戴浚，高善飛，梁太平

1 研究背景

鋼管混凝土的基本原理是借助圓形鋼管對核心混凝土的套箍約束作用，使核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而使核心混凝土具有更高的抗壓強(qiáng)度和壓縮變形能力。除具有強(qiáng)度高、重量輕、延性好、耐疲勞、耐沖擊等優(yōu)越的力學(xué)性能外，鋼管混凝土還具有省工省料、架設(shè)輕便、施工快速等優(yōu)越的施工性能[1]，在高層和大跨度建筑結(jié)構(gòu)中，得到了廣泛應(yīng)用。水泥工業(yè)中窯尾預(yù)熱器塔架（以下稱塔架）的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案現(xiàn)已普遍采用鋼框架支撐的結(jié)構(gòu)體系、鋼管及鋼管混凝土柱為主的結(jié)構(gòu)選型。此方案具有增大結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度、提高材料利用率、降低鋼柱用鋼等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步顯現(xiàn)了鋼管混混凝土的獨(dú)特優(yōu)勢。

對于國內(nèi)水泥項目預(yù)熱器塔架鋼管混凝土施工，我國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會于1990年頒布的《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》（CECS28：90）中明確規(guī)定了相關(guān)施工方法及質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)。但對于國外項目，由于對歐標(biāo)、美標(biāo)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)缺乏深入的研究和轉(zhuǎn)化，在塔架鋼管混凝土施工中仍然按照國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量檢驗，由于無法出具相關(guān)國外通行標(biāo)準(zhǔn)佐證施工方案的正確性、可靠性，導(dǎo)致施工中建設(shè)方和監(jiān)理方（業(yè)主方）容易產(chǎn)生分歧，影響工程進(jìn)度。如某項目在塔架鋼管混凝土施工過程中，由于無法出具國外鋼管混凝土施工質(zhì)量檢驗的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，雙方對混凝土澆灌方式及質(zhì)量檢驗始終未達(dá)成一致，使安裝工作停工20d，給項目執(zhí)行帶來風(fēng)險。

2 鋼結(jié)構(gòu)部分比較

2.1 鋼管混凝土鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量檢驗

《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》中涉及塔架鋼結(jié)構(gòu)的鋼管制作、鋼管拼接、鋼管柱吊裝等關(guān)鍵質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)，是以《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB50205-2001）為基礎(chǔ)制定，對應(yīng)的歐標(biāo)（英國標(biāo)準(zhǔn)）中鋼結(jié)構(gòu)施工標(biāo)準(zhǔn)主要為《Execution of steel structures and aluminium structures-Part 2:Technical requirements for the execution of steel structures（鋼結(jié)構(gòu)和鋁結(jié)構(gòu)的實(shí)施第二部分：鋼結(jié)構(gòu)實(shí)施的技術(shù)要求）》（BS EN1090-2:2008）。

塔架鋼結(jié)構(gòu)部件一般為工廠加工。鋼管柱一般采用直縫焊接鋼管和螺旋焊接鋼管，目前我國焊接鋼管制造工藝、生產(chǎn)設(shè)備、檢驗技術(shù)已達(dá)到國際先進(jìn)水平。正規(guī)廠家的焊接鋼管質(zhì)量可靠，但須提供加工件的材料質(zhì)量報告、部件質(zhì)量檢驗報告。鋼結(jié)構(gòu)部件進(jìn)場前，應(yīng)對部件進(jìn)行檢查，要對鋼管柱、主梁等關(guān)鍵部件進(jìn)行100%檢驗（每條焊縫長度的20%，且≮200mm）。

塔架鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場施工主要控制組裝及吊裝偏差（表1、表2），并須對鋼管柱現(xiàn)場拼裝焊縫須進(jìn)行100%超聲檢測。

2.2 鋼管混凝土鋼結(jié)構(gòu)的施工要點(diǎn)——柱腳的安裝

預(yù)熱器塔架結(jié)構(gòu)承載除自身重量以外，還包括預(yù)熱器本體和其他輸送設(shè)備的重量。為了將塔架所承載的重量有效傳遞給基礎(chǔ)，要求塔架柱腳與基礎(chǔ)結(jié)合得非常緊密。在塔架柱腳的實(shí)際施工過程中，一般用砂墩調(diào)整第一層鋼管柱垂直度和標(biāo)高，當(dāng)?shù)谝粚铀苷{(diào)整完成后，再進(jìn)行鋼管柱的灌漿。這種施工方案可以保證鋼管柱腳與基礎(chǔ)完全結(jié)合。

