谈钢管混凝土柱试验段在超高层建筑中的应用

摘要：钢管混凝土柱具有承载能力高、抗震能力强等特点，在现代高层建筑建设中应用得越来越广泛，但对实际完成工程钢管混凝土柱的混凝土质量检测方法及准确性有限。本文以天府国际金融中心项目为例，对钢管混凝土柱检测方式的选择、实验段的实施方案及实施过程进行了叙述，分析借助试验段来确定混凝土配合比、浇筑工艺及构造措施等的实际意义，以供相关工程人员参考。

关键词：钢管混凝土柱；试验段；检测；超高层建筑

中图分类号：TU375文献标识码：A文章编号：

1.工程概况

天府国际金融中心项目由两栋塔楼和大底盘地下室组成。两栋塔楼均无裙楼，总高度均为202.275m，属超高层建筑。塔楼1单元为公寓楼，平面呈近似椭圆形，地上58层，地下3层，采用由钢管混凝土柱-钢梁-钢筋混凝土核心筒-伸臂桁架-腰桁架组成的混合结构体系；塔楼2单元为办公楼，平面呈近似椭圆形，地上48层，地下3层，采用由钢管混凝土柱-钢梁-钢筋混凝土核心筒组成的混凝土结构体系。钢管混凝土柱采用C60~C30混凝土，直径为1150mm逐渐变径至工程顶部为600mm，办公单元共16根，公寓单元共22根，如图1，钢管内设环板。因塔楼单层建筑面积小，为尽量保证室内使用空间及美观性，将靠外环梁设置的空调主机冷凝水管暗埋于钢管混凝土柱的钢管内，增大了混凝土的浇筑难度。

图1公寓单元平面示意 图2钢管混凝土柱实验段试件示意

2.工程疑问及实施方案分析

天府国际金融中心项目为超高层建筑，建筑外观沿竖向中部大，上下小，呈流线形纺锤状，外形高耸挺拔，高宽比达6.10，在进行钢管混凝土柱施工前期论证时，存在以下几个疑问：从投资与安全综合考虑，采用普通混凝土、微膨胀混凝土或自密实混凝土哪种更为经济合理？如何判定钢管混凝土柱的浇筑质量以确保结构安全可靠，如：钢管壁及横隔板等与混凝土的密贴情况？钢管内冷凝水管预埋是否有效及施工是否合理?

目前对于钢管混凝土柱在实际完成工程中的检测方式大多采用管筒外以硬物敲击管壁，听其音辨别是否有空洞，或采用对穿式超声波检测，即在钢管壁与混凝土胶结良好的前提下依据《超声波检测混凝土缺陷技术规程》（CECS 21：2000）的要求对主体结构钢管混凝土柱采用径向、斜向对测的方法进行检测，如济南绿地普利门项目、广州新电视塔等项目。经工程实施情况调查，大部分工程仅对实际完成工程的钢管混凝土进行了外部敲击检测，少数采用了超声波检测，但其检测的结果并没有严格的判定点，而基本凭经验判定优劣，准确性不高。钢管混凝土柱一旦发现空洞等质量问题，一般无法局部整改，只能将柱完全破除，对工期及投资造成较大不利影响。

综合考虑以上因素，我们决定天府国际金融中心项目采用1：1钢管混凝土柱实验段模拟实际施工工况，待混凝土临期达60天，混凝土收缩大部分完成后，现场对钢板及混凝土剖切，进行外观检查及混凝土取芯检测，以达到以下目的：

2.1验证混凝土浇筑的密实度及收缩性，考察混凝土与钢管内壁接触面是否严密，考察管内横隔板下混凝土浇筑后是否存有空隙；

2.2确定混凝土配合比、外加剂品种及掺量；

2.3验证混凝土浇筑工艺；

2.4确定管内冷凝水管的预埋方式。

钢管混凝土柱实验段按壁厚16mm，外径1150，总高度9900mm，管柱高度范围内分布环板、内衬板、现场坡口、吊耳板以及内置冷凝水管，见图2。

3.实验段的实施过程

3.1管柱的制作及安装

9.9m长钢管柱分按1.2m及8.7m两节在钢结构工厂制作，运送到现场。第一节管柱安装在地脚基础上并检查垂直度；第二节管柱与第一节管柱对接并检查垂直度，注意冷凝水管的对接保持5mm间隙和同心度错边，对接焊缝焊接完成；管柱按规范搭设双排脚手架：钢管脚手架的钢管采用Φ48mm×3.0mm，脚手架立杆横距1m，纵距1.5m,步距1.5m，脚手架外立杆范围内全跨设置竖向剪刀撑，双排脚手架上下按规范设置两道脚手板，脚手架总高度高出圆柱顶部1.5m，并在脚手架设置一圈维护安全网，脚手架按60 º设置4根φ12揽风绳，其钢筋地龙预埋于混凝土锚体600mm×600mm×1200mm中。

