湖南中国建筑第五工程局有限公司 张洪伍、金锐、陶琳、秦一飞、刘秉乾 410004
[摘要]超高大倾斜度钢管混凝土柱结构造型新颖，其结构设计上的创新逼迫工程施工技术方面必须有新的突破。本文使用Tekla、Midas软件，通过制作试验段检测优化混凝土配合比和浇筑方法等确保钢管混凝土柱施工质量、缩短工期。应用实践形成施工技术，填补了国内外空白，经济和社会效益显著。
[关键词]钢管柱；BIM；试验段;施工技术
Construction Technology of
High Inclined Concrete-filled steel tube column
Zhang Hongwu、Jin Rui
(China Constraction Fifith Engineering Division Co.,Ltd,Hunan 410004)
Abstract:The structure of High Inclined Concrete-filled steel tube column is novel and unique, and its structural design innovation forces new breakthroughs in engineering construction technology. In this paper, Tekla and Midas software are used to improve the concrete construction quality and shorten the construction period by testing the test section to optimize the concrete mix ratio and pouring method. Application practice forms construction technology, which fills the gaps at home and abroad, and has significant economic and social benefits.
Key Words:steel tubular column; BIM; Test section;construction technology
1.引言
建筑工程，人们称为凝固的音乐。它不仅满足实用功能，还为提高人民的视觉效果设计各种艺术构造。如我司总承包施工的合肥市公共卫生管理中心工程1A号楼，总高77.3m,17层，东立面呈锥体状，结构柱设计为直径1.8m、高度45.7m、最大倾角55°的钢管柱。在施工过程中，其构件的优化、吊装与安装、临时支撑体系的设计、混凝土的配合比优化、浇筑与检测等均存在很大难题。
我司针对上述难题展开了系列攻关。利用Tekla软件对钢管混凝土柱进行建模分节优化；利用Midas数值模拟软件对施工过程各工况进行有限元受力分析，确定最佳支撑方案，确保了斜柱三维空间位置和稳定性；建立BIM模型合理排布支撑体系；通过对试验段的检测优化混凝土配合比和浇筑方法；采用超声波对位检测法辅以敲击法，达到无损伤监测，保证钢管混凝土柱施工质量。
2.施工工艺流程
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3.施工准备
3.1BIM建模
本工程超高大倾斜度钢管混凝土柱测量定位要求精度高，节点复杂，工期紧。本项目在施工的过程中充分的应用了BIM技术，采用Tekla软件进行建模分析方案可行性并利用直观的三维模型对施工技术人员和作业班组进行可视化施工技术交底，指导现场施工。
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3.2数值模拟分析
3.2.1地下室阶段
本工程超高大倾斜度钢管混凝土柱预埋在6m超厚筏板中，预埋固定难度大。根据设计图纸，地下室6米筏板区域斜圆管柱埋深斜段4.5m，共计5根，倾角分别为59.688°、54.978°、60.875°、76.389°、78.519°。选取最大倾角54.978°进行加固验算。在方案设计阶段，斜圆管柱埋深段共分为4节，拟在完成3节安装后进行加固，选用普通槽钢16a进行加固。
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支承角钢上端与圆管柱焊接，下端与预埋钢筋焊接，设置铰接约束。锚杆与斜圆管柱节点释放梁端约束，设置铰接约束。
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根据Midas变形计算结果，支撑最大变形仅为10.804mm，其中z方向挠度变形0.475mm，水平方向挠度为10.779mm。则按照《钢结构设计规范》（GB50017-2017）[1]主梁的挠度容许值为L/400=4877/400=12.19mm，挠度满足规范要求。圆管柱最大变形为28mm，安装时进行反面起拱28mm。
