空间双向倾斜钢管混凝土柱施工技术研究

空间双向倾斜钢管混凝土柱施工技术研究

陈泽君 余畅 李傲 赵泽民 林凤生 丁明亮

中建海峡建设发展有限公司 福建福州 350015

摘要：空间双向倾斜钢管混凝土柱是一种平面内双向倾斜的劲性混凝土柱，其施工涉及型钢柱的安装、框架钢筋的绑扎、模板的安装及自密实混凝土的浇筑。通过技术的实践，总结了一套空间双向倾斜钢管混凝土柱施工技术，可在类似项目推广运用。

关键词：钢管混凝土柱；自密实混凝土；双向斜柱

随着行业的不断发展，大型公共建筑的造型逐渐多样化，建筑的结构常采用不规则的异形空间结构，建筑外表皮呈空间内异角倾斜形态，为满足此类异形建筑的建造需求，在结构设计上，越来越多的无规则空间异角倾斜劲性混凝土组合结构被逐渐运用起来。目前国内大型公共建筑建造市场在这种异形结构施工技术和只能工程方面缺少系统的研究和技术集成，缺乏一套完整的无规则大型公共建筑的建造成套技术。为适应我国的无规则大型公共建筑建造技术的发展，公司以建设的几个大型公共建筑项目为依托，提出一套适用于异形大型公共建筑的空间异角倾斜劲性混凝土结构柱的建造技术，从理论和实践的角度为异形建筑的建设提供示范作用和思维体系。

1 工程概况

某艺术场馆建筑造型由三个异型三维曲面组成，其中一侧由“空间异角倾斜劲性混凝土组合结构”加陶板幕墙组成。共有设计有109根双向斜柱，钢骨柱为非承重构件，主要起到增加混凝土柱侧向刚度的作用。每根柱子倾斜的角度和方向都不相同，斜柱与楼面夹角为62°~75.3°。截面为440*300*20和400*200*20；钢斜撑作为结构体系的联系、支撑结构，与钢骨柱牛腿及埋件连接并形成双向倾斜型钢组合结构。截面为500*300*24和400*300*24。由于劲性混凝土倾斜柱的自重大，斜率高，高度高，顶部距水平投影距离长的特性极大增加了主体结构的定位安装难度。

2 施工难点

在工程实践中，由于劲性钢骨与钢筋分离，劲性混凝土柱倾斜，造成钢筋难以围绕钢柱中心对齐，混凝土模板支撑定位施工难度增加。同时，劲性混凝土柱中，型钢柱与钢筋的相交点多，钢柱与柱周主筋、箍筋的关系，钢柱与通过钢柱的水平梁钢筋的关系的节点设计也成为了建造过程中的一大难点。使用传统的施工方法无法解决空间三维测量定位，无规则空间异角倾斜模架支撑设计，复杂劲性混凝土梁柱节点钢筋下料，型钢腔体混凝土密实度保证等问题。

3 施工方法

针对以上问题，项目提出开发一套集成数字化三维测量技术结合工厂数字化建造技术、BIM技术、放样机器人空间定位技术、高强高性能自密实混凝土技术等一系列关于劲性混凝土结构双向斜柱生产、测量控制、模架支撑、钢筋安装、混凝土浇筑达到完整建造技术。具体工艺流程如下（图1）：

图1 工艺流程图

3.1 施工准备

1）吊车起重设备操作人员必须有上岗证，并有丰富的起重吊装技能和起重吊装现场施工经验，有从事过大型公建钢结构吊装的工程经验。

2）钢结构焊接人员应接受过专门的焊接技术培训，取得上岗证并有多年高空作业焊接生产或施工实践经验。

3）技术管理人员充分熟悉图纸内容和施工工艺流程，并有安全防范和事故应急的施工经验，且根据工程结构特点对现场操作人员进行安全技术交底并做好记录。

4）钢构件使用前应对每一批钢材核对质量保证书，以保证符合其规格牌号所规定的各项技术要求，杜绝不合格材料进场。

5）施工机具、电源箱、电焊机等摆放到位，具备安装条件，基础复测、轴线基准点和标高水准点准确、齐全。

3.2 钢骨的吊装

钢

骨成品在厂家加工后运至现场，在堆场中准备吊装作业。现场采用塔吊对钢骨进行吊装，吊装前需要在钢骨上绑扎钢丝绳，用以连接塔吊挂钩，并挂设钢爬梯，便于工人安全爬上钢骨吊装操作。钢骨从地面伸至屋面，采用分节安装的方式进行施工，吊装钢骨到指定位置后将柱脚板插入锚栓，校正后旋紧螺母并点焊固定。（如图2）

图2 钢骨的吊装示意图 图3临时支撑与临时连接

第一节钢骨吊装到位后用Φ299mm*14mm尺寸的圆钢管对钢骨进行临时支撑（见下图），圆钢管底部带有矩形钢板底座，用于加大受力面积，临时圆钢管支撑竖直立于结构混凝土板上，在圆钢管上面端部焊接一块耳板用于和斜柱钢骨焊接进行临时支撑。圆钢管临时支撑只用于首节柱安装的工况。（如图4）

