南 耀 琴

(山西八建集團(tuán)有限公司，山西 太原 030027)

1 概述

隨著超高層建筑的不斷發(fā)展，巨型柱作為整個(gè)超高層的主要受力構(gòu)件，大截面多腔鋼管柱混凝土柱的應(yīng)用越來越廣泛,在超高層建筑豎向結(jié)構(gòu)中起主要作用。在施工中，由于受到內(nèi)部復(fù)雜腔體的影響，在現(xiàn)行施工技術(shù)往往針對施工過程中某一方面進(jìn)行控制，沒有進(jìn)行綜合技術(shù)研究，使得建筑結(jié)構(gòu)各受力構(gòu)件的施工質(zhì)量不容易得到保障。多腔體巨柱主要施工技術(shù)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1)多腔體內(nèi)部混凝土質(zhì)量的保證；2)節(jié)點(diǎn)處多向鋼筋的連接方式對結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力影響和施工質(zhì)量保證；3)腔體內(nèi)混凝土的澆筑和養(yǎng)護(hù)方式的選擇以及其質(zhì)量控制。

本文首先對復(fù)雜多向梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了研究，對復(fù)雜節(jié)點(diǎn)施工影響因素進(jìn)行了研究分析，并提出了多種連接方式組合應(yīng)用。以C60高強(qiáng)混凝土為例做正交試驗(yàn)，同時(shí)還對澆筑及泵送技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過總結(jié)國內(nèi)超高層發(fā)展現(xiàn)狀，提出了最佳的施工技術(shù)，并通過山西建投商務(wù)中心項(xiàng)目的施工實(shí)踐檢驗(yàn)，取得了良好的效果。

大截面多腔鋼管柱混凝土柱的應(yīng)用越來越廣泛。但由于受到工期緊、周邊場地有限、澆筑高度高、梁柱節(jié)點(diǎn)復(fù)雜、高強(qiáng)混凝土等因素所限，常規(guī)方法無法滿足實(shí)際施工。因此必須尋求一種合理的施工方法保證大截面多腔鋼管柱混凝土施工質(zhì)量。

為控制大截面、澆筑高度10 m以上多腔鋼管巨柱高強(qiáng)混凝土施工質(zhì)量，應(yīng)著手從高強(qiáng)混凝土預(yù)配技術(shù)、梁柱節(jié)點(diǎn)

鋼筋優(yōu)化技術(shù)、鋼平臺搭設(shè)技術(shù)、鋼管混凝土澆筑導(dǎo)管制作安裝、混凝土灌注高度、澆筑速度、坍落度、養(yǎng)護(hù)等施工技術(shù)進(jìn)行控制。

2 工程概況

山西建投商務(wù)中心項(xiàng)目的塔樓結(jié)構(gòu)采用型鋼混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)，設(shè)巨型鋼管混凝土柱，見圖1，地下3層、地上2層，共5層，總高28.45 m，每延米9.8 t，單根巨柱重達(dá)278.81 t。截面為多腔焊接箱型截面，尺寸為2 300×3 400×60×60；每個(gè)巨柱分為四個(gè)腔體，每個(gè)腔體截面尺寸為1 700 mm×1 150 mm，內(nèi)配置鋼筋芯柱，內(nèi)部主要采用十字矩形加勁肋，形成4腔鋼管混凝土柱，加勁肋最大截面規(guī)格為-1 650×400×40×40；鋼材材質(zhì)均采用Q390GJC-Z35。

腔體內(nèi)混凝土強(qiáng)度等級為C60，混凝土方量共計(jì)2 800 m3。

根據(jù)工程整體計(jì)劃每根巨柱分四節(jié)安裝，混凝土澆筑高度為10 m～14.5 m之間。通過巨型截面多腔體鋼管混凝土柱施工技術(shù)研究與應(yīng)用，保證混凝土施工質(zhì)量。塔樓多腔體巨柱鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)分段計(jì)劃每根巨柱分四節(jié)安裝，混凝土澆筑高度為10 m～14.5 m之間。

