1、超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计与建造技术目 录目 录Click to add Title第二章：课题主要研究内容Click to add Title第四章：实施效果及综合效益Click to add Title第一章：课题简介Click to add Title第三章：成果技术水平及主要创新点第一章 课题简介第一章 课题简介1.1课题研究背景1.1课题研究背景（1）钢管混凝土柱结构的发展与应用（1）钢管混凝土柱结构的发展与应用19世纪80年代英国铁路桥主要用于钢结构内壁防锈20世纪上半叶桥墩、栈桥、输电塔主要增大钢管柱的承载力20世纪下半叶至今超高层建筑外框巨柱具有承载力高、抗震性能好2、提高结构的抗侧移刚度等特点1.1课题研究背景1.1课题研究背景（2）国内在建超高层结构体系及巨柱截面情况（2）国内在建超高层结构体系及巨柱截面情况序号项目名称高度（层数）巨柱类型根数（根）最大截面尺寸（m）最大截面积（）支撑桁架设置1广州东塔530m（112层）矩形钢管柱83.55.619.64道伸臂桁架+6道环带桁架2深圳平安648/540m（104层）钢骨柱83.26.52520.884道伸臂桁架+7道环带桁架3上海中心632/580m（124层）钢骨柱83.75.319.614道伸臂桁架+8道环带桁架4武汉绿地636/575m（125层）钢骨柱123.34.615.184道伸臂桁架+13、0道环带桁架5天津117597m（130层）六边形钢管柱422822.3/11.2335.233序号项目名称高度（层数）巨柱类型根数（根）最大截面尺寸（m）最大截面积（）支撑桁架设置1广州东塔530m（112层）矩形钢管柱83.55.619.64道伸臂桁架+6道环带桁架2深圳平安648/540m（104层）钢骨柱83.26.52520.884道伸臂桁架+7道环带桁架3上海中心632/580m（124层）钢骨柱83.75.319.614道伸臂桁架+8道环带桁架4武汉绿地636/575m（125层）钢骨柱123.34.615.184道伸臂桁架+10道环带桁架5天津117597m（130层）六边形钢4、管柱422822.3/11.2335.233109（含翼墙）45（地上）无伸臂桁架+109（含翼墙）45（地上）无伸臂桁架+9道环带桁架9道环带桁架 在最近十年，随着超高层建筑不断涌现，钢管混凝土组合柱越来越多应用于超高层建筑中。1.1课题研究背景1.1课题研究背景（3）钢管混凝土柱优势（3）钢管混凝土柱优势承载力高，延性好，抗震性能优越有利于钢管的抗火和防火（内部混凝土可吸收大量热量）耐腐蚀性能优于钢结构（内部浇筑混凝土，减少与外界空气接触）施工方便，节省工期（不需支、拆模板）1.2依托工程简介1.2依托工程简介建筑面积：建筑面积：84.7万m84.7万m2 2结构高度：结构高度：596.55、m596.5m，建筑高度：，建筑高度：597m597m由117办公楼及裙楼、总部办公楼、商业廊及精品商业等组成，是集由117办公楼及裙楼、总部办公楼、商业廊及精品商业等组成，是集精品商业、甲级写字楼、餐饮娱乐精品商业、甲级写字楼、餐饮娱乐和和六星级酒店六星级酒店于一体的综合性特大型超高层建筑群。117办公楼地下3层(局部4层)，地上共于一体的综合性特大型超高层建筑群。117办公楼地下3层(局部4层)，地上共117层117层(含设备层共(含设备层共130个结构层130个结构层)，塔楼首层建筑平面尺寸约65m65m，4200，以0.88渐变至顶层时平面尺寸约45m45m，2100。)，塔楼首层建筑6、平面尺寸约65m65m，4200，以0.88渐变至顶层时平面尺寸约45m45m，2100。1.3课题的提出及研究重难点1.3课题的提出及研究重难点（1）课题的提出（1）课题的提出 超高层建筑外框柱的结构形式以钢管混凝土柱和劲性混凝土柱居多，钢管混凝土柱因受力性能好、经济、施工方便而被广泛使用。钢管混凝土柱截面一般有圆形、矩形两类，截面面积一般在10以内。天津117大厦建筑方案设计之初，超高层建筑外框柱的结构形式以钢管混凝土柱和劲性混凝土柱居多，钢管混凝土柱因受力性能好、经济、施工方便而被广泛使用。钢管混凝土柱截面一般有圆形、矩形两类，截面面积一般在10以内。天津117大厦建筑方案设计之初，建设7、单位对建筑外立面提出了开阔视野、简洁明朗的要求，在满足建筑外立面效果的前提下，外框必须采用少柱，框柱数量减少势必会增大钢管柱截面，建设单位对建筑外立面提出了开阔视野、简洁明朗的要求，在满足建筑外立面效果的前提下，外框必须采用少柱，框柱数量减少势必会增大钢管柱截面，而600米超高层建筑，结构自重巨大，且风荷载、地震荷载作用下，钢管柱截面将发生巨大变化，巨型钢管柱在设计、施工都缺乏相关经验的积累和借鉴，而其受力的安全性、施工质量对工程建设至关重要。针对巨型钢管混凝土柱设计与施工的复杂性及应用现状，同时确保天津117大厦巨型钢管混凝土柱的成功实施，特成立超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计与建造技8、术课题研究小组。