3 混凝土結(jié)構(gòu)部分比較

3.1 鋼管混凝土的一般質(zhì)量檢驗

3.1.1 檢驗標(biāo)準(zhǔn)

鋼管混凝土施工中，混凝土澆灌是鋼管柱混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)。澆灌出現(xiàn)缺陷，會直接削弱鋼管混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能和整體性能。根據(jù)水泥工程特點(diǎn)，塔架鋼管混凝土普遍采用立式高位拋落無振搗澆灌法進(jìn)行澆注，《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》第7.4.4-5條規(guī)定了采用該方法時的施工方法、質(zhì)量控制（骨料粒徑、水灰比、塌落度）的標(biāo)準(zhǔn)，歐標(biāo)中，未明確鋼管混凝土的質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)，參照歐標(biāo)中混凝土規(guī)范《Concrete-Part 1:Specification,performance,production and conformity（混凝土第一部分：規(guī)定、性能、制造和合格證）》（BS EN206-1:2000）中新拌混凝土（Flesh concrete）的標(biāo)準(zhǔn)予以檢驗，對比對見表3。

3.1.2 檢驗方法

1902年，趙忠堯出生在浙江諸暨，父親當(dāng)過私塾老師、行醫(yī)醫(yī)生，對中國積貧積弱的局面痛心疾首，特別寄希望于子女能夠有出息。1916年，15歲的趙忠堯考入諸暨縣立中學(xué)，1920年，又考入中國創(chuàng)辦最早的四所高等師范學(xué)校之一，南京高等師范學(xué)校！趙忠堯入南京高等師范學(xué)校就讀時，南京高師正要擴(kuò)建為東南大學(xué)。1924年畢業(yè)后，他留在東南大學(xué)，并遇到了改變他一生命運(yùn)的人——中國近代物理學(xué)奠基人葉企孫。

對于塌落度、抗壓強(qiáng)度等混凝土質(zhì)量試驗方法，測定方法國內(nèi)外基本一致，參考表4執(zhí)行。

3.2 鋼管內(nèi)混凝土的檢驗——超聲波檢測

鋼管混凝土在施工中，有時會因管理不善和施工原因，使混凝土材料存在空洞、疏松、施工縫不均勻以及混凝土與鋼管膠結(jié)不良等缺陷，從而不同程度地削弱鋼管混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能和整體性能，所以要在一般質(zhì)量檢驗的基礎(chǔ)上加強(qiáng)鋼管混凝土施工質(zhì)量的監(jiān)控，《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》第7.4.9條規(guī)定：鋼管內(nèi)混凝土如有異常則應(yīng)用超聲波檢測。

表1 鋼結(jié)構(gòu)組裝允許偏差（國標(biāo)和歐標(biāo)對應(yīng)條款）

表2 鋼管柱吊裝允許偏差（國標(biāo)和歐標(biāo)對應(yīng)條款）

表3 新拌混凝土質(zhì)量檢驗條款

超聲法檢測技術(shù)作為混凝土非破損檢測技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于檢測混凝土內(nèi)部缺陷和勻質(zhì)性等方面。我國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會于2000年頒布的《超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》（CECS21：2000）中對鋼管混凝土缺陷監(jiān)測方式和數(shù)據(jù)處理作了規(guī)定。但超聲法檢測不僅受到骨料的品種和粒徑的影響，而且還受到水灰比和水泥用量的影響，測量精度不高。2004年國家頒布《建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50344-2004）規(guī)定用超聲法檢測鋼管內(nèi)混凝土強(qiáng)度必須用同條件立方體試塊或混凝土芯樣試件抗壓強(qiáng)度進(jìn)行修正。

國外項目進(jìn)行超聲檢測應(yīng)以《Testing concrete—Part 4:Determination of ultrasonicpulse velocity試驗混凝土第四部分：超聲波脈沖速率的測定》（BS EN 12504-4:2004）為依據(jù)操作，歐標(biāo)中缺少鋼管柱混凝土檢驗，在數(shù)據(jù)處理過程中還要以《建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50344-2004）相關(guān)規(guī)定進(jìn)行修正。