本項(xiàng)目塔樓主體豎向結(jié)構(gòu)為超大截面多腔體巨型柱，由外框長方形巨型鋼管及內(nèi)部隔板將巨型柱分為四個(gè)腔體，巨柱從地下室一直到主體結(jié)構(gòu)三層頂板。巨型多腔體柱與周邊不同角度的混凝土梁和鋼梁連接；巨柱鋼板厚度為60 mm，節(jié)點(diǎn)BIM模型見圖2。梁板傾斜角度各自不同，節(jié)點(diǎn)施工和內(nèi)部混凝土施工的控制難度空前。

3 主要技術(shù)方案

在保證結(jié)構(gòu)整體各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求下，對關(guān)鍵構(gòu)件多腔體巨型鋼管混凝土柱進(jìn)行專項(xiàng)分析；山西汾酒文化商務(wù)中心塔樓采用國際、國內(nèi)先進(jìn)的多種分析程序，ETBAS，MIDAS，SATWE，ABAQUS進(jìn)行了多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震下等效彈性分析及罕遇地震下的彈塑性時(shí)程分析，對結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行針對性加強(qiáng)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范及預(yù)設(shè)性能目標(biāo)的相關(guān)要求，同時(shí)對巨柱等關(guān)鍵構(gòu)件采取了更為嚴(yán)格的抗震性能要求，保證結(jié)構(gòu)的整體抗震延性。

通過對現(xiàn)場施工全面技術(shù)指導(dǎo)，對矩形柱施工工程主要從以下三個(gè)方面進(jìn)行了施工技術(shù)的研究：一是節(jié)點(diǎn)鋼筋連接方式從BIM技術(shù)模擬和現(xiàn)場實(shí)施；二是巨柱鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)、運(yùn)輸以及現(xiàn)場吊裝焊接；三是腔體內(nèi)混凝土的實(shí)驗(yàn)室配合比設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場生產(chǎn)配合比。通過在建投商務(wù)中心塔樓巨柱的實(shí)施將巨柱施工技術(shù)進(jìn)行綜合成套技術(shù)研究。

3.1 多腔巨柱與混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)多種連接方式組合應(yīng)用

每根多腔巨柱與5根鋼筋混凝土梁(2根垂直相交，3根斜交)錨固連接，巨柱的穿筋孔、主筋搭焊板、腰筋搭焊板、樓板搭焊板、鋼牛腿和鋼筋錨固預(yù)留孔洞均需要提前深化設(shè)計(jì)，結(jié)合BIM技術(shù)對鋼混構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)及加工，確保工程施工質(zhì)量。利用BIM仿真模擬技術(shù)對巨柱等構(gòu)件進(jìn)行模擬預(yù)拼裝確保工程施工質(zhì)量。

多腔體巨柱和框架梁節(jié)點(diǎn)是整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力中心，對框架結(jié)構(gòu)中梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行整體的受力模擬分析。梁柱的鋼筋都在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)錨固，受荷后節(jié)點(diǎn)容易發(fā)生錨固破壞，通過節(jié)點(diǎn)模擬受力分析，得出三種不同類型鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)處鋼筋錨固的各自方法和技巧。梁內(nèi)鋼筋與鋼柱的連接，采用在柱上設(shè)置牛腿，鋼筋與牛腿焊接的連接形式。焊縫長度大于10d。勁性鋼梁底部、樓板鋼筋、混凝土抗扭鋼筋等加設(shè)措施鋼塊用于滿足其底部離開梁底的高度。對于本工程鋼骨梁與結(jié)構(gòu)柱區(qū)域的處理，在實(shí)際施工中和設(shè)計(jì)單位一起探討研究，并形成新的創(chuàng)新點(diǎn)。

