自密实超高钢管混凝土柱的施工

张 双 陈学英 李云燕 刘 磊 李继越

中国建筑第二工程局有限公司 广西 南宁 530022

1 工程概况

某项目室内主题乐园平面尺寸为165.2 m×148.5 m，地上高度30 m；屋面采用两点支撑大跨弧形倒三角空间立体管桁架结构屋架，内部仅用2个净高24.1 m、直径1 800 mm的大直径钢管混凝土柱与外围钢筋混凝土排架柱共同作用撑起了主题乐园的巨大空间，因此钢管混凝土柱的施工质量关系到整个屋面结构的安全及使用功能。如何提高钢管柱安装精度、避免细微裂缝、提高焊接质量且保证施工安全，最终达到成本控制，成为亟待解决的技术难点[1-4]。

2 施工重、难点

钢管混凝土柱施工过程水化热造成的温升较高，会引起钢管“安装焊接钢管（冷缩）—浇筑混凝土（热胀）”的热胀冷缩循环，造成不同分段产生不均匀应力，如何控制这种不均匀应力是工程重难点之一；低温状态下，为快速进入下一道施工工序，如何确保高位抛落免振捣法一次性浇筑低收缩自密实混凝土的施工质量是工程重难点之二；通过对吊车站位、吊幅计算，合理策划钢柱分段吊装，使资源充分利用是工程重难点之三；钢柱采用两点就位，一点吊装，如何控制钢柱垂直度，保证钢柱焊接质量是工程的重难点之四。自密实混凝土的试配过程及试配结果为本工程控制重点。

3 施工工艺

3.1 施工工艺流程

施工工艺流程为：自密实混凝土配合比试验、钢管柱分段吊装分析、钢柱定位轴线及定位线测设→分析混凝土配合比试验结果、确认最终配比、钢柱吊装前预检验收、柱底标高确认及找平→首节钢柱吊装及固定→第2节钢柱吊装→垂直度调整及连接施工→第3、4节钢柱吊装及调节→高抛免振自密实混凝土浇筑→验收。

3.2 施工工艺原理

本工程主题乐园对超大直径钢管混凝土柱的加工、定位、安装的方式及流程进行了优化，采用旋转回直法进行钢柱吊装并根据“三点一线”原理控制钢柱垂直度，可以有效控制施工质量。同时为减小“安装焊接钢管（冷缩）—浇筑混凝土（热胀）”循环模式下造成不同分段产生不均匀应力，经实验室试验配比后选用可靠的自密实混凝土，并采用立式高位抛落免振捣法，大大缩短了钢管柱安装、混凝土浇捣等过程的时间。采用柱底定位环及限位板技术，操作更方便，安装更精准快捷，施工质量更可靠。钢管柱对接均采用内衬管施工工艺，使接头焊缝质量得以充分保证。钢柱安装轴线、标高准确、垂直度高。

3.3 施工技术要点

3.3.1 钢管柱分段吊装分析

本工程超高钢管柱最后一段施工过程与地下管廊施工过程发生重叠，而地下管廊结构复杂、管廊纵横交错，为确保后期管廊施工便捷及钢管柱施工，对吊车站位、作业半径、钢管柱运输和吊运的空间及时间安排等进行了优化。

通过分析现场施工环境，钢管柱高约24.1 m，根据自密实混凝土设计浇筑结果及工期安排，可分为4段进行吊装作业，利用塔吊吊装不经济，因此采用汽车吊吊装。吊车型号基于吊装距离、吊装角度、最大吊装质量综合考虑后选择。最终将钢管柱分为6 305、10 000、4 910、7 405 mm共4段吊装，吊装机械采用50 t汽车吊，钢管柱最大质量为13 t。钢管柱周边10 m范围为承台施工完成后填土，经场地强夯处理后，可满足汽车吊站位需要，汽车吊站位吊距15 m。

3.3.2 超高钢管柱的安装

在平面控制网的基础上结合图纸尺寸，采用圆管环切法放出钢柱四周切点线，利用圆柱四周切点依次放出300 mm安装控制线，用于测量及控制钢柱安装及复核。采用直角坐标法放出每个钢柱基础的纵横轴线。将所测轴线弹墨线后，复核相邻柱间尺寸。轴线复核无误后，画红油漆三角标记，作为下一节钢柱吊装就位时的对中依据。

用水准仪从高程控制点引测标高，根据所测混凝土面标高偏差值，用不同厚度的垫铁找平，由于焊接柱口有一定的焊接收缩量，因此，在安装过程中应保证柱顶标高有2～3 mm的正公差，待焊接完成、焊缝冷却以后再进行复检高程，做好记录并作为下一柱段高程调整的依据。

根据上述吊装分析得知，吊装机械采用50 t汽车吊，钢管柱最大质量为13 t。钢管柱周边10 m范围为承台施工完成后填土，汽车吊站位吊距15 m，满足吊装要求。钢柱吊装就位后，观测由制作厂在柱身上画好的标高线，若有标高误差，加减薄铁板调整高度。

3.3.3 自密实无收缩混凝土配合比设计

工程自密实混凝土在实验室进行配比试验，采用双掺合料配比试验，最终的配合比符合JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》的要求。

