李耀亭

鋼管混凝土塔架柱的質(zhì)量缺陷與防治

General Quality Problems and Prevention of Concrete-filled Steel Tubular Tower Columns

李耀亭

1 引言

鋼管混凝土是在鋼管中灌入混凝土而形成的一種由鋼管和混凝土共同承受外力作用的新型結(jié)構(gòu)構(gòu)件，它充分利用了鋼材的抗拉性能和混凝土的抗壓性能，具有良好的塑性和韌性，可增強結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性，具有工程造價低、承載能力高、抗震防火性能好等優(yōu)點。據(jù)統(tǒng)計，和混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)可節(jié)約鋼材30%～40%左右，降低工程造價30%～50%左右，被認為是高層建筑建造技術的重大突破。在水泥項目中，鋼管混凝土窯尾塔架已成為標志性建筑，幾乎是每個水泥項目必不可少的建筑結(jié)構(gòu)形式之一。

雖然鋼管混凝土有很多優(yōu)點，但受鋼管混凝土自身及施工因素的影響，其結(jié)構(gòu)還存在質(zhì)量缺陷，本文試圖從鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設計和施工方面來尋找解決途徑，從而找到防治的措施。

2 鋼管混凝土塔架柱的主要質(zhì)量缺陷

2.1 鋼結(jié)構(gòu)施工方面的質(zhì)量缺陷

常見的鋼結(jié)構(gòu)施工方面的質(zhì)量缺陷有鋼管材質(zhì)及焊接材料不符合設計要求，焊縫寬度或厚度達不到設計要求，焊縫有裂紋、夾渣、氣孔等焊接缺陷，沒按規(guī)范要求施工，上下兩節(jié)鋼管豎向焊縫通縫，鋼結(jié)構(gòu)施工和混凝土施工配合不默契，如陰雨天鋼結(jié)構(gòu)施工完畢后，未及時封蓋鋼管柱口造成鋼管混凝土柱內(nèi)灌水或落入雜物、鋼管局部或環(huán)向凸出等。

2.2 混凝土施工方面的質(zhì)量缺陷

目前，鋼管混凝土施工過程中混凝土的澆筑有三種方法，即高位拋落法、泵送頂升法、多點開孔灌入法。窯尾鋼管混凝土塔架柱的直徑多在400mm以上，因此混凝土的澆筑比較適合采用高位拋落法，受高位拋落法混凝土不能連續(xù)施工、不易排氣、整體性差等自身因素的影響，鋼管內(nèi)混凝土的澆筑會出現(xiàn)澆筑不密實、離析、泌水等質(zhì)量缺陷,強度達不到設計要求。

2.3 鋼管混凝土質(zhì)量缺陷造成的后果

鋼管混凝土質(zhì)量缺陷造成的后果是降低了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的強度，影響鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，危脅到結(jié)構(gòu)的安全，增大工程項目的投資，常見的現(xiàn)象是水平焊縫處出現(xiàn)裂紋或沿鋼管柱縱向焊縫處出現(xiàn)縱向裂縫、鋼管局部或環(huán)向凸出等。

3 引起鋼管混凝土塔架柱質(zhì)量缺陷的原因

3.1 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)自身的原因

鋼管混凝土是由鋼管和混凝土共同承受外力作用的一種結(jié)構(gòu)構(gòu)件，雖然它充分利用了鋼材的抗拉性能和混凝土的抗壓性能，但這種結(jié)構(gòu)也有自身的缺陷，一方面由于鋼管內(nèi)壁光滑，不能與混凝土很好地結(jié)合，而在鋼管和混凝土之間留下微細的縫隙；另一方面，因鋼管和混凝土的彈性模量和熱脹系數(shù)的差異，在外部環(huán)境條件的作用下，鋼材或混凝土的脹縮不一致，而在鋼管和混凝土之間留下縫隙或出現(xiàn)鋼管脹鼓、沿焊縫處出現(xiàn)裂紋。

