1、第 53 卷 第 6 期2023 年 3 月下建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.6Mar.2023 DOI:10.19701/j.jzjg.20201157浙江省基础公益研究计划项目(LGG22E080005),浙江省教育厅科研项目(Y202146072),浙江省水利厅重点科技项目(RB1909)。第一作者:第一作者:王震,博士,副教授,主要从事超高层、大跨空间和复杂钢结构的设计和科研工作,Email:wzjggc 。斜柱网格体系内部混凝土浇灌实体模型及检测试验研究王 震1,2,杨学林2,赵 阳1,3,吴小平2,瞿浩川2(1 浙大城市学院土木工程系,杭州 3
2、10015;2 浙江省建筑设计研究院,杭州 310006;3 浙江大学空间结构研究中心,杭州 310058)摘要:钢管混凝土斜柱体系内部浇灌混凝土的密实度质量是保证整体结构承载性能的重要因素。以 X 形平面斜柱节点、K 形空间斜柱节点为例,建立钢管混凝土斜柱的足尺试验模型,通过超声 CT 技术检测其内部浇灌混凝土的密实度,以获得合理有效的浇灌工艺并应用于工程;进而针对斜柱网格体系的混凝土密实度检测布置进行了研究。结果表明:试验模型钢板较厚时,采用 CT 成像检测可获得精确结果;试验模型浇灌工艺满足密实度要求时,实际施工应采用相同工艺以保证质量;对于混凝土密实度不足之处,可采用钻孔压浆法补强,而
3、后补焊封回;钢管混凝土斜柱内部混凝土密实度检测布置包括斜柱构件检测数量、横截面检测位置两方面。关键词:钢管混凝土斜柱;足尺模型试验;CT 成像检测;混凝土密实度;浇灌工艺;检测布置方案 中图分类号:TU355,TU973 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)06-0124-07引用本文 王震,杨学林,赵阳,等.斜柱网格体系内部混凝土浇灌实体模型及检测试验研究J.建筑结构,2023,53(6):124-130.WANG Zhen,YANG Xuelin,ZHAO Yang,et al.Experimental study on solid model and detection
4、 of the internal pouring concrete for the inclined column grid systemJ.Building Structure,2023,53(6):124-130.Experimental study on solid model and detection of the internal pouring concrete for the inclined column grid system WANG Zhen1,2,YANG Xuelin2,ZHAO Yang1,3,WU Xiaoping2,QU Haochuan2(1 Departm
5、ent of Civil Engineering,Zhejiang University City College,Hangzhou 310015,China;2 Zhejiang Province Institute of Architectural Design and Research,Hangzhou 310006,China;3 Space Structures Research Center,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China)Abstract:The compactness quality of the internal pouri
6、ng concrete for the concrete-filled steel tube inclined column system is an important factor to ensure the bearing capacity of the whole structure.Taking X-type plane inclined column joint and K-type space inclined column joint as examples,a full-scale test model for the concrete-filled steel tube i
7、nclined column was established.Ultrasonic CT technology was used to detect the compactness of the internal pouring concrete,so as to obtain a reasonable and effective pouring technology and apply it to engineering.Furthermore,the detection arrangement of the concrete compactness for the inclined col