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根据Midas应力计算结果，槽钢支撑在承受荷载作用下最大组合应力为91.1MPa，位于受压腹杆上，小于槽钢16a钢的容许应力215MPa；其他杆件应力均较小，小区材料的容许应力。柱脚锚栓在承受荷载作用下最大组合应力为256MPa，位于斜圆柱正背面，小于D30锚栓容许应力295MPa。满足规范要求。
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利用Midas的钢结构验算功能，自动根据《钢结构设计规范》（GB50017-2017）进行验算，其验算内容有：轴向应力验算、弯曲应力验算整体稳定性验算（杆件）、剪切验算。角钢支撑架杆件的最大应力比为0.42<1,安全余量较足。经计算分析得出：槽钢及锚栓的刚度、强度满足要求，无较大变形。槽钢支撑架的稳定性满足要求。
3.2.2 地下室以上部分
本工程钢管混凝土柱倾斜角度最大55°，高度达34.8m,施工难度大，危险性高。为了保证施工安全，在方案编制阶段，本项目将正负零以上部位的钢管混凝土柱BIM模型导入Midas中，通过Midas验算每层斜圆管柱施工过程中构件与临时支撑的位移云图及应力（见下图），确保施工过程的安全性。
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3.3 制作试验段
由于钢管混凝土柱构件呈现大倾斜度，且环形加劲肋中间空洞小，导致混凝土浇筑时钢管混凝土柱背侧（环形加劲肋与侧壁交汇的顶部）会有空气聚集无法排出及震动棒放置空间受限。这就对钢管混凝土柱浇筑施工增加了很大的施工难度。
3.3.1 三维建模，提前应对
通过采用Tekla软件进行建模，建立相应的钢管混凝土柱构件模型，直观展示构件形式，在施工前就针对超高大倾斜度钢管混凝土柱构件施工难题进行三维化思考，找出解决对策。
3.3.2 建立模型，对比验证
现场建造试验段模型，实际验证解决对策是否达到预期效果并是非符合相关质量规范要求。以本工程为例，采用14mm钢板作为试验原材，制作试验钢管柱，包含内部环板、竖向加劲肋及排气孔，内部环形加劲肋增加至4块，环形加劲肋靠背侧增设2个?150振捣孔，其它每道肋板间设置一个?50透气孔，设置临时钢支撑架体，斜圆管柱试验段如下图所示。
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通过对已浇筑试验段进行开孔观察，钢管柱内混凝土与钢管柱壁连接密实，圆管柱背面在横向环板与竖向肋板交界三角位置有无混凝土脱空现象，圆管柱腹面混凝土无异常情况（见下图）。
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4.柱脚预埋
本工程结构设计钢管混凝土柱预埋于6m超厚筏板中。常规钢管柱预埋采用直埋式设计，将钢管柱预埋在筏板钢筋上；本工法通过Tekla对钢管柱预埋安装进行深化设计，采用预埋定位板和螺栓预埋施工。
施工时将6m厚筏板分两1.5m、4.5m两层进行浇筑，预埋件放置在距筏板底1.5m处（见下图），待浇筑的第一层1.5m厚筏板混凝土达到强度后再进行下一步钢管柱的吊装。
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锚栓预埋前，根据锚栓定位深化设计图纸和BIM模型，根据圆管柱截面尺寸制作相应的定位板固定锚栓。使之准确三维放样的同时，防止绑扎钢筋和浇筑混凝土时对锚栓造成过大影响，也可以有效避免交叉作业施工时对锚栓造成破坏。
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5.吊装与焊接
5.1吊装准备
根据钢柱的分段重量及吊点情况，准备足够的相应的钢丝绳和卡环，并准备好倒链、揽风绳、爬梯、工具包、榔头以及扳手等机具。利用BIM模型数据，提前设计每根钢丝绳对应的长度，使吊装时预安装的圆管柱倾斜角度与设计角度相同，减少劳动力，增加工效。
5.2 钢柱吊点设置
通过施工准备阶段Tekla节点深化，在柱身四侧各设置一个吊耳，用来吊装以及临时固定圆管柱。吊装时利用水平端左右两个吊耳以及背侧吊耳三点吊装。钢柱吊装示意图如下：
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5.3 精确定位
在设置的钢柱上部操作平台上，采用钢柱错位调节措施进行精准定位，使待安装的圆管柱与之前的同轴、四面兼顾。主要工具包括调节固定托架和千斤顶（见下图）。
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5.4定位复核
利用BIM模型，计算出任意两个钢管柱间的平面距离。用全站仪架设在任意位置,使用距离联测程序测出两个钢柱间的实际距离，两者进行核对校正。
5.5钢管柱焊接
为避免焊接温度过高对混凝土造成影响，在每次对接焊之前向管内注水50mm，同时严格按照焊接工艺，焊缝多遍成形，避免集中依次焊接成形；每焊接一道及时清理焊渣，待温度降低后，进行第二道焊接。
6.混凝土浇筑