具體做法如下：本工程多腔巨柱主材材質(zhì)為Q390GJC，壁厚達(dá)60 mm，框架梁與巨柱之間均存在15°～45°夾角。梁最大截面達(dá)1 750 mm×1 300 mm，上部鋼筋、下部鋼筋均為48Φ28，梁鋼筋梁縱筋穿筋率不小于30%。穿孔及焊接套筒均帶有一定角度。采用BIM 技術(shù)對梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行放樣排布、碰撞檢查，并對鋼筋進(jìn)行編號，鋼筋連接方式見圖3，通過三維模型進(jìn)行技術(shù)交底。

1)巨柱與框架梁節(jié)點(diǎn)處，當(dāng)梁高h(yuǎn)≥400 mm時(shí)，巨柱與鋼筋混凝土梁連接采用牛腿連接方式，牛腿長度為1.5h，高度為0.7h。

2)梁縱筋穿筋率不小于30%，其余未穿孔縱向鋼筋采用搭焊板和套筒的連接方式，其中梁一排鋼筋與搭焊板采用雙面焊接(焊接長度不小于5d)；二排、三排縱向鋼筋采用焊接套筒連接方式；抗扭和構(gòu)造鋼筋采用搭焊板連接方式(單面焊接不小于10d)，搭焊板材質(zhì)同牛腿材質(zhì)Q345C。

3)梁縱筋在巨柱內(nèi)錨固長度能滿足直錨固的按直錨固配置，不滿足時(shí)采用機(jī)械錨固，機(jī)械錨固長度為0.4LaE+螺紋連接錨固板(錨固板滿足JGJ 256鋼筋錨固板應(yīng)用技術(shù)規(guī)程規(guī)范的相關(guān)要求)。

4)西塔樓巨柱與周邊鋼筋混凝土樓板連接采用焊接連接板的方式，連接板規(guī)格-18×150 mm，材質(zhì)為Q345B，板與巨柱采用單面坡口焊，焊接等級滿足二級焊縫要求。樓板雙層鋼筋與巨柱節(jié)點(diǎn)處均設(shè)置連接板，樓板鋼筋與連接板雙面焊接，焊接長度不小于5d(鋼筋直徑)。

3.2 優(yōu)化高強(qiáng)自密實(shí)混凝土配合比

通過對混凝土的強(qiáng)度、擴(kuò)展度、自收縮性等方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)適配，同時(shí)結(jié)合太原地區(qū)周邊地材供應(yīng)現(xiàn)狀，項(xiàng)目部進(jìn)行了多次正交試驗(yàn)，控制擴(kuò)展度指標(biāo)，使得混凝土在多腔矩形柱內(nèi)充分密實(shí)，并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。為控制大截面、澆筑高度10 m以上多腔鋼管巨柱高強(qiáng)混凝土施工質(zhì)量，著手從高強(qiáng)混凝土預(yù)配技術(shù)、梁柱節(jié)點(diǎn)鋼筋優(yōu)化技術(shù)、鋼平臺搭設(shè)技術(shù)、鋼管混凝土澆筑導(dǎo)管制作安裝、混凝土灌注高度、澆筑速度、坍落度、養(yǎng)護(hù)等施工技術(shù)進(jìn)行控制。保證大截面多腔體巨柱高強(qiáng)度混凝土施工質(zhì)量。依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定出了最佳配合比：水膠比為0.293、膠凝材料的總量為590 kg、粉煤灰為116 kg、礦粉為87 kg、水灰比0.45，在現(xiàn)場的使用中效果顯著。