8、umn grid system was studied.The results show that:when the steel plate of the test model is relatively thick,the CT imaging detection can be used to obtain accurate results;when the pouring technique of the test model meets the requirement of compactness,the same technique should be adopted in the a
9、ctual construction to ensure the quality;for the position of insuffient concrete compactness,the drilling grouting method can be used to strength,and then repair welding sealing;the detection arrangement of the internal pouring concrete compactness for concrete-filled steel tube inclined column incl
10、udes two aspects:the detection quantity of the inclined column components and the detection position of the cross sections.Keywords:concrete-filled steel tube inclined column;full-scale model test;CT imaging detection;concrete compactness;pouring technique;detection arragement scheme 0引言 斜柱网格体系由斜交成网
11、状的斜柱构件所组成,通过斜柱轴力来承受整体结构的水平力,具有极大的抗侧刚度,越来越广泛地应用于超高层钢结第 53 卷 第 6 期王 震,等.斜柱网格体系内部混凝土浇灌实体模型及检测试验研究构1-3。出于空间利用和材料经济性考虑,斜柱构件和斜交节点内部往往浇灌混凝土,以达到在保证其刚度和承载性能的同时尽量减小构件截面。此时钢管和内部混凝土同时参与承载,内部混凝土的密实度质量是保证整体结构性能的一个重要因素4-6。超声 CT 无损检测可在不损伤主体结构的前提下,通过内部混凝土断面性质获得强度性能参数,目前已获得越来越多的应用7-8。本文首先以斜柱网格体系的 X 形斜柱节点、K形斜柱节点为例,建立钢
12、管混凝土斜柱足尺实体试验模型,并通过超声 CT 技术检测其内部浇灌混凝土的密实度,以获得合理有效的浇灌工艺并应用于工程;接着针对斜柱网格体系的整体检测布置方案进行研究,通过一系列关键位置点的超声检测设置,获得并保障整体结构体系的混凝土浇灌质量。1超声 CT 无损检测1.1 检测原理 超声 CT 检测是一种新型高效且不会造成损伤的混凝土内部缺陷影像检查技术9。该技术基于超声波穿透工程介质的走时变化和能量衰减数据,对结构内部情况进行影像反馈;声波的传播速度随着工程介质的密度、模量增大而提高,对应能量衰减则减小。工程介质模量与波速的关系式为:E=rv2p(1)G=v2s(2)式中:E 为弹性模量;G
13、 为剪切模量;r 为比例系数;为介质密度;vp为纵波波速;vs为横波波速。表 1 给出了混凝土的波速与强度等级的试验结果10。波速可作为混凝土浇灌密实度质量的重要指标。表 1 混凝土波速与强度等级混凝土强度等级轴心抗压强度标准值fck/MPa轴心抗压强度设计值fc/MPa弹性模量Ec/GPa纵波波速vp/(km/s)C3020.1014.3030.003.70C4026.8019.1032.504.05C5032.4023.1034.504.30C6038.5027.5036.004.50由于超声 CT 检测的特性,目前已越来越多地被应用于工程结构检测领域;通过描述工程介质的力学性能指标分布情
14、况,来检测诸如大体积混凝土的强度等级、孔洞等密实度不足的缺陷。1.2 混凝土质量评价方法 由于同一检测截面混凝土密实度存在不均匀,对应混凝土波速也是不同的,实际应用时往往通过多项统计参数的综合评定进行缺陷判定。广泛应用的判定参数包括平均波速、波速离散度、合格率面积比及最大缺陷尺度11-12。对于本文所需检测的钢管混凝土斜柱构件内部的 C60 混凝土,具体判定参数要求如下:(1)平均波速 va是表征平均强度是否达到设计标准的重要指标。对于 C60 混凝土,对应平均波速应不小于 4 500m/s,即:va=1nni=1vi 4 500m/s(3)式中:n 为剖面内单元节点总数;vi为剖面内单元节点
