基于高层钢管混凝土密实性的主要影响因素和综合应对方案

鲍丰，艾浩源，李德君，叶伟涵

（潮峰钢构集团有限公司，浙江 杭州 311215）

0 引言

钢管混凝土结构结合了钢材和混凝土两种材料的特性，承载力高、延性好，防火和耐腐蚀性能均优于普通钢结构，而且施工方便，近年来在高层建筑、重型厂房和大跨度桥梁中迅速得到应用。在高层建筑中钢管混凝土构件多用作框架－支撑结构、框架－核心筒结构或筒中筒结构中的框架柱。由于核心混凝土的浇筑空间封闭而又狭小、隐蔽，因施工过程管控不细致、浇筑工艺不恰当而产生脱空、孔洞等密实性质量缺陷比较普遍。余亚斌结合两例超高层建筑实践得出钢管混凝土质量控制的重点有梁柱节点型式、混凝土浇筑方法、脱空问题和精细施工等[1]；苏清艺从混凝土制备和现场施工两个方面探讨了浇筑方案、混凝土配合比、原材料和拌合物对密实性的影响以及质量缺陷处理[2]。本文以当前研究成果为基础，从高层钢管混凝土施工的全过程出发，对影响混凝土密实性的主要因素进行分析，分解各施工环节的质量管控要点，提出应对措施，探究有效保证混凝土密实性的综合应对方案。

1 高层钢管混凝土的密实性缺陷形式及危害

高层钢管混凝土的密实性缺陷主要有：（1）脱空：管内混凝土与钢管管壁粘结不良，相互脱离，形成局部空鼓；（2）孔洞：混凝土内部存在空隙，局部或全部没有混凝土，一般存在于钢管内横隔板（如加强板、拼接隔板等）下方的边角部；（3）蜂窝：局部混凝土离析，骨料间有较大的空隙，大都出现在内部难以浇筑密实的部位；（4）疏松：局部混凝土松散、不密实。有关研究表明，内部缺陷对钢管混凝土构件的稳定和承载力影响较大，在缺陷率相同的条件下，中心位置缺陷时，承载力损失较小，而管壁侧位置缺陷（如脱空）时，承载力损失较大，并且缺陷率越大承载力损失越大，弹塑性阶段的历程越短[3]。

2 高层钢管混凝土密实性的主要影响因素

影响高层钢管混凝土密实性的因素贯穿于施工全过程，其中混凝土的浇筑方法、混凝土的性能、钢结构的特征、混凝土的浇筑工艺和现场管理非常关键，以下作重点分析，并对应对措施和质量管控要点分解说明。

2.1 混凝土的类型和浇筑方法

用于钢管混凝土结构中的混凝土包括普通混凝土、自密实混凝土和高流态混凝土，浇筑方法有从管顶向下浇筑、从管底泵送顶升浇筑和立式手工浇筑等。自密实混凝土具有高流动性、稳定性和抗离析性，填充性能好，以泵送或吊斗吊装从管顶向下浇筑，无需振捣，依靠自重即均匀地流动填充至模板各处，浇筑质量可靠，操作安全简便。高层建筑通常位于城市中心或近郊，从混凝土的保障供应、浇筑工艺、质安管控以及施工效益等方面综合考虑，高层钢管混凝土结构宜优先采用自密实混凝土，从管顶向下浇筑。

2.2 混凝土的性能选择

2.2.1 自密实混凝土拌合物的性能指标

如表1 所示，自密实混凝土拌合物的性能是进行免振捣施工的关键，拌合物除满足普通混凝土的性能外，还应满足自密实性能，其中坍落扩展度应严格控制，不仅对填充性能有直接影响，坍落扩展度过大还容易离析。

表1 混凝土拌合物自密实性能指标

2.2.2 自密实混凝土材料和配合比要求

自密实混凝土粗集料宜采用连续级配或两个及以上单粒径级配搭配使用，最大公称粒径不宜大于20mm，细集料宜采用级配Ⅱ区中砂，粉煤灰不低于Ⅱ级，采用高性能或高效减水剂。高性能聚羧酸系减水剂能防止混凝土坍落度损失而不引起明显缓凝，在低掺量下保持较高的塑性，对混凝土增强效果显著，并减少混凝土收缩，宜优先选用[4]。

混凝土配合比是影响混凝土密实性的最关键因素。自密实混凝土配合比应根据工程结构特点、施工工艺以及环境因素进行设计，一般要求水胶比宜小于0.42，胶凝材料用量控制在450～550kg/m3，含气量控制在2.0%～4.0%。可通过增加胶凝材料以增加浆体体积或添加外加剂的方法来改善浆体的抗离析性和流动性。

