建筑技术丨钢管混凝土柱的施工技术及质量验收分析

1 工程概况

上海某集成电路设计产业园新建项目，由两栋20层钢框架核心筒结构楼、一栋4层钢框架结构楼、一栋2层钢框架结构楼及3层地下车库等组成。4栋楼均选用箱形劲性钢骨柱作为竖向受力结构，箱形钢柱的截面尺寸从400 mm×400 mm至1 600 mm×1 600 mm不等，材料为Q355B及Q355C低合金高强度结构钢。

2 钢柱施工

2.1 钢结构施工流程

1号楼与2号楼地上施工阶段采用核心筒墙体先行施工，地上标准层施工阶段核心筒领先外框架施工4层，核心筒内劲性钢骨柱混凝土结构同步施工。地上标准层施工阶段外框钢柱每1至2层一节分段吊装，先根据流水段安装钢柱，完成钢柱初步校正后再进行柱间钢梁安装，在核心筒部分具备连接条件后，安装外框柱与核心筒之间的钢梁，整体落后核心筒4层。施工流程如图1所示。

图1 1号楼与2号楼施工流程

3号楼与4号楼属于框架结构，采用塔式起重机按照施工流水依次对钢柱、钢梁进行安装。依次需要进行地脚螺栓预埋、钢柱吊装、主框架梁安装、次框架梁安装、钢结构的焊接与螺栓连接、节点防锈、楼承板铺设、栓钉焊接、混凝土浇筑与防火涂料涂装等。

2.2 钢柱吊装

每节钢柱设4个吊点以确保吊装施工稳定性。将连接耳板最上端的一个螺栓孔的孔径加大作为吊装孔便于穿卡环，提高施工便利性。钢柱吊耳模型如图2所示。

图2 钢柱吊耳模型

首段钢柱安装前须测设轴线位置及柱底标高，如有标高超差，加减薄铁板以调整高度，标高偏差值不大于5 mm。只记录不调整，标高偏差值不小于5 mm时需进行调整。安装爬梯、防坠器后，用4根高强度的单绳进行吊运，同时下垫枕木避免主体结构与钢柱发生碰撞损坏。

首段钢柱吊装就位前须对正螺栓，缓慢落钩，并立即拉设直径16 mm缆风绳。待第一节钢柱位移、垂直度等均符合规范要求后，再进行止退螺母与地脚螺栓、螺母与压板、压板与底脚板之间的焊接固定。最后将缆风绳拆除，完成首段钢柱安装。

首段钢柱的安装流程如图3所示。

图3 首钢柱安装流程

钢柱对接前须对下一节钢柱的标高与轴线进行复验并修正。吊装前须安装操作平台。钢柱吊装并对接完成后紧固螺栓。随后对钢柱的错口与倾斜度进行调整，需使用千斤顶及L形钢装置，L形钢装置须焊接固定结实，千斤顶应使用绳子作为防坠绳，防止千斤顶高空坠落。千斤顶调整时，不能过度调节，以防钢柱失稳倾覆。

调整完成后，螺栓需拧紧后，再松开千斤顶，最后拆除L形钢装置。拆除L形钢装置时，使用火焰切割拆除，切割时，使用接火斗接火，同时用钢丝绳拉住L形钢装置，防止高空抛物。安装定位完成后，完成焊接即可完成上部钢柱的对接。

2.3 钢柱质量控制

（1）钢柱安装质量。钢柱安装过程中的主要质量问题为柱顶的标高误差，其由多方面原因产生，主要包括轴线定位误差、钢柱制作误差及焊缝收缩误差。

为控制标高，须使用水准仪测量混凝土表面标高偏差，并用不同厚度垫层进行找平。根据规范，钢柱制作误差为每节钢柱长度方向上±3 mm，而焊缝收缩误差为2~3 mm。需要注意的是，过大的调整会增加其他结构节点连接的安装难度，因此每次调整以5 mm为限。施工时柱顶标高尽可能控制在合理误差内以减少裁截钢柱的施工难度。

现场完整的钢结构安装质量控制流程如图4所示。

图4 钢结构安装质量控制流程

（2）钢柱焊接质量。本工程焊接重点为钢结构的厚板焊接，塔楼外框钢柱、钢梁及核心筒劲性柱存在大量厚度30~40 mm的厚板，焊接过程中易产生变形、残余应力、层状撕裂等质量缺陷问题。同时，超高空、悬挑邻边施工作业需搭设焊接操作平台，做好防风、防雨等安全措施。

焊接施工中主要存在的质量问题是焊缝裂纹及层状撕裂，其产生原因是焊缝在短时间内快速冷却，焊缝内部的残余应力超过了焊材或母材的力学性能承受极限。

焊前采用电加热，施工过程中采取由多名作业习惯相近、焊速相近的焊接技工同时对称匀速焊接，并尽量保持连续焊接，同时使用红外测温仪监控，严格控制加热温度，确保焊缝均匀受热，可有效减少焊缝缺陷的产生。

焊缝焊接前加装引入引出板可延长焊工在进入正式焊缝前的调整和适应时间，迫使焊工将收弧段更有效地引出焊缝区，延长接头温度散失的时间，起到将可能出现的起、收弧缺陷排斥到有效焊缝以外的质控目的。

