超高层钢管柱混凝土泵送浇筑施工技术应用研究

潘德要

（广州一建建设集团有限公司 广州511457）

超高层建筑是解决城市发展中土地空间日趋紧张的一种有效手段，其主要结构方式为钢管柱-混凝土组合结构。超高层钢管柱混凝土的柱芯混凝土强度标号高、黏度大、浇筑高度高，采用高压泵送，容易导致混凝土离析、堵管、甚至混凝土因停滞时间过长而作废，造成重大经济损失。因此，必须对作业方法精心选择，合理施工，方可保证混凝土浇筑质量与安全，提高经济效益。

1 工程概况

广州某超高层建筑位于市中心，周边交通人流量大，总用地面积25 102 m2，西侧为38层塔楼B（高167 m），东侧为58 层塔楼A（高284 m），中间为商业裙楼。塔楼A 为带1 道伸臂桁架加强层的钢管混凝土柱钢框架+钢筋混凝土核心筒混合结构，塔楼B 为钢管混凝土柱钢框架+钢筋混凝土核心筒混合结构体系。根据施工进度，以先行施工的塔楼B 钢管混凝土柱的混凝土浇筑施工来实例研究。

2 工程特点与难点

2.1 工程特点

塔楼 B 首层～38 层共有 8 根钢管混凝土柱，2 根钢柱间最大间距为21 m，环绕钢管柱的周长约为141 m，首层（±0.00 m）以上钢柱顶标高为172.4 m。

柱内混凝土等级标号如表1所示。

结构楼层与层高如表2所示。

表1 钢管柱概况Tab.1 Overview of Steel Pipe Columns

表2 结构楼层概况Tab.2 Structural Floor Overview

现场施工场地有限，泵车及混凝土罐车只能停在相对较近的1号钢平台上，距离塔楼B核心筒约70 m。

2.2 工程难点

⑴ 本项目处于广州市中心，每天上下班高峰期7∶00～9∶00 及17∶00～19∶00 实行交通管制，此时间段内搅拌车无法进入供应混凝土。

⑵ 高标号混凝土黏度与骨料硬度大，泵送时，混凝土与泵管摩擦阻力大，且硬化速度快。

⑶ 环绕钢管柱周长141 m，在浇筑过程中，边浇筑边拆接泵管，临时中断浇筑，管内混凝土硬化容易发生堵管。

⑷ 高抛浇筑混凝土，未振捣，存在密实度问题。

3 浇筑方案

3.1 总体思路

⑴ 经设计确认，先在现场按照实际施工情况，模拟25～32 层钢管柱浇筑混凝土情况，按钢管柱同比例制作直径1 000 mm，高度10 m 的试验柱，浇筑C80 自密实混凝土，其配合比参照专利《钢管混凝土柱针式混凝土浇筑施工方法》（专利号：ZL201310455112.1），并通过现场试验，检测合格后方可进行塔楼B 的钢管柱浇筑。

⑵ 现场泵管布置合理，采用高压泵管并尽可能减少弯头及临时拆接泵管，现场有配备软管接头，劳动力不少于12人。

3.2 试验柱施工与检测

⑴ 现场选取试验柱场地，放置钢管空心柱，封底并绑扎底基础钢筋、支模，用C30 混凝土浇筑试验柱底座基础，注意用钢筋烧焊扶柱固定，钢管柱底部封底严密，可用薄钢板烧焊封严，避免底座混凝土流入空心钢管柱；或者用水泥砂浆原地面找平。

⑵ 空心钢管柱放置3 根φ80 mm 超声波检测管，呈正三角形，如图1所示。

图1 超声波检测管Fig.1 Ultrasonic Test Tube

⑶ 采用泵送自密实混凝土浇筑，毋须振捣。现场混凝土坍落度260±30 mm；水泥用材为P·Ⅱ52.5R级，浇筑高度约10 m。浇筑管头应离浇筑口250～750 mm之间，避开钢管柱的内隔板。

⑷ 养护28 d 后，进行强度与柱身混凝土完整性检测：标准养护下C80 混凝土14 d 龄期抗压强度代表值78.9 MPa，28 d龄期抗压强度代表值93.0 MPa；在距钢管柱底1 700 mm 高度处，割开钢管柱外壁，钻孔抽芯抗压强度为88 MPa；对其他部位用回弹仪测得抗压强度均在85 MPa 以上。声波透射法柱身质量完整性检测结果为：柱身完整。