2.2.3 高流态混凝土的性能

高流态混凝土是一种新型的高性能特种混凝土，具有高流动性、自密实性和良好的泵送性[5]。自密实混凝土是高流态混凝土的一个重要分支，相较自密实混凝土，高流态混凝土在保证基本性能的条件下，允许拌合物的粗集料粒径更大些（25mm 以上）。粒径较大的拌合物在狭小的钢管中浇筑不便，易离析，导致产生孔洞、蜂窝等密实性缺陷，因而高流态混凝土在高层钢管混凝土结构中的使用受到一定限制，当前也少有研究。但这样的混凝土另有优点：坍落度高，抗收缩性好，水泥用量少因而水化热低，更加经济。对于圆钢管直径大于2.0m 或矩形钢管长边大于1.0m这样的大规格钢管混凝土构件，钢管内部混凝土浇筑条件好，又有控制混凝土水化热和收缩性的要求，因而一定条件的高流态混凝土（粗集料不宜大于25mm）是非常适宜的选择。有些搅拌站将高流态混凝土称作为高流态自密实混凝土，使用较大粒径的粗集料以节省成本，易与自密实混凝土混淆，需引起注意。

2.3 钢结构的特征与优化

钢管的节点构造做法是影响混凝土密实性的重要因素，但并未引起特别注意，当前研究也不深入。大多数情况下，项目中的钢结构工程（包括钢管混凝土结构中的钢管）由总承包方专业分包给钢结构公司，如果总包方未能认识到钢结构对密实性的重要影响，可能错失通过设计和制作优化而主动改善混凝土浇筑条件的机会。

2.3.1 钢管的外形特征

外形尺寸较大的钢管，混凝土浇筑时拌合物能直落管底，高抛拌合物动能的冲击振实效应强，自密实效果好，可采用自密实或高流态混凝土（粗集料不宜大于25mm）；若钢管的外形尺寸偏小，管内的横隔板等配件对于混凝土的流动阻隔强，气泡不易溢出，宜采用粗集料粒径不大于16mm 的自密实混凝土，配用漏斗导管浇筑。

2.3.2 钢管梁柱节点的构造做法与优化

钢管梁柱连接节点的做法决定了钢管内部空间的通透性，其中外加强板式连接做法钢管内部的贯通配件少，混凝土倾落自由，浇筑工艺简单，密实性容易保证，对于圆钢管或成品矩形钢管柱宜优先采用；内加强板式连接做法钢管内部横隔板构造复杂，更可能形成密实性质量缺陷，宜做设计和制作优化。做法包括：（1）通过精确的计算，尽量加大横隔板上灌浆孔的孔径，减小孔边横隔板的净宽；（2）合理设置横隔板上的排气孔和钢管管壁上的防火排气孔，孔径不小于25mm；（3）优化焊接工艺，制作时不加工艺隔板；（4）对于边长较小（350～400mm）的矩形钢管，为保证灌浆孔（孔径不小于200mm）不过多削弱加强板，可增加加强板厚度以提高其受力能力；（5）钢管制作前清除内壁上的油污、氧化皮和污染物等。

在梁柱节点处，当与钢管柱连接的钢梁截面高度不同时，会出现多道加强板并存的复杂情况，如图1 所示，这时除实施前述优化做法外，还可采取的措施包括：（1）将截面高度较小的钢梁端部加腋，以斜坡过渡与大梁同高；（2）将钢柱分段点设置在该节点上方1.30m 处，混凝土浇筑后进行人工振捣；（3）采用粗集料粒径不大于16mm 的自密实混凝土。

图1 梁柱连接节点大样图

应该指出的是，钢管内的加强板对保证钢管与混凝土共同工作起着重要作用，研究表明，规律设置的楼层梁柱节点加强板能够阻止因钢管管壁和核心混凝土界面粘结剪力不足（包括脱粘、脱空情况）而产生的滑移，基本消除滑移带来的不利影响[6]。因此不宜简单化地机械推荐外加强板式做法，对于复杂的内加强板式连接，应通过节点构造的优化和混凝土浇筑工艺的改进来保证混凝土的密实性。

2.4 混凝土的浇筑工艺和现场管理措施

2.4.1 混凝土的浇筑工艺

高层钢管混凝土柱的混凝土浇筑次数应与钢柱的分节方式对应，对于一层一节柱（如地下室）可一次性浇筑完成，对于两层一节或三层一节（如标准层）且设置内加强板的柱，考虑到拌合物难以直抛管底，宜采用导管分2～3 次浇筑。每完成一节钢柱安装，应及时浇筑混凝土，不得积累安装多节钢柱后再一次性浇筑。混凝土倾落高度大于9m 时，应采用串筒、溜管等辅助装置；当倾落高度不足4m 时，应用振捣棒振实；为促使拌合物流动和气泡溢出，浇筑时可在钢管外壁用木槌敲击。

