构造柱（墙）同步施工关键技术研究

　　【摘要】针对我国目前构造柱（墙）施工工艺难以满足施工需求的现状。以某项目构造柱（墙）同步施工实例为背景，首先对原设计构造柱（墙）的同步施工技术进行分析，提出了一种新思路；

　　然后详细介绍了同步施工关键技术的施工、验算等，验证了该技术的可行性和有效性，具有安全可靠、质量可控、技术可行、经济合理、现场可实施性特点，能保障生产安全、提高质量控制、降低施工成本、增加工程效益。

　　国民经济在建筑业的作用下不断向前发展，提高了人们的生活水平，在注重建筑功能和居住环境的同时，建筑外立面日趋革新化、创新化，同步施工的构造柱（墙）很好的解决了外立面设计及抗震的需求。

　　然而，传统的施工方法是在砌体工程完工后进行，此时，确保施工安全的防护措施已基本缺失，给生产造成极大的安全隐患，同时，施工难度较大、施工质量难以控制等。因此施工单位如何改进同步施工技术，确保安全生产等是整个工程安全、效益的根本保证。

　　现有构造柱（墙）的研究主要集中在抗震分析（装配式）、工艺改进上，对研究构造柱（墙）同步施工技术具有一定的参考价值。

　　具有代表性的为：

　　徐智东-基于ABAQUS有限元软件，分析约束墙体抗震性能的组合构造柱模型，但该顶部依然类似于传统施工工艺，制安模板并浇筑空腔内混凝土；

　　郑妮娜-建立装配式构造柱约束其整体结构抗震性能研究，用于村镇建筑砌体结构施工；

　　Lu等一种新型的装配式构造柱（FTC），并进行了低周反复环荷载试验，它便于装配、拆卸特点；

　　房军等提供了一种砖砌模壳抗震构造柱的建造方法，以砖砌模壳代替常规的钢木模板；

　　陈晓峰等提出一种空腔模壳免支模构造柱施工技术，实现与砌体工程同步施工；

　　李新革等发明构造柱顶部的隔离缝预留施工组件及施工方法的专利，对构造柱传统工艺进行了改进；

　　张志伟等发明一种与主体结构同步施工的构造柱专利，对构造柱同步施工技术进行了改进。

　　针对构造柱（墙）施工问题，专家学者们提出了不同的关键技术，并在实际工程中加以应用，取得了较好的经济效益。但目前构造柱（墙）的同步施工技术仍有不足之处：

　　（1）传统现浇构造柱（本文记为“传统施工技术”）、装配式构造柱（FTC）、砖砌模壳等需要进行顶部处理，即二次搭设防护脚手架施工模板与混凝土，且架体未考虑架体高宽比，稳定性、安全性较差，楼层临边作业还存在较高的坠落风险等；

　　（2）柱（墙）顶混凝土现浇的模板、混凝土施工比较困难，关键环节多，操作复杂，主要依赖工人技能操作水平，施工周期长与效率低下、质量难以控制，尤其是砖砌模壳还处于封闭状态；

　　（3）装配式芯柱、组合式构造柱、装配式构造柱（FTC）、砖砌模壳等难以实现与高层主体结构同步施工，抗震性能与高层结构中现浇构造柱（墙）不能相比[2]；加工制作由施工现场转移到预制工厂完成，由于马牙槎、截面尺寸等影响，并没有节省模板材料等，也不适合于远距离运输，其中砖砌模壳具有一定的厚度，起到钢筋保护层作用，但钢筋、砖砌模壳、现浇混凝土难以共同工作，且浇筑构造柱（墙）尺寸也远小于设计尺寸；

　　（4）预制式构造柱（墙）的运输、安装因场地、机械设备限制等在现场可实施性方面存在局限性。

　　综上，基于文献《一种与主体结构同步施工的构造柱》（本文记为“同步施工技术1”）的启示上，研究出一种关键同步施工技术，主要从以下三方面进一步对设计图纸构造柱（墙）的同步施工技术（本文记为“同步施工技术2”）进行改进（本文记为“同步施工技术3”），弥补现有研究的不足，实现精简施工工艺、提质降本增效的目的：

