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摘要：佛山京华广场6座超高层结构为框架-核心筒结构，负3层至地上32层外围柱为钢管混凝土柱。本文主要分析了钢管混凝土柱的结构设计特点，进一步论述钢管混凝土柱施工技术和质量控制措施。
关键词：超高层建筑；钢管混凝土柱；施工技术
1、工程概况
京华广场项目位于佛山市南海区桂城街道金融B区B30地块、海八路北侧，中央大街以南，是集商业、办公为一体的大型综合项目。6座建设规模和主要设计情况：地上50层，地下3层，总建筑面积152657.35m2，建筑高度216m，结构类型为框架-核心筒结构，其中负3层至地上32层外框柱采用18根圆形钢管混凝土柱，钢管柱直径1.2~1.6m，壁厚18~35mm，采用Q345B级钢（16Mn钢）钢板螺旋焊接制作而成，钢管柱内采用C60混凝土填充。33-50层外框柱采用钢筋砼柱。
2、技术背景
钢管混凝土柱是由钢管和混凝土组合而成的的构件，它充分发挥了两种材料的优点，具有理想的受力性能和良好的经济效益，目前已被广泛应用于高层及超高层建筑体系中。我国超高层建筑主要采用钢结构外框架+钢筋混凝土核心筒结构体系，而钢管混凝土柱+钢筋混凝土梁板楼盖+钢筋混凝土核心筒结构体系是超高层领域中一个新型的结构设计体系。
3、钢管混凝土柱的结构设计特点
钢管混凝土柱同时具备了钢管和混凝土两种材料的性质，钢管混凝土在轴向压力作用下，钢管的轴向和径向受压而环向受拉，混凝土则三向皆受压，钢管和混凝土皆处于三向应力状态。三向受压的混凝土抗压强度大大提高，同时塑性增大，其物理性能上发生了质的变化，由原来的脆性材料转变为塑性材料。钢管混凝土结构柱的主要优点为：
(1)钢管混凝土柱截面比钢筋混凝土柱可减少60%，扩大了建筑物的使用空间。
(2)超高层钢管混凝土柱结构抗压和抗剪承载力高。
(3)柱子截面减小，自重减小，有利于结构抗震。
(4)钢管壁薄便于选材、制造与现场焊接，是施工较为快捷的建筑结构。
(5)钢管混凝土柱内的混凝土可大量吸收热能，其耐火性优于钢管柱。
4、钢管混凝土柱施工技术
4.1施工工艺流程
钢管混凝土柱总体施工流程为：钢管柱加工制作→钢管柱吊装→钢管柱焊接→焊缝检测→钢管柱内混凝土浇筑→钢管柱内混凝土质量检测→下一层钢管柱吊装。
4.2钢管柱加工制作
6座地下3层，地上50层，层高3.5~6m，钢管柱根据层高进行分段加工制作，所有钢管柱都提前在工厂加工制作好，根据现场施工进度分批次运输至现场安装。根据设计要求，钢管采用螺旋焊接，且每根钢管柱每层只能有一条水平焊缝，因此，单根钢管柱每层只能作一节加工。螺旋焊缝全部在工厂内完成，焊缝质量要求达到一级焊缝质量。钢管进场时应对每根钢管验收并做好记录，不符合验收标准的钢管退回工厂校正合格后才能使用。
4.3钢管柱现场吊装、定位、测量校正
4.3.1现场吊装机具选择
钢管柱单节最重8.372t（钢管柱长度6m、直径1.6m、壁厚35mm、含内衬管长度0.3米）、最轻1.779t（钢管柱长度3m、直径1.2m、壁厚18mm），现场布置一台TC7040塔吊，根据塔吊的现场布置和吊重表分析，塔吊起重能力满足每根钢管柱每层一次吊装的要求，避免钢管柱同层再分节吊装，从而缩短工期并减少水平焊缝保证施工质量。
