第 1 章 绪论
1.1 引言
随着中国经济的飞速发展，超高层如雨后春笋般呈现在人们面前，我国的土木工程得到了前所未有发展的同时也面临着严峻的考验，我国超高层设计、管理、施工等水平与国际水平尚有较大差距。目前国内超高层钢结构及机电专业多为国际顾问设计，但与此同时，国内的施工管理水平也尚未达到国际水准，导致施工管理过程中达不到设计要求或与设计要求存在偏差。巨型柱作为整个超高层的主要受力构件，在施工中应当扮演者主要角色，然而施工过程中由于巨型柱施工质量不容易监测、作业面狭小，不容易上下等因素，导致其施工质量得不到有效的控制。现行的理论研究往往解决不了巨型柱施工中遇到的情况，常常通过别处的施工经验结合现场情况来解决问题，具体体现在以下几个方面：①超大截面巨型柱如何分段分节进行吊装②巨型柱超宽、超厚的焊缝如何保证焊接质量及如何控制焊接变形，巨型柱截面变化时如何调整焊接③巨型柱如何保证内部混凝土的浇筑质量④超高压泵送混凝土如何保证混凝土质量，泵送过程中如何调整混凝土配合比来保证超高压泵送施工顺利国内外学者对巨型柱研究主要集中在节点受力模拟分析，抗震性能及火灾后承载余量等理论研究，对实际工程中的应用研究较少，而且理论分析与施工技术是分开研究的，这容易导致理论研究与实际工程应用脱节。所以通过实际工程为依托，采取全过程跟踪分析，整体研究的思路，将理论研究与实际工程相结合，对巨型柱现场施工存在的问题及关键技术进行研究分析是十分必要的。本论文研究巨型柱为超大截面多腔体巨型柱，由外围钢管及内部隔板将一根巨型柱分为多个腔体，有别于一般的钢管混凝土柱（如图 1-1 所示），而且随着高度的增加截面积逐渐减小；截面形状由六边形异形多腔体柱逐渐变化为四边形箱型柱；钢板厚度也由 60mm 变为 30mm；倾斜角度也逐渐发生变化（如图 1-2 所示），测量及焊接的控制难度空前。
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1.2 研究背景及意义
1.2.1 研究背景
早期建筑中主要考虑竖向荷载，侧向刚度比较小，而超高层的控制荷载主要以风和地震水平荷载为主，所以早期建筑结构形式无法满足超高层需求。经过后续对拉压杆的研究发现其在轴力作用下的变形相较于梁柱的弯曲变形小很多，人们就开始将两个不同的传力系统应用到高层当中：采用外框钢结构来承担建筑物的垂直荷载，称之为外框筒；采用钢筋混凝土的筒体结构来承受地震、风等水平荷载，称之为核心筒，二者通过辐射梁互相连接，协同工作。外框筒主要用来提高整个结构的垂直荷载，因此在超高层中较为重要，外框筒通过巨型柱将荷载传递到基础，而现在的超高层中为了满足建筑高度越来越高，形状千变万化，就要求巨型柱截面积不断变大，使用材料强度越来越高，以满足结构承载性能的要求。钢管混凝土的最初使用约在 19 世纪 90 年代，已经有 100 多年的发展历史，前期钢管混凝土主要用于地下结构及单层产房结构中，最初引进钢管混凝土柱主要是由于地下结构空间狭小，故需减少柱子截面来增加使用面积。随着超高层的发展，尤其是 9.11事件以后，大家对超高层建筑的安全性提出了质疑，尤其对外框筒的安全提出了更高的要求。目前内地已批在建的超过 400 米以上超高楼项目有 18 个，其中已经完成 8 个，已经结构封顶 8 个，超过 600 米的有 2 座，均已建成。根据 2012 年中国摩天城市报告中指出，我国预计 2022 年，建筑高度超过 400 米的有 61 座，其中超过 600 米的将达到 10座，见图 1.3 及表 1.1。数据分析表明，我国超高层建筑的发展已经走在世界前列[1]。