第二节及以上的钢骨在吊装到位后需进行临时连接，临时连接采用“双夹板”措施：上、下段钢骨同一位置各设置一块耳板（如图5），通过两块长钢板夹住耳板并安装高强螺栓，大致固定钢骨的位置。

图4 第一节钢骨圆管临时支撑示意图 图5 钢骨临时连接示意图

连接好后还需通过缆风绳进行临时支撑（图6），三根缆风绳固定于钢骨顶部，拉设在地面可固定处，分担钢骨自重，通过花兰螺栓调节三根缆风绳的长度对钢骨顶部位置进行调节，达到调整钢骨斜率的目的。

图6 第二节及以上钢骨缆风绳支撑连接示意图

3.3 钢骨的定位

1） 临时连接、临时支撑措施完成后，开始对钢骨的斜率进行精确调节，采用全站仪放样的方式调节钢骨斜率，每根钢骨顶某一位置坐标由BIM三维建模软件导出，根据模型提取坐标，在钢骨坐标提取处贴上反光片，用全站仪对钢骨放样。

2） 安装操作工人根据全站仪的指示数据，调节钢骨顶部不同缆风绳的长度，使钢骨斜率达到设计要求。

3） 完成放样后再用全站仪对钢骨进行复核，比对实际坐标与设计坐标，如误差过大则需对钢骨重新调节。

3.4 斜撑与埋件的安装

通
过深化设计，为加强劲性混凝土结构双向斜柱的整体稳定性，在斜柱与斜柱之间加斜支撑，斜撑的连接件安装于相邻钢骨上下不同标高处，设计标高同样由BIM三维建模软件提取。将连接件精确定位后焊接于钢骨，然后安装斜撑。斜撑尺寸由钢结构设计软件提取尺寸数据，厂家依此数据加工制作。

图7 斜撑结构模型、现场实例安装示意图

3.5 焊接固定

钢骨斜率定位好后，进行焊接连接，使用手工焊条电弧焊的方法，将钢骨与埋件、钢骨与钢骨进行焊接，焊接工作由焊工持证操作，焊接前对焊机、焊条、焊剂、焊材及工艺进行检验，一切合格才可进行操作。焊接过程中严控焊缝长度、厚度，及时清理熔渣及金属飞溅物，避免焊瘤、夹渣、气孔、裂纹等质量缺陷。完成后根据设计图纸要求的焊缝等级及时对焊缝进行无损检测，如超声波或射线探伤，不合格则及时返修处理。

3.6 柱筋起弯与绑扎

钢骨焊接完成后，开始外围框架钢筋的绑扎。第一节框架筋锚固于地下室梁中，由梁顶伸出，由于伸出时竖直，所以在钢骨底部需先进行弯折后才可进行绑扎。弯折的目的是保证弯折后的框架柱筋与设计的钢骨斜率相同。由于劲性混凝土斜柱为双向倾斜，所以同一根斜柱的每根框架柱筋的起弯高度及弯折角度均不相同。

施
工前根据建筑信息模型（BIM）软件对弯折部位建模，得到每根框架钢筋的起弯高度及弯角，（图8）设计院审核通过后，现场工人依据此尺寸采用手提式钢筋弯曲调直机对钢筋进行弯曲。弯曲完成后，开始柱筋绑扎，柱纵向钢筋在加工场中剥肋滚丝，在现场通过直螺纹套筒进行连接，确保接头质量，箍筋根据图纸在加密区与非加密区分别绑扎。

图8 劲性混凝土双向斜柱柱头大样图

3.7 柱筋与梁筋穿孔

首节钢骨下方为型钢混凝土梁，钢骨周围框架筋埋于梁中。部分框架筋位置会与型钢梁发生碰撞，导致无法在设计位置放置钢筋。施工前采用BIM设计软件对柱筋钢梁碰撞部位进行深化，在型钢生产过程中在柱筋位置预留孔洞，供钢骨柱筋通过。（图3-10）

双向斜柱与每层的框架梁横向连接。连接处框架梁纵向钢筋需穿过斜柱中的钢骨。施工前同样采用钢结构BIM设计软件建模进行深化，在钢骨上设计允许的部位预留孔洞，加工时依据模型留出洞口，施工中供梁筋穿过。

图9 钢骨预留孔洞及钢筋穿孔

3.8 模板安装与支撑

1

）钢骨柱在工厂加工时按要求在钢骨柱四个角点每隔一段距离焊有限位板，在腹板上中间位置还按要求每隔一段距离留设预留孔，以方便模板对拉螺栓穿过进行加固，在模板安装时限位板可抵住模板，便于模板定位，确保合模后不会跑位。模板按斜柱设计尺寸加工，通过对拉螺栓拉紧模板主楞和次楞。在斜柱倾斜一侧还需架立支护系统，防止混凝土浇筑过程中模板发生位移。（如图10）

