钢管混凝土塔架柱的质量缺陷与防治

李耀亭

钢管混凝土塔架柱的质量缺陷与防治

General Quality Problems and Prevention of Concrete-filled Steel Tubular Tower Columns

李耀亭

1 引言

钢管混凝土是在钢管中灌入混凝土而形成的一种由钢管和混凝土共同承受外力作用的新型结构构件，它充分利用了钢材的抗拉性能和混凝土的抗压性能，具有良好的塑性和韧性，可增强结构的整体性和稳定性，具有工程造价低、承载能力高、抗震防火性能好等优点。据统计，和混凝土结构相比，钢管混凝土结构可节约钢材30%～40%左右，降低工程造价30%～50%左右，被认为是高层建筑建造技术的重大突破。在水泥项目中，钢管混凝土窑尾塔架已成为标志性建筑，几乎是每个水泥项目必不可少的建筑结构形式之一。

虽然钢管混凝土有很多优点，但受钢管混凝土自身及施工因素的影响，其结构还存在质量缺陷，本文试图从钢管混凝土结构设计和施工方面来寻找解决途径，从而找到防治的措施。

2 钢管混凝土塔架柱的主要质量缺陷

2.1 钢结构施工方面的质量缺陷

常见的钢结构施工方面的质量缺陷有钢管材质及焊接材料不符合设计要求，焊缝宽度或厚度达不到设计要求，焊缝有裂纹、夹渣、气孔等焊接缺陷，没按规范要求施工，上下两节钢管竖向焊缝通缝，钢结构施工和混凝土施工配合不默契，如阴雨天钢结构施工完毕后，未及时封盖钢管柱口造成钢管混凝土柱内灌水或落入杂物、钢管局部或环向凸出等。

2.2 混凝土施工方面的质量缺陷

目前，钢管混凝土施工过程中混凝土的浇筑有三种方法，即高位抛落法、泵送顶升法、多点开孔灌入法。窑尾钢管混凝土塔架柱的直径多在400mm以上，因此混凝土的浇筑比较适合采用高位抛落法，受高位抛落法混凝土不能连续施工、不易排气、整体性差等自身因素的影响，钢管内混凝土的浇筑会出现浇筑不密实、离析、泌水等质量缺陷,强度达不到设计要求。

2.3 钢管混凝土质量缺陷造成的后果

钢管混凝土质量缺陷造成的后果是降低了钢管混凝土结构的强度，影响钢管混凝土结构的使用寿命，危胁到结构的安全，增大工程项目的投资，常见的现象是水平焊缝处出现裂纹或沿钢管柱纵向焊缝处出现纵向裂缝、钢管局部或环向凸出等。

3 引起钢管混凝土塔架柱质量缺陷的原因

3.1 钢管混凝土结构自身的原因

钢管混凝土是由钢管和混凝土共同承受外力作用的一种结构构件，虽然它充分利用了钢材的抗拉性能和混凝土的抗压性能，但这种结构也有自身的缺陷，一方面由于钢管内壁光滑，不能与混凝土很好地结合，而在钢管和混凝土之间留下微细的缝隙；另一方面，因钢管和混凝土的弹性模量和热胀系数的差异，在外部环境条件的作用下，钢材或混凝土的胀缩不一致，而在钢管和混凝土之间留下缝隙或出现钢管胀鼓、沿焊缝处出现裂纹。

3.2 施工组织方面的原因

钢管混凝土的施工需要严格按照钢结构施工规范、混凝土结构施工规范和钢管混凝土结构设计与施工规程等施工规程和标准进行组织施工，对钢结构、混凝土结构的施工要求都很高，特别是对钢管的焊接和混凝土的浇筑，要求更加严格，因此，施工组织设计必须科学合理，工序之间衔接严密，可操作性强，任何一方面的疏忽都会引起质量缺陷。如在工序之间的衔接方面，每次混凝土浇筑前都要先灌筑一层与混凝土同标号的砂浆，以利于新旧浇筑混凝土的结合，如方案中没有设计这一细节，就会留下混凝土浇筑不密实或新旧混凝土结合不好的质量缺陷；再如劳动力组织方面，施工组织方案对焊工的技术等级要求比较高，但实际作业时焊工的技术等级低于施工组织的要求，或不断更换作业人员，都会影响到焊缝的焊接质量，有可能造成质量缺陷。另外，不按施工组织要求，对施工过程中的材料、工程质量及时进行检查检验也会造成质量缺陷。

3.3 混凝土抛落高度方面的原因

钢管混凝土结构设计与施工规程对高位抛落无震捣混凝土的施工，仅规定适用于管径大于350mm、高度不小于4m的情况；对抛落高度不足4m的区段，应用内部震捣器捣实。但对于高抛混凝土的最高抛落高度规范没有做出具体的规定，如果高抛混凝土的抛落高度过高必然会造成混凝土抛落后发散、离析，影响到抛落混凝土的质量。如某钢管混凝土结构采用高抛混凝土，为赶工期每二到三层浇筑一次混凝土，结果出现了混凝土发散、离析、混凝土凝固不好、强度达不到设计要求的质量缺陷，多次分析找不到原因。

