超高层巨型钢管混凝土柱施工技术.pdf

建筑施工第45卷第10期1971超高层巨型钢管混凝土柱施工技术郑 巍 阴光华 陈少军中国建筑第八工程局有限公司 上海 200122摘要：针对超高层建筑施工中存在的巨型钢管混凝土柱安装精度与位形控制、混凝土浇筑质量控制和施工过程变形控制难度大的问题，结合工程实际，提出了巨型钢管混凝土柱施工关键技术。从钢管柱深化设计与加工、钢管柱安装、钢管柱-混凝土梁节点施工和钢管混凝土浇筑等方面进行了研究，分析了混凝土收缩徐变和钢管初应力对巨型钢管混凝土柱施工的影响，提出了超高层钢管柱施工过程变形监测方法，保证了巨型钢管混凝土柱施工的安全和质量。关键词：超高层建筑；钢管混凝土柱；变形控制；变形监测中图分类号：TU765 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2023)10-1971-04 DOI：10.14144/ki.jzsg.2023.10.008Construction Technology of Giant Concrete-filled Steel Tube Columns in Super High-rise BuildingZHENG Wei YIN Guanghua CHEN ShaojunChina Construction Eighth Engineering Division Co.,Ltd.,Shanghai 200122,ChinaAbstract:As to the difficulty in controlling the installation accuracy and shape of giant concrete-filled steel tube columns,quality control of concrete pouring,and deformation control during the construction process in the construction of super high-rise buildings,combined with engineering practice,the key technologies for the construction of giant concrete-filled steel tube columns are proposed.A study is conducted on the deepening design and processing of steel pipe columns,installation of steel pipe columns,joint construction of steel pipe column-concrete beam and concrete-filled steel tube pouring.The effects of concrete shrinkage and creep and initial stress of steel tubes on the construction of giant concrete-filled steel tube columns are analyzed.A deformation monitoring method during the construction process of concrete-filled steel tube columns in super high-rise building is proposed to ensure the safety and quality of the construction of giant concrete-filled steel pipe columns.The summarized experience can provide reference for similar projects.Keywords:super high-rise building;concrete-filled steel tube columns;deformation control;deformation monitoring1 工程概况南宁华润中心塔楼位于南宁市东盟商务区核心位置，是广西已建成的高度最高的地标性建筑，建筑高度为403 m，项目总建筑面积约27.7万 m2。建筑地下3层、地上86层，涉及商业、办公及酒店3种业态形式。主体结构为南向收进的特殊体形，整体造型极具雕塑感。塔楼采用带桁架加强层的框架-核心筒混合结构体系，核心筒内采用钢筋混凝土楼盖，核心筒外采用钢筋桁架式组合楼板。78层以下核心筒暗埋劲性钢柱，钢柱主要类型为十字形、H形、王字形。