大体积倾斜变截面结构柱施工工法

大体积倾斜变截面结构柱施工工法

孔瀚玉 ,骆成成 ,张旭, 张胜

（中国建筑第八工程局西南公司）

【摘要】：随着建筑业的高速发展，为满足独特的建筑造型和特殊的结构功能，内部大跨度空间的设计的应用在诸多项目中得到了越来越多的应用，其中大体积倾斜变截面结构柱作为大空间结构常见的支撑体系组成构建广泛应用于大型场馆、机场、科技馆、商业体等众多公建项目。在建筑设计施工过程中，将大体积倾斜变截面结构柱进行深化设计、施工优化，与临近地下室外墙、剪力墙等受力部分有效结合，优化支模体系，强化对止水带等功能措施质量控制，是现目前商业综合体、酒店、场馆、机场等大跨度结构建筑的重点。

【关键词】：大体积混凝土；变截面结构柱；定型模板；支撑加固组件

引言：

为了满足建筑的功能要求在结构设计中引入的大体积倾斜变截面结构柱在建筑设计施工过程中，往往需要将其与临近地下室外墙、剪力墙等受力构件纳入同一支模体系中进行深化设计、施工优化，以达到优化支模体系，强化对止水带等功能措施质量控制的效果。这也是现目前商业综合体、酒店、场馆、机场等大跨度结构建筑结构施工的重点、难点。

1  工程应用概况

1.1 项目概况

鲁能城三期(商业)F55-2地块、F55-3地块建设工程是一座包括大型商业、写字楼、地下交通与车库等在内的高标准城市综合体。本工程地处重庆市渝北区中央公园片区同茂大道北侧，规划建设四栋83.6m～98.0m的高层办公楼和商业裙楼。总建筑面积27.6㎡，其中F55-2地块建筑面积15.9万㎡，包含两栋塔楼及附属裙楼；F55-3地块建筑面积11.82万㎡，包含两栋塔楼及附属裙楼；物业形态为公寓、商业及附属车库。F55-2、F55-3地块东西相连，大部分位于轨道9、10号线50米控保区范围内。拟建场地西侧为鲁能F55-1地块，北侧为鲁能城二期地块，南侧临近同茂大道及同茂大道下方的运营线路轨道十号线中央公园东站车站主体及部分附属结构，东侧临近运营线路轨道十号线中央公园东站一号出入口及在建轨道九号线中央公园东站车站主体。项目地下室空间共设置轨道连接通道两处，以连通周边轨道交通9、10号线站点，满足自身人防地下室和人员应急疏散空间的使用要求。

1.2 大体积倾斜变截面结构柱施工工程概况

重庆鲁能城三期(商业)F55-2、F55-3地块建设项目所含大体积倾斜变截面结构柱及相关构件主要集中于人防地下室和低层商业大空间裙楼，柱长0.7m，高度4～6m，宽度由底部0.3m渐变到1.4m～3.1m，截面形式变化较多、高度较高且截面为倾斜截面。其模板工程施工中亟需解决倾斜面模板角度控制、不规则柱模固定措施、止水带埋设位置等几个技术难题；此外考虑到异性结构柱所在位置支模高度高、自身体积大、钢筋用量大且绑扎方式复杂，是本工程结构施工的重点、难点。

图1  大体积倾斜变截面内倾结构柱配筋示意图

2  专利技术应用

针对大体积倾斜变截面结构柱本身独特构造和复杂工况，施工组织过程中拟依托自主设计的可调定型三角支撑及可穿墙带止水片的加固螺杆卡箍制定大体积倾斜截面结构柱浇筑施工方法。

2.1 可调定型支撑工具

该专利重点在于自主设计并制作一个可调定型三角支撑工具，以应用于项目多种大体积倾斜变截面结构柱浇筑的模板支撑。

可调定型三角支撑由以下4个部分组成：底部固定端型钢+伸长端型钢；受力面固定端型钢+伸长端型钢；支撑面固定端型钢+伸长端型钢；中部撑杆。

图2  三角支撑工具大样

三角支撑底部采用定型化型钢制作，采用内空构造，内插定型工字钢，实现底部长度调节，调节范围2.85m-4.5m。底部固定端型钢两端及工字钢外端部焊接翼缘板，板上留直径2.5cm孔，作为预埋螺栓穿孔锚固用。底部型钢通过于梁上直径2.0cm预埋钢筋与型钢进行有效螺栓锚固。

图3  三角支撑工具大样

受力面固定端采用定型化型钢制作，采用内空构造，内插定型工字钢，实现受力面长度调节，调节范围3.5m-6m；受力面固定端与底部固定端型钢切60°倾斜角作为上部角度调节空间，受力面型钢与底部及支撑面型钢采用直径2.0cm圆形钢条进行连接；固定端型钢端部1m及伸长端型钢全长，下部间隔10cm打2.2cm圆孔，孔内穿直径圆形钢条作为长度调节约束；固定端型钢及伸长端型钢端部开钥匙孔型开洞，内上L形型钢，作为模板加固时约束构件；固定/伸长端型钢上部焊接L型次楞限位型钢，受力面型钢兼顾支撑及主楞。