6.1钢管柱校正、终拧和焊接牢固之后，开始浇筑自密实混凝土。本工程的钢管混凝土为实心钢管混凝土柱，浇筑时采用汽车泵与塔吊配合从钢管顶向下浇筑自密实混凝土的施工工艺。混凝土则采用混凝土倾落高度超过3m时，采用溜槽（或溜管）辅助装置进行浇筑（如图5.2.4-1所示）。
6.2 调整混凝土配合比
6.2.1 应在混凝土中加水泥的含量10%的UEA微膨胀剂，使混凝土浇筑后微膨胀剂以补偿收缩达到密实。
6.2.2 适当的降低水泥的用量，增加粉煤灰的比例。水泥的配合比由0.71降低至0.61，粉煤灰的配合比由0.11提高至0.18。
6.2.3 使用自密实混凝土代替普通混凝土。
6.2.4 掺入适当的减水剂。
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6.2.5 泵送前先应开机用水湿润整个管道，开始试泵，启动泵机的程序是：起动料斗搅拌叶片→将润滑浆（水泥素浆）注入料斗→打开截止阀→开动混凝土泵→将润滑浆泵入输送管道→随后再往料斗内装入混凝土并进行试泵送。
6.2.6 一次抛落的混凝土量在0.7立方米左右，用料斗装填。料斗下口尺寸应比钢管下口尺寸小100-200mm，以便混凝土下落时管内空气能够排出。应控制浇筑速度，分层浇筑到设计标高。浇筑时排专人盯守混凝土浇筑到管内各部位。
6.2.7 每次混凝土浇筑，施工缝留置在钢管柱接缝以下500mm位置（见下图）。
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7.混凝土养护
7.0.1 采用外蓄内散综合养护措施，限制表层混凝土热量的散失以及加快混凝土内部热量的散失。根据混凝土的配合比及施工期间的气温加强测温监控，混凝土的内外温差控制不高于25℃。
7.0.2 随混凝土的浇筑顺序，及时对已经浇筑完毕的钢管柱封上塑料膜作为密封层，防止混凝土水分散失，使混凝土表面湿润，然后铺上草帘或者保温毯。在混凝土降温过程中，控制混凝土的降温速率。塑料布间要搭接严密，用5cm宽胶带封口且不得有裸露部位，封住水分，保证塑料布内有凝结水，草帘要迭缝铺放。
7.0.3 钢管柱壁四周采用土工布包裹两层，养护时间不少于14天。当混凝土强度达到1.2N/mm2后，条件许可时宜采用钢管柱内蓄水养护。
7.0.4若有冬季施工应严格按照按照现行行业标准《建筑工程冬季施工规程》JGJ/T 104[2]的规定执行。特别应注意混凝土浇筑后覆盖养护时，由于气温低于零度造成的混凝土内水结冰膨胀，可能会将钢管涨裂，会严重影响结构质量。故禁止冬季气温低于零度的时段浇筑和养护钢管混凝土。若要施工，必须形成专项处理方案并采取相应的升温措施，保证钢管混凝土柱的施工质量。
8.密实度检测
钢管混凝土浇筑完成并待混凝土达到一定强度后，需立即对混凝土的浇筑质量进行检测，本工程拟采用超声波对位检测辅以敲击法进行钢管混凝土浇筑质量的检测控制。
8.1敲击法检测
用2.5磅铁锤对倾斜钢管混凝土柱普查，对强烈震感且声音清脆钢管壁进行标记并做好相关记录。敲击检测方法主要用于超声波检测前的辅助检测，用以排除钢管壁和混凝土结合不密实部位。
8.2超声法对位检测
超声波检测具有无损和精度高的优点，同时对检测设备和检测过程的要求也较高。超声波对位检测法需提前确定好钢管混凝土柱正截面对位的两个点，测点位置的精度影响超声法对位检测结果的准确性。考虑到钢管混凝土柱构件最大倾斜55°，现场按常规方法难以精确定位。
通过利用Tekla建立的BIM模型，确定其钢管混凝土柱横截面与水平截面各个对应点之间的数据。现场再通过激光扫平仪放出的水平截面，利用BIM模型数据精确确立横截面的具体位置。
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9.结语
超高大倾斜度混凝土柱施工技术采用BIM技术建立模型，分解构件模块、优化临时支撑体系、进行可视化交底；采用有限元软件对节点、工况进行分析，优化钢结构构件、验算临时支撑的稳定性；制作试验段模型优化混凝土配合比和验证混凝土密实度；采用超声波对位检测法辅以敲击法同时进行钢管混凝土浇筑质量的检测控制，确保钢管混凝土柱施工质量。
本施工技术的应用，在经济方面较大限度的减少返工修补造成的人工及材料损失，同时也大大减少了工期，加快了工程进度，隐形成本减少，故拥有较为明显的经济效益，科技创效明显；节能环保效益方面，本施工技术提高了施工功效，节约了工期，质量更加可靠，为今后广泛推广应用奠定了基础，具有节能、绿色、环保作业的特点。为今后类似工程的设计与施工提供了一定的经验。
参考文献：
[1]中华人民共和国住房和城乡建设部GB50017-2017钢结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2017。
[2]中华人民共和国住房和城乡建设部JGJ/T 104-2011建筑工程冬季施工规程[S].北京:中国建筑工业出版社，2011。
[3]蔡绍怀,我国钢管混凝土结构技术的最新发展［J］．土木工程学报，1999，32(4):17-25。
[4]潘卫育,赵玮,李传勇,周佳,超声波检测钢管混凝土密实性[J].中国铁道科学,2005,26(3):64-67。