馮宏斌

陜西建工第十一建設(shè)集團(tuán)有限公司 陜西 咸陽 712000

1 工程概況

中國(guó)電子·彩虹光電第8.6代薄膜晶體管液晶顯示器件（TFT-LCD）項(xiàng)目ACF廠房工程、OC廠房工程，位于咸陽高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)。ACF廠房工程總建筑面積479 549.72 m2，結(jié)構(gòu)形式為矩形鋼管混凝土柱框架結(jié)構(gòu)，矩形鋼管柱截面尺寸1.0 m×1.0 m、鋼板厚度為35 mm，高42.47 m，共計(jì)788根，采用高拋法施工自密實(shí)鋼管柱混凝土。OC廠房工程總建筑面積166 277.34 m2，結(jié)構(gòu)形式為矩形鋼管混凝土柱框架結(jié)構(gòu)，矩形截面鋼管柱截面尺寸1.2 m×1.2 m、鋼板厚度為35 mm，高33.92 m，共計(jì)420根。自密實(shí)鋼管柱混凝土采用高拋法分節(jié)施工，其中首節(jié)柱柱身9.50 m，二節(jié)柱柱身16.25 m，三節(jié)柱柱身最大值16.72 m。

2 工藝原理及特點(diǎn)

將自密實(shí)混凝土從一定高度拋落，利用墜落時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能以及自密實(shí)混凝土高流動(dòng)性、自密實(shí)性、高均質(zhì)性、高保水等性能，使混凝土充滿矩形截面柱空間，實(shí)現(xiàn)混凝土密實(shí)的效果，同時(shí)使鋼管柱與混凝土緊密結(jié)合，共同承受荷載。

充分利用新型混凝土外加劑、活性細(xì)摻合料的減水性能、保水性能、塑化性能、引氣性能，通過試配、優(yōu)化自密實(shí)混凝土配合比，使其拌和物具有高流動(dòng)性，且從高處拋落時(shí)不離析、不泌水，不經(jīng)振搗就能充滿鋼管柱內(nèi)空間，并形成均勻、密實(shí)的結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)如下[1-4]：

1）混凝土與鋼柱結(jié)合緊密，確保協(xié)同承載。采用自密實(shí)混凝土，保證混凝土密實(shí)度和充盈性，使混凝土與鋼柱協(xié)同承載。

2）有效避免結(jié)構(gòu)變形。高拋混凝土側(cè)壓力小，不會(huì)引起柱截面變形，有利于后期鋼結(jié)構(gòu)水平構(gòu)件的安裝。

3）操作簡(jiǎn)便、速度快，工效高。采用泵車澆筑、混凝土免振搗，簡(jiǎn)便的操作使工效提高，速度加快。

4）節(jié)材效果明顯。免去混凝土泵管及截止閥等材料的使用。

5）本施工技術(shù)適用于建筑工程圓形、方形鋼柱內(nèi)混凝土自由墜落高度大于4 m、小于12 m的高拋法施工。

3 主要施工技術(shù)準(zhǔn)備

常見的頂升法施工準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，需在鋼結(jié)構(gòu)主體一跨完成安裝后才可進(jìn)行。經(jīng)計(jì)算，混凝土頂升壓力對(duì)方柱側(cè)面、隔板產(chǎn)生的破壞超過鋼柱側(cè)壁、隔板及焊縫可承受范圍，影響柱體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，需對(duì)鋼柱進(jìn)行加固，導(dǎo)致工序繁雜、費(fèi)用增加、工期延長(zhǎng)。

經(jīng)研究對(duì)比后，我們選擇高拋?zhàn)悦軐?shí)澆筑法施工，并組織技術(shù)人員、專家對(duì)高拋免振搗自密實(shí)微膨脹混凝土進(jìn)行科研攻關(guān)，對(duì)自密實(shí)混凝土配合比進(jìn)行試配及測(cè)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)模擬澆筑、整合數(shù)據(jù)等，以此指導(dǎo)施工。

3.1 配合比研究

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)混凝土的要求為高位拋落不離析、不泌水、不需振搗，利用自重充盈鋼柱并且不能因凝固過程中溫度變化引起收縮而與鋼柱產(chǎn)生縫隙。

經(jīng)與預(yù)拌混凝土廠家協(xié)作，對(duì)所提供基礎(chǔ)杯口高強(qiáng)度灌漿料進(jìn)行取樣分析，對(duì)比現(xiàn)有自密實(shí)混凝土，配制出30余組配合比，并逐一試驗(yàn)。

