针对建筑钢管混疑土柱在高层施工技术探讨
某商业广场位于市中心地带,由主楼、副楼和裙房楼组成,主楼地面以上30层,地下1层,高99.6m,其中地面1层～4层为大柱网框支结构,5层及以上为钢筋混凝土剪力墙结构。在5层平面处设置2500mm钢筋混凝土转换层厚板。为保证框支柱的受力性能,从±0.000m～16.700m设置7根钢管混凝土柱(其中4根直径1100mm,3根直径900mm)。
2钢管混凝土的设计要求
本工程地下室和上部结构分别由两家单位施工,为简化工序,钢管混凝土柱仅从±0.000m处开始设置,±0.000m以下为普通钢筋混凝土柱。
2.1与普通钢筋混凝土柱连接措施
(1)钢管不插入下部钢筋混凝土柱内,而采用设置附加插筋的方式;
(2)钢筋端部设置封口环形板,环形板与下部预埋钢板焊接;
(3)在预埋钢板下设置局部抗压钢筋网;
(4)限制封口环形板内径,保证钢管内的混凝土尽可能与下部贯通(见图1)。
2.2梁柱节点处的构造措施
在梁柱节点处,采用由上下加强环及在梁宽范围内设置的腹板共同构成的“托盘”传递梁端剪力。为保证“托盘”范围内混凝土浇捣密实,有意识缩小上加强环外径。同时,为防止在梁端剪力作用下腹板及上加强环可能出现“撕裂”现象,要求上下加强环及腹板均嵌入钢管内5cm,并采用钢筋贯穿方式传递弯矩,具体作法如下:
(1)梁端面采用粗直径高强钢筋贯穿钢管,在钢管制作时预留穿插钢筋的孔洞。
(2)为防止因同一排贯穿钢筋过多而损坏钢管,将贯穿钢筋分上下两排放置,每排钢筋数不超过3根(间距>100mm)。
(3)根据设计要求仅部分梁底纵筋贯穿钢管,其余纵筋均在钢管柱边截断(见图2)。
2.3与转换厚板的连接措施
(1)为不切断钢筋混凝土转换厚板板底设置的双向四层钢筋网,钢管混凝土柱仅嵌入转换厚板内100mm。
(2)在钢管混凝土柱顶端设置封口环形板,并与转换厚板板底纵筋焊接,起加强嵌固作用(见图3)。
(3)限定封口环形板内外径,以保证轴向力尽可能直接向钢管内的核心混凝土传递。
(4)在转换厚板与钢管间设置附加纵向插筋及水平螺旋箍筋,用以传递弯矩及水平剪力。
(5)转换厚板内设置抗冲切钢筋。
3钢管混凝土柱施工
3.1施工流程
本工程每根钢管混凝土柱高16.700m,根据设计要求,并综合考虑运输、吊装及施工条件,将钢管柱分成两段在工厂制作,其中第一段从±0.000m至10.200m(比3层楼面高1m),管壁厚16mm,单件重5.5t(Φ1100)和416t(Φ900);第二段从10.200m至16.700m,管壁厚14mm,单件重为3.3t(Φ1100)和2.8t(Φ900),检验合格后,先将第一段钢管柱运至现场吊装就位,穿插第二、三层框架梁纵筋,浇筑第一段钢管内的混凝土,三层楼面混凝土浇筑后,即可吊装并焊接第二段钢管,穿插第四层框架梁纵筋,浇筑第二段钢管内的混凝土。
3.2钢管柱的制作、运输及验收
本工程钢管柱在工厂制作。钢管柱及其封口环形板、托盘选用Q235C钢材,质量符合《碳素结构钢》(GB700-88)的规定,加工前应检测母材的含碳量(≤0.29%)、冷弯性能及抗压性、抗拉、抗剪强度,同时选用与母材等强的焊条(剂)。钢管由钢板螺旋卷制定,卷制前用二台铣边机将钢板铣至等宽并铣出双面焊缝坡口,在螺旋卷管机卷制的同时,二台焊机先内后外双面埋弧自动焊,使卷制、焊接一次完成,并采用计算机自动跟踪超声波检测系统探测焊接质量,发现缺陷立即修正,卷制成型后吊运至切割焊接区进行切割并焊接封口板、加强环及腹板。焊接完成后,再次采用超声检测系统探测焊接质量。钢管柱半成品运输过程中应采取严格措施确保柱身不变形。钢管柱运抵现场后,进行校检和复核,要求满足如下规定:
(1)柱身内表面无裂纹、结疤、油污、分层、明显凹凸等现象,无片状老锈;
(2)中心线标记及标高基准点完备、准确、清晰,编号准确;
(3)对接焊缝为Ⅱ级,角焊缝为Ⅲ级;
(4)纵向弯曲度≤L/1000,且≤10mm(L为钢管柱长度);
(5)钢管椭圆度误差f/D≤3/1000(D为钢管柱径,f为椭圆长轴与D之差);
(6)端头倾斜度△/D≤1/1500,且△≤0.3mm(△为管口最高点与最低点差);
(7)钢管对口错位偏差≤1/600,且≤1mm;
(8)每节柱的长度偏差≤3mm。
3.3钢管柱的安装
