钢管混凝土柱施工技术及质量控制在天津滨海图书馆中的应用

张杨 徐勇 刘睿 荣彬

（1.天津开发区建设工程监理公司，天津 300453；2.天津大学 建筑工程学院，天津 300072）

【摘 要】钢管混凝土柱是指在钢管中填充混凝土而形成的竖向受力构件，在大型框架结构中广为应用。天津市滨海新区文化中心图书馆为钢框架结构，使用钢管混凝土柱作为承重构件。作为组合结构，钢管混凝土柱的制作、运输、安装等环节都有别于其他传统构件形式，需要过硬的施工技术及严格的质量控制。文章以在建工程滨海图书馆为例，对钢管混凝土柱的施工技术和质量控制方法进行探讨和总结。

【关键词】钢管混凝土柱；施工技术；质量控制

【中图分类号】TU765 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）07-0089-03

0 引言

目前，钢管混凝土组合结构已经广泛应用于高层及超高层建筑中。究其原因，主要是钢管混凝土组合结构结合了钢材和混凝土2种材料的优势，有着优异的力学性能。一方面，钢管对混凝土的套箍作用可以有效地增加混凝土的抗压强度。另一方面，内填混凝土对于外部钢管的支撑可以防止钢管发生失稳，同样提高了抗压强度[1]。此外，采用钢管混凝土代替钢筋混凝土和结构钢，可大幅度地节省钢材、木材、水泥等结构自重。理论分析和实践表明，钢管混凝土与钢结构相比，在保持自重相近和承载能力相同的条件下，可节省钢材约50%，焊接工作量大大减少；与普通钢筋混凝土结构相比，在钢材用量和承载能力相当的条件下，钢结构的横截面会减小约1/2，从而加大了建筑的空间面积，空间的有效实用面积也会大大增加，混凝土和水泥用量及构件自重相应减少50%。因此，钢管混凝土柱作为竖向受压构件有着很大的优势。与此同时，钢管混凝土柱作为组合结构，其施工方法有别于传统结构形式，其制作、运输、安装等环节都需要配套的施工技术和严格的质量把控。

1 工程简介

天津市滨海新区文化中心（一期）项目位于天津市滨海新区中心商务区天碱片区，总建筑面积为31.2万m2。主要包括滨海现代城市与工业探索馆、滨海现代美术馆、滨海图书馆、滨海市民活动中心、滨海东方演艺中心及滨海文化长廊“五馆一廊”6个单体建筑，是具有科技、展示、教育等多元功能的综合性文化商业区。工程总建筑面积约30.9万m2，占地面积约12.0万m2。

滨海图书馆坐落于滨海文化中心的东南侧，东侧为文化公园，南侧通过文化长廊与滨海东方演艺中心相对，西侧通过文化长廊与滨海市民活动相对，北侧为中央大厅。滨海图书馆设置了数字图书馆、球幕演示厅、媒体图书馆等多种新型交流设施，为市民提供了良好的休闲阅读空间。图书馆分为地下3层、地上5层，结构主体长110 m、宽60 m，建筑面积为33 700 m2，建筑高度为28 m。图书馆结构模型如图1所示，地上部分为特大跨度连体结构，主体为钢框架-支撑结构，部分柱为钢管混凝土柱，支撑采用中心支撑，局部为偏心支撑。中间连接体由四榀54 m跨双层高的平面桁架及楼面梁、板、水平支撑等组成。图书馆共有组合柱构件20件，有加工长度大、单件重量大等特点。

2 施工技术及质量控制

本工程的外框架柱采用矩形钢管混凝土柱，最大截面1 000 mm×400 mm×60 mm，最大加工长度为6.5 m，最大单件重量为26 t。较大的柱截面和钢材厚度使构件制作安装精度、钢材焊接质量、混凝土浇筑的控制难度加大。

2.1 构件制作安装

钢管混凝土柱体积和重量较大，故构件的制作和安装进度是施工的一个难点。为保证构件制作安装精度，工程中从以下几个方面进行质量控制。

（1）钢管均在工厂预制完成，检验合格后运输到施工现场，经二次检验后安装。

（2）构件安装控制点决定了单个构件的安装质量和整体结构的精度。按照设计图纸建立水平轴线控制网和高程控制点，将基础埋件的位置测设在相应轴线控制网上，用“十”字线标出安装参照点，初标后用全站仪进行最终确定。

（3）为防止构件产生吊装变形，需根据设计吊点和吊装荷载验算吊装变形。吊装就位后，应立即进行校正，校正内容包括标高校正、扭转校正、垂直度校正等[2]。使用塔吊、钢楔、垫板、千斤顶等工具将构件按照标高、扭转、垂直度的顺序进行校正。形成框架后无需再进行整体校正。