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第 2 章 超大截面多腔体巨型柱钢结构关键技术研究
2.1 引言
巨型柱钢结构是整个巨型柱施工的第一步，焊接质量的好坏直接影响下道工序的施工，由于巨型柱焊接操作面狭窄，焊缝较宽，钢板强度高，故其焊接有别于一般的钢结构焊接，巨型柱焊接主要控制点是焊接变形及焊缝裂缝，构件一旦变形造成尺寸偏差较大，将会花费大量时间和精力去校正，甚至导致构件直接报废。所以，设计及施工中必须采取有效地措施将变形控制在最小，只有第一步的质量得到控制，后续的施工才能得以保证，完成优质构件。现行超高层巨型柱截面积越来越大，但是由于运输条件的限制及塔吊起重性能的影响，必须将巨型柱在立面分节的同时平面再进行分段，在加工厂对每个构件加工制作，检验合格后运输至现场进行安装。基于上述的分析，采用整体研究的思路对超大截面多腔体巨型柱的钢结构分段分节及焊接控制等关键技术进行研究，并与实际工程相结合，通过工程案例对施工工艺进行检验。
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2.2 钢结构的深化设计及分段分节
深化设计也可以叫做二次设计，是以设计院的施工图、计算书及其他相关资料（包括招标文件、答疑补充文件、技术要求、工厂制作条件、运输条件、现场拼装与安装方案、设计分区及其余各专业条件等）为依据，依托专业软件平台，建立三维实体模型，开展施工过程仿真分析，进行施工过程安全验算，计算节点坐标定位调整值，并生成结构安装布置图、构件与零部件下料图和报表清单的过程。作为连接理论拼接与现场安装的桥梁，钢结构深化设计以统筹各专业施工为前提，对施工的顺利进行、实现设计意图有重要作用。兵马未动粮草先行，尤其对超高层来说，深化设计可以说是整个过程中的“粮草”，其重要性主要表现在：①在软件上模拟分析，避免构件之间的相互影响；对现场施工的全过程进行软件仿真模拟和验算，保证施工过程中的安全性；验算节点等位置的坐标放样调整值，保证建筑物的偏差不超过限定值。②对现有施工图的施工要求、构造形式等依据现场条件进行进一步的完善调整，确保深化之后的图纸满足现场需求，给现场钢构的施工提供精准可靠的指导。③对图纸上一些不明确的截面、节点形式及尺寸等进一步完善，对清单中未提及的内容进行进行填充完善，确保预算的准确性，以便后续的款项支付有据可循。
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第 3 章 超大截面多腔体巨型柱内灌混凝土设计关键技术研究.........49
3.1 引言....49
3.2 巨型柱内腔钢筋安装技术研究..........49
3.3 巨型柱内灌混凝土配制............50
3.3.1 混凝土原材料选择..........51
3.3.2 配合比设计过程及关键参数....51
3.3.3 混凝土实验过程及结果分析....52
3.4 小结....60
第 4 章 超大截面多腔体巨型柱内灌混凝土浇筑关键技术研究.........61
4.1 引言....61
4.2 巨型柱混凝土浇筑常用技术比对分析........61
4.3 高抛自密实浇筑技术......61
4.3.1 高抛自密实原理....61
4.3.2 高抛自密实浇筑要点......62
4.4 混凝土超高压泵的安装使用....62
4.5 超高压泵管清洗.............69
4.6 本章小结 .....70
第 4 章 超大截面多腔体巨型柱内灌混凝土浇筑关键技术研究
4.1 引言