　　①对同步施工技术2的结构隔离缝（预留）位置，设置在柱（墙）底端与结构楼面处，降低高空坠落风险；

　　②将同步施工技术2的泡沫填充材料采用水平结构拉缝材料替代，降低施工难度，简化施工工艺，提高施工效率；

　　③对同步施工技术3进行验算，满足裂缝宽度控制要求。

　　从而实现构造柱（墙）与主体结构真正意义上一次性同步施工完成，以期为构造柱（墙）的同步施工技术提供新的研究视角，使其具有技术可行、质量控制、经济合理、安全可靠及现场可实施性特点。

　　某项目总建筑面积165607.68m2，其中6#栋公寓式住宅楼建筑面积22392㎡；建筑高度94.400m，1+27F,如图1所示。

　　

　　图1 构造柱（墙）平面布置

　　同步施工的构造柱（墙）在5～27层，沿结构外边线设置，设计图纸同步施工技术2为：隔离缝内材料为泡沫板；隔离缝位置为柱（墙）顶端与上层梁底交汇处；隔离缝高度为20mm；框架与砌体施工完成后，再清理隔离缝内的泡沫板材料，支设模板及浇捣混凝土与养护等，构造柱（墙）的尺寸与配筋等，如表1所示。

　　表1 构造柱（墙）参数表

　　

　　在抗震设计中，构造柱（墙）对填充墙提供适当的约束作用，从而具有比较良好的变形、耗能能力。

　　目前，构造柱（墙）的实施方式有现浇方式、预制装配式、模块组合式，现浇方式仍然是当前主要形式，与框剪梁底的连接方式有2种：一种为柱（墙）顶与结构梁底预留空隙采用柔性材料封闭；另一种为柱（墙）顶与结构梁底无间隙。

　　同步施工构造柱（墙）的同步施工技术2基于第一种方式，即在柱（墙）顶与结构梁底柔性连接，采用诸如泡沫类材料填充缝隙，形成结构隔离缝，有效的隔断构造柱（墙）与主体结构梁底，不改变主体结构在施工过程中的设计受力分析，从而实现构造柱（墙）与主体结构工程一次性浇筑成型，但后续依然存在隔离材料的处理与封堵等工序。

　　结构隔离缝的工作机理是不改变结构设计时的分析要求，不直接传递荷载至结构上：

　　一方面，通过隔离缝与锚固钢筋将柱（墙）体自身的重力传递到主要受力水平梁构件上，降低累计的竖向荷载作用引起下层梁的结构局部破坏，降低影响梁体的结构裂缝；

　　另一方面，通过柔性连接能够降低或避免引起设计的刚度过度和填充墙约束不足，否则在地震作用下，没有进入预先设计的受力工作状态要求，发生各类结构形式的震害，如有必要还可以在隔离缝处增设阻尼构件，实现地震下耗能，进一步降低地震影响。

　　目前，同步施工的现浇构造柱（墙）存在安全隐患及施工不便，难以控制施工质量，导致填充墙约束不足等。为确保构造柱（墙）与结构、填充墙之间的可靠柔性连接，提出同步施工技术3十分重要。

　　现阶段的构造柱（墙）隔离主要有两种方式：

　　（1）完全隔离方式。

　　采用结构拉缝材料全截面设置，既能起到隔离的作用，又利用材料表面凹槽设计，延长渗透水路径，起到防渗漏的作用，还进一步提升结构的抗震性能；

　　（2）未完全隔离方式。

　　根据材料与工艺等，又分两种：一种为采用挤塑板材料不完全隔离方式，与结构拉缝方式基本类似离，见图2 中（a）所示；另一种为构造柱（墙）体混凝土浇筑完成后，在隔离处利用切割机切缝来实现结构拉缝作用，见图2 中（b）所示。

　　

　　图2 未完全隔离示意图

　　同步施工技术 2 的施工流程分为两种方式：一种是先施工构造柱（墙），再安装隔离缝材料后施工主体结构梁板等；另一种是柱（墙）梁板一并施工，但隔离缝处需要在梁侧开仓处理后再封闭。