3.4 混凝土配合比方面的原因

钢管混凝土施工过程中，混凝土的配合比十分重要，这是由钢管混凝土自身因素决定的。钢管混凝土的密封性能好，在混凝土浇筑过程中如水灰比过大，则混凝土凝固后多余的水分很难排出或蒸发掉，会长时间贮存在钢管内，如遇到气候变化，温度变低，就会出现冻胀现象，进而危胁到外边钢结构的安全。

3.5 外构件协作件及质量检验方面的原因

为加快工程进度，减少现场预制件的加工工作量，钢管混凝土结构施工用的钢管大多采用专业加工厂加工的供货方式，一般情况下，专业加工厂加工的半成品或产品件都有出厂合格证，因此，多数施工企业都不愿意再对这种外购件进行复检，一旦外购件加工不合格，就会给钢管混凝土的施工留下质量缺陷或隐患。如某钢管混凝土结构施工过程中，钢管由专业加工厂加工，钢管到达施工现场后，随该批次钢管到厂的检验报告显示，本批次钢管检验合格，符合钢结构施工及验收规范的规定，施工企业也没有再进行复检，就用于工程施工，在安装过程中发现有一根钢管存在质量问题，因发现及时没有给工程留下不安全隐患，却影响了工程的安装进度。

4 防治措施

4.1 设计方面的防治措施

通过上述分析可以看出，要防治钢管混凝土的质量缺陷，在钢管混凝土设计方面需要解决两个问题，一个是钢管混凝土自身原因引起的缺陷，另一个是钢管混凝土凝结后多余水分的排放问题，针对这两个问题，建议从以下三个方面进行防治：

（1）为排出钢管混凝土中多余的水分，在每根钢管混凝土柱基础位置（柱脚）最低标高处及每层的最低标高处均增设排水管，排水管应有一定坡度，以利于钢管混凝土中多余水分的排出。

（2）为使钢管和混凝土更好地结合，尽量减少钢管和混凝土之间的缝隙，做好混凝土的配合比设计，在混凝土中掺入适量的减水剂或膨胀剂，通过合适的配合比来消除钢管内壁光滑与混凝土结合差的质量缺陷，另一方面，对于直径较大的钢管可在其内壁焊接锚固钢筋，增强钢管和混凝土的粘结。

（3）对施工过程中容易忽视的细节，在设计说明中重点加以说明。如为避免杂物或阴雨天雨水落入钢管内，在设计说明中要强调每一班组在操作完成或下班后都要对钢管上口进行封堵；为避免钢管竖向焊缝通缝对结构的影响，要在说明中强调安装时应注意错缝，注明错缝角度，避免通缝。

4.2 施工方面的防治措施

（1）施工组织设计要详细、切合实际。良好的施工组织设计等于成功的一半，因此，对于钢管混凝土的施工，必须严格按现行的钢结构和钢管混凝土结构设计与施工规程的规定编制施工组织设计，做到各工序、各工种之间衔接到位，劳动力组织有力，实际操作能力与所需能力相匹配，质量监督检查有严格的工作程序。

（2）现场施工应严格控制水灰比。混凝土配合比设计好后，施工过程中控制和调整配合比相当重要，在实际操作中，几乎所有项目混凝土的实际水灰比都大于设计配合比，因此，应加大对水灰比的控制力度，设专人对混凝土配合比进行检查和控制，同时对减水剂、膨胀剂的掺加量也应该严格控制。通过现场实验设计合理的配合比，控制最佳坍落度。

（3）合理确定混凝土的抛落高度。由于规范对高抛混凝土的最高抛落高度没有做出具体的规定，根据实践经验并参考相关资料中的数据，建议高抛混凝土的最高抛落高度控制在5～6m，如超过这个高度，应采用串桶等浇筑方法，确保混凝土振捣密实，不出现蜂窝、离析现象。在用高抛法浇筑钢管混凝土前，应先浇筑一层约20mm厚与混凝土同强度等级的砂浆。

（4）无论是现场加工的钢结构构件还是外购的钢结构构件，都要坚持按施工验收规范要求进场复检制度，对所有焊缝进行超声波探查，确保焊缝合格率达到100%。

（5）冬雨季施工要采取特殊的防护措施。冬季施工要控制好配合比，采取防冻措施，对原材料进行加热，在钢管外包防冻保护层或电热设施。雨季施工除控制好配合比，重点是防止雨水灌入钢管内。

（6）为保证钢管混凝土中钢管的焊接质量，每根柱子的焊接都要固定焊接人员和设备，水平焊缝要对称均匀分层施焊，每层焊接完毕经检验合格后，方可进行下一层施焊。

5 结论

引起钢管混凝土柱质量缺陷的原因除了钢管混凝土自身的因素外，主要是施工操作不当或规范没有做出详细规定造成的，其后果表现为钢管的胀鼓、裂缝、钢管内有多余水分，本文从设计和施工两个方面对消除和预防钢管混凝土质量缺陷的方法进行了探讨，总体思路归结为控制水分、消除钢管内多余水分；注重细节，严格按规范作业；强化过程监督，确保质量达标。同时从设计和施工方面提出了相应的防治措施，解决钢管混凝土的质量缺陷，还会有更好更多的办法，需要我们做进一步的探讨。

[1]余成行.C60泵送顶升自密实钢管混凝土的配制与施工[J].混凝土，2010（10）:102-103.

[2]建筑施工手册编写组.建筑施工手册[K].北京：中国建筑工业出版社，2006.

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