膨胀剂采用武汉三源特种建材有限公责任公司生产的S-AC高性能混凝土膨胀剂，试验按胶凝材料的4%、6%、8%分3组进行对比，其中6%掺量的配合比试块（100 mm立方体试块）在3 d初始拆模尺寸平均值为99.99 mm，28 d和60 d初始拆模尺寸为100.00 mm，其无收缩，效果最优，最终采用6%掺量作为自密实无收缩混凝土膨胀剂配合比。

3.3.4 高抛免振自密实混凝土的施工

混凝土在预拌厂拌制完成，运距约10 km。行车约30 min可到达工地。混凝土采用天泵进行浇筑，入模温度不超过35 ℃。浇筑混凝土时，现场有质保部及技术部人员进行旁站，浇筑前做坍落度试验。

钢管柱分段设有内加劲环排气孔，故可以连续浇筑作业。混凝土泵送和浇筑过程保持其连续性，减少分层，保持混凝土流动性。

混凝土浇筑时，浇筑混凝土在分段钢柱顶以下1 m即停止浇筑，避免混凝土施工缝与钢柱焊接段在同一个位置。

最后浇筑顶部段时，浇筑完毕30 min后，观察钢管混凝土有无回落下沉，若有下沉，则用人工补浇管补浇混凝土。

3.4 钢柱混凝土柱验收

1）钢柱垂直度验收，确保受力平均。

2）吊装各节钢柱焊接质量、焊缝强度、表面观感等进行验收，确保焊接质量。

3）浇筑完成后采用超声波进行探测，确保钢管柱内部不出现空洞，以避免影响最终受力。4）对柱顶标高进行验收，确保不影响后期桁架验收。5）对混凝土标养、同养试块强度进行检测，确保浇筑强度。

3.5 施工效果

1）通过使用高抛免振自密实混凝土，确保混凝土强度及浇筑质量，可以一次性完成钢柱焊接和混凝土浇筑。

2）超高钢管柱焊接焊缝强度满足设计要求，垂直度偏差满足钢结构规范、设计控制要求，使用效果良好。

3）使用此技术大大节约了机械使用费用，减少了重复焊接时间和重复浇筑时间，同时也节约施工时间，缩短工期，提高了施工经济效益。

3.6 施工保证措施

1）测量定位时间不宜选在每天10：30—15：30期间，避免因气温过高造成视觉误差。

2）混凝土浇筑完成后注意是否有沉降，若有沉降，应及时补料填平顶口。

3）整个施工过程中，应保持对钢管柱垂直度的监测，若发生位移偏差，应立刻停止浇筑并采取有效措施。

4）钢柱安装前应对下一节钢柱的标高与轴线进行复验，若发现误差超过规范，应立即修正。

5）钢柱加工厂应按要求在柱两端设置临时连接耳板，待钢柱焊接完成且验收合格后，再将耳板割除。

6）一般钢柱采用两点就位，一点吊装。吊装采用旋转回直法，严禁根部拖柱，吊点位置在柱顶。

7）安装连接板固定，上下柱不能出现错口，然后进行校正焊接。每一个柱的定位轴线，应从地面控制轴线引到柱顶，以保证每节钢柱安装无误，避免产生过大的积累偏差；柱-柱安装校正重点为对钢柱有关尺寸进行预检；影响垂直因素的预先控制安装误差主要有钢柱的柱顶垂直偏差、位移量、焊接变形、日照温度、垂直校正及弹性压缩等；壁厚30 mm的柱-柱焊接收缩值应控制在1.7～2.0 mm。

8）临时连接耳板的螺栓孔应比螺栓直径大4.0 mm，利用螺栓孔的余量来调节钢柱制作时±3 mm的误差。

9）钢柱-临时耳板连接，焊接时根据焊接工艺评定参数进行，在焊接过程中，若发现少量偏差，可用电焊校正方法修正。

10）现场进行钢结构施工过程中，必须进行噪声监测，防止噪声污染，夜间施工应在取得夜间施工许可证的前提下进行；现场噪声排放不得超过国家标准GB 12523—2011《建筑施工场界环境噪声排放标准》的规定，并保证昼间≤70 dB、夜间＜55 dB。

4 结语

主题乐园项目对超高钢管混凝土柱的加工、定位、安装的方式及流程进行了优化，采用旋转回直法进行钢柱吊装并根据“三点一线”原理控制钢柱垂直度，可以有效控制施工质量。同时采用立式高位抛落免振捣法，缩短了钢管柱安装、混凝土浇筑等过程的时间，提高了施工效率和混凝土浇筑质量，节约了机械使用费用，同时也节约了施工时间，缩短了工期。采用柱底定位环及限位板技术，操作更方便，安装更精准快捷，施工质量更可靠。本工程钢柱安装轴线标高准确，垂直度高，同时高抛免振自密实混凝土的配合比为高温地区免振混凝土的配合比提供了参考经验。本次施工过程中钢管混凝土浇筑未实现实时监测，不能实时修复质量问题，未来可依据超声波检测原理进行混凝土浇筑的实时检测，以实现浇筑过程的实时调整。