3.1.1 坍落度與坍落擴(kuò)展度

通過坍落度筒，在測(cè)定坍落度值的同時(shí)測(cè)定坍落擴(kuò)展值，反映混凝土拌和物的變形能力?；炷料嚓P(guān)性能指標(biāo)必須滿足試驗(yàn)要求，混凝土入模時(shí)的坍落擴(kuò)展度不小于500 mm，擴(kuò)展時(shí)間T500不大于5 s（圖1）。

圖1 坍落度與坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)

3.1.2 混凝土拌和物離析率試驗(yàn)

該試驗(yàn)主要模擬施工過程中澆灌于模板中的自密實(shí)混凝土，在后續(xù)澆筑引起的振動(dòng)或其他干擾下的抗離析、抗分層能力。該試驗(yàn)?zāi)軌蚩陀^、準(zhǔn)確地反映出拌和物的穩(wěn)定性（圖2）。

圖2 混凝土拌和物離析率試驗(yàn)

3.1.3 U形箱試驗(yàn)

U形箱試驗(yàn)用來評(píng)定自密實(shí)混凝土拌和物的填充性，兩邊高度差不超過40 mm即表示混凝土的流動(dòng)和通過能力好（圖3）。

圖3 U形箱試驗(yàn)

3.1.4 自密實(shí)混凝土J-環(huán)擴(kuò)展度試驗(yàn)

混凝土流動(dòng)能力采用沒有阻攔圓環(huán)時(shí)測(cè)得的流動(dòng)度來判定。通常自密實(shí)混凝土流動(dòng)度（sm）應(yīng)在700～800 mm之間?；炷亮鲃?dòng)性能還可以采用帶有阻攔圓環(huán)（通過阻攔圓環(huán)鋼筋柱之間空隙）時(shí)測(cè)得的流動(dòng)度（smb）來判定。特別重要的是要驗(yàn)證水泥灰漿中的大的骨料流動(dòng)是否能穿過阻礙（如鋼筋柱）或穿過阻礙的大的骨料是否分離。因此檢驗(yàn)時(shí)阻攔圓環(huán)柱子數(shù)量和間距取決于骨料的最大粒徑，阻攔圓環(huán)鋼筋柱直徑為18 mm，阻攔圓環(huán)直徑為30 cm。使用非連續(xù)級(jí)配的骨料更加提高了阻攔的阻力。如果在阻攔圓環(huán)內(nèi)外沒有產(chǎn)生高度差時(shí)，最大骨料穿過鋼筋柱間空隙很順并且最大的smb的值比sm值小，方可被視為有用。

3.1.5 自密實(shí)混凝土配合比

經(jīng)30多次試驗(yàn)，最終確定以下材料及比例：

1）膠凝材料：采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5的硅酸鹽水泥。

2）骨料：卵石粒徑為25 mm，碎石粒徑為20 mm，含泥量不宜大于1%；粒徑5～10 mm的小石子；細(xì)度模數(shù)為2.6～3.0的中砂，含泥量不大于2%。

3）自密實(shí)混凝土配合比（質(zhì)量比）為：水∶水泥∶砂∶大石∶小石∶粉煤灰∶礦渣粉∶膨脹劑∶減水劑= 165∶315∶870∶560∶240∶50∶11.6∶40∶9。其中水灰比為0.3，砂率41%，坍落度＞240 mm，坍落擴(kuò)展度660～ 755 mm，擴(kuò)展時(shí)間≥2 s，流動(dòng)性695 mm，抗離析性≤15%，保塑性在90 mm范圍內(nèi)。經(jīng)試驗(yàn)，該配合比的C40混凝土性能滿足施工要求。

3.2 施工設(shè)施及機(jī)械設(shè)備選擇

3.2.1 制作工具式操作平臺(tái)

一節(jié)柱、二節(jié)柱頂安裝根據(jù)工程施工要求，保障高處作業(yè)人員施工安全，選用工具式操作平臺(tái)（圖4）。按照2個(gè)人協(xié)同作業(yè)考慮，人與衣著及工具的質(zhì)量按75 kg計(jì)算，酌量乘以動(dòng)荷載安全系數(shù)1.5確定平臺(tái)上作業(yè)和上下時(shí)的總質(zhì)量為225 kg。

圖4 工具式操作平臺(tái)

3.2.2 選用移動(dòng)式液壓布料機(jī)

04板之上的三節(jié)柱無法使用天泵進(jìn)行澆筑，如果采用傳統(tǒng)方法每根鋼柱搭設(shè)架體，再加上布置泵管進(jìn)行澆筑，則工序復(fù)雜、費(fèi)用增加。所以選用移動(dòng)式液壓布料機(jī)，其需求場(chǎng)地小，在04板空間下實(shí)用性高（圖5）。