支撑面面固定端采用定型化型钢制作，采用内空构造，内插定型工字钢，实现支撑面长度调节，调节范围3.5m-6m；支撑面固定端与伸长端型钢切60°倾斜角作为角度调节空间；固定端型钢端部1m及伸长端型钢全长，下部间隔10cm打2.2cm圆孔，孔内穿直径圆形钢条作为长度调节约束。

图4  支撑面与底部及受力面连接

中部支撑杆采用直径6cm钢棒制作，中部钢棒直径5cm，下部钢棒采用内空螺纹构造，通过与中部钢棒螺栓构造配合实现长度调节。

图5  中部支撑杆示意

图6  支撑杆底部连接及模数调节示意

图7  支撑杆上部连接示意及受力面长度调节钢条

(2)可穿墙带止水效果的可调模板加固工具

该专利在于自主设计并制作一个可穿墙带止水效果的模板加固卡箍，以应用于项目多种大体积倾斜边截面结构柱浇筑的模板加固。

图8  大体积倾斜变截面模板加固工具

可穿墙带止水效果的模板加固卡箍由以下3个部分组成：两端加固限位挡板及螺栓；可调螺纹杆；剪力墙止水预埋件。

两端加固限位挡板采用Q235钢材制作，采用实心构造，两端开螺杆孔，直径大于螺杆4-5mm，加固时两端采用内侧及外侧螺栓配筋进行固定及螺杆限位。

图9  两端加固限位挡板示意图

可调螺纹杆采用Q235钢材制作，一端通过螺纹与剪力墙埋件进行连接，一端与两端加固限位挡板相连，通过两个螺栓与限位挡板实现加固体系限位；螺杆采用长0.5m、1m、2.5m、3.5m四种规格，通过螺栓及限位挡板位置进行长度调节。

图10  可调螺纹杆连接构造

剪力墙止水预埋件由Q235钢材一体加工成型，中间部分为实心构造，外侧为半径12cm止水圆盘，厚度最厚处1cm；两端为内空带螺纹构造，与两端螺纹杆连接。

图11  剪力墙止水预埋件示意

3  主要施工方法与施工工艺

对于此类大体积倾斜变截面结构柱的施工，相较于传统工艺，本次介绍的施工方法主要在模板支设及加固等步骤中应用了新技术以

3.1 材料准备

相较于传统的大体积结构柱施工，依照设计图纸完成钢筋的下料与加工之外主要需要根据构件尺寸完成金属定型模板的制作。此外，根据周边支模结构布置情况进行止水预埋件的点位初布后统计个数后统一定制。

3.2 大体积变截面柱结构施工

大体积变截面柱结构施工流程涉及定型模板和止水埋件的安装预埋，故在施工流程中增加定型模板支座预埋、安装调整和止水埋件的预埋等工序，对应的省区传统结构柱模板施工中的模板支设步骤。详细施工顺序详见下图

图12  施工顺序图

（1）施工步骤

根据施工工艺要求按以下步骤进行大体积倾斜变截面结构柱的施工。

①三角支撑底部采用定型化型钢制作，底部固定端型钢两端及工字钢外端部焊接翼缘板，板上留直径2.5cm孔，作为预埋螺栓穿孔锚固用。在结构柱底部相接楼板施工时完成支模体系底部伸缩型钢的预埋。

②将底部伸缩型钢及三角支架安装就位。

③根据设计图纸提前完成结构柱直面纵向钢筋及临边剪力墙钢筋的放样和下料加工后进行绑扎作业。

④根据先前初设的点位在临边剪力墙钢筋网上完成对穿加固辅件的定位及预埋。

⑤通过对底部卡扣与倾斜面模板上的拴孔的位置对大体积倾斜变截面结构柱倾斜面的金属模板进行安装，完成倾角的初步校核。

⑥根据设计图纸对应结构柱变截面区域钢筋样式对加工钢筋的规格和曲率进行校核后开始绑扎。

⑦对结构柱整体钢筋工程的钢筋复核验收。

⑧结构柱侧向金属模板安装，将可调螺纹杆件穿过剪力墙上预埋的止水埋件将变截面结构柱合抱固定。

⑨对倾斜面金属模板倾角进行复测校核，对金属模板连接点、拼缝等进行整体验收。

⑩大体积混凝土浇筑，并完成后续的测温及养护。

（2）施工工艺与操作要点

①钢筋工程技术措施

A.为保证各结构构件钢筋保护层厚度满足设计要求，采用同柱构件混凝土强度预制砂浆和混凝土垫块。

B.为保证结构钢筋位置准确，结构柱钢筋绑扎采取定位筋加强措施。

C.为防止梁、板混凝土浇筑时对结构柱钢筋造成污染，如清理不干净会降低混凝土和钢筋间的物理性能。混凝土浇筑前对剪力墙纵筋底部采取包裹塑料薄膜，框架柱纵筋底部加套PVC管等防范措施

