框筒体系钢管柱侧灌工艺的实践与创新

宋理志 熊 齐 杨 旭 林永祥 花俊哲

中建三局集团有限公司（沪） 上海 200135

随着高层、超高层建筑逐渐增多，内筒外钢的框筒结构体系越来越被社会认可。而钢管混凝土柱更是兼顾钢结构与混凝土结构的优势，具有承载力高、抗震性能好、经济效益优良和施工便捷等优点，在框筒体系中得到广泛的应用。

目前，高层钢管混凝土柱柱内混凝土浇筑多采用泵送顶升法、高位抛落免振搅法、导管浇筑法、手工逐段浇筑法等。每种浇筑方式的技术要求、作业环境、混凝土成形质量、工期进度及施工成本等各不相同。钢管混凝土柱内部混凝土浇筑仍是制约现场工期进度与施工质量的关键因素[1-4]。

本项目通过改进现有的混凝土浇筑工艺，在工厂预制柱侧壁灌浆孔，在现场采用泵送混凝土浇筑，大大提高了现场混凝土浇筑速度，减少了钢管混凝土浇筑对核心筒和钢结构施工的工序制约，同时，在施工质量、施工安全及成本方面均有显著改善。

1 工程概况

本项目位于上海市普陀区大渡河路与同普路交会处，总建筑面积147 992 m2，建筑功能为商业办公。地下为2层地下室，地上为2栋18层塔楼。塔楼均为钢筋混凝土核心筒＋钢结构框架体系。本工程钢管混凝土柱概况如表1所示。

表1 钢管混凝土柱主要参数

2 常规混凝土浇筑方式比较

2.1 泵送顶升法

泵送顶升法是通过在钢管柱柱根部400～1 000 mm范围内开设灌浆孔，利用高压泵车将混凝土自下而上连续输送，使钢管内部混凝土达到密实状态。此种浇筑方法，有利于保证混凝土的施工质量，混凝土出现孔洞的概率也会大大降低。

同时混凝土顶升不制约上层钢结构施工，节约了项目工期。缺点是顶升所需泵车压力较大，泵车需采用大型号，增加施工成本；顶升法工序较为繁杂，需在钢管上开孔、焊接临时导管、安装截止阀，在混凝土浇筑完成后需进行清孔和孔洞封补等工序，大大增加工作量。混凝土顶升过程中，易出现顶升不顺、堵塞等现象，影响现场施工。

2.2 高位抛落免振搅法

高位抛落免振搅法，一般分为塔吊吊运高位抛落法和泵送高位抛落法。

塔吊吊运法需利用塔吊将混凝土吊运至钢柱顶部，自上而下进行浇灌。此法占用塔吊资源，影响核心筒材料吊运和钢结构的吊装；另外，施工作业人员需站在柱顶搭设的施工平台上进行操作，施工风险较大，混凝土浇筑速度和浇筑质量有待提高。

泵送高位抛落法多采用布料机进行配合浇筑。布料机置于钢梁之上，作业人员立于柱顶操作平台上，施工时具有较大的安全隐患，且布料机布置需占用塔吊资源。

2.3 导管浇筑法

导管浇筑法通过插入钢管柱的钢导管，将料斗的混凝土自下而上边退边浇筑至管内。导管法不受柱子截面形状、柱子高度、柱内隔板影响，混凝土浇筑质量容易保证。缺点是导管法需在浇筑面搭设操作平台，增加了额外的人工和材料费用；需利用塔吊完成混凝土的吊运；高空作业存在一定的安全风险。

3 新型钢管柱侧灌工艺原理及特点

通过对现有钢管柱柱内混凝土浇筑方式进行比较，并结合项目现场实际情况，本项目采用钢管柱侧灌混凝土施工技术。

钢管柱侧灌混凝土施工是一种通过在钢管柱侧壁开设灌浆孔，以已施工完成后的楼承板作为泵管架设面，通过泵送混凝土完成管内混凝土浇筑的施工技术。

为方便泵管架设与混凝土浇筑、振搅，灌浆孔宜设置在朝向核心筒的一侧，孔高出梁顶标高500 mm，灌浆孔宜在柱壁上居中布置。为减小开孔对柱体结构的影响，本项目选择隔层开设灌浆孔，以减少开孔数量（图1）。

图1 钢管柱灌浆孔开设要求

为减小现场开孔对钢管柱结构的损伤，减少现场切割及焊接工作量，钢管柱灌浆孔开设与洞口加固均在工厂预制完成。

为提高现场施工的便捷性，本项目对钢管柱侧灌节点进行了创新深化。管内设置旋转销轴，管外设置封闭插销。浇筑状态，封堵板上翻，完成混凝土浇筑；非浇筑状态，浇筑孔封闭，避免施工垃圾进入。内部封堵板稍大于灌浆孔，方便封堵板的外部焊接（图2）。