2.2 焊接质量控制

本工程中大型钢管柱的钢板材较厚（达到40 mm），焊接难度较大，焊接质量的影响因素多，因此焊接质量离散性很大。而且，焊接质量缺陷及焊接残余应力正是形成和发展疲劳裂纹最敏感的区域，对结构强度和抗震性能都产生不利的影响。因此，需要对焊接工艺采取焊前预热、焊中控制、焊后保温等措施，措施量大，且对焊工技能要求较高。具体将在以下几个方面重点加强焊接质量的管理。

（1）焊接必须选用可防止层状撕裂的Z向钢，其材质执行《厚度方向性能钢板》（GB/T 5313）的规定。

（2）高空焊接时，要严格做好焊接防风、防雨工作，否则严重影响焊接质量，进而影响施工进度。

（3）冬季施工时，低温条件下对焊接工艺的要求更加严格。0 ℃以下时必须进行焊前预热，预热温度在70～100 ℃为宜。

（4）对于钢柱接头焊缝，预热范围应大于3倍板厚，达到规定温度后要保持构件处于恒温状态维持20 min。对于铺设加热片的施焊部位，按图2所示铺设加热片，且使用温控仪自动控温。

除预加热外，还应采取如下措施以保证焊接质量：每根柱由下至上固定焊工，明确责任；对称施焊，即分段反向对称顺序施焊；严格控制同类型焊机和焊接电流参数；对于柱安装偏差，计算后进行机械打磨，保持焊缝间隙一致；增设防变形卡板[3]。

2.3 混凝土浇筑

（1）填充顺序。钢管混凝土填充灌注利用混凝土输送泵压注的方式进行，填充灌注过程中遵循对称、均衡的原则。首先湿润输送泵管。用清水湿润所有的输送泵管的同时检查输送泵管工作是否正常、泵管接头处是否有渗漏的情况。其次泵送水泥砂浆。泵送水泥砂浆可以避免粗骨料反弹及提高接头处混凝土质量，同时砂浆还可在泵送过程中起到润滑管壁的作用。在混凝土填充灌注接近完成时，通过混凝土将砂浆排出钢管。最后填充灌注混凝土。压注过程中随时通过调整控制混凝土输送泵的泵送速度，确保压注均匀、对称，并通过锤击钢管管壁的方法辨别管内是否空心，以了解混凝土压注的高度，并凭此调整混凝土的压注速度。当混凝土压注至接近拱顶面时，应控制压注速度以防止混凝土超过拱顶截面引起钢管拱振动。进行下一次钢管混凝土填充灌注前，对前一次灌注混凝土强度进行检测，确保前一次混凝土达到设计要求。

（2）填充工艺。由于单个构件较大且钢管内有隔板分布，内浇混凝土的密实程度决定了2种材料能否共同工作，是施工难点之一。为解决内浇混凝土的密实问题，本工程的钢管混凝土柱采用自密实混凝土浇筑。自密实混凝土是一种高流动性且具有适当黏度的混凝土，它不离析，能够通过钢筋填满模板内的任何空隙，在重力作用下自行密实，属于高性能混凝土的一种。为了补偿收缩、增强钢材与混凝土的整体性、增加混凝土的流动性，需要掺加膨胀剂和聚羧酸减水剂[4]。

（3）灌注后的处理。待钢管混凝土填充灌注完成且混凝土终凝后，用钢板对填充灌注的钢管口进行封闭焊接，并在表面进行防腐涂装处理，以防雨水进入。

3 结论与展望

近年来，随着国家经济的发展，钢管混凝土组合结构逐渐在各种建筑结构中得到广泛的应用。为了充分发挥其优良性能，需要施工技术和设计方法的高度配合。滨海图书馆中的钢管混凝土柱体量大，数量多，且厚板材、冬季低温焊接等情况给施工造成一定难度。施工组织设计中应具体问题具体分析，采用适合工程实际情况的施工技术方法。现场施工时，监理和施工双方需要密切配合，严格把控施工质量。随着其理论研究的深入及在各种实际工程中的实践总结，施工工艺的提高和高性能材料的应用，矩形钢管混凝土组合结构必将成为一种更完善的结构形式。

参 考 文 献

[1]钟善桐.钢管混凝土结构在我国的应用和发展[J].建筑技术，2001（2）：80-82.

[2]石百军，张树新，梁斌.钢管混凝土柱施工技术[J].施工技术，2009（S2）：135-141.

[3]安玉华.矩形钢管混凝土柱施工技术在建发现代城工程中的应用[J].宁夏工程技术，2010（4）：365-368.

[4]李江.超高層矩形钢管混凝土柱施工质量控制及关键技术研究[D].北京：北京建筑大学，2014.

[责任编辑：陈泽琦]

【作者简介】张杨，男，天津人，天津开发区建设工程监理公司总经理助理，工程师，研究方向：工程管理与技术；徐勇，男，内蒙古人，天津开发区建设工程监理公司总工程师，高级工程师，研究方向：工程管理与技术。