吊装前先实测出柱轴线控制网,实地放出钢管混凝土柱的十字中心线,并在楼面标高处弹线标识,同时在钢管柱的柱身上按0°、90°、180°和270°弹线,作为就位时的控制线。第一段钢管柱吊装就位后,按正确方位将底端4个90°相位线对准首层预埋环板上的基准线,在二台经纬仪的监测下,用四台手动葫芦调整钢管柱的垂直度,另用一台准仪监测钢管柱标高。确认无误后,先将钢管柱点焊在预埋板上,并临时固定后方可松吊钩,再将钢管柱底部的封口板与±0.000m处的预埋板焊接。为减小焊接应力及变形,采用对称分段反向的方法焊接,钢管柱安装的允许偏差需满足如下要求:
(1)立柱中心线和基础中心线允许偏差为±5mm;
(2)立柱顶面标高与设计标高允许偏差为﹢0mm、-20mm;
(3)立柱顶面不平整度为±5mm;
(4)立柱不垂直度≤L/1000,且≤15mm;
(5)上下柱对口错位允许偏差≤1mm。
第二段钢管柱接口及垂直度的调整方法与第一段不同,在下段柱的顶端焊接四条100mm宽喇叭口状导向板,并用顶拉螺栓进行调整,其监测和焊接方法与第一段相同。待每段钢管柱安装完成后,对垂直度及现场焊接缝进得检查,其中现场焊缝均用超声探测仪检测,并出具检验报告。待全部检验均合格后,进行防锈处理。
3.4梁柱节点施工及钢管内混凝土浇筑
根据设计要求。钢管制作时在管壁预留穿插钢筋的孔洞。钢筋绑扎时先放入梁箍筋,再将梁纵筋穿插进钢管内。梁底纵筋锚入钢管内35d,梁面纵筋贯穿钢管柱且在梁跨中范围内采用挤压套筒和搭接焊方法连接。采用此种梁柱节点,钢管柱柱穿插钢筋与楼面梁板钢筋绑扎同步进行,在梁柱节点处钢筋绑扎捎有难度。
钢管内混凝土浇筑是关键环节,钢管柱内混凝土一经陷蔽,浇筑质量便难以检查,所以必须严格按技术要求及操作程序执行。鉴于钢管柱底部的插筋及穿钢管柱的纵横两个方向框架梁纵筋较密,采用高位抛落无振捣法和泵送顶升法不易保证钢管内混凝土的密实度,故本工程采用立式手工浇筑法。每段钢管柱为一个浇筑单元,混凝土配合比中掺入8%的UEA微膨胀剂。先用输送泵将混凝土从钢管柱上口灌入,并用内部振捣器(加长插入式振捣棒)振捣,每次混凝土浇筑高度不大于Φ2m,振捣时间不少于1min。为防止钢管拼接时灼伤钢管内的混凝土,第一段混凝土施工缝设在钢管柱连接处下50cm(标高为9.700m)。拼接第二段钢管前,凿除管内混凝土浮浆,并用水冲洗干净。四层框架梁枞筋穿插完毕,即浇筑第二段钢管内混凝土。为保证混凝土浇筑时管内空气顺利排出,在管壁菱形设置Φ20的排气孔;为防止混凝土输送管振动对钢管柱的不利影响,在每根钢管柱外围搭设脚手架,使输送管与钢管柱完全脱离。
3.5钢管混凝土框支柱的防火
本工程钢管混凝土框支柱耐火等级为一级,耐火时限为3h。经比较后选用TN-LC钢结构防火隔热涂料。该涂料是由改性无机高温粘结剂配以膨胀蛭石、膨胀珍珠岩等吸热、隔热材料和化学助剂合成的,喷涂在钢结构表面后,可形成一层防火热层。根据防火涂料的性能,保证耐火时限3h的涂料厚度为35mm。喷涂前先清除表面的铁锈和尘污,将钢管柱所有外露部分涂刷防锈漆并保持干燥。钢管混凝土柱与墙连接时,在钢管侧壁焊接长1000mm的2Φ8@500接结筋。防火涂料分层喷涂,每层厚度控制在5mm～10mm,txgbgk2h～8h喷涂一遍。为防止装修施工时损坏防火层,影响钢管混凝土柱的防火性能,在防火层抹一道50mm厚钢丝网水泥砂浆(1∶1)保护层进行封闭。
4钢管内混凝土的质量检测
由于目前国内尚无直观、确切的钢管内混凝土密实度的检测方法,因此应以事前控制为主,即一方面采用有利于提高混凝土密实度的技术措施(如管壁开设排气孔,掺入适量减水剂,减小水灰比,适当减小坍落度,掺入适量混凝土微膨胀剂等);另一方面明确分工并加强现场操作人员的责任心,事前进行演练,以确保万无一失。对钢筋混凝土柱的敲击检测表明,本工程钢管内混凝土绝大部分是密实的,个别单位存在钢管壁与混凝土脱离现象。根据长期跟踪检测,在现有荷载条件下(已达到设计荷载的90%),尚未发现异常情况。《钢管混凝土结构设计与施工规程》(CECS28∶90)指出:“管内混凝土的浇灌质量,可用敲击钢管的方法进行初步检查,如有异常,则应用超声波检测”。但在具体操作中缺少量化指标,易产生人为误差。由于钢管与混凝土是两种不同介质,加之钢管壁与混凝土之间可能存在问题,在此情况下如何对超声波的检测结果进行判断,还具有较大的随机性。
5经济性比较
对本工程框支柱进行的经济性分析表明,采用钢管混凝土的经济指标虽高于普通钢筋混凝土,但由于柱截面减小可增加有效建筑面积,其综合经济效益优于普通钢筋混凝土此外,它还具有了节约材料、视觉效果好等优点。