吊装索具的选用：为达到安全高效的施工，根据《重要用途钢丝绳》GB8919-2006标准中6×37+FC，直径32.5m纤维芯钢丝绳破断拉力为725KN，钢丝绳最大夹角α=60°，钢丝绳最大拉力F=725KN，F1=F×cos30°=725KN×0.866=627.85KN。
根据公式[S]=P/K，[S]为钢丝绳许用拉力，P为钢丝绳破拉力，K为钢丝绳的安全系数，[S]=F1=627.85KN÷9.8N/KG÷8（安全系数）=8t，两条钢绳2×8t=16t>吊物最重8.372t，因此采用2条直径32.5mm钢丝绳作主吊点满足安全要求,并钢管柱设2个吊环，卸扣10吨2只，起吊时两端系缆风绳以加强吊装安全。
4.3.2第一节钢管柱的吊装、定位
安装前要对预埋件进行复测，并进行放线。根据钢管柱的底标高调整好螺杆上的螺帽，然后钢管柱直接安装就位。安装前在柱身上绑好爬梯，方便工作人员上下。
当钢管柱吊到就位的上方200mm时，应停机稳定，对准定位器上口和十字线后，缓慢下落，当柱脚刚与基础接触后应停止下落，检查钢管柱四边中心线与基础十字轴线对准情况（四边要兼顾）和柱脚下的钢垫板位置、数量是否正确，如有不符应立即调整（调整时，需三人操作，一人移动钢管柱、一人协助稳固，另一人进行检测），经调整钢管柱的就位偏差在3mm以内后，再下落钢管柱，使之落实。
4.3.3第二节及以上钢管柱的吊装、定位
上部钢管柱的安装与首段钢管柱的安装不同点在于柱脚的连接固定方式上不同。钢管柱吊点设置在钢管柱的上部，利用四个临时连接耳板作为吊点。
吊装前，下节钢管柱顶面和本节钢管柱底面的渣土和浮锈要清除干净，保证上下节钢管柱对接面接触顶紧。下节钢管柱的顶面标高和轴线偏差、钢管柱扭曲值一定要控制在规范以内，在上节钢管柱吊装时要考虑进行反向偏移回归原位的处理，逐节进行纠偏，避免造成累积误差过大。
钢管柱吊装到位后，钢管柱的中心线应与下面一段钢管柱的中心线吻合，并四面兼顾，活动双夹板平稳插入下节柱对应的安装耳板上，穿好连接螺栓，连接好临时连接夹板，并及时拉设缆风绳对钢管柱进一步进行稳固。钢管柱吊装完成后，即可进行初校。
4.3.4钢管柱吊装注意事项
a.钢管柱吊装应按照由下到上安装顺序进行。b.每根钢管柱安装后应及时进行初步校正，以利于混凝土梁浇筑。c.校正时应对轴线、垂直度、标高、焊缝间隙等因素进行综合考虑，全面兼顾，每个分项的偏差值都要达到设计及规范要求。d.钢管柱安装前必须焊好安全环及绑牢爬梯并清理污物。e.利用钢管柱的临时连接耳板作为吊点，吊点必须对称，确保钢管柱吊装时为垂直状。f.每节柱的定位轴线应从地面控制线直接从基准线引上，不得从下层柱的轴线引上。
4.3.5测量校正总体思路
钢结构测量分平面、高程控制两部分，总体思路：平面控制点使用激光铅直仪向上传递，高程控制点使用钢卷尺分段向上量距。每次传递的点位经自检闭合后再进行钢管柱垂直度测量、柱顶轴线偏差测量、柱顶标高测量、梁轴线与高差检查、地脚螺栓定位检测、柱底对中、变形观测等工作。本工程测量主要为轴线测量、钢管柱定位以及钢管柱的垂直度测量等。
4.3.6钢管柱垂直度校正
钢管柱吊装就位到基础后，确定柱身方向正确，在测量人员的测量监视下，利用斜铁、缆风绳、倒链等对柱顶标高偏差、柱身垂直度偏差、轴线偏差以及进行校正。