　　换句话说第一种流程就是传统的施工方法，即先施工柱（墙）后施工梁板，后续还要进行隔离缝处理；第二种方式实施比较困难。两种方式都不利于工程的推进及生产安全，需要对原有方案进行改进。

　　新思路基于文献《一种与主体结构同步施工的构造柱》、《全现浇外墙结构的抗震性能研究及其应用》的基础上，对同步施工技术2进行分析。即将同步施工技术2的隔离缝（柱（墙）与结构梁底交汇处）设置在柱（墙）底与结构楼层面的交汇处，并进行裂缝验算；原设计泡沫隔离材料采用水平结构拉缝代替，同步施工技术3见图3所示。

　　

　　图3 同步施工技术3示意图

　　采用同步施工技术3，即使是先墙柱（墙）后梁板的施工流程，均取消了多道繁杂的工序，如隔离缝处理、配套的安全措施及管理，从根本上解决了目前构造柱（墙）同步施工技术的不足，向建筑高质量的方向发展，积极推进四新的应用，对整个建筑行业具有重大意义。

　　水平结构拉缝设置是关键，直接影响同步施工技术3的实施，既要精简施工工艺，降低施工组织难度，在技术上可行，安全上可靠，又具有经济合理性，质量可控性等，符合绿色低碳环保的理念。

　　传统施工技术（a）、同步施工技术2（b）与（c）、同步施工技术1（d）、同步施工技术3（e）与（f）的工艺流程见图4所示。

　　

　　图4 传统施工技术、同步施工技术2、同步施工技术1、同步施工技术3工艺流程图

　　（（a）传统施工技术； （b）同步施工技术2墙柱梁板分开施工； （c）同步施工技术2墙柱梁板一同施工；（d）同步施工技术1墙柱与梁板施工；（e）同步施工技术3墙柱与梁板分开施工；（f）同步施工技术3墙柱梁板一同施工）

　　通过对比同步施工技术的工艺流程可知，同步施工技术3的流程相较于其他同步技术明显最少，降低了施工组织难度，不影响后续相关工序的提前插入施工，如外墙外立面的施工，能大幅度缩短工期和降低成本，产生显著的经济效益。

　　同时，无诸如后续架体二次搭设、模板与混凝土等工序，除了提高施工施工效益、质量外，有利于生产安全和绿色环保等。

　　同步施工技术2与同步施工技术1并非一次完成构造柱（墙）的施工，而同步施工技术3通过精简施工工艺，实现真正意义上的同步施工。

　　同步施工技术3主要是将构造柱（墙）竖向顶部的结构隔离缝设置在底部与梁面位置，隔离材料更换为水平结构拉缝材料。

　　1）材料准备

　　结构拉缝材料一般由内外PVC材质U型固定止水卡槽和拉缝材料组成，拉缝材料应符合防火、防水、弹性、强度、耐候性等特性要求；采购带有水平结构拉缝材料若干，水平结构拉缝的尺寸根据构造柱（墙）的平面尺寸确认。

　　2）水平结构拉缝加工

　　材料加工前，项目技术人员向作业人员进行技术交底，作业人员按照构造柱（墙）的平面尺寸要求，进行水平结构拉缝的加工，包括纵向钢筋穿孔位置、切割与端口封闭，端口封闭使为防止混凝土流入腔体内,形成刚性连接，建议在拉缝板两端用封口胶包裹两层。

　　3）水平结构拉缝安装

　　水平结构拉缝应确保贯通设置，不允许使用零散材料拼接；在混凝土浇筑至梁面以上30mm时，对构造柱（墙）处的混凝土进行收面平整，再初凝前将水平结构拉缝下部止水翼缘压入混凝土中，压入深度约为10~15mm，降低混凝土基面与压入深度不够产生渗漏风险；拉缝上预留的钢筋孔穿插构造柱（墙）钢筋后，确保内外的防水高差，必要时采取相应的措施固定，如绑扎箍筋，防止混凝土与结构拉缝材料间存在空隙或上浮等，导致产生的渗漏水隐患。