图10钢骨柱限位板及柱面截面

1－限位板； 2－对拉螺栓预留孔；

2）斜柱支撑体系采用在结构外侧搭设满堂支撑架，立杆间距、横杆间距及步距通过软件计算得出，为保证架子整体稳定性隔排立杆设置剪刀撑。斜柱下立杆支撑共四列，斜柱两侧各一列，斜柱下两列。在每根斜柱两侧沿斜柱方向立杆加密，作为斜柱支撑，并用水平杆与支撑架连成整体。在斜柱支撑立杆上根据斜柱斜率和底面模板斜边角度固定小横杆，小横杆安装后，吊线检查线坠与斜柱基础边线距离，以保证斜柱的整体斜率。最后用钢管在斜柱侧面打斜撑，确保斜柱支撑体系的侧向稳定性。

3.9 混凝土浇筑

因双向斜柱内存在钢骨且钢筋密集，如浇筑普通混凝土存在不易振捣等问题，为保证斜柱混凝土施工质量，建议现场采用自密实混凝土浇筑双向斜柱。自密实混凝土具有良好的流动性，不易离析，能自动填充模板与钢筋中的缝隙，不会出现气泡和蜂窝麻面等质量问题，成型后的结构具有良好的密实性和匀质性。自密实混凝土在浇筑过程中不需要振捣，节约浇筑时间，减少所需工人数量，降低工人劳动强度。拆模后洒水覆膜养护不少于7天。成型后的柱头钢筋弯折部位混凝土交界面观感良好。整体施工效果棱角分明，表面颜色一致，光洁程
度高，无裂缝、蜂窝、麻面、锈斑，气泡等表面瑕疵，观感良好。

图11 劲性结构双向混凝土观感

4 技术特点

空间双向倾斜钢管混凝土柱施工技术的主要技术特征有：

（1）针对每一根长度和倾角均不同的劲性双向斜柱，提出结合数控加工技术与BIM深化技术对每一根劲性箱型钢骨柱劲性深化设计-加工，一方面通过钢骨柱自身具备的刚度和强度，提高劲性结构的整体刚度，降低模板和架体的安装难度。一方面利用数控加工的优势能够实现仅通过定位钢骨根部角点，就可以快速定位钢骨顶部空间位置。

（2）劲性双向斜柱所连结构梁为曲梁，且与斜柱为斜交的施工特点。双向斜柱在梁柱节点处构造十分复杂，钢筋本身即为弯曲状态，钢筋之间的相贯也均为斜交，且与柱身之间的斜交也无规律可循。针对此问题，提出了无规则斜交梁柱相贯钢筋密集节点空间优化技术，利用钢筋连接板、钢骨柱开孔及钢筋排布优化等一系列手段，解决了密集钢筋节点在倾斜型钢柱的安装下料问题。

（3）针对劲性双向斜柱分段吊装安装的临时支撑定位措施，提出了劲性混凝土双向倾斜柱型钢分段吊装技术，将钢柱的分段点设在楼层面以上1.0-1.2m，这样保证钢柱的安装校正不需要再另搭设操作平台或者加设马蹬操作，减少临边作业的危险性，也可以保证上一层斜柱支设模板时，下节的钢柱与斜柱形成稳定的结构体系，降低安全风险。

（4）提出了平面内外倾钢骨柱空间定位技术，在钢骨定设置定位反光片，利用BIM施工模拟技术提取每一节钢骨顶部的坐标点，导入放样机器人进行空间定位，利用定位反光片承接定位激光以确定钢骨安装偏差，利用固定在钢骨上的缆风绳进行调整，完成钢骨顶部空间位置的定位。

（5）在钢骨分段安装的临时支撑的问题上，提出了劲性双向斜柱临时连接定位技术，在不使用额外柔性或刚性支撑的条件下，仅通过连接板和高强螺栓，就实现了钢柱的临时固定，在具备足够的安全性的情况下，满足减少现场工作面的需求。

（6）针对钢筋密集节点钢筋有效净距大于普通混凝土粒径导致混凝土无法正常浇筑的问题，提出采用自密实混凝土进行浇筑，自密实混凝土具有良好的流动性，不易离析，能自动填充模板与钢筋中的缝隙，不会出现气泡和蜂窝麻面等质量问题，成型后的结构具有良好的密实性和匀质性。

5 结语

空间双向倾斜钢管混凝土柱施工技术涉及型钢柱的安装、框架钢筋的绑扎、模板的安装及自密实混凝土的浇筑。施工质量好坏取决于钢管柱的安装精度、柱底钢筋起弯的高度和角度、自密实混凝土的选用。本项目通过空间双向倾斜钢管混凝土柱施工技术的实践，确保了工程的质量、缩短了工期，达到了预期的效果，所成型的技术可在类似项目推广运用。

参考文献

[1] 陈华,刘智勇,蔡荣根等.双向倾斜型钢组合结构施工关键技术研究与应用[J].《施工技术》，2018（8）7-10

[2] 张志友.某建筑混凝土斜柱现浇施工技术分析[J].城市建设理论研究，2012（16）