D.针对截面尺寸较大框架柱，为保证柱插筋的位置，在混凝土浇筑前将插筋用双钢管与对拉螺栓固定连成一体，保证主筋的定位。

②模板工程技术措施

A.支模前在预埋的短钢筋上焊接顶模筋，顶模筋(比柱截面小2mm，端部刷防锈漆)距楼地面50～80mm。

B.柱模安装前，应提前在柱四周200mm宽范围内的楼面用水泥砂浆找平，入模时找平砂浆必须已硬化。

C.金属定制模板集中应用于大体积倾斜变截面结构柱模板工程。前期应结合图纸及设计要求对结构柱倾角进行实地放样，通过调节底部伸缩型钢卡槽位置精确控制倾斜面模板倾角。

同时，对于模板拼缝位置进行连接强化处理，连接销栓加装环形橡胶套。

③大体积混凝土测温措施

A.大体积混凝土测温频率：第一天:每20分钟检测一次、2～4天：每2小时监测一次、5～7天：每4小时监测一次、7天以上：每12小时监测一次。

B.测温点布置原则：沿混凝土厚度方向，布置外表、底面、中心温度测点，其余测温点按测点间距不大于500mm布置；混凝土浇筑体表层温度，测温点宜布置在混凝土浇筑体表面以内50mm处；混凝土浇筑体底层温度，测温点宜布置在混凝土浇筑体底面以上50mm处；布置在温度场发生变化的位置，例如板厚发生变化、环境发生变化的位置。

C.观测温度变化：混凝土内部最高温度控制在80℃以内，混凝土中心和表面温差不能超过25℃，混凝土表面与环境温差不能超过

20℃，降温阶段混凝土降温速率不大于2℃/d。

④大体积混凝土温差控制措施.

A.加强通风：在混凝土入模时，采取措施改善和加强模内的通风，加速模内热量的散发。

B.降温保湿：混凝土浇筑后，做好混凝土的保温保湿养护，缓缓降温，充分发挥徐变特性；降低温度应力，注意保湿，温度较低时采取措施保温覆盖，以免发生急剧的温度梯度发生。

C.控制拆模时间：采取长时间的养护，规定合理的拆模时间，延缓降温时间和速度，充分发挥混凝土的“应力松弛效应”。

D.混凝土监测：加强测温和温度监测与管理，实行信息化控制，随时控制混凝土内的温度变化，里表温差控制在25℃以内，及时调整保温及养护措施，使混凝土的温度梯度和湿度不至过大，以有效控制有害裂缝的出现。

E.控制浇筑速度：合理安排施工工序，控制混凝土在浇筑过程中均匀上升，避免混凝土拌合物堆积过大高差。

F.分层浇筑、充分振捣：大体积混凝土浇筑应分层进行，每层间隔时间保证下层混凝土初凝前完成上一层混凝土的浇筑。混凝土浇筑时，缩短架管和接管时间，同时要加强振捣和二次振捣，提高混凝土密实度。

G.养护：浇筑完毕的混凝土初凝后，表面盖薄膜和双层岩棉被覆盖，养护期不少于14d，并设专人负责混凝土的养护工作。

H.温度监测：采用信息化动态温控系统监测混凝土温度变化。大体积混凝土浇筑后，立即进行温度监测，由专人负责计算机监测记录与分析，测温时间不小于浇筑完成后14d，测温过程中若发现内外混凝土温差超过规定时，要采取有效措施。

⑤大体积混凝土裂缝防治措施

A.温度裂缝：掺加高效减水剂，并且适当加入缓凝组分，可减少胶凝材料用量并且可延长水化热时间；掺加粉煤灰、磨细矿粉等矿物掺合料取代部分水泥可有效降低水化反应的水化热；采取在拌和水中加冰块等措施降低混凝土入模温度，采取分层浇筑等利于混凝土散热的施工方法施工；在混凝土模板外表面粘贴苯板保温，以降低混凝土散热过程中的内外温度梯度等，有效避免混凝土温度裂缝。

B.沉陷收缩裂缝：本工程塔楼基础底板厚度较大，底板钢筋密集，不易密实，故在施工中加强过程管理采取二次振捣等措施使混凝土振捣密实，可以确保混凝土在硬化过程中不至于因为沉陷收缩产生裂缝。

C.干缩裂缝：加强混凝土后期养护，保持混凝土湿润可以控制混凝土表面的干缩开裂。

结语：

针对此类大体积变截面倾斜结构柱的施工往往需要结合构件的空间结构利用定型金属模板等工具克服异形结构定位合模困难等问题；同时对传统的穿墙止水螺杆加固支模结构的方式进行升级改进以达到优化止水构件，强化加固功能的效果。本文所述施工方法主要就模板施工引入新工艺以做出施工调整相较于传统的支模结构达到了更好的结构成型质量，更高的施工效率的效果。