3.3 钢管柱浇筑

3.3.1 泵管布置

塔楼B 泵管布置以最少弯头管接驳为原则［1］，采用高压泵管。

⑴ 水平泵管布置：地面部分由1 号钢平台接管，从塔楼西侧到大约十字通道中心位置，离核心筒剪力墙700 mm。楼层面部分则从泵管孔出楼面，离核心筒剪力墙约2 500 mm，绕外楼面板最大3/5 圈，最多3个直角弯头；剩余2/5 圈逆方向重新从出楼面泵管开始接，注意出楼面泵管要在安装卸料平台正面，以防泵送混凝土时，用塔吊和斗车补尾料。

⑵ 竖直泵管布置：在塔楼西侧，大约十字通道中心位置，离核心筒剪力墙700 mm，预留300 mm×300 mm 泵管孔，与核心管泵管分开。首层水平泵管长度与垂直泵管长度比为70∶176＞1∶3［2］，所以可在水平管首设置截止阀。为保证安全与方便维护，本次垂直管布置在主体结构内的十字通道，垂直管经过预留洞口处用木楔楔紧。具体布置如图2所示。

图2 泵管平面布置Fig.2 Pump Pipe Floor Plan

⑶ 泵管接入钢柱采用在钢柱预留的浇筑孔直插，进入深度以接近钢柱中心，不小于钢柱直径的1/3为宜，如图3所示。

图3 泵管接入钢柱Fig.3 Pump Pipe Connected to Steel Column

⑷ 第2 次布管，根据施工需要，当塔楼B 核心筒施工至38 层时，低楼层（1～10 层）已插入装修施工，为满足材料进出施工工地需要，把车载泵放在塔楼B 首层东面。这样布管，一是方便场内运输，二是缩短了首层的水平管长度。同时保留原管，以备应急用。

3.3.2 泵送阻力

根据《混凝土泵送施工技术规程：JGJ/T 10-2011》，混凝土泵的最大泵送阻力为：

式中：Pmax为混凝土最大泵送阻力（MPa）；L为各类布置状态下混凝土输送管路系统的累计水平换算距离（m）；△PH为混凝土在水平输送管内流动每米产生的压力损失（Pa/m）；Pf为混凝土泵送系统附件及泵体内部压力损失（MPa）。

根据现场实际情况：

①楼层水平接管最大长度约为：水平段77 m，有4个φ125 直角500 mm 长弯头；②首层地面水平接管最大长度约为：70 m，有 3 个φ125 直角 500 mm 长弯头；③竖向向上泵管接管最大长度约为：167 m，竖向向上泵管每米换算成水平长度为167×4=668 m，有2 个φ125直角500 mm长弯头。

在每层的转角处，离钢柱约7.5 m处，设置1个“S”型［3］的弯头，提高泵管的高度，对准钢管柱的注浆孔，亦可通过灵活摆动“S”型弯头，快速泵送浇筑转角的钢柱。此弯头按2个直角弯头换算水平长度。

每个φ125 直角500 mm 长弯头水平换算长度为12×90/90=12 m。

最大累计水平换算距离：

根据公式：

泵送效率约为15 m3/h。

求得：当坍落度为260 mm时，

每台泵车的泵体附属结构的启动内耗为1 MPa，未使用管路截止阀。

现场要求搅拌站3名试验员必须到场全程监测混凝土的坍落度，到场混凝土坍落度不小于260 mm，《混凝土质量控制标准：GB 50164-2011》要求自密实混凝土扩展度不低于600 mm，每一车必须测量扩展度，因堵管、拆换管停滞时间超20 min时，必须重测。

3.3.3 竖向泵管内混凝土自身重力［4］

该工程天面剪力墙混凝土要求为C60。根据搅拌站提供的混凝土配合比设计报告，C40、C60 控制的平均容重为2 410 kg/m3，首层（±0）以上钢柱顶标高为172.4 m。重力加速度g=9.8 m/s2。竖向泵管泵送时，管内储藏混凝土，其首层弯管处的自重压强为：