最终焊接的外观不允许有明显的裂纹、气孔、咬边或未焊透现象，尺寸须满足设计及规范要求。外观检查合格后，进行磨平、磨光处理。现场完整的钢结构焊接质量控制流程如图5所示。

图5 钢结构焊接质量控制流程

3 混凝土施工

3.1 混凝土配合比设计

为满足设计要求，同时具备施工的便利性，泵送要求混凝土所采用的细骨料通过直径315 μm筛孔的颗粒含量宜不少于15 %，现场施工选择使用Ⅱ型52.5硅酸盐水泥、S95矿渣微粉、Ⅱ级粉煤灰、机制中砂、5~25 mm高标碎石作为主要材料，并加入高性能减水剂以有效提升混凝土流动性。

砂率直接影响混凝土材料的泵送性能，在其他条件均相同的情况下，若砂率数值越大，则混凝土的粘性越大，在达到一定和易性时，通常会需要更多的用水量，进而造成混凝土的硬化收缩试验，根据试验结果确定最终的混凝土砂率。

表1为多种不同砂率条件下混凝土性能记录表。最终确定将混凝土的砂率设置为42  %，完成对钢管混凝土配合比设计，配合比见表2。

表1 不同砂率条件下混凝土性能记录表

3.2 混凝土浇筑

现场支设泵车点位受限于施工环道宽度及楼层高度等客观因素影响，无法使用高抛法完成所有钢管混凝土柱的浇筑。混凝土浇筑过程中使用高抛法与顶升法相结合的方式完成施工。

高抛法利用混凝土拌合物的高流动性，运用其下抛时的动能达到自密实的效果，可有效减少不振捣或少振捣造成的质量缺陷。因此本项目1号楼及2号楼在1~4层的钢管混凝土浇筑过程中均使用高抛法进行施工。

顶升法通过混凝土输送泵的泵送压强将混凝土拌合物从钢管柱底部灌入，直至灌满整根柱子。此方法的使用不受建筑物楼层高度限制，但需要额外考虑顶升过程中柱内压强的变化以及柱壁的形变情况，因此在施工前需要计算钢管柱泵送内压，该理论压强包括泵送混凝土浇筑至目标高度需要克服的静水压强、沿程压强损失以及混凝土流经钢管柱内部构造阻碍时（横隔板）产生的局部压强损失。

通过计算分析可知，泵送压强的沿程损失较小，几乎可忽略不计，主要压强损失为柱内截面变化造成的局部压强损失。最终计算得出泵送压强理论值为0.89 MPa。为满足实际施工需求，选择使用HBTS80型号混凝土泵。

3.3 混凝土质量控制

（1）核心混凝土密度。理论上高抛法与顶升法浇筑混凝土都是免振捣混凝土的施工方法，但在实际施工过程中仍存在工人错误操作或疏漏导致的浇筑不均匀，浆料浮于钢柱顶部而粗骨料沉积于钢柱底部，造成整根钢柱内混凝土密度不均匀。

为避免此类密度差的质量缺陷，需要严格控制混凝土配合比中的水灰比，使混凝土拌合物具备良好的流动性。同时，高抛法施工过程中，如抛落高度不足4 m，则依旧需要人工逐层振捣。

（2）核心混凝土与钢柱粘结质量。实际施工中会有多种因素造成核心混凝土与柱壁产生间隙，从而出现柱内混凝土粘接不密实的质量缺陷，其中包括水泥自身材料性质造成其在硬化过程中的收缩，钢柱受温度影响产生的变形以及施工前置过程中未对管内壁进行除锈造成的混凝土绞结不到位等。

为避免此类核心混凝土与钢柱内壁粘接不到位的质量缺陷，顶升浇筑过程中须等柱内混凝土强度达到设计要求的50 %时，再进行下一次顶升泵送，重复上述操作，直到整根钢管顶升施工完成。通过分段顶升的方式可有效填充混凝土硬化收缩产生的空隙，同时避免柱内压力过大。

在顶升浇筑过程中，需要对排气孔进行仔细观察，并确定每一次顶升位置，判断隔板与钢柱柱壁接触的阴角处气体是否及时排出。每一次完成顶升灌注都需要将逆止阀关闭，以避免混凝土材料外溢。

（3）检测手段。本工程项目中通过人工敲击的方法来判定钢柱内混凝土的浇筑质量，其主要依据是通过敲击钢柱管壁产生声响，辨别声音，判断柱子内部是否存在质量缺陷。

此方法较便利且主观，在检测普遍性和精确度上都存在不足。因此在后续其他工程中应选用更为科学的检测方式，具体方式及其特点见表3。

表3 钢管混凝土质量检测方法极其特点

4 结论

本研究所展示的实例分析部分，揭示了钢管混凝土施工过程中可能遇到的挑战，如接头处理、防腐蚀问题以及钢管混凝土浇筑施工工艺优化等。

同时确认了优化施工工艺、强化质量控制以及完善验收标准对于确保钢管混凝土柱质量的重要性。当前，虽然施工技术和质量验收体系已有所进步，但仍面临如施工过程中的诸多不确定因素带来的挑战，例如环境因素影响、新型材料的应用适应性等问题。

在未来发展方向上，应进一步研发环保型施工技术和耐久性更强的混凝土配方，提高人工操作的容错率，同时，寻求更加便捷使用的质量检验办法及标准，以提高施工质量和效率。