　　4）水平结构拉缝处理

　　主体结构拆模后，水平结构拉缝处混凝土浮浆等应予以清理，完整露出水平结构拉缝；无防水要求内侧可采用无收缩的干粉砂浆涂抹，临边一侧采用改性硅酮胶封堵密实，再涂刷聚合物抗裂砂浆，内压波形网格布一道。

　　5）水平结构拉缝验收

　　水平结构拉缝应在混凝土初凝时安装，严禁终凝后安装，止水节方向应朝外设置；水平结构拉缝与混凝土粘接密实，若存在未密实，应使用抹平工具等挤压推送混凝土使其下方填充密室；水平结构拉缝安装或处理后，必须经项目管理人员验收合格后，方可进入下一道工序。

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　　裂缝控制验算参照《混凝土结构设计规范GB50010》要求，在正常使用极限状态下，对钢筋混凝土构件，按荷载准永久组合并考虑长期作用影响计算时，验算构造柱（墙）受力裂缝宽度。

　　本工程处于室内干燥环境以及无侵蚀性进水浸没环境，环境类别：一类；裂缝控制等级：三级；最大裂缝宽度：0.30mm；以最大截面尺寸GZ4、混凝土等级最低的不利因素计算构造柱（墙）与梁底处的裂缝宽度，裂缝控制等级及最大裂缝宽的限值见表2所示。

　　表2 结构构件的裂缝控制等级及最大裂缝宽度的限值

　　

　　验算基本资料：

　　①矩形截面偏心受压构件，构件受力特征系数αcr=2.10；截面尺寸b×h=200×600；受压构件的计算长度lo=3400；

　　②纵向钢筋根数、直径为6Φ12，HRB400 级；受拉区纵向钢筋的等效直径deq=(Σni×di2)/(Σni×vi ×di)=12mm，带肋钢筋的相对粘结特性系数vi=1.0 ；

　　③ 受拉纵筋面积As=679mm；钢筋弹性模量Es=200000N/mm；

　　④最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离c=25mm；纵向受拉钢筋合力点至截面近边的距离as=31.0mm；ho=569mm；

　　⑤混凝土抗拉强度标准值ftk=1.78N/mm；

　　⑥按荷载效应的标准组合计算的轴向力值：Nk=500.0kN；

　　按荷载效应的标准组合计算的弯距值：Mk=160.000kN·m；

　　轴向力对截面重心的偏心矩：e0 =Mk/Nk=160000000/500000=320mm。

　　最大裂缝宽度验算，具体步骤与计算结果如下：

　　1）对矩形截面的偏心受压构件，按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率ρte，即：

　　

　　式中：

　　As—受拉纵筋截面面积；

　　Ate—为有效受拉混凝土截面面积。

　　2）按荷载效应的标准组合计算的纵向受拉钢筋的等效应力，即如下：

　　

　　式中：

　　As—受拉纵筋截面面积

　　e—轴向压力作用点至纵向受拉钢筋合力点的距离；

　　e0—轴向力对截面重心的偏心矩；

　　ηs--使用阶段的轴向压力偏心距增大系数

　　ys—截面重心到纵向受拉钢筋合力点的距离；

　　Z—纵向受拉钢筋合力点至截面受压区合力点的距离；

　　γ'f —受压翼缘面积与腹板有效面积的比值，对于矩形截面，γ'f'＝0。

　　3）计算裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数，即：

　　

　　式中：

　　ftk—抗拉强度标准值；

　　ρte—纵向受拉钢筋配筋率；

　　ho—纵向受拉钢筋合力点至截面近边的距离；

　　σs—按荷载效应的标准组合计算的纵向受拉钢筋的等效应力

　　4）计算最大裂缝宽度，即：

　　