3.2 施工組織方面的原因

鋼管混凝土的施工需要嚴格按照鋼結(jié)構(gòu)施工規(guī)范、混凝土結(jié)構(gòu)施工規(guī)范和鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設計與施工規(guī)程等施工規(guī)程和標準進行組織施工，對鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)的施工要求都很高，特別是對鋼管的焊接和混凝土的澆筑，要求更加嚴格，因此，施工組織設計必須科學合理，工序之間銜接嚴密，可操作性強，任何一方面的疏忽都會引起質(zhì)量缺陷。如在工序之間的銜接方面，每次混凝土澆筑前都要先灌筑一層與混凝土同標號的砂漿，以利于新舊澆筑混凝土的結(jié)合，如方案中沒有設計這一細節(jié)，就會留下混凝土澆筑不密實或新舊混凝土結(jié)合不好的質(zhì)量缺陷；再如勞動力組織方面，施工組織方案對焊工的技術等級要求比較高，但實際作業(yè)時焊工的技術等級低于施工組織的要求，或不斷更換作業(yè)人員，都會影響到焊縫的焊接質(zhì)量，有可能造成質(zhì)量缺陷。另外，不按施工組織要求，對施工過程中的材料、工程質(zhì)量及時進行檢查檢驗也會造成質(zhì)量缺陷。

3.3 混凝土拋落高度方面的原因

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設計與施工規(guī)程對高位拋落無震搗混凝土的施工，僅規(guī)定適用于管徑大于350mm、高度不小于4m的情況；對拋落高度不足4m的區(qū)段，應用內(nèi)部震搗器搗實。但對于高拋混凝土的最高拋落高度規(guī)范沒有做出具體的規(guī)定，如果高拋混凝土的拋落高度過高必然會造成混凝土拋落后發(fā)散、離析，影響到拋落混凝土的質(zhì)量。如某鋼管混凝土結(jié)構(gòu)采用高拋混凝土，為趕工期每二到三層澆筑一次混凝土，結(jié)果出現(xiàn)了混凝土發(fā)散、離析、混凝土凝固不好、強度達不到設計要求的質(zhì)量缺陷，多次分析找不到原因。

3.4 混凝土配合比方面的原因

鋼管混凝土施工過程中，混凝土的配合比十分重要，這是由鋼管混凝土自身因素決定的。鋼管混凝土的密封性能好，在混凝土澆筑過程中如水灰比過大，則混凝土凝固后多余的水分很難排出或蒸發(fā)掉，會長時間貯存在鋼管內(nèi)，如遇到氣候變化，溫度變低，就會出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象，進而危脅到外邊鋼結(jié)構(gòu)的安全。

3.5 外構(gòu)件協(xié)作件及質(zhì)量檢驗方面的原因

為加快工程進度，減少現(xiàn)場預制件的加工工作量，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)施工用的鋼管大多采用專業(yè)加工廠加工的供貨方式，一般情況下，專業(yè)加工廠加工的半成品或產(chǎn)品件都有出廠合格證，因此，多數(shù)施工企業(yè)都不愿意再對這種外購件進行復檢，一旦外購件加工不合格，就會給鋼管混凝土的施工留下質(zhì)量缺陷或隱患。如某鋼管混凝土結(jié)構(gòu)施工過程中，鋼管由專業(yè)加工廠加工，鋼管到達施工現(xiàn)場后，隨該批次鋼管到廠的檢驗報告顯示，本批次鋼管檢驗合格，符合鋼結(jié)構(gòu)施工及驗收規(guī)范的規(guī)定，施工企業(yè)也沒有再進行復檢，就用于工程施工，在安裝過程中發(fā)現(xiàn)有一根鋼管存在質(zhì)量問題，因發(fā)現(xiàn)及時沒有給工程留下不安全隱患，卻影響了工程的安裝進度。

4 防治措施

4.1 設計方面的防治措施

通過上述分析可以看出，要防治鋼管混凝土的質(zhì)量缺陷，在鋼管混凝土設計方面需要解決兩個問題，一個是鋼管混凝土自身原因引起的缺陷，另一個是鋼管混凝土凝結(jié)后多余水分的排放問題，針對這兩個問題，建議從以下三個方面進行防治：

（1）為排出鋼管混凝土中多余的水分，在每根鋼管混凝土柱基礎位置（柱腳）最低標高處及每層的最低標高處均增設排水管，排水管應有一定坡度，以利于鋼管混凝土中多余水分的排出。

