钢管混凝土高抛法免振法施工技术

李志水 刘亚鹏 任子昂 张可法 卢涛

（中建八局第一建设有限公司， 250000）

[摘要]钢管混凝土柱结构具有承载力大、强度高、重量轻、塑性好、耐疲劳、耐冲击等优点。本文通过具体工程实例，介绍了钢管混凝土高抛法施工技术，施工过程中采取了一系列的技术措施和质量控制方法，为超高层钢管混凝土结构柱施工提供了范例。

[关键词]钢管混凝土；自密实；高抛免振法；

1引言

钢管混凝土结构即在钢管内填充混凝土,将两种不同性质的材料组合而形成的复合结构,具有强度高、重量轻、塑性好、耐疲劳、耐冲击等优点。钢管混凝土结构按照截面形式可以分为矩形钢管混凝土结构、圆钢管混凝土结构和多边形钢管混凝土结构等，其中矩形钢管混凝土结构和圆钢管混凝土结构应用较广泛。在我国, 钢管混凝土结构技术的开发和应用已有近40的历史。近10年来,随着国家经济的迅猛发展,钢管混凝土结构在我国的高层建筑工程、地铁车站工程和大跨度桥梁工程中得到了较多的应用。此外,近年来在多层、高层民用住宅建筑中也已开始采用钢管混凝土柱和钢梁组成的框筒(剪)结构体系, 并且经济效益显著。其理论与实践也是在不断发展进步，其中混凝土浇筑技术更是钢管混凝土柱技术的重中之重。

2工程概况

以某工程为例，该工程外框筒由16根钢管混凝土柱组成的竖向支撑体系，平面布置见图1。该工程-3层至62层钢管柱的截面尺寸由1300*40mm递减至800*20mm，62层以上为400*400*20mm的箱型柱。单节柱最长长度12.16m，最小长度为3.5m。

图1 塔楼钢管柱平面布置图

钢管柱无内环板，仅在上下节柱接头位置有30mm宽衬环板。如图2所示。单根混凝土浇筑量4.4m³~14.2m³，钢管内混凝土强度等级为C60~C40。

图2 钢管柱内衬环板示意图

3浇筑方案比选

目前国内钢管混凝土施工主要采用以下3种方法：

1.立式手工振捣法

即混凝土自钢管顶部灌入，一次浇筑高度不大于2m，利用人工和振捣器对混凝土实施振捣，以达到密实效果。一般需要钢管周围搭设操作平台，适用于钢管高度较低的情况。但本项目钢管顶部高度较高，普通混凝土下落容易离析，且难以实现手工振捣。

2.泵送顶升法

即利用泵送的压力将混凝土由底到顶注入钢管内，由混凝土自重及泵送压力使混凝土达到密实状态。此法施工容易达到混凝土密实的效果。适用于钢管直径小，钢管高度低等情况。但对于该工程中钢管直径大、浇筑高度高等特点施工时间会较长，控制程序复杂，需要钢管柱上开进料口和设置卸压孔洞，后期需要补焊，另外对输送设备要求也比较高。

3.高抛免振法

即采用合理的配合比，使混凝土拌合物具有很高的流动性，在高空抛落中不离析、不泌水、不经振捣或少振捣,利用混凝土高处抛落时产生的动能实现自密实。该工程钢管柱内部通顺，混凝土能实现自由下落，可以实现高抛施工。但混凝土需要特殊配置，以保证达到自密实免振效果。

经过比选，考虑应用，该工程确定采用高抛免振法。

4钢管混凝土配合比设计

在CECS28-2012《钢管混凝土结构设计与施工规范》中对混凝土材料的要求是：3.2.1 钢管内的混凝土可采用普通混凝土和自密实混凝土，其等级不应低于C30。一般把混凝土强度等级在C50以下的钢管混凝土称为普通钢管混凝土；混凝土强度等级在C50以上的钢管混凝土称为钢管高强混凝土；混凝土强度等级在C100以上的钢管混凝土称为钢管超高强混凝土。

钢管混凝土柱结构必须采用具有良好流动性、体积稳定性、无收缩及耐久性的自密实混凝土。不同项目的钢管混凝土柱结构采用自密实混凝土的一般是根据项目结构设计要求，优选当地的混凝土原材料、添加剂，进行配合比计算及大量配合比试验挑选出既能满足设计强度要求又能满足施工性能要求的配合比。

该工程配合比设计如下：

(1)配合比设计充分结合现场施工工艺和结构特点：抛落高度10～12m；钢管内无配筋，自密实等级确定为三级；强度等级C60,补偿收缩（限制膨胀率%：水中14天≥0.015、水中14天转空气中28天≥－0.030）。

(2)优选原材料。选用一级粉煤灰，5～20连续粒级粗骨料，Ⅱ区中河砂，降低单位体积用水量。净水拌和，其质量标准符合《混凝土拌和用水》JGJ 63-2006。

(3)配合比设计采用绝对体积法。

(4)选用聚羧酸类外加剂，聚羧酸类高性能减水剂具有优异的减水、引气效果。

(5)为保证混凝土的流动性能，塌落度要求达到270mm,扩展度达到600±50mm,塌落度经时损失3h≤10mm,扩展度经时损失3h≤100mm。

(6)根据自密实性能等级选取单位体积粗骨料绝对体积0.35m³，质量为350L×2.7kg/L=945.0Kg

(7)由于掺加一级粉煤灰和级配很好的骨料，可选择较低的单位体积用水量168L和水粉比0.85。推算出粉体体积Vp=197.6L。

(8)依据标准推荐选取自密实混凝土含气量为3.0%，即Va=30L。

(9)细骨料中含1.4%的粉体（小于0.075mm的粉体颗粒），根据Vg+Vp+Vw+Va+(1-1.4%)Vs=1000L，计算出单位体积细骨料体积Vs=258.0L,质量用量为：258.0×2.65=683.7kg。