3.3 鋼管混凝土施工要點(diǎn)——鋼管內(nèi)混凝土澆灌

3.3.1 鋼管內(nèi)混凝土澆灌方式的比較

《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》第四節(jié)管內(nèi)混凝土澆灌規(guī)定了澆灌方式（泵送頂升澆灌法、立式手工澆搗法、立式高位拋落無振搗法）及不同澆灌方式混凝土的質(zhì)量要求和檢驗。根據(jù)以往現(xiàn)場經(jīng)驗，各種澆灌方法比較見表5。

立式高位拋落無振搗法適用于管徑大于350mm，高度不小于4m的施工條件，從實(shí)驗結(jié)論中可以看出，采用立式高拋無振搗法澆灌鋼管內(nèi)混凝土，在保證混凝土的質(zhì)量條件下，成型后的自密實(shí)性能及力學(xué)等各項性能滿足設(shè)計要求[22]。對于塔架這種總高度較高（大型塔架高度達(dá)到100m）且每節(jié)鋼管柱較高的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，從施工費(fèi)用、周期、技術(shù)要求等綜合考慮，宜采用立式高位拋落無振搗法。雖然目前尚未查閱到立式高位拋落無振搗法澆灌混凝土的歐洲標(biāo)準(zhǔn)，但此方法在國內(nèi)已廣泛應(yīng)用。

表4 混凝土試驗方法（國標(biāo)和歐標(biāo)對應(yīng)條款）

表5 鋼管混凝土澆灌方式比較

3.3.2 鋼管內(nèi)混凝土澆灌基本施工方法

（1）鋼管內(nèi)混凝土在兩層框架安裝完畢后進(jìn)行澆灌?？蚣芊謱訚补嗟膾伮涓叨葢?yīng)選擇一個比較合理的高度，既能保證底層混凝土的密實(shí)性，又能確?；炷临|(zhì)量不受影響（拋落高度過大則會造成石子與水泥砂漿離析）。

（2）利用混凝土下落時產(chǎn)生的動能達(dá)到振實(shí)混凝土的目的，對于拋落高度不足4m的區(qū)段，應(yīng)用振搗器振實(shí)，一次拋落的混凝土量宜在0.5～0.8m3左右，用料斗裝填（用塔吊），料斗卸料口尺寸應(yīng)比鋼管內(nèi)徑小100～200mm，以便混凝土下落時，柱內(nèi)空氣能夠排出。

（3）混凝土由每段柱頂連續(xù)拋落，至每段柱頂下500mm為止，柱頂下4m內(nèi)混凝土采用插入式振搗，一次振搗時間約30s。

（4）最后一層澆灌到距柱頂管口500mm處止（為方便澆注，先將頂蓋板切開），封頂蓋板，間隔10h后，從封頂蓋板預(yù)留孔向柱內(nèi)灌滿混凝土，混凝土強(qiáng)度達(dá)到50%后封焊預(yù)留孔。

（5）每次灌漿前應(yīng)在前次灌漿層上澆5～10cm同等強(qiáng)度的水泥砂漿。

3.3.3 冬季鋼管內(nèi)混凝土澆灌

某生產(chǎn)線預(yù)熱器塔架施工，在冬季進(jìn)行鋼管內(nèi)混凝土澆灌，混凝土澆灌后，塔架鋼管柱出現(xiàn)裂縫。檢查發(fā)現(xiàn)，混凝土中出現(xiàn)冰碴。這種情況在其他行業(yè)建設(shè)中也出現(xiàn)過。鋼管混凝士柱裂縫的產(chǎn)生，是此種結(jié)構(gòu)冬季施工的質(zhì)量通病，涉及混凝土內(nèi)部微脹應(yīng)力、凍脹和焊縫設(shè)計、施工等諸多方面。裂縫產(chǎn)生的最主要原因是，鋼管混凝土柱對溫度的強(qiáng)敏感性，鋼管和混凝土膨脹系數(shù)的差異（分別為1.2×10-5/℃與0.7×10-5/℃），同時鋼管混凝土是密閉結(jié)構(gòu)，負(fù)溫下混凝土中的游離水難免凍結(jié)，體積膨脹9%，并伴有204～240MPa的凍脹應(yīng)力，其外圍的鋼管在負(fù)溫下發(fā)生“冷縮”，加之鋼材的低溫韌性較差，極易形成破壞性裂紋。