钢管柱垂直度校正是在柱身相互垂直的两个方向用经纬仪照准钢管柱柱顶侧面中心点，然后比较该中心点的投影点与柱底处该点所对应柱侧面中心点的差值，即为钢管柱此方向垂直度的偏差值。其值应≤Ｈ/1000且绝对偏差≤±10mm。根据以往在钢结构工程施工中所积累的宝贵经验，拟定内部控制目标：≤8mm。当视线不通时，可将仪器架设在偏离其所在的轴线位置，但偏离的角度不应大于15度。如第一节柱不高，在无风天气下，也可用磁力线锤挂靠来粗调垂直度，然后用经纬仪复测检验。将经纬仪后视柱脚下端的定位轴线，然后仰视柱顶钢管柱中心线，互相垂直的两个方向使柱顶中心线投影与定位轴线重合，或误差小于控制要求，认为合格。
单根钢管柱吊装，用缆风绳校正钢管柱时，应在缆风绳处于松弛状态下，柱保持垂直，才算校正完毕。校正无误后，紧固地脚螺栓，固定钢管柱。每安装一节柱后，位于±0.00米的标高基准均需向上引测。为克服超高层结构施工中用大盘尺垂直引测基准标高时的累积误差影响，本工程中的标高基准一律采用先进的全站仪应用三角高程的原理垂直向上引测。每次引测到目标高度后的四个点均需再次闭合，且闭合差≤2㎜，位置为其所在楼层结构面上1.000m处。闭合的四个点作为本层上一节钢管柱及其它构件安装与校正的高程控制点。
对于第二节以上的钢管柱吊装首先是柱与柱接头的相互对准，钢管柱校正，塔吊松勾后用二台经纬仪在相互垂直的轴线附近位置进行钢管柱垂直度测量，利用千斤顶进行调校，校正上节钢管柱垂直度时要考虑下节钢管柱相对于轴线的偏差δ，校正后上节柱顶对于下一节柱顶的偏差为－δ，使柱顶偏回到设计位置。校正合格后，进行点焊稳固上节钢管柱。
4.4钢管柱焊接施工、焊缝检测
4.4.1焊接要求
a、对钢结构中主要采用的钢种、焊接材料、接头形式、坡口形式及工艺方法，应进行焊接工艺评定，其评定结果应符合设计要求。本工程钢管柱采用Q345B级钢（16Mn钢）、接头处内衬管及柱脚底板采用Q345B级钢（镇静钢），焊接材料：气体保护焊焊丝选用ER50-3焊丝、自动埋弧焊焊丝选用F5014-H08MnA焊丝、手工电弧焊焊条选用E5015焊条，坡口形式采用V形坡口。
b、对焊接技术员及焊接技工的各项要求和规定：（1）焊接技术员：焊接技术员负责全部焊接工作的计划、管理和技术指导。（2）焊接技工：焊工应具有相应的合格证书，并在有效期内。持证焊工必须在其考试合格项目及其认可范围内施焊，严禁无证上岗或低级别焊高级别。
c、本工程的焊接方法在工厂制作部分应采用自动埋弧焊焊接或气体保护焊接方法，在现场拼装采用气体保护焊焊接方法。在现场焊接时应注意做好防风、防雨、防雷等保证施工质量措施。
d、构件制作、组装、安装时应制定合理的焊接顺序，必要时采取有效技术措施，减少焊接变形及焊接应力。
e、钢结构制作前根据要求仔细开好坡口。根据不同的板厚和壁厚，焊接坡口的形式及尺寸应符合相关规范的要求。
f、低合金钢结构焊缝，在同一处返修次数不宜超过2次，且不得超过3次。
4.4.2焊缝检测验收
a、按照《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001的要求，对工厂及现场焊缝进行内部缺陷超声波探伤和外观缺陷检查。本工程委托有相应资质的检测单位进行检测并出具合格报告。
b、焊缝质量等级为一级时，超声波探伤比例为100%，评定等级Ⅱ；二级时为20%，评定等级Ⅲ。本工程钢管柱螺旋焊缝工厂完成为一级焊缝，应100%超声波检验合格；现场水平施工的焊缝为二级焊缝应20%超声波检验合格；其它为角焊缝，按三级焊缝外观验收。