15、 i 的波速。(2)波速离散度 Ra是表征混凝土浇筑质量离散性大小的重要指标。Ra控制在 9%以内,则可认为钢管混凝土构件的混凝土密实度分布基本均匀,即:Ra=1nni=1(vi-va)va 9%(4)(3)合格率面积比 Rs是强度达到设计标准(对于 C60 混凝土,vi不小于 4 500m/s)的面积所占的比率。Rs越大则混凝土质量越好,一般不小于 80%为合格。(4)最大缺陷尺度 SL是剖面上连续分布的缺陷面积。对于 C60 混凝土 SL设定为 1m2,无最大缺陷即为统计波速 vi小于 4 500m/s 的连续面积不超过 1m2。1.3 检测结果表示方法 根据前述判定参数,分别给出各个超声
16、 CT 剖面的检测结果,包括波速分布图、速度直方图、强度分布图和缺陷尺度图等参数,最后将这些结果汇聚成一张图表,进行综合评价。当 4 项判定参数均满足时即达到 C60 混凝土质量要求,当有 1 项不满足时,应根据具体情况综合判定。2钢管混凝土斜柱足尺试验模型 由于本文钢管混凝土斜柱构件截面较大、每节段浇灌高度较大且构件内有多处节点加强肋板,施工时采用高抛自密实混凝土进行浇灌,同时考虑在斜柱节点处进行局部振捣法处理。2.1 模型位置选取 考虑选取中部平面钢管混凝土斜柱节点(X形)和角部空间钢管混凝土斜柱节点(K 形)两种。前者位于斜柱网格体系底部 26 层范围的中部 2根斜柱及对应 6 层中部斜
17、交节点处,后者位于斜柱网格体系底部 610 层范围的角部 2 根斜柱及对应10 层角部斜交节点处。521建 筑 结 构2023 年斜柱构件截面为7507504040,内部浇灌C60 混凝土。按实际尺寸制作 1 1 足尺钢管混凝土斜柱试验模型,斜柱构件、节点及内部隔板的几何尺寸、位置需与实际完全一致,现场试验平台需做好固定措施。若试验模型浇灌工艺达到混凝土质量密实度要求,实际施工时采用相同浇灌工艺进行操作。2.2 试验模型参数2.2.1 X 形钢管混凝土斜柱节点X 形节点上部保留至对接接头位置,上部高2.134m,模型总高 10.762m;柱底为厚 30mm 的钢底板,并通过锚筋锚入 700mm
18、 高的块状基础进行固定;两侧设置截面为 H3001501212 的斜支撑,防止其出现倾覆;斜支撑底部为厚 15mm 的钢底板,并通过锚筋锚入 400mm 高的块状基础。混凝土强度等级为 C30,钢材材质为 Q345B;X 形节点钢材总质量约为 8.2t,需浇灌混凝土(侧向浇灌孔以下)总质量约为 29t,几何模型见图 1。图 1 X 形节点几何模型2.2.2 K 形钢管混凝土斜柱节点K 形节点上部仅保留至对接接头 1.0m 高,既满足灌浆试验要求,又减轻整体重量,同时降低整体重心,减小倾覆概率,保证结构安全。模型总高度 10.623m,柱底为厚 30mm 的钢底板,并通过锚筋锚入 700mm 高
19、的块状基础进行固定;模型重心位置设置方形临时支撑架,防止其出现倾覆;支撑架底部为厚 20mm 的钢底板,并通过锚筋锚入500mm 高的块状基础。混凝土强度等级为 C30,钢材为 Q345B;K 形节点钢材总质量约为 14.5t,需浇灌混凝土(侧向浇灌孔以下)总质量约为 41t,几何模型见图 2。2.3 试验模型实景 图 3 所示为 X 形钢管混凝土斜柱节点(2#)、K形钢管混凝土斜柱节点(1#)足尺试验模型的现场实景图,即本文试验检测对象,主要目的是检测 1#、2#模型钢管混凝土斜柱的内部混凝土密实度及强度分布情况,采用超声 CT 技术进行检测。图 4 为足尺试验模型在斜交节点位置的侧向浇灌孔
20、构造实景。图 2 K 形节点几何模型图 3 斜柱节点试验模型实景图 4 侧向浇灌孔构造实景2.4 检测仪器及测线布置2.4.1 检测仪器采用超声 CT 检测仪和 BCT 仪器分析系统,包621第 53 卷 第 6 期王 震,等.斜柱网格体系内部混凝土浇灌实体模型及检测试验研究括主机与独立检波器,最大采样频率 1.0MHz。辅助以工程 CT 分析软件系统进行计算。2.4.2 测线布置图 5 给出了一种典型的测线布置方式。该布置方式为两个排列,每个排列均包含 30 个激发点、30个检波器,敲击点与接收点的间距均为 0.05m。超声 CT 成像检测分析时,分析结果的准确性取决于各个检测面的射线密度和
21、射线正交性,图 5给出的测线布置方案较好地满足了这两方面的要求。图 6 给出了典型的现场采集测线布置实景。图 5 测线布置图 6 现场采集测线布置3钢管混凝土斜柱足尺试验模型检测结果分析3.1 斜柱横截面检测位置 图 7 给出了斜柱横截面的检测位置,其中:A 为斜柱底部,有横隔板时取其下方附近;B 为斜柱中间段的下横隔板下方附近;C 为斜交节点下侧斜柱接头的下横隔板下方附近;D 为斜交节点的下翼缘板下方附近;E 为斜交节点的上翼缘板下方附近(该处检测若有困难也可不考虑)。图 7 斜柱横截面检测位置3.2 斜柱横截面检测结果 采用超声 CT 检测技术,共检测了 X 形(2#)、K形(1#)钢管混