　　式中：

　　αcr—为构件受力特征系数；

　　σs—按荷载效应的标准组合计算的纵向受拉钢筋的等效应力；

　　Es—钢筋弹性模量；

　　—裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数；

　　c—最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离；

　　deq—受拉区纵向钢筋的等效直径；

　　ρte—纵向受拉钢筋配筋率。

　　根据验算结果，在正常极限状态下，构造柱（墙）上端与梁底交界处的最大裂缝宽度

　　ωmax=0.27mm，小于表2中的0.30mm，满足规范要求。

　　因此，也验证了在满足裂缝控制的前提下，构造柱（墙）顶部的水平结构水平拉缝可取消设置，仅保留底部的水平结构拉缝，进一步降低施工难度。

　　在整个施工周期内的实际情况来看，所有的构造柱（墙）采用同步施工技术3施工，主体结构工程未出现裂缝，装饰装修阶段未有渗水的情况发生，表明裂缝宽度验算结果的合理性与科学性，能指导施工现场的实际施工。

　　故本文所提出的同步施工技术3能保证裂缝的宽度在可控制范围内。

　　同步施工技术3承载着主体结构安全和施工的双重作用，通过裂缝计算，精简施工工艺，降低施工难度等方面，克服了传统施工技术、同步施工技术2 和同步施工技术1 的不足，达到保安全、提质量、降成本、增效益的目的，同时具有安全可靠、质量可控性等特点，具体如下：

　　1）安全可靠性

　　同步施工技术3不影响主体结构在施工阶段的受力，工艺计算简单，无后续混凝土凿毛、操作架体搭设、模板制安与混凝土浇筑等工序，减少临边作业，有效提高施工安全系数,同时也可以有效杜绝或减少由于施工不当等因素引起高空坠落伤亡事故的发生。应用同步施工技术3 施工，无安全事故发生，能确保施工阶段的生产安全。

　　2）质量可控性

　　对比传统施工技术、同步施工技术1和同步施工技术2 ，通过改变位置及改变填充材料，克服结构隔离缝常因模板的安装带来尺寸偏差，拆模后需要再修补，以及因混凝土浇捣不密实所带来的质量问题，如渗漏。而同步施工技术3，采用结构拉缝材料，操作方便、能够消除渗水隐患，质量容易得到保证。

　　3）技术可行性

　　同步施工技术3是在同步施工技术1的基础上，结合施工现场，技术上均具有领先优势，通过裂缝计算后满足设计与施工要求，并且已在多个项目上实施，经过丰富的工程实践检验了技术的成熟性和实用性。

　　4）经济合理性

　　同步施工技术3相较于传统施工技术、同步施工技术1和同步施工技术2，能确保主体结构安全、生产安全和质量控制的要求，在工期与成本等方面均有显著性优势：

　　①成本方面

　　经测算分析，该项目6#栋单层面积约为1000m2，按24层计算，对比不同施工技术下的成本，见表3所示；

　　表3 同步施工技术成本对比

　　

　　②工期方面

　　同步施工技术3无后续二次支模、架体等复杂施工工序，缩短了后续砌体工程及相关工序的提前插入施工，提高施工效率，标准层的施工工期会节约1～1.5d。综合分析，结构隔离缝位置及填充材料改变，在安全、进度、质量和施工成本等方面，均占有有一定的优势，尤其在安全和成本方面的优势较明显。

　　5）现场可实施性

　　同步施工技术3，其结构隔离缝位置与楼面交汇，楼面混凝土施工前，安置结构拉缝材料，工艺技术简单，项目部容易组织作业班组施工，施工后不影响主体结构在施工阶段的受力要求，可实施性均优于传统施工技术、同步施工技术2、同步施工技术1，有利于后续砌体工程及其他工序的提前施工，减少了湿化作业与人材机等费用的投入，符合低碳环保要求。

　　1）该工程应用实践证明，构造柱（墙）的同步施工技术3克服了目前同步施工技术的不足，通过对比各同步技术的工艺流程后，同步施工技术3具有显著性特点，实现了与主体结构的同步施工，不制约多项工作穿插施工；

　　2）通过MorGain结构软件，验算同步施工技术3在极限状态下的裂缝宽度，确保在规范允许范围内；

　　3）同步施工技术3作为一种新技术，工艺技术简单，不仅降低施工组织难度与安全风险，而且降本增效提质等，可广泛应用于高层、超高层建筑的同步施工构造柱（墙）中，具有很好的推广应用价值。

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