巨型柱混凝土的浇筑是巨型柱施工过程中最关键的一步，在浇筑过程中影响因素多变，对施工要求很高。上章通过试验研究解决了混凝土的配合比问题，本章将通过对超高层的超高压泵送及浇筑方式的研究来解决巨型柱混凝土的浇筑问题。
4.2 巨型柱混凝土浇筑常用技术比对分析
目前超高层的巨型柱浇筑技术主要有以下三种：①开孔分层浇筑+振捣。操作步骤是先在钢管壁开设浇筑孔，以便混凝土的浇筑及振捣棒进行振捣。但在隔板处仍然无法保证混凝土的密实性，而且在在钢管上开洞对钢管本身的强度影响较大。这种方法早期应用较为广泛，主要是因为当时混凝土的质量很难达到目前混凝土的水平，无论是外加剂的效果还是本身的配制能力，都无法和现在的混凝土质量相比，所以这种方法目前已基本淘汰。②泵送顶升。操作步骤是在每个浇筑层的钢管底部开设浇筑孔，通过混凝土泵的压力将混凝土注入到钢管内部，混凝土由于自重原因会先填满下部空间，最终达到自密实效果。和上一种方法相比有明显的优势，开孔较少且无需振捣，可利用混凝土泵送压力达到自密实的效果，操作较为简便。但是对混凝土泵的压力要求高，而且泵送过程中极易损坏横向隔板，施工质量得不到有效的保证，且对大截面的巨型柱实施难度较大。③高抛自密实。操作步骤是在离浇筑面一定高度处将混凝土抛落至作业面，利用自重及出泵管时的速度达到自密实效果。这种方法无需开洞，不会对原结构产生影响，对泵送压力要求较小，操作最为简便，无需设置止回阀门，通过控制好混凝土的工作性能和抛落高度，即可使混凝土达到密实，满足巨型柱浇筑要求。
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结论
论文以“超大截面多腔体巨型柱的关键施工技术研究”为依托，以工程实践为研究背景，理论研究分析与工程现场实际相结合。对现场施工采取全过程关注，对钢结构、测量校正、混凝土配比、超高压泵送等方面综合分析考虑，而不是将各个方面单独进行研究，针对现场实际施工的重难点及关键施工技术进行重点研究分析，并提出了最有效的解决方法。首先对钢结构的施工进行了研究，对分段分节的影响因素进行了研究分析，并提出了分段分节过程中应该重点考虑的几个因素，对吊耳的设置进行了计算研究，同时结合国内外的钢结构焊接技术对超高层钢结构的焊接技术分析总结，并提出了最佳的超高层钢结构焊接技术。在超高层测量方面，通过结合国内外先进的测量技术，对测量方法进行了优化，保证了操作简便的情况下的精度问题。以 C70 混凝土为例，对巨型柱使用的高强自密实混凝土的配比做了正交试验，确定出了最佳配合比，同时还对浇筑及泵送技术进行了试验研究，主要得出下列结论：①超高层钢结构的施工影响因素较多，本文从分段分节、吊装、测量、焊接等几个方面着手，通过总结国内外的类似工程施工经验，并结合国内超高层发展现状，对超高层钢结构的关键施工技术研究优化，提出了最佳的施工技术，并通过中国尊项目的实践检验，取得了良好的效果。②巨型柱内灌高强自密实混凝土是整个巨型柱施工的关键，从强度、黏度、自收缩性等方面着手，结合当地的材料供应现状进行了多组正交试验，依据试验数据确定出了最佳配合比：水胶比为 0.28、胶凝材料的总量为 570kg、粉煤灰为 180kg、硅粉为 35kg、SPA 为 0.38kg，在现场的使用中效果显著。③对巨型柱的浇筑技术研究分析，由于混凝土的特殊性，采用高抛自密实法不会出现离析情况，而且高抛自密实法对施工机械要求不高，对结构的损伤最小，只要控制好混凝土的质量，可以达到理想的浇筑效果。经过对传统的泵管清洗技术和较为先进的清洗技术比对分析，结合类似工程实践经验，提出了气洗+水洗相结合的清洗技术，既能保证混凝土不浪费，又能保证清洗效果。
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参考文献（略）