22、凝土斜柱足尺试验模型的 19 个横截面(南、北位置见图 1、图 2 中标注),结果见表 2、表311。由表 2、表 3 可知,所检测部位混凝土的平均波速(大于4 500m/s)、离散度(小于9%)、最大缺陷尺度(无内部缺陷)这 3 项判定参数均满足要求;C60 以上截面的合格率面积比,除个别截面(北 2、北4)外均不小于70%(其中不小于75%的截面数超过一半);C50 以上截面的合格率面积比均不小于 97%。表 2 X 形(2#)试验模型不同横截面的检测结果检测区域距地面高度/m平均波速/(m/s)离散度/%合格率面积比/%C60C50内部缺陷北 11.704 537.22.1071.099
23、7.66北 24.504 552.72.2375.6999.22北 36.004 532.81.7875.9898.82北 48.004 532.11.6675.3998.43北 59.004 531.31.2771.52100南 11.854 577.92.1181.9699.61南 24.504 540.81.8572.4499.61南 36.004 555.61.9572.55100南 48.004 531.11.3570.31100南 59.004 564.51.4883.65100无表 3 K 形(1#)试验模型不同横截面的检测结果检测区域距地面高度/m平均波速/(m/s)离散度/%
24、合格率面积比/%C60C50内部缺陷北 11.954 452.42.3474.51100北 25.004 516.31.1863.39100北 36.054 550.91.8976.4798.82北 49.104 513.31.2360.05100南 11.754 536.21.2777.25100南 25.004 548.31.8777.5699.61南 36.054 549.12.0077.3397.66南 49.104 519.11.2369.02100南 510.004 538.81.4375.86100无上述 4 项判定参数中,平均波速、离散度和最大缺陷尺度均较好地满足了要求,表明钢
25、管内部浇筑混凝土已具备良好的平均强度、较小的强度离散性和最大缺陷尺度的控制。仅 C60 以上截面合格率面积比小于 80%而略有不足,笔者认为这主要可能是由于实际检测时施工工期原因导致混凝土未达到龄期 28d 的影响,但仍保证了最低为 70%以上(其中不小于 75%的截面数超过一半);且 C50 以上的截面合格率面积比均已达到 97%以上,即高强度混凝土面积比率基本实现全覆盖,最低强度性能覆盖率有保障。因而可认为钢管混凝土斜柱构件的内部混凝土密实度基本达到了 C60 强度和质量均一的合格要求。后续待混凝土满足龄期要求后,可考虑再取个别横截面进行二次检测,以确保强度要求。以南侧面为例,图 8、图
26、9 分别给出了 X 形(2#)721建 筑 结 构2023 年图 8 不同高度横截面处内部钢管混凝土的波速分布云图平面 CT 成像结果/(m/s)图 9 不同高度横截面处内部钢管混凝土的混凝土强度等级分布云图平面 CT 成像结果和 K 形(1#)试验模型在不同高度横截面处内部钢管混凝土的波速分布云图、混凝土强度等级分布云图的平面 CT 成像结果。3.3 模型切割剖断检测 作为一种补充检测方法,可进一步将试验模型切割开,以更为直观地查看钢管内部混凝土密实度情况,如裂缝、空洞等。切割位置如图 10 所示,即:1)X 形节点,沿竖向对称面(切割面 1)进行切割,将节点分成两部分;2)K 形节点,沿斜
27、柱正交两个轴线对称面(切割面 1、切割面 2)进行切割,将节点分成四部分。本项目由于现场实体模型观摩展示需要等原因,后续未作模型切割剖断检测。3.4 其他措施 一般的竖直钢管混凝土柱,当自密实混凝土下抛高度超过 4m 时,可通过自重及冲击力达到自密实效果。本文所述的斜交网格斜柱,由于其斜度引图 10 模型切割剖断检测位置图起的摩擦作用以及斜交节点位置的较多内部分隔821第 53 卷 第 6 期王 震,等.斜柱网格体系内部混凝土浇灌实体模型及检测试验研究板,均会对内部浇灌混凝土的下落造成一定阻碍,因而考虑每两层位置开设浇灌孔,同时在斜交节点处辅助以振捣法,以达到充分的自密实效果。4斜柱网格体系检