雖然鋼管混凝土對溫度變化膨縮的敏感性差異很大，但只要溫度穩(wěn)定或變化緩慢，不足以引起鋼管混凝土結(jié)構(gòu)裂縫。在冬季鋼管內(nèi)混凝土澆灌過程，應(yīng)采取有效的保溫措施，使鋼管混凝土中水泥水化熱緩慢積蓄并降溫；摻入定量復(fù)合防凍劑緩解乃至消除凍脹應(yīng)力；采取熱拌和延長攪拌時間的方法，加速膨脹劑溶解和水泥水化進(jìn)程等措施。

4 體會和建議

對比國內(nèi)外鋼管混凝土施工的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，我國出臺了專門的指導(dǎo)規(guī)范，規(guī)定了施工的方法和部分檢驗標(biāo)準(zhǔn)，歐洲標(biāo)準(zhǔn)尚未制定鋼管混凝土規(guī)定，使用鋼結(jié)構(gòu)和混凝土標(biāo)準(zhǔn)操作執(zhí)行，強(qiáng)調(diào)通過質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)確保工程質(zhì)量。從標(biāo)準(zhǔn)比較中可見，檢驗（試驗）方法近似，但質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)存在一定差異。

對于國外項目的實(shí)際施工操作中，應(yīng)在國內(nèi)使用的檢驗?zāi)０寤A(chǔ)上建立起對應(yīng)的以國外標(biāo)準(zhǔn)為參照的檢驗系統(tǒng)，以適應(yīng)當(dāng)?shù)貥I(yè)主需求，同時，應(yīng)逐漸完善施工過程（計劃、方法、記錄等文件控制）的管理（目前國內(nèi)施工管理尚較為薄弱），注重對冬季施工等特殊過程的專項管理。

[1]CECS28：90鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程[G].

[2]CECS21：2000超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程[G].

[3]GB 50628-2010鋼管混凝土工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范[G].

[4]GB 50119-2003混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[G].

[5]GB 50164-2011混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)[G].

[6]GB 50344-2004建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[G].

[7]GB/T 50080-2002普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[G].

[8]GB50081-2002普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[G].

[9]JGJ 55-2011普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程[G].

[10]BS EN 13670:2009 Execution of concretestructures[G].

[11]BS EN1090-2:2008 Execution of steel structures and aluminium structures.Part2:Technical requirements for the execution of steel structures[G].

[12]BS EN206-1:2000Concrete-Part 1:Specification,performance,production and conformity[G].

[13]BS EN12390-3:2009 Testing hardened concrete Part 3:Compressive strength of test specimens[G].

[14]BS EN 12350-2:2009 Testing fresh concrete Part 2:Slump-test[G].

[15]BS EN 12350-8:2010 Part 8:Self-compacting concrete—Slump flowtest[G].

[16]BS EN 12504-4:2004《混凝土檢測—第四部分超聲檢測》[G].

[17]蔡紹懷.我國鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的最新進(jìn)展[J].土木工程學(xué).第32卷.第四期.

[18]趙茁躍.水泥廠窯尾高層鋼管混凝土塔架結(jié)構(gòu)的研究及應(yīng)用[N].總工論壇.

[19]黃建彰,等.鋼管柱高拋?zhàn)悦軐?shí)混凝土澆注工藝的實(shí)驗研究及運(yùn)用[J].上海建設(shè)科技.2010.1.

[20]程波,等.超聲法檢測鋼管混凝土缺陷的研究及工程應(yīng)用[J].混凝土.2008.4.

[21]蔡紹懷.我國鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的最新進(jìn)展[J].土木工程學(xué)報.第32卷.第四期.

[22]黃建彰,等.鋼管柱高拋?zhàn)悦軐?shí)混凝土澆注工藝的實(shí)驗研究及運(yùn)用[J].上海建設(shè)科技.2010.1.■