主要實(shí)施內(nèi)容如下：實(shí)際條件進(jìn)行試配，最終確定配合比，C60自密實(shí)混凝土具體要求如下：

1)采用P.O52.5水泥；

2)采用Ⅰ級粉煤灰；

3)細(xì)集料采用中砂(豆羅水洗砂)；

4)粗集料選用5 mm～20 mm優(yōu)質(zhì)碎石(泥屯碎石)和5 mm～16 mm細(xì)石連續(xù)級配；

5)采用GK-3000聚羧酸高性能減水劑；

6)采用28 d強(qiáng)度驗(yàn)收指標(biāo)作為混凝土配合比的設(shè)計(jì)依據(jù)；

7)擴(kuò)展度T500≤12 s；

8)初凝時(shí)間8 h～10 h，終凝時(shí)間12 h～16 h。

3.3 導(dǎo)管法澆筑高強(qiáng)度混凝土

由于巨型鋼柱焊接分段為8.8 m，多腔體內(nèi)部混凝土澆筑高度達(dá)10 m以上，內(nèi)部網(wǎng)多腔體，每個(gè)腔體均需開孔，再加上混凝土的特殊性，通過分別對常規(guī)超高層的巨型柱的澆筑技術(shù)進(jìn)行比較、分析，發(fā)現(xiàn)均不能滿足現(xiàn)場施工要求。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況和多腔巨柱的澆筑技術(shù)研究分析，研究人員通過將灌注樁的導(dǎo)管澆筑方法引入，并改進(jìn)施工機(jī)具，將澆筑導(dǎo)管插入多腔體巨柱內(nèi)，采用導(dǎo)管向下延伸和上下抽動有效的解決腔體內(nèi)混凝土的振搗難題。

具體做法：

1)柱頂搭設(shè)裝配式安全操作平臺：為保證多腔巨柱混凝土施工的方便性和安全性，巨柱頂部搭設(shè)裝配式操作平臺。

2)在巨柱各個(gè)腔體內(nèi)的頂部銷軸固定兩塊中間半圓鋼板作為導(dǎo)管卡扣，定位導(dǎo)管和接長。

3)導(dǎo)管每段長度為2 m，上部接料斗的地方為活動的螺旋接口，加快卸管的時(shí)間。

4)對導(dǎo)管下料斗進(jìn)行改裝，在底部設(shè)置與下部導(dǎo)管同規(guī)格的300 mm長導(dǎo)管，同時(shí)設(shè)置吊耳和龍骨。

5)觀察孔、排氣孔鉆孔：在多腔巨柱內(nèi)隔板中每隔三塊用磁力鉆鉆一個(gè)直徑20 mm的小孔作為觀察孔。每個(gè)樓層的巨柱在樓板相交位置上、下方100 mm處，均應(yīng)設(shè)置直徑為30 mm的排氣孔，沿柱身反對稱布設(shè)。

6)混凝土澆筑：混凝土采用汽車泵澆筑，鋼管進(jìn)行分段澆筑，每4 m為一段，每澆筑一次至少要停頓30 s，讓自密實(shí)混凝土自然塌落。整個(gè)4 m過程一次性澆筑完成，然后才能逐漸拆下頂部的導(dǎo)管，繼續(xù)上部混凝土澆筑。

7)混凝土養(yǎng)護(hù)：采用在巨柱內(nèi)注入300 mm高清水，并對巨柱上部進(jìn)行封閉覆蓋，來降低混凝土水分蒸發(fā)的效果，達(dá)到混凝土的養(yǎng)護(hù)條件。

4 結(jié)語

目前國內(nèi)超高層結(jié)構(gòu)的多腔體巨柱綜合技術(shù)經(jīng)驗(yàn)還非常欠缺，本文內(nèi)容結(jié)合國內(nèi)外的施工經(jīng)驗(yàn),對巨柱復(fù)雜節(jié)點(diǎn)、混凝土配合比、混凝土施工工藝和安全措施進(jìn)行了深入的研究分析。并通過試驗(yàn)論證,最終達(dá)到施工速度快、投入設(shè)備簡單、操作工藝簡單、無污染、低噪聲，施工質(zhì)量容易保證，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。技術(shù)源于工程實(shí)際，本項(xiàng)目在研究和現(xiàn)場實(shí)施期間取得了3項(xiàng)國家專利知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)，2項(xiàng)省級科技成果，對其他類似工程具有極大參考價(jià)值。