c、当超声波探伤不能对缺陷作出判断时应采用X射线探伤。
d、焊缝外观检查：未焊满、根部收缩、咬边、裂纹、电弧擦伤、飞溅、接头不良、焊缩、表面夹渣、表面气孔、角焊缝厚度不足等缺陷。
4.5钢管柱内混凝土浇筑及混凝土完整性检测
钢管柱焊接检测合格后进行柱内混凝土浇筑，钢管柱内高强度C60混凝土采用塔吊、料斗吊运的方式进行。因混凝土自由倾落高度超过2米，在料斗下安装DN200帆布导管，通过帆布导管使混凝土下落。本工程钢管混凝土缺陷检测采用预埋超声检测管检测，并将预先在钢管柱内埋设三根超声检测管，呈等边三角形布置。
4.5.1高强度混凝土的质量原材料控制
水泥：选用强度等级为P.O42.5R的普通硅酸盐水泥。
掺合料：选择Ⅱ级粉煤灰，S75矿粉，但对混凝土的后期强度提高有特殊的作用。
减水剂：在减水剂选择时，适合高强混凝土的生产。
外加剂：选用LS-JSB减水剂。
碎石：选用花岗岩5～25mm碎石，该种碎石立方体抗压强度高，满足高强混凝土的使用要求。
河砂：选用北江中粗砂，该砂细度模数2.6，颗粒级配好，砂源干净，砂的含泥量及泥块含量少，不含氯离子。
4.5.2混凝土配合比设计
C60混凝土配合比（水泥、水、混合材、砂、石）1:0.36:0.30:1.49:2.62，水胶比0.28，含砂率36.2%，坍落度200mm，设计7天抗压强度62.5MPa、28d抗压强度72MPa，保证混凝土有足够的富余强度，弥补生产及施工过程中一些不确定因素对混凝土强度的影响。
4.5.3混凝土的浇筑振捣
钢管柱用插入式振捣棒密插短振，逐层振捣。振捣棒垂直插入混凝土内，要快插慢拔，振捣棒应插入下一层混凝土中5~10cm。振捣棒插点按梅花形均匀布置，逐点移动，按顺序进行，不得漏振，每点振捣时间不少于60s，每层振捣至混凝土表面平齐不再明显下降，不再出现气泡，表面泛出灰浆为止。
4.5.4钢管柱内混凝土完整性检测
钢管柱内混凝土龄期达到要求后，即委托有资质的第三方单位进场进行钢管柱混凝土超声波检测，超声波检测比例数量按每层钢管柱总数的20%，即每层抽取4条。
5、结语
京华广场6座超高层建筑钢管柱施工，从钢管柱的加工制作、现场吊装、焊接、混凝土浇筑全过程严格按照相关规范、标准、方案施工，并根据以往类似项目经验结合现场实际情况加以改进和创新，施工质量得到了有效保证。钢管柱的规格尺寸和全高垂直度偏差全部控制在规范范围内、焊缝检测全部合格、柱内混凝土完整性检测全部合格。现总结经验如下：其一，钢管柱在工厂根据层高分段加工制作，螺旋焊缝，焊缝一级100%超声波探伤，进场时严格检查验收，能有效保证钢管柱加工质量；其二，根据钢管柱重量选定和布置塔吊，采取有效的测量方案和纠偏措施，是控制钢管柱平面位置和垂直度的关键；其三，钢管柱工厂螺旋焊缝采用自动埋弧焊、现场水平焊缝采用气体保护焊，以及正确选用焊丝和施焊人员持证上岗，能有效保证钢管柱焊缝质量；其四，合理选择混凝土原材料，科学制定配合比，严格现场浇捣施工，能保证钢管柱内混凝土质量。
参考文献
[1]韩林海，杨有福.现代钢管混凝土结构技术[M].北京：中国建筑工业出版社.2013.
[2]张湘林.超高层建筑钢管混凝土柱施工技术[J].结构施工，2010，32(2):149-150.