液壓布料機(jī)整機(jī)質(zhì)量10 000 kg，主要操作平臺(tái)為04層華夫板，使用時(shí)華夫板強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)使用強(qiáng)度，承載力滿足液壓布料機(jī)使用要求。但存在以下難點(diǎn)：液壓布料機(jī)雖可移動(dòng)但無牽引動(dòng)力，無法實(shí)現(xiàn)自移動(dòng)；04板華夫板結(jié)構(gòu)，地面為華夫筒口，移動(dòng)存在困難；檁條安裝后液壓布料機(jī)展臂存在一定困難。

圖5 鋼柱四周鋼管架搭設(shè)布置及移動(dòng)式液壓布料機(jī)

經(jīng)論證，采取解決方法如下：

1）利用塔吊運(yùn)輸3 t叉車至04板面，作為牽引液壓布料機(jī)使用。

2）在液壓布料機(jī)行駛路線上鋪設(shè)鋼板覆蓋華夫筒口，達(dá)到順利移動(dòng)的目的。

3）澆筑順序及液壓布料機(jī)路線的選取十分關(guān)鍵，運(yùn)用BIM進(jìn)行場(chǎng)地實(shí)施模擬，優(yōu)化澆筑路線及方法，協(xié)調(diào)鋼結(jié)構(gòu)安裝在關(guān)鍵部位留出位置為鋼柱澆筑提供便利。

3.2.3 采用BIM技術(shù)輔助校核

通過BIM技術(shù)預(yù)先碰撞檢查施工過程，包括車載泵及泵管布局走向、進(jìn)料洞口朝向、垂直向泵管位置等，從而節(jié)省大量的時(shí)間、人力以及財(cái)力。

采用廣聯(lián)達(dá)BIM土建算量軟件，將Revit建立的土建模型導(dǎo)入算量軟件中，并且對(duì)檢測(cè)出的錯(cuò)誤進(jìn)行修改，再對(duì)所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行提量，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際澆筑混凝土量進(jìn)行二次校核（圖6）。

圖6 BIM技術(shù)輔助校核

4 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

4.1 首節(jié)柱、二節(jié)柱導(dǎo)管輔助高拋法澆筑

澆筑首節(jié)柱、二節(jié)柱時(shí)，選用導(dǎo)管輔助減小澆筑時(shí)混凝土在柱內(nèi)流動(dòng)的自由高度，提高混凝土穩(wěn)定性，防止發(fā)生離析現(xiàn)象。另外，也防止了因混凝土流速快或特殊粒徑骨料堵住排氣孔，引起隔板下部出現(xiàn)孔洞，保證質(zhì)量。同時(shí)解決了第2節(jié)鋼柱柱頂進(jìn)料口位置超過高拋極限高度的問題。

首節(jié)柱柱身9.50 m，二節(jié)柱柱身16.25 m。利用塔吊（盲區(qū)使用吊車）首次吊長(zhǎng)8 m的φ200 mm導(dǎo)管伸入鋼柱內(nèi)，將泵管出料口對(duì)著導(dǎo)管料斗用天泵拋筑混凝土，排量應(yīng)放?。划?dāng)導(dǎo)管灌滿混凝土?xí)r，應(yīng)停止?jié)仓盟趸虻踯嚨跗饘?dǎo)管緩慢上升，讓管內(nèi)混凝土自流入柱內(nèi)，完成后將此導(dǎo)管移至另一鋼柱內(nèi)（工人應(yīng)配有對(duì)講機(jī)，完成指令交流）。利用塔吊或吊車將長(zhǎng)4 m導(dǎo)管放入已澆筑一次的鋼柱內(nèi)，利用天泵依照以上施工順序完成澆筑；首節(jié)柱僅9.50 m高，只需使用一次長(zhǎng)4 m導(dǎo)管?；炷磷話伱軐?shí)，無需振搗。

4.2 三節(jié)柱高拋法澆筑

三節(jié)柱柱身最大值16.72 m。用塔吊將液壓布料機(jī)及牽引設(shè)備吊至作業(yè)面，并鋪設(shè)工具式鋼蓋板做好華夫筒成品保護(hù)。連接泵管，依靠液壓布料機(jī)在空中的靈活性，伸入進(jìn)料口，降低人員高空作業(yè)的危險(xiǎn)?；炷翝仓恋陀谶M(jìn)料口50 cm處，防止焊接高溫破壞混凝土性能，最后清理進(jìn)料口。依靠牽引設(shè)備增強(qiáng)了液壓布料機(jī)的移動(dòng)能力，提高了效率。