(10)计算单位体积胶凝材料用量Vce=Vp-1.4%×Vs=194L。根据强度等级计算出C60混凝土水灰比（W/C）=0.27,水泥(P.II52.5)用量为436kg。

最终计算得出配合比见表1。

表1 C60混凝土理论配合比

5现场模拟施工实验

根据《钢管混凝土结构设计与施工规范》，采用高抛免振法施工时，混凝土自由抛落高度必须大于4m，低于4m时则可能由于动能不足而影响混凝土密实度；而根据《自密实混凝土应用技术规程》（CECS203:2006）相关规定，自密实混凝土抛落高度不允许超过5m，否则会发生离析。一般钢管混凝土柱单节高度远超规范要求5m，因此为保证施工质量，需先通过试验测试证明在一定高度抛落混凝土不会发生离析现象方可施工。

该工程按照1:1的比例制作钢管柱模型，按照工艺要求浇筑混凝土，拆除钢管柱检查钢管与混凝土的粘结情况，并对混凝土钻芯检测,工艺试验施工流程如图3所示。

图3 工艺试验施工流程

图4 钢管柱高抛自密实混凝土施工试验

图5 高抛自密实混凝土取芯检测

6施工工艺及控制要点

1.施工工艺流程：

钢管柱安装、焊接及操作平台搭设完成→混凝土浇筑前验收→搅拌站计算机下料及混凝土运输→现场检测塌落度及坍落扩展度→钢管内混凝土下料→浇水养护→检查浇筑质量。

2.控制要点：

地下室部分采用汽车泵浇筑，地上部分采用塔吊配合混凝土料斗进行浇筑。柱头焊接工具式工作平台，工作平台边距离钢管柱边至少保留80cm间距，以保证操作工人有自由活动空间。钢管混凝土浇筑之前,钢管顶部必须设置标准盖板,避免雨水、杂物落入空钢管之中。

运输车在接料前应将清洗干净；混凝土运输过程中严禁向车内加水；混凝土在90min内卸料完毕；卸料前应高速旋转搅拌运输车1min以上；如需对混凝土扩展度进行调整时，加入外加剂后混凝土搅拌运输车应高速旋转3min，使混凝土均匀一致，经检测合格后方可卸料。外加剂的种类，掺量等由混凝土供应商派专业技术人员负责控制。

逐车做坍落度和扩展度检测，混凝土塌落度250~280mm，混凝土扩展度650~700mm，扩展度达到500mm时，所用时间为 3~20s，合格后方可使用，

为防止砼下落时与钢管柱壁和内隔板碰撞离析，出料口应居中，让混凝土在空腔内垂直下落；分层浇筑混凝土，分层高度不大于2米，间歇10min～15min再次浇筑，当浇筑固定高度混凝土时间间隔小于10min时，可两个或多个钢管柱循环浇筑，如果中途下料有中断，中断时间不得超过混凝土初凝时间；用测绳法控制浇筑高度，提前在绳子上测量好尺寸并做标记，在绳子的下端系一铅锤，在浇筑过程中通过绳子上端标记及观看下端物体来控制浇筑高度；中间每节钢管柱的混凝土浇筑时顶部预留600mm，以防焊接高温影响混凝土质量；

混凝土浇筑过程中应采取辅助振捣，混凝土抛出高度＞4米时，无需振捣，混凝土抛出高度≤4米时浇筑范围必需采用振动棒辅助振捣，振捣方法同传统方法。在浇筑混凝土过程中，钢管外配合人工木槌敲击，根据声音判断混凝土是否密实。至混凝土浇筑完成后表面平齐不在明显下降，不再出现气泡，表面出现灰浆为止。

每节钢管柱浇筑完，应清除上面的浮浆，立即在混凝土表面覆盖一层薄膜，并恢复盖板。待4 h左右混凝土基本初凝时,对管内蓄水5cm，形成相对潮湿、封闭的养护环境，确保原材料中的水分全部参与水化反应。冬季外界温度低至0℃以下，需要通过提高入模温度、加强外界保温控制钢管混凝土施工质量。

7钢管混凝土的检测

1.敲击法

即通过声音来分析管内混凝土是否密实。用钢锤进行敲击检查，每层每根钢管柱进行全检，7天、28天共两次（敲击的时间不宜过早，以免影响混凝土与钢管壁的粘结）。检查方法为沿柱周边取等距离若干个点，从柱底敲至柱顶。

2.表面检测

混凝土浇筑完毕后即对钢管逐一进行检查,观察管内混凝土是否存在明显的骨料下沉现象。浇筑完毕3d内再次检查,观察混凝土表面及周边是否存在裂缝现象。

3.小应变检测

借鉴桩基的检测手段,对地下室区域的钢管混凝土柱尝试采用小应变法检测主体的完整性。由于结构梁柱节点刚度的影响,小应变法只能判断出单节钢管混凝土完整、密实,对于更深的钢管内芯则无法探测。

4.超声波检测法

对钢管柱内的混凝土可采用超声波逐个检测，测试频率宜选择在40-100KHZ范围内。

5.钻芯取样检测

结构施工至正负零后,可抽取部分钢管进行钻芯取样检测,通过取样结果判断浇筑质量。

6.混凝土缺陷处理

如发现局部混凝土不密实，应在钢管壁上钻孔并压浆补强，压浆补强后将钻孔塞焊补平。

8结语

该工程根据工程特点及现场实际情况，成功地完成了钢管混凝土的配合比设计，使得混凝土能够达到高强度、无收缩、自密实效果，成功地控制了钢管混凝土高抛法施工的施工质量，具有较高的推广价值，可供类似工程参考。

参考文献

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