外围框架由钢管混凝土柱和钢梁组成，钢梁类型有H形和箱形2种。桁架层分布在4344层和7070M层，主要为X形伸臂桁架与腰桁架。塔楼74层以下设计了20根圆钢管混凝土柱，东西面各分布4根，南北面各分布6根，其中南面6根外框柱向北倾斜2，圆钢管柱最大截面尺寸为2 000 mm50 mm，随结构高度增加，钢柱经6次变截面逐渐变小，最小截面尺寸为1 000 mm14 mm。至74层以上，圆钢管柱截面变为方钢管柱，数量减少至16根，方管柱主要截面尺寸为近年来，我国超高层建筑发展非常迅速。随着结构高度的增加，普通尺寸的钢管混凝土柱承载力已无法满足工程实际需要，巨型钢管混凝土柱因其承载力巨大、抗震性能好的优势，逐步在广州电视塔1、广州西塔2、深圳京基100大厦3、广州东塔4、武汉中心5和天津周大福金融中心6等超高层建筑中得到应用。工程实践表明，巨型钢管混凝土柱具有截面尺寸大、钢管侧壁厚和管内混凝土强度高的特点，巨型钢管混凝土柱的焊接加工、现场安装、混凝土浇筑质量和施工过程变形监测难度较大，研究如何采取有效措施解决这些技术难题十分重要。本文通过工程实例，介绍了巨型钢管混凝土柱施工的关键技术。作者简介：郑 巍（1990），男，博士，工程师。通信地址：上海市浦东新区世纪大道1568号（200122）。电子邮箱：收稿日期：2023-04-08结构施工STRUCTURE CONSTRUCTION202310Building Construction1972800 mm500 mm35 mm。钢管混凝土强度等级为C60。2 施工难点1）钢管柱焊接质量控制难度大。钢管柱壁为50 mm厚板，采用多层多道焊接方式，焊接时极易产生多次角变形和焊接残余应力。另外，钢管柱焊接均为超高空临边施工，焊接作业条件复杂。2）钢管柱安装精度与位形控制难度大。本工程结构内收，南侧外框柱为斜柱，存在斜搭接柱情况，柱构件安装精度要求高。3）混凝土浇筑质量控制难度大。钢管混凝土泵送高度高、强度等级高，需选用合理的配合比，保证混凝土的强度与和易性，防止发生混凝土离析和堵管的情况。4）水平变形监测难度大。塔楼由于南向收进的特殊体形原因，在不均匀竖向荷载作用下，塔楼中高部楼层会发生较大水平变形，需要采取合理的监测方法，避免影响钢管混凝土柱的垂直度。3 施工关键技术3.1 钢管柱深化设计与加工钢结构深化设计采用Tekla软件，在深化设计阶段，复核并细化原施工图纸，优化建筑结构，结合工厂制作和运输条件，考虑现场拼装与安装方案、设计分段和土建条件绘制结构零件图和构件图，以便指导钢管柱加工制作。本工程钢管柱直径达2 m，采用钢板卷焊加工制作，钢管柱壁较厚，卷管纵向对接位置设置2/3不等边X形坡口，管内坡口大于管外，先施焊管内纵向焊缝，再进行管外清根，最后埋弧焊盖面，施焊工作量大，要求保证焊缝质量，降低焊缝残余应力，减小施焊作业时的钢材受热变形量。钢管柱加工完成后按照检测规范要求评估焊缝等级，焊缝等级应符合设计要求。3.2 钢管混凝土柱构件现场安装3.2.1 柱脚安装及锚栓埋设如图1所示，本工程核心筒南侧6根钢管混凝土柱采用埋入式柱脚，其余钢管混凝土柱采用外露式柱脚。筏板底筋绑扎后，首先安装柱脚和锚栓套架，套架由固定架体和横隔板组成，固定架采用型钢焊接而成，架体底部横隔板焊接固定于筏板底筋上部，防止底板渗水。埋入式柱脚固定于套架上，按照已测放好的定位轴线和标高将锚栓的上下定位法兰板点焊在套架上，以便固定锚栓，准确定位，减小土建钢筋绑扎和混凝土浇筑对锚栓定位的影响，有效地避免交叉作业施工对锚栓造成破坏。埋入式柱脚底部承台混凝土与底板混凝土一起浇筑，节省工期。（a）埋入式柱脚（b）锚栓套架图1 柱脚安装及锚栓埋设3.2.2 钢管柱安装以钢管柱柱顶的连接耳板作为吊点，通过四点绑扎进行逐段吊装，构件就位后通过耳板初步固定。由于南面外框柱向北倾斜，故钢柱安装完成后应通过柱顶楼层的主梁和环梁相互连接，防止发生倾倒。标高控制需从同一控制网引测，避免误差累积，针对层间高度偏差超限的钢柱，可通过调节上节柱衬垫板尺寸的方法纠正偏差，将钢柱标高调校到规范范围，钢柱标高和垂直度采用千斤顶进行调节校正，钢柱校正合格后固定临时连接板的螺栓。斜钢管柱安装选用全站仪校正柱顶空间坐标，结合理论计算和实践经验对钢管柱进行合理预调，保证构件位形符合设计要求。巨型钢管混凝土构件现场安装工艺流程分为地下部分和地上部分进行阐述。地下钢管柱安装工艺流程为：施工准备钢柱柱脚安装钢柱柱脚复核首节钢柱吊装钢柱临时固定钢柱测量校正验收钢柱柱脚安装下一段钢柱吊装。地上钢管柱安装工艺流程为：施工准备搭设操作平台及安全防护措施钢柱吊装及临时固定测量校正检验焊接下节钢柱吊。3.2.3 钢管柱焊接为保证施工作业的安全性和方便性，上下节钢柱连接处设置作业平台和防护措施。