28、测布置方案 由第 3 节所述可知,本文浇灌工艺可有效达到钢管混凝土斜柱及斜交节点内部混凝土的设计强度和密实度要求。出于经济考虑,在采用相同的浇灌工艺基础上,整个斜柱网格体系的对应内部混凝土检测仍采用常规超声波检测方法(判定参数一般为波速、波形等声学参数);对于混凝土密实度不足之处,采用钻孔压浆法补强(即在检测密实度不足位置钻孔后,采用强度高一级混凝土进行高压注浆),而后补焊封回。本文以宁波国华金融大厦项目为例,根据其斜柱网格布置特点,分析对应的具体检测布置方案。4.1 斜柱构件检测数量 斜柱网格外框架的钢管混凝土斜柱构件采用超声波检测其密实度,构件数量按总数量的 10%进行抽检。斜柱构件按每
29、4 层为一节,118 层的斜柱共计 5 节,每节周边共计 44 根斜柱,因而每节抽检5 根斜柱构件,共计 25 根;抽检斜柱的平面位置需同时包含中部平面斜交节点和角部空间斜交节点。4.2 斜柱横截面检测位置4.2.1 底部第 1 节斜柱(12 层)斜柱横截面检测位置见图 11(a),其中:A1 为底部 Y 形斜交节点上侧斜柱接头的上横隔板方附近;B1 为连接雨棚钢梁位置的斜柱下横隔板下方附近,无雨棚连接钢梁的斜柱取同一标高位置;C1 为斜交节点下侧斜柱接头的下横隔板下方附近;D1 为斜交节点的下翼缘板下方附近;E1 为斜交节点的上翼缘板上方附近。4.2.2 上部第 25 节斜柱(218 层)斜
30、柱横截面检测位置见图 11(b),其中:A2 为斜交节点上侧斜柱接头的下横隔板下方附近;B2 为连接上一楼层(相对节点层起算)钢梁的斜柱下横隔板下方附近;C2 为连接上三楼层钢梁的斜柱下横隔板下方附近;D2 为斜交节点下侧斜柱接头的下横隔板下方附近;E2 为斜交节点的下翼缘板下方附近;F2 为斜交节点的上翼缘板上方附近。4.3 检测结果 通过前述相同浇灌工艺可基本保证钢管内部混凝土的密实度,本节在施工后的钢管内部混凝土完整性检测时采用常规超声波方法,以节省造价并加快施工。经查验检测资料,检测结果均满足钢管混凝土斜柱和斜柱网格节点的内部混凝土强度 C60图 11 斜柱网格外框架的横截面检测位置和
31、密实度质量的设计要求,此处不再罗列。5工程应用处理 斜柱网格体系由于柱子倾斜、斜交节点构造复杂和节点内部隔板较多等原因,实际工程中保证钢管内部混凝土的浇灌密实度主要涉及 2 个难点:一是混凝土浇灌工艺,二是密实度检测布置方案。本文首先通过制作实体模型进行浇灌试验、布置实体模型横截面进行超声 CT 检测,验证了混凝土浇灌工艺、密实度检测布置方案这两个难点的施工可行性和有效性,进而将其应用至实际工程结构中。实际工程应用时,一是确保混凝土浇灌工艺完全一致,二是横截面布置方案基本相同;如此施工完成后进行混凝土完整性检测时,即可采用常规超声波检测方式(可靠性相比超声 CT 检测低一些)进行简化处理,以达
32、到节省造价和加快施工作业的目的。6结论 本文研究为斜柱网格体系的钢管混凝土浇灌方法、质量检测及布置方案提供了依据和参考,结论如下:(1)针对 X 形斜柱节点、K 形斜柱节点两种节点,建立了对应钢结构足尺试验实体模型,开设浇灌孔并进行内部混凝土浇灌模拟试验,浇灌方式为高抛自密实+节点处局部振捣法。(2)钢管混凝土斜柱足尺试验模型的钢板较厚时,柱外一般超声波检测难以穿透、检测效果较差,采用超声 CT 成像检测可获得精确结果,本文检测结果显示钢管内部混凝土基本满足强度设计和密实度要求。(3)CT 成像判定参数主要有平均波速、离散度、合格率面积和最大缺陷尺度;当 4 项判定参数均满足时即达到 C60
33、混凝土质量要求;当有 1 项不满921建 筑 结 构2023 年足时,应根据具体情况进行综合判定。(4)实际工程中保证钢管内部混凝土的浇灌密实度主要涉及两个难点:一是混凝土浇灌工艺,二是密实度检测布置方案;试验模型浇灌工艺满足密实度要求时,实际工程应用时采用相同工艺操作以保证质量。(5)试验模型的横截面检测布置方案可获得良好的 CT 检测密实度结果时,整体斜柱体系的钢管内部混凝土完整性检测时采用相同布置方案,检测方法简化为常规超声波方法以降低检测成本。(6)根据斜柱体系特点提供钢管内部混凝土密实度检测布置方案,包括检测数量、横截面位置两方面。参考文献 1 MOON K S,CONNOR J J
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37、间位移角比值约为 0.56(X 向)和 0.59(Y 向)。(6)通过低温环境产品性能试验,验证了金属阻尼器在医疗类冷库等低温环境下应用的可行性。参考文献 1 王一本.某高烈度地区医疗建筑减震控制技术研究D.郑州:华北水利水电大学,2021.2 周小锋.高烈度区医院建筑抗震设计技术研究D.南京:东南大学,2019.3 钱建伟,雷庆关.大底盘双塔不等高钢结构抗震性能影响分析J.重庆科技学院学报(自然科学版),2020,22(2):118-122.4 赵育才.高烈度区某幼儿园建筑隔震分析J.工程抗震与加固改造,2017,39(5):70-74.5 周云,吴从晓,张崇凌,等.芦山县人民医院门诊综合楼
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