2.4.2 现场管理措施

混凝土的制备、运输、泵送、浇筑等环节应保持连续，自开始接料至卸料时间不宜超过90min，各种资源的配置（如搅拌、运输、泵送设备等）应充足，并有应急措施。混凝土浇筑前，应做好现场施工准备；高温施工时混凝土入模温度不宜超过35℃，对冬季施工时入模温度不宜低于5℃，降雨雪时不宜露天浇筑混凝土。

2.5 其它相关问题的简单探讨

2.5.1 脱粘现象

钢管混凝土的脱粘是两种收缩性能不同的材料在外界环境和时间作用下发生不同收缩进而导致接触界面脱离的现象。脱粘主要由混凝土的形变引起，包括泊松形变、徐变形变和收缩形变[7]。脱粘对于构件的稳定和承载力有较大影响，脱空缺陷也会导致同样的情况。

2.5.2 混凝土的收缩和减少收缩的技术措施

混凝土收缩是凝结初期和硬化过程中出现的体积缩小的自发现象，是塑性收缩、化学收缩、干燥收缩和碳化收缩等几种情况的综合显现。对于高层钢管混凝土结构，应采取可靠的技术措施减少混凝土的收缩，如降低拌合物水胶比或掺加低收缩性的减水剂、浇筑中保证振捣、浇筑后加强养护等。当圆形钢管混凝土柱的直径大于2.0m 或矩形钢管混凝土柱的长边大于1.0m 时，宜采取在钢管内设置纵向钢筋芯柱、钢管内壁焊接栓钉或纵向加劲肋等构造做法，减小混凝土收缩的影响。

3 综合应对方案

建筑产品（工程）具有单件性、复杂性的特点，并且钢管混凝土的施工过程涉及多个环节，前述的分析表明影响高层钢管混凝土密实性的因素比较复杂，因而对于具体的工程，应根据其结构特点和施工条件，具体地分析影响混凝土密实性的各种因素，并针对性地选择应对措施，从总体上制定完整的个性化综合应对方案，才能有效解决密实性质量缺陷问题。工程结构特点主要包括结构型式、材料强度、构件外形特征、钢结构节点构造做法等；施工条件主要包括浇筑位置、泵送距离、抛落高度、温度条件等。综合应对方案的内容包括：（1）混凝土的性能选择和制备；（2）钢结构的优化；（3）浇筑工艺；（4）现场管理细节；（5）保障措施等。

以此指导制定杭州智造谷产业服务综合体项目和北干科创园二期项目的钢管混凝土专项施工（缺陷防治）方案，实施后取得了良好的效果。

4 应用案例

4.1 工程概况和钢管混凝土结构简介

杭州智造谷产业服务综合体项目总建筑面积568 419.91m2，由6 栋研发办公楼、2 栋酒店及活动中心、裙房组成，其中办公楼和酒店为地下3 层，地上12～23 层，采用钢框架－混凝土核心筒组合结构，矩形钢管混凝土框架柱；酒店标准层层高3.60m，办公楼标准层层高4.20m，最大结构高度99.00m；钢管混凝土框架柱自地上1 层向上直至顶层，向下延伸至-1 层（柱底标高-6.00m），钢管规格为B700mm×550mm×20mm×20 mm、B550mm×550mm×16mm×16mm、B600mm×450mm×16mm×16 mm 三种，如图2 所示，钢材材质Q355B，核心混凝土强度自-1 层至顶层由C55 渐变为C40，钢框架梁柱连接节点采用内加强板做法，如图3 所示。

图3 钢框架梁柱节点大样

4.2 本工程的有关结构特点和施工条件

本工程位于城市市区，泵送混凝土供应便利；钢管柱为中小型规格钢板焊接矩形钢管，梁柱连接节点采用内加强板做法，横隔板较多，钢管内壁焊接栓钉；标准层钢柱按两层一节（柱长8 400mm）或三层一节（柱长10 800mm）分节，钢柱对接点位于楼层上方1.30m 处；钢管柱顶最大高度99.00m。