钢管柱环形对接焊缝为单边V形坡口，坡口角度为35，预留8 mm对接间隙。钢管柱施焊包括打底焊、填充焊和盖面焊3道工序。每道焊缝均要求不间断作业，2人分段对称施焊，施焊完毕后开展无损检测，验收满足设计要求后方能进入下道作业环节。3.2.4 桁架层钢管柱连接施工顺序桁架层由伸臂桁架和腰桁架组成，钢管柱通过伸臂桁架与核心筒墙体连接，钢管柱与核心筒两者的沉降存在不均匀性，钢管柱牛腿先与伸臂桁架焊接，待沉降稳定后完成核心筒牛腿与伸臂桁架的焊接。钢管柱通过腰桁架相互连接成整体，连接时优先焊郑巍、阴光华、陈少军:超高层巨型钢管混凝土柱施工技术建筑施工第45卷第10期1973接塔楼角部钢管柱之间的腰桁架，再从角部向中部进行焊接，以此焊接钢管柱的腰桁架。3.3 钢管柱与混凝土梁节点施工技术钢管混凝土柱因自身的连续体构造，使楼盖梁板只能从柱侧面与其连接，造成了钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁在设计和施工上均较为复杂。本工程地下钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁的连接采用埋置牛腿式节点，该类节点力学性能可靠，牛腿抗弯剪能力强，但型钢牛腿与梁钢筋连接是一大施工难题。本工程开创性地预先将短钢筋焊接于钢管柱工字形牛腿的翼缘板上，采用直螺纹套筒将混凝土梁纵筋间接与型钢牛腿连接，施工方法如下：1）根据结构施工图中与钢管柱相连的混凝土梁在节点处的配筋参数，将相应规格的短钢筋排布于型钢翼缘板，形成深化设计图纸。2）加工制作短钢筋，钢筋长150 mm，一端开丝；钢构件加工厂根据深化设计图纸，将短钢筋未开丝端定位焊接于牛腿翼缘板上。3）待钢柱吊装就位后，即可采用直螺纹套筒连接混凝土梁纵筋与短钢筋。3.4 钢管混凝土浇筑本工程钢管混凝土浇筑最大泵送高度为348.3 m，塔楼70层以下采用HBT9028CH-5D混凝土输送泵，泵送最大出口压力为28 MPa，7086层采用HBT9050CH-5D超高压泵混凝土输送泵，泵送最大出口压力为50 MPa。超高压泵管内径125 mm，壁厚10 mm，材料为耐磨合金钢，采用法兰连接的方式，泵管一次布设能满足超高泵送需求。混凝土强度等级为C60。超高泵送混凝土试配应遵循强度高、和易性好的原则，混凝土试配过程中考虑掺加高活性混凝土掺合料和缓凝高效减水剂的方法，根据试配结果确定最优配合比，钢管混凝土配合比如表1所示。表1 混凝土配合比泵送高度/m各种材料用量/（kg/m3）坍落度/mm水泥 矿粉粉煤灰硅粉 砂子 石子 水外加剂100.753607010020770940 160 12.1 21030100.75203.353607010020770940 160 13.2 21030203.35301.353307015025740940 160 13.9 21030301.35403.003007020030720940 160 14.4 21030混凝土泵送前开展进行坍落度试验，因为坍落度过大时可能产生离析现象，过小时可能产生堵管现象，入泵坍落度合理取值与浇筑高度有关。钢管柱每隔1节在外框楼板上部600 mm处预留直径为220 mm的圆形浇筑口。混凝土浇筑采用高抛免振法和立式手工振捣法这2种方式。高抛免振法是指混凝土通过高处下抛产生的冲击力实现自密实的效果，距柱顶超过4 m处采用高抛免振法，不足4 m处通过振捣棒振捣密实。4 施工过程影响因素分析4.1 混凝土收缩徐变特性影响对于超高层巨型钢管混凝土柱，混凝土收缩徐变更为显著7-8。原因一方面是巨型钢管混凝土构件尺寸效应显著，构件的轴向荷载较大，另一方面是超高层建筑施工速度快，钢管混凝土柱受力时混凝土龄期短。钢管壁对混凝土收缩徐变产生限制作用，承担了核心混凝土收缩徐变卸载引起的附加压力，钢管混凝土截面内力重分布9-10，钢管应力逐渐增大，施工过程中可能出现构件应力超出设计预期的现象，有必要对关键受力构件进行应力监测。另外，混凝土收缩徐变是造成钢管混凝土柱压缩变形的重要因素，结构变形将导致结构实际位形与设计目标位形存在差异，故构件加工和安装必须采取预调措施，考虑混凝土徐变和收缩因素，并结合工程经验，确定结构加工预调值和施工安装预调值，采用预变形技术保证建成的结构满足设计目标位形要求。4.2 施工过程钢管初应力影响超高层建筑施工工期紧张，为提高施工效率，常规做法是先安装若干节空钢管柱，然后再浇筑管内混凝土，这种做法使得空钢管在浇筑前就已经产生了一定的压应力。研究表明，钢管初应力的存在可使钢管混凝土构件的极限承载力最大降低20%左右11。为降低钢管混凝土结构受力性能的劣化程度，必须根据施工过程模拟计算结果控制空钢管柱安装高度，严格控制钢管柱初始应力，同时应根据施工过程模拟分析结果，得到构件初始应力，考虑钢管初应力影响，校核钢管混凝土柱承载力。