行测试，得知混凝土内部实际最大温升为24 K，且在达到峰值后5 d内的降温速度大于3 K/d。

4.4 混凝土泵送管道的布置

混凝土泵送管道布设应根据现场实际情况以及混凝土泵车和运输车站位综合考虑，利用楼内框架柱固定泵管至楼面，再将管线水平铺设至顶升接口位置，顶升接口装置如图7所示，包含顶升接口、转换接头、止回阀以及45°弯头，防止混凝土直接冲击对面钢柱壁，增加顶升阻力。顶升接口采用泵管制作，与泵送管道配套使用，钢管柱底部孔洞需在钢管柱进场前提前开好，在开孔位置焊接短管，短管另一端焊接一小块方形钢板，顶升接口焊接可现场进行。泵管与顶升接口的转换接头采用长500 mm的泵管，泵管一端为标准接口，另一端焊接与顶升接口相匹配的方形连接钢板，满足高压泵管与顶升接口的快速连接要求。同时，泵管上需安装止回阀装置。止回阀采用方形钢板制作，固定在顶升接口与转换接头中间，防止泵送完成后钢管内混凝土回流，在混凝土达到强度后进行拆除并焊接封堵预留孔。

图7 混凝土顶升接口

4.5 钢管柱操作平台

钢管柱在采用高抛法施工时需搭设操作平台。操作平台由钢管、花纹板和H型钢制作而成，中间直径根据圆钢管柱直径而定，为对半连接式，开口面与通道相连。操作平台用于操作人员辅助振捣混凝土以及观察混凝土浇筑高度，平台四周焊接防护栏杆（图8）。

图8 操作平台

5 钢管混凝土密实度检测

目前，国内钢管混凝土完整性检测的方法不少，如人工敲击法、钻芯取样法、超声波法、表面波法以及光纤监测系统等，最常用的检测方法有超声波法、人工敲击法以及钻芯取样法等。

5.1 人工敲击法

人工敲击法主要是对钢管柱管壁进行敲击，根据经验判断出缺陷位置以及种类，但是敲击带有太多的主观色彩，完全取决于技术人员的经验，缺乏理论数据的支撑，对整个超大体量钢结构钢管柱施工没有指导意义，只能作为一种辅助检测的手段。

5.2 钻芯取样法

钻芯取样法是最为直观可靠的方法，通过对芯样的观察，可看出钢管柱内部混凝土的密实度情况以及更精确地判断混凝土强度是否满足设计要求。但钻芯取样法同样存在缺点，即取样部位存在局限性，仅能代表该区域钢管柱的施工质量，容易以偏概全，以点带面，导致对整根钢管柱造成误判。因此，钻芯取样法只适用于局部抽查检测，需结合其他检测方法同步进行。

5.3 超声波检测法

超声波检测法的主要原理是利用钢管外壁一端的发射换能器辐射高频振动，经过钢管圆心传递至另一端的接收换能器。超声波在传递过程中遇到缺陷时，波速会发生变化，同时改变其传播方向和路径，在缺陷处能量衰减。当超声波到达接收器端时，声波幅度以及频率会发生变化。超声波检测钢管混凝土就是利用这个原理，从而通过波形、振幅以及频率对钢管柱的整体施工质量进行分析判断[3]。

声波检测时需特别注意，必须保证超声波通过混凝土时的传播波速小于直接通过钢管壁传播的波速，否则，声波将不穿过混凝土而直接通过钢管壁传播至接收器，这样就无法判定其内部缺陷了。

本工程利用超声波检测法判定钢管混凝土成形密实度的方法是行之有效的。通过合理布设检测点，可对钢管混凝土内部混凝土的密实性以及均匀性进行全面检测。通过对产生的波形进行分析，较好地判断出了管内混凝土各个位置的成形质量、缺陷部位，但需结合钻芯取样和人工敲击法，才能更精确地检测钢管柱的施工质量。

6 结语

本文以杭州萧山国际机场三期项目新建T4航站楼钢结构屋面下部的钢管柱施工为例，对泵送顶升法和高抛法2种施工工艺原理进行了阐述。分别从混凝土配制、高强度自密实混凝土性能控制、顶升模拟浇筑、混凝土泵送顶升接口设置、高抛法操作平台的搭设等方面出发，分析了钢管混凝土的整个施工过程。对钢管混凝土成形质量进行了3种检测方法的优、缺点分析，指出钢管混凝土应采用超声波检测法、钻芯取样法和人工敲击法相结合的综合检测方法，从而确保钢管混凝土最终的浇筑质量。