第3節(jié)鋼柱中部灌漿口處于高處之中，澆筑過程中無法觀察柱內(nèi)混凝土面高度。為防止混凝土超澆，提前計(jì)算所需混凝土量。協(xié)調(diào)預(yù)拌混凝土攪拌站選擇混凝土罐車運(yùn)輸量，做到精準(zhǔn)控制。

與機(jī)械化施工單位協(xié)同作業(yè)，第3節(jié)鋼柱下部灌入澆筑完成后，二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊緊密銜接進(jìn)行作業(yè)。其后從第3節(jié)鋼柱頂部澆筑鋼柱內(nèi)剩余部分，形成流水式施工，提高效率。

4.3 注意事項(xiàng)

1）導(dǎo)管需根據(jù)隔板在柱內(nèi)位置選擇長(zhǎng)度（應(yīng)當(dāng)伸入隔板下至少200 mm），導(dǎo)管內(nèi)徑不小于160 mm，當(dāng)內(nèi)徑小于此數(shù)值時(shí)，混凝土有較大可能因在導(dǎo)管中流速小于最小泵車排量，導(dǎo)致無法順利排出而發(fā)生堵塞并從導(dǎo)管頂部溢出，且其外徑尺寸宜小于進(jìn)料口內(nèi)徑80 mm，外表光滑無彎曲。

2）頂部加設(shè)漏斗（串筒），漏斗大小根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際確定，過大時(shí)難以轉(zhuǎn)運(yùn)，過小時(shí)流速過快，易引起外溢傷人。澆筑時(shí)臂架泵出料管口放置于漏斗處，禁止伸入導(dǎo)管管內(nèi)。

3）澆筑前需逐根檢查鋼柱連接焊接部位及側(cè)面預(yù)留檢查口，防止漏焊引起漏漿。檢查柱內(nèi)有無雜物，防止雜物將進(jìn)料口排氣孔堵住，產(chǎn)生中空現(xiàn)象。

4）因柱內(nèi)混凝土量為恒定值，混凝土罐車運(yùn)輸量可以此為參考。澆筑完成后檢查灌內(nèi)是否有余料、測(cè)量柱內(nèi)剩余高度，記錄數(shù)據(jù)作為密實(shí)度檢測(cè)數(shù)據(jù)之一（因高處采用敲擊法檢測(cè)密實(shí)度僅能檢測(cè)爬梯兩側(cè)）。

5）每次混凝土澆筑完成高度應(yīng)低于鋼柱焊接縫處500 mm，防止下接焊接作業(yè)中產(chǎn)生的高溫破壞混凝土穩(wěn)定性。澆筑完成后對(duì)洞口進(jìn)行封閉，防止雜物進(jìn)入。當(dāng)最后一節(jié)鋼柱混凝土澆筑完成后，應(yīng)覆蓋薄膜、塑料布進(jìn)行密封；在冬期施工應(yīng)采用保溫措施。

4.4 檢測(cè)

1）鋼柱壁開孔檢測(cè)：采用磁力鉆通過鋼柱側(cè)板開孔，觀察樣品。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)（圖7），混凝土與鋼柱連接處緊密、密實(shí)，無氣泡、孔洞。

圖7 鋼柱壁開孔檢測(cè)

2）超聲波檢測(cè)：超聲波檢測(cè)儀對(duì)檢測(cè)裂縫等平面型缺陷靈敏度很高，用聲波檢測(cè)儀對(duì)矩形截面管柱高拋?zhàn)悦軐?shí)混凝土內(nèi)部缺陷的大小、位置、埋深、性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，所用參數(shù)設(shè)置及有關(guān)波形均可存儲(chǔ)，供以后調(diào)用。

首批鋼柱內(nèi)混凝土性能，通過以上2種方法對(duì)比，逐一檢測(cè)得出結(jié)論：柱內(nèi)混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)合格。抽樣檢測(cè)全部柱內(nèi)混凝土的各項(xiàng)指標(biāo)均為合格。

由此可知，矩形截面鋼管柱高拋?zhàn)悦軐?shí)混凝土技術(shù)可有效解決鋼結(jié)構(gòu)建筑混凝土施工過程中超短工期、無法澆筑或澆筑困難等問題。

5 結(jié)語

本施工技術(shù)在中國(guó)電子咸陽彩虹CEC光電廠房工程施工中有效地保證了鋼管柱內(nèi)混凝土的密實(shí)度，使混凝土與鋼管緊密結(jié)合、協(xié)同受力，提高了工程質(zhì)量。同時(shí)，與鋼管柱反頂法澆筑混凝土相比，該技術(shù)共取得經(jīng)濟(jì)效益約24萬元，并加快了工程進(jìn)度，縮短了工期，具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值。