3.2混凝土的浇筑

商品混凝土公司针对天府国际金融中心项目工程情况，通过对外加剂、凝胶材料和粗细骨料的优选，选择适当的外加剂来控制坍落度损失，减少混凝土离析，增强混凝土的流动性、稳定性，通过级配改善材料的匀质性，优化配合比，经过实验室大量试配，以检测外加剂与水泥等各种材料的相容性，掺量的最合理比例，配置出具有塑性黏度，骨料悬于水泥浆中，不出现离析和泌水，并能自流密实的混凝土。另外，再对配合比进行适当调整，配置出微膨胀混凝土。为对比不同混凝土在钢管柱内的实际表现，确定试验段的浇筑混凝土分三段，每段3.3m浇筑，且每段采用不同的配合比，第一段为一号配合比混凝土（自密实混凝土），中段为二号配合比混凝土（微膨胀混凝土），高段为三号配合比混凝土（普通混凝土）。管柱混凝土试验段浇筑前对钢管筒内做清洁检查和处理，完成混凝土的塌落度试验、混凝土强度试样块的留取及混凝土入模温度的检测。

混凝土浇筑采用砼汽车泵高空抛落方法，泵管下口置于管柱上端的环板中心孔上方300mm高度，使混凝土快速落到管柱底面，由于管柱内的环板上已经设置4个透气孔，故管柱内的空气会因受压自动排出。将一号配合比混凝土用泵输送到管柱上方，使混凝土料快速落到管柱里，尽量避开冷凝水管，当混凝土料浇注到约3.3m时停止；一号配合比混凝土料浇注结束约4小时后达到初凝时，依据一号混凝土料浇注方法，进行二号配合比混凝土浇注施工，当浇注到6.6米时停止；二号配合比混凝土料浇注结束约4小时后，达到初凝时，进行三号配合比混凝土浇注施工，浇筑方式同上，浇注到顶部时停止，并振捣完毕后，检查上表面混凝土质量，基本平整。待达到设计强度60天后将试件放倒呈水平状态置于平台上固定，准备检测。

4.实验段的检测

4.1管外锤击法检查

采用管外锤击法，辨识管柱内是否有疑似空洞部位，做出标记。

4.2剖面切割后外观检查

沿管柱内冷凝水管和冷凝水管的支流水管引水平线至管柱外划出切割剖面线，作出标记。由专业施工人员在试件端面安装切割设备，进行试验段的横向剖切，见图3。

图3切割机具及切割过程示意图4剖切后截面示意

试验段横向剖切开后分别检查三个试验段三种不同配合比混凝土的密实度状况，检查混凝土和管壁及内环板结合面的间隙状况，冷凝水管构造处混凝土结合状况，见图4。

三号配合比混凝土（普通混凝土）的气泡较多较大，混凝土与钢管壁的间隙达1mm以上，尤其表现在内环板处。一号配合比混凝土（自密实混凝土）和二号配合比混凝土（微膨胀混凝土）的气泡均较少且微小，混凝土与钢管壁间无肉眼可视间隙，结合紧密。冷凝水管构造处结合可靠，冷凝水管内存在少量浮浆，但不会对水管造成堵塞。

4.3取芯作承压试验

在混凝土剖面上取芯作承压试验，经检测三种混凝土强度均达到设计要求。

5.结论

综合考虑三种配合比实验段的现场表现、实施的难易度、成本造价，我们选定二号配合比混凝土（微膨胀混凝土）实施项目主体钢管混凝土。钢管混凝土柱实验段中一号配合比混凝土和二号配合比混凝土均表现了较好的浇筑质量，验证了天府国际金融中心项目钢管混凝土柱的施工工艺是合理的。实验段中冷凝水管构造处的浇筑情况验证了该处节点设计合理，施工实施可行，在底层出口再增设清掏口，可将少量废渣掏出。天府国际金融中心项目采用1：1钢管混凝土柱实验段模拟实际施工工况，达到了实验目的。

6.讨论

在实施钢管混凝土柱主体施工前，借助1：1试验段来确定混凝土配合比、浇筑工艺及构造措施等具有实际意义，可优化施工工艺，有效确保混凝土浇筑质量，减少主体实施后的质量风险。实际完成后管内混凝土的浇筑质量，还可用敲击钢管的方法进行初步检查，如有异常，则可用超声波做辅助检测。在建筑工程中，钢管混凝土具有刚度大、抗震性好、节省钢材，便于施工，缩短工期，减轻劳动强度等优点，每一步操作都应认真检查复核，从而保证钢管混凝土柱的质量，满足设计与施工质量验收规范的要求，才能取得较好的应用效果。

参考文献：

[1]倪杰等,广州新电视塔钢管混凝土施工技术,施工技术,2009(03).

[2]《超声波检测混凝土缺陷技术规程》（CECS 21：2000）.