5 变形监测本工程主体结构存在北重南轻的受力特点，导致结构水平变形较大。此外，混凝土收缩徐变性能、钢管初应力对结构的变形具有不可忽视的作用，故有必要采用结构健康监测技术，确保结构变形在施工过程中始终处于受控的状态。5.1 变形监测点布置变形观测点应设立在能反映监测体变形特征的位置。结合结构北重南轻的模拟计算分析结果，确定本工程变形观测点布置于19M、31M、44、57M、63、70M、72、74、77、86层和屋顶设备3层，监测楼层共设置4个监测点，变形监测点平面布设如图2所示。郑巍、阴光华、陈少军:超高层巨型钢管混凝土柱施工技术202310Building Construction1974 111214JMNQSUX图2 水平变形监测点布置示意5.2 变形监测方法5.2.1 高度200 m以下施工阶段此阶段GPS测量系统的通视条件受周边高层建筑的影响而无法正常使用，故钢管柱变形监测采用全站仪外部测量和内控法相结合的方法。1）建立监测控制网。该阶段监测控制网共有2级，一级控制网包含南宁测绘院提供的2个测量基准点和周边万象城楼顶已知稳定点（后续用作辅助GPS基站点）；二级控制网的控制点环绕施工现场布置，塔楼北侧民族大道上建立2个二级控制网，用于东北面和西北面钢管柱的变形监测，塔楼南侧中越路上建立2个二级控制网，用于东南面和西南面钢管柱的变形监测；三级控制网建立在塔楼外框楼板上，三级控制点共4个，布设于外框楼板的四角。2）全站仪外部监测。塔楼玻璃幕墙安装前，采用全站仪三维监测的方法，以地面上的二级控制点作为基准，根据控制点的三维坐标可以推算出变形监测点的三维坐标。3）全站仪内部监测。塔楼玻璃幕墙安装后，幕墙会遮挡钢管柱监测点，需要将全站仪设置在监测楼层的外框板上，以外框楼板的三级控制点作为基准，通过全站仪三维监测，确定变形监测点的三维坐标。全站仪的测量精度易受施工现场环境的影响，为保证变形监测的准确性，全站仪测量工作宜在清晨施工作业扰动小时开展，同时清晨能减小温度差对监测结果的影响。5.2.2 高度200 m以上施工阶段塔楼高度达到200 m后，卫星信号接收顺畅，建筑物的水平侧移开始显著增大，且全站仪外部监测较为困难，需要采用“GPS全站仪”监测方法。1）建立GPS流动控制点。在监测楼层设置23个GPS流动站作为移动控制点，周边万象城楼顶已知稳定点设置GPS基准站，全站仪布置于监测楼层，全站仪和GPS流动站构成活动控制网。2）全站仪和GPS组合监测。利用监测楼层的GPS流动站、全站仪和360棱镜联合建立的“活动控制网”，全站仪可实现自由设站，可以测量变形监测点的三维坐标。6 结语南宁华润中心塔楼巨型钢管混凝土柱施工采用了多项施工技术，包括钢管柱深化设计与加工、钢管柱现场安装技术、钢管柱与混凝土梁节点施工技术、钢管混凝土浇筑技术、变形监测方法，解决了巨型钢管混凝土柱施工难点，保证了巨型钢管混凝土柱施工的安全和质量，对相关工程施工具有借鉴意义。1 倪杰,林海,陈安民.广州新电视塔钢管混凝土施工技术J.施工技 术,2009,38(3):15-17.2 方小丹,韦宏,江毅,等.广州西塔结构抗震设计J.建筑结构学报,2010,31(1):47-55.3 刘晓斌,陆建新,许航,等.深圳京基金融中心大型钢管混凝土柱施 工及监测技术J.施工技术,2011,40(14):27-30.4 赵宏,雷强,侯胜利,等.八柱巨型结构在广州东塔超限设计中的工 程应用J.建筑结构,2012,42(10):1-6.5 周健,陈锴,张一锋,等.武汉中心塔楼结构设计J.建筑结构,2012,42(5):8-12.6 汪大绥,周健,王荣,等.天津周大福金融中心塔楼结构设计J.建筑 钢结构进展,2017,19(5):1-8.7 杨晓蒙,田春雨,王翠坤,等.京基金融中心巨型钢管混凝土柱试验 研究J.建筑结构,2010,40(11):87-90.8 范重,仕帅,赵长军.超高层建筑巨型钢管混凝土柱性能研究J.施 工技术,2014,43(14):11-18.9 韩林海,陶忠,刘威,等.长期荷载作用下方钢管混凝土轴心受压柱 的变形特性J.中国公路学报,2001,14(2):52-57.10 HAN L H,YANG Y F.Analysis of thin-walled steel RHS columns filled with concrete under long-term sustained loadsJ.Thin-Walled Structures,2003,41(9):849-870.11 韩林海,尧国皇.钢管初应力对钢管混凝土压弯构件承载力的影响 研究J.土木工程学报,2003,36(4):9-18.郑巍、阴光华、陈少军:超高层巨型钢管混凝土柱施工技术