最大泵送压强为P泵=2.09+4.07=6.16 MPa

项目部选用中联重科HBT90.40.572RS 混凝土泵，最大混凝土泵送压力（高压/低压）为40/20 MPa，满足使用要求［5］。

4 质量控制措施

⑴ 每层钢管柱对称开2个溢水孔（直径2 cm、浇筑口下约300～500 mm），位置在每层楼板结构面上10 cm。用于在浇筑时观测混凝土的浇筑高度，以柱内混凝土面低于溢水孔5 cm为宜。

⑵ 高强度混凝土坍落度低于180 mm时，运动黏度大，泵送阻力大，堵管风险大。所以现场施工要求高强度混凝土到场坍落度不低于260 mm，如遇接驳管、堵管等暂停泵送时，未泵完的混凝土，要重新测量坍落度，低于230 mm时，不得泵送，查明原因，明确责任。

⑶ 泵送混凝土拌合物坍落度经时损失不宜大于30 mm/h，如有中断泵送，应重测坍落度、扩展度，经试验员确认后方可继续泵送。

⑷ 养护，浇筑完成8 h内对钢柱灌水，每隔4 h观察钢管柱内水位，保持混凝土面上有5 cm左右的水。

⑸ 泵送顺序为隔2 层楼板，打1 次钢管柱，混凝土的最大自由落差高度为4.5+4.2=8.7 m。

⑹ 采用φ125A 高压泵管［6］，壁厚为 12 mm，45Mn2合金钢特制耐磨超高压管道，经特殊淬火处理，寿命比普通Q345 钢管提高3～5 倍，管道寿命大于50 000 m3（±0 以上的高强自密实混凝土总方量约2 100 m3）。卡箍采用不常拆卸管道连接，采用公母扣固定结构形式，O 型密封圈密封，锥面定心，确保连接密封可靠，防止泵送时漏浆。需拆卸管道连接采用公母扣活动结构形式，拆装方便、O 型密封圈密封，锥面定心，确保连接密封可靠［7］。

⑺ 放料时，注意混凝土罐车的放料斗离泵车的装料斗的距离不大于200 mm，避免泵入空气及保持装料斗在工作中保有至少半斗的混凝土量。泵送中断时间超过30 min 或泵送出现困难时，混凝土泵应做间隔推动，约隔5 min进行反泵操作［8］。

⑻ 每次泵送前应保证钢柱焊缝检测合格，且超声波检测管已预先焊在钢柱筒内。

⑼ 浇筑口离钢柱连接处应大于400 mm，在浇筑层采用先浇筑结构外楼板，再浇筑钢柱芯混凝土。

⑽ 钢管柱在进场后每根钢柱预焊3条声波管，浇筑完钢柱混凝土后，隔8 h后洒水养护，待检测完后即可用钢柱出厂所带的柱孔板烧焊封堵。

5 应急处理

一旦发生堵管，先来回反泵操作几次，如未见效，应重点检查弯管部位，尤其检查首层垂直段与水平段泵管处的弯头［9］。

⑴ 先用铁锤敲打，通过声音判断堵塞位置，拆开清洗后再接通泵送。

⑵ 如超过半小时，经抢救泵管仍无法打通，则拆除垂直段泵管分别与首层、浇筑作业层的弯头管，通过车载泵车用清水打通首层水平段泵管。

⑶ 人工用清水疏通垂直段、浇筑作业层水平段泵管。

⑷ 重新接通泵管，测量混凝土扩展度，测试合格后方可使用。重新出同标号砂浆，加放入2 包普通硅酸盐水泥后，按初始方式泵送混凝土，润滑用砂浆泵出后应妥善回收，不得作为结构混凝土使用［10］。

交通信息及时关注，要求搅拌站调度要及时掌握交通运输路线情况，避免堵车导致料干或泵送中断。

6 效益

⑴ 自密实混凝土无需振捣，可节省电力，比起原先用吊料斗浇筑，可节省塔吊的使用时间，缩短工期。工人施工在楼层内，大大减少高空作业风险。

⑵ 减少了常规的顶部高抛法需搭设操作平台的风险。

⑶ 采用声波透射法对柱身质量完整性检测结果为柱身完整性合格。

⑷ 在钢管柱内混凝土浇筑的同时，钢管柱吊装工序可以往上施工，提高施工进度，实际验证了该施工方法安全可靠。