图2 钢管柱侧灌节点大样

侧灌混凝土施工工艺特点：

1）施工工艺简单，现场工作量小，现场只需完成浇筑工作和浇筑孔的封堵工作。

2）在已浇筑的楼承板上进行泵送混凝土施工，大大加快管内混凝土浇筑速度。

3）钢管柱混凝土浇筑无需占用塔吊资源，缓解现场垂直运输紧张状态，从而保证内部核心筒的施工进度。

4）调整了钢结构施工工序，上部钢结构吊装与下部钢管混凝土浇筑可以同步进行，提高了外框钢结构的安装速度。

5）作业人员在楼承板上完成混凝土的浇筑，作业风险大大降低。

6）相对于高抛法和顶升法，投入成本更低，无需专门的操作平台和顶升装置。

4 工艺流程及技术措施

4.1 工艺流程

钢管柱侧灌工艺流程为：侧灌节点工厂预制→楼承板施工完成→自密实混凝土浇筑→封堵板焊接→焊后处理→焊缝质量检测→混凝土质量检测。

4.2 技术措施

1）侧灌节点工厂预制。深化设计阶段，会同结构设计对钢管柱侧灌节点进行复核确认。按照设计要求在工厂完成相关零件的下料、切割、开孔、焊接拼装等工作。保证开启时，内部封堵板能够实现自旋转；封堵时，封堵板能够紧贴柱内壁（图3）。

图3 钢管柱侧灌节点原理

2）自密实混凝土浇筑。自密实混凝土浇筑时，泵管应伸入钢管柱内，竖直向下，防止混凝土直接冲击钢管柱内壁，造成构件损伤；柱内内隔板位置易出现质量隐患，可在管外配合人工锤击敲打，保证内隔板位置的自密实混凝土在浇筑过程中严格密实。钢管柱柱内自密实混凝土浇筑宜连续进行，中间若有停歇，停歇时间不应超过混凝土的初凝时间。若超过混凝土的初凝时间，须留设施工缝。自密实混凝土浇筑前，先浇筑厚10～20 cm、与混凝土强度等级相同的水泥砂浆，增加施工缝的黏结性和防止自由下落的混凝土骨料产生弹跳。钢管内自密实混凝土浇筑至顶面时，应及时清除表面浮浆，混凝土初凝后灌水养护，灌水高度200 mm；封堵板封闭，防止施工垃圾进入。待混凝土终凝后，对混凝土表面进行凿毛处理，保证新旧混凝土的接缝质量。

3）灌浆孔封堵板焊接。封堵板焊接前，清除待焊处表面锈迹、混凝土、油污等不利于焊接的物体。调整内部封堵板，使内部封堵板紧贴柱内侧壁。焊接时，应采取相应的预热措施及层间温度控制措施，控制焊缝区母材温度，保证层间温度符合要求。中途需中断焊接时，应采取适当的保温措施，再次焊接时采取高于初始的预热温度重新进行预热。

4）焊后处理及焊缝质量检测。对焊缝进行打磨处理，并保证焊缝外观质量满足要求，同时对封堵焊缝进行100%超声波探伤检测，确保焊缝质量合格（图4）。待封堵焊缝质量检测合格后，按照设计要求对开孔位置及周边进行补漆。

图4 封堵板焊后处理及超声波检测

5）混凝土浇筑质量检测。钢管混凝土浇筑完成后，可以采用人工敲击法进行检测，通过声音来辨别管内混凝土是否密实。人工敲击法是对钢管混凝土密实度的初步检测，如发现有异常情况，则应用超声检测法检测。对钢管柱混凝土存在的空腔、收缩缝缺陷、混凝土与管壁黏结不良、混凝土空洞、离析、松散等缺陷采用钻孔压浆法进行补强。

5 效益对比分析

本项目塔楼区域的钢管柱采用侧灌隔层浇筑，单层自密实混凝土浇筑量140 m3。以下分别从工期、成本、安全性、质量可控性等4个方面对钢管柱混凝土采用侧灌、塔吊吊运、顶升法3种浇筑方式的效益进行对比分析：

1）工期：钢管柱侧灌浇筑的单层浇筑用时为8 h；塔吊吊运的单层浇筑用时为50 h（0.8 m3料斗，单次吊运耗时20 min）；顶升法的单层浇筑用时为8 h。

2）成本：钢管柱侧灌浇筑的人工费为2 000元/层（堵洞）；塔吊吊运的操作平台费用为6 000元/层，塔吊均摊费为8 000元/层，人工费为2 000元/层（塔吊司机及指挥）；顶升法主要包括增加高压泵车、开孔、封孔、安装截止阀等费用。

3）安全性：钢管柱侧灌浇筑时在楼承板上进行施工，作业风险小；塔吊吊运浇筑时在柱顶操作平台上施工，存在一定的风险；顶升法在楼承板上进行浇筑施工，作业风险小。

4）质量可控性：钢管柱侧灌浇筑的操作简单，施工质量可控性强；塔吊吊运浇筑的施工难度大，质量可控性差；顶升法的混凝土浇筑质量高。

6 结语

在某项目钢管混凝土的浇筑中，项目部针对现场实际情况，采用钢管柱侧灌工艺进行混凝土浇筑，工程应用效果良好，得到了业主和监理的一致认可。钢管柱侧灌工艺操作简单，技术要求低，不但加快了混凝土的浇筑速度，节约了施工成本，降低了作业风险，提高了施工效率，而且解决了钢管柱管内混凝土浇筑难、浇筑慢的施工难题，取得了较好的效果。

通过此次项目实践，项目施工人员对钢管柱侧灌工艺有了新的认识与理解，相关的工艺要点为以后的超高层建筑施工提供了技术借鉴。