4.3 专项施工（缺陷防治）方案

4.3.1 混凝土的浇筑方法

综合上述情况，本工程决定采用自密实混凝土，从管口向下配以导管浇筑，以汽车泵泵送混凝土，汽车泵不能覆盖区域或超过其扬程则采用塔吊吊斗吊装。

4.3.2 混凝土的性能

鉴于钢管截面尺寸偏小而横隔板又较多，对配合比中粗集料粒径、水胶比、坍落度等主要参数进行了设定。其中C55 混凝土的一些参数如表2 所示。

表2 C55 自密实混凝土配合比

4.3.3 钢结构的优化

本项目采用EPC 承包模式，在结构工程师的深度参与下，对钢结构进行了优化：同一柱节点连接的钢梁截面高度差值不大于100mm 时，只在高度差中间设一道水平加强板，高度差值在100～500mm 时，采用钢梁端部加腋过渡，高度差值大于500mm 时，设两道加强板；矩形钢柱短边450mm 时加强板开Φ250mm 灌浆孔，550mm 时开Φ300mm 灌浆孔；通过焊接工艺优化，取消全部制作工艺隔板。

4.3.4 混凝土浇筑工艺和现场管理措施

（1）提前协调混凝土搅拌站，对混凝土的制备、运输、泵送、浇筑等环节进行全过程跟踪，保证混凝土的质量和连续供应。

（2）做好现场施工准备，混凝土浇筑前将钢管内部清理干净，无杂物、无积水；检查操作支架、漏斗、泵管等安装情况，保证泵送时泵管安全并且不会堵塞；组织操作人员进行技术和安全交底。

（3）混凝土泵送前先用与混凝土成分相同配合比的水泥浆料润管，润管液用漏斗回收，不得作为结构混凝土使用；柱底先浇筑100～200mm 厚与混凝土成分相同配合比的水泥砂浆，防止粗集料弹跳导致混凝土疏松。

（4）标准层钢管混凝土均分两次浇筑，第一次：导管伸至下层梁柱节点以下200mm，对于两层一节柱混凝土浇筑至该节点上方500mm 处，对于三层一节柱混凝土浇筑至第二层节点上方500mm 处，然后暂停，用塔吊吊起漏斗并截短导管，剩余导管以能插入到上层梁柱节点以下200mm 为宜；第二次：浇筑混凝土至钢管管口以下500mm 处，然后用振捣棒人工振捣，密插短振，每点振捣时间不少于60s。换管暂停时间不宜少于15min，以保证混凝土在节点区流动密实，在此期间，可泵送混凝土浇筑其它钢柱。对每次通过漏斗实际灌入柱内的混凝土体积做好记录，并与理论计量比较，以控制柱内混凝土表面的位置并保证安全。混凝土浇筑和振捣时钢管外配合人工木槌敲击，根据声音判断是否密实，直至混凝土表面平齐，不再明显下降和出现气泡，表面泛出灰浆。

（5）除最后一节钢柱外，每节柱混凝土浇筑完毕，在混凝土初凝后灌水养护，并用塑料膜封住管口保湿；在下节钢柱安装前，清理管口混凝土表面的浮浆、松动石子等，钢柱安装后及时封盖管口，以免杂物或雨雪进入。当混凝土浇筑到管顶时，在混凝土稍微溢出后，将封顶板压紧到管端并点焊临时固定，待混凝土达到设计强度的50%后，再将封顶板焊接完成。

4.4 施工结果

混凝土浇筑28d 后采用敲击法对钢管混凝土柱逐一检测，总体密实性良好；混凝土浇筑工艺试验报告齐全有效，浇筑施工记录完整，满足有关规范的验收要求。

5 结论

通过上述分析和工程案例经验总结，形成结论如下：

（1）影响高层钢管混凝土密实性的因素比较复杂，其中混凝土的浇筑方法、混凝土的性能、钢结构的特征、混凝土的浇筑工艺和现场管理最为重要。应根据工程的具体结构特点和施工条件，全过程考虑各施工环节所涉及的影响因素和质量管控要点，针对性地选择适宜的应对措施，进而制定出个性化综合应对方案，以综合应对措施有效解决混凝土的密实性问题。

（2）钢结构外形尺寸和节点构造特征是制定浇筑工艺的重要依据，应通过必要的设计优化和制作工艺改进，尽可能创造有利于混凝土浇筑的条件。

（3）高流态混凝土对于较大规格（直径/边长）的钢管混凝土结构是一种经济适用的选择。

脱粘现象是钢管混凝土结构在长期服役期间所必然面对的问题，桥梁工程研究发现，在钢管混凝土中添加一定比例的膨胀剂，能提高混凝土的密实性，减小混凝土的收缩，钢管混凝土结构的抗压性能也有较大提高[8]。膨胀剂在建筑工程钢管混凝土结构中的应用有必要作进一步研究。