（2）為使鋼管和混凝土更好地結(jié)合，盡量減少鋼管和混凝土之間的縫隙，做好混凝土的配合比設計，在混凝土中摻入適量的減水劑或膨脹劑，通過合適的配合比來消除鋼管內(nèi)壁光滑與混凝土結(jié)合差的質(zhì)量缺陷，另一方面，對于直徑較大的鋼管可在其內(nèi)壁焊接錨固鋼筋，增強鋼管和混凝土的粘結(jié)。

（3）對施工過程中容易忽視的細節(jié)，在設計說明中重點加以說明。如為避免雜物或陰雨天雨水落入鋼管內(nèi)，在設計說明中要強調(diào)每一班組在操作完成或下班后都要對鋼管上口進行封堵；為避免鋼管豎向焊縫通縫對結(jié)構(gòu)的影響，要在說明中強調(diào)安裝時應注意錯縫，注明錯縫角度，避免通縫。

4.2 施工方面的防治措施

（1）施工組織設計要詳細、切合實際。良好的施工組織設計等于成功的一半，因此，對于鋼管混凝土的施工，必須嚴格按現(xiàn)行的鋼結(jié)構(gòu)和鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設計與施工規(guī)程的規(guī)定編制施工組織設計，做到各工序、各工種之間銜接到位，勞動力組織有力，實際操作能力與所需能力相匹配，質(zhì)量監(jiān)督檢查有嚴格的工作程序。

（2）現(xiàn)場施工應嚴格控制水灰比?；炷僚浜媳仍O計好后，施工過程中控制和調(diào)整配合比相當重要，在實際操作中，幾乎所有項目混凝土的實際水灰比都大于設計配合比，因此，應加大對水灰比的控制力度，設專人對混凝土配合比進行檢查和控制，同時對減水劑、膨脹劑的摻加量也應該嚴格控制。通過現(xiàn)場實驗設計合理的配合比，控制最佳坍落度。

（3）合理確定混凝土的拋落高度。由于規(guī)范對高拋混凝土的最高拋落高度沒有做出具體的規(guī)定，根據(jù)實踐經(jīng)驗并參考相關資料中的數(shù)據(jù)，建議高拋混凝土的最高拋落高度控制在5～6m，如超過這個高度，應采用串桶等澆筑方法，確保混凝土振搗密實，不出現(xiàn)蜂窩、離析現(xiàn)象。在用高拋法澆筑鋼管混凝土前，應先澆筑一層約20mm厚與混凝土同強度等級的砂漿。

（4）無論是現(xiàn)場加工的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件還是外購的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，都要堅持按施工驗收規(guī)范要求進場復檢制度，對所有焊縫進行超聲波探查，確保焊縫合格率達到100%。

（5）冬雨季施工要采取特殊的防護措施。冬季施工要控制好配合比，采取防凍措施，對原材料進行加熱，在鋼管外包防凍保護層或電熱設施。雨季施工除控制好配合比，重點是防止雨水灌入鋼管內(nèi)。

（6）為保證鋼管混凝土中鋼管的焊接質(zhì)量，每根柱子的焊接都要固定焊接人員和設備，水平焊縫要對稱均勻分層施焊，每層焊接完畢經(jīng)檢驗合格后，方可進行下一層施焊。

5 結(jié)論

引起鋼管混凝土柱質(zhì)量缺陷的原因除了鋼管混凝土自身的因素外，主要是施工操作不當或規(guī)范沒有做出詳細規(guī)定造成的，其后果表現(xiàn)為鋼管的脹鼓、裂縫、鋼管內(nèi)有多余水分，本文從設計和施工兩個方面對消除和預防鋼管混凝土質(zhì)量缺陷的方法進行了探討，總體思路歸結(jié)為控制水分、消除鋼管內(nèi)多余水分；注重細節(jié)，嚴格按規(guī)范作業(yè)；強化過程監(jiān)督，確保質(zhì)量達標。同時從設計和施工方面提出了相應的防治措施，解決鋼管混凝土的質(zhì)量缺陷，還會有更好更多的辦法，需要我們做進一步的探討。

[1]余成行.C60泵送頂升自密實鋼管混凝土的配制與施工[J].混凝土，2010（10）:102-103.

[2]建筑施工手冊編寫組.建筑施工手冊[K].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

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