而600米超高层建筑，结构自重巨大，且风荷载、地震荷载作用下，钢管柱截面将发生巨大变化，巨型钢管柱在设计、施工都缺乏相关经验的积累和借鉴，而其受力的安全性、施工质量对工程建设至关重要。针对巨型钢管混凝土柱设计与施工的复杂性及应用现状，同时确保天津117大厦巨型钢管混凝土柱的成功实施，特成立超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计与建造技术课题研究小组。1.3课题的提出及研究重难点1.3课题的提出及研究重难点（2）研究重难点（2）研究重难点 1、巨型截面是否适用尚不清楚，且相关规范中巨型截面钢管混凝土柱承载力计算 1、巨型截面是否适用尚不清楚，且相关规范中巨型截面钢管混凝土柱承载力9、计算没有现成的公式可以借鉴。没有现成的公式可以借鉴。2、天津117大厦巨型柱内混凝土强度达到C70，最高泵送高度达到583.660m，要求混凝土必须具备自密实、低收缩、低水化热等综合指标。为确保现场施工质量，必须 2、天津117大厦巨型柱内混凝土强度达到C70，最高泵送高度达到583.660m，要求混凝土必须具备自密实、低收缩、低水化热等综合指标。为确保现场施工质量，必须解决混凝土高强与低水化热、低收缩之间的矛盾，低水化热、低收缩与自密实性能之间的矛盾，自密实性能与低粘度之间的矛盾，低粘度与高强之间的矛盾。解决混凝土高强与低水化热、低收缩之间的矛盾，低水化热、低收缩与自密实性能之间的矛盾，自密10、实性能与低粘度之间的矛盾，低粘度与高强之间的矛盾。3、本工程巨型钢管混凝土柱截面为六边形，非圆钢管，混凝土初凝前对管壁侧压力影响大，易造成局部变形。巨型柱混凝土施工期经历冬季与夏季，施工环境差异大，且泵送压力达到15MPa以上，3、本工程巨型钢管混凝土柱截面为六边形，非圆钢管，混凝土初凝前对管壁侧压力影响大，易造成局部变形。巨型柱混凝土施工期经历冬季与夏季，施工环境差异大，且泵送压力达到15MPa以上，在复杂气象条件及高压作用下混凝土工作性能易造成不利影响。在复杂气象条件及高压作用下混凝土工作性能易造成不利影响。4、巨型组合截面柱组拼单元多，大部分单元都存在三个方向的拼接焊缝，部分核心单元同时11、存在上、下、四周六个方向的焊缝。焊缝纵横交错，焊接填充量巨大，若焊缝顺序不当，4、巨型组合截面柱组拼单元多，大部分单元都存在三个方向的拼接焊缝，部分核心单元同时存在上、下、四周六个方向的焊缝。焊缝纵横交错，焊接填充量巨大，若焊缝顺序不当，焊接过程中的焊接收缩势必会带来较大的焊接残余应力，对工程的质量造成影响。焊接过程中的焊接收缩势必会带来较大的焊接残余应力，对工程的质量造成影响。5、巨型柱采用了超大截面多腔体钢管混凝土柱，节点处柱内设置了密集的水平横隔板和纵向加劲肋，混凝土浇筑的密实度、钢管壁与混凝土之间的粘结性能受到不利影响，钢管混凝土柱截面大幅增大对混凝土检测带来难题，5、巨型柱采用了超大12、截面多腔体钢管混凝土柱，节点处柱内设置了密集的水平横隔板和纵向加劲肋，混凝土浇筑的密实度、钢管壁与混凝土之间的粘结性能受到不利影响，钢管混凝土柱截面大幅增大对混凝土检测带来难题，必须采取新手段对钢管柱中混凝土的浇筑质量以及钢管与混凝土的粘结性能进行必要的检测与评估。必须采取新手段对钢管柱中混凝土的浇筑质量以及钢管与混凝土的粘结性能进行必要的检测与评估。第二章 课题主要研究内容第二章 课题主要研究内容2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究（1）研究背景（1）研究背景特点:结构中大量使用特点:结构中大量使用钢-混凝土组合构件钢-混凝土组合构13、件，结构体系也以钢-混凝土混合结构体系为主。，结构体系也以钢-混凝土混合结构体系为主。底部轴力巨大、柱截面形式越来越复杂。底部轴力巨大、柱截面形式越来越复杂。理论研究还不完善，设计方法也不够成熟。理论研究还不完善，设计方法也不够成熟。上海中心上海中心深圳平安深圳平安广州东塔广州东塔天津天津1172.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究（2）超高层建筑巨型框架结构体系选型研究（2）超高层建筑巨型框架结构体系选型研究1）结构竖向构件的平面布置位置结构竖向构件的平面布置位置是影响超高层建筑抗侧效率重要因素之一，相同平面形状、不同立柱布置对截面抗14、弯刚度的影响。采用正方形平面，在保证立柱总面积相等的情况下，根据立柱布置的不同，分A、B、C、D四个模型进行计算，其平面布置图如下图所示。假定模型A的平面沿X轴与Y轴的抗弯刚度均为EI，通过计算可得其余模型的截面抗弯刚度及相对刚度。模型A模型B模型C模型D4个角柱4个角柱+4个中柱4个角柱+12个中柱4个中柱2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究（2）超高层建筑巨型框架结构体系选型研究（2）超高层建筑巨型框架结构体系选型研究10.740.690.500.20.40.60.814个角柱4个角柱+4个中柱4个角柱+12个中柱4个中柱抗弯刚度15、相对值立柱平面布置抗弯刚度相对值立柱平面布置当平面形状与立柱的截面面积保持不变的情况下，截面的抗弯刚度随着柱子面积与中和轴的距离的平方成正比，当平面形状与立柱的截面面积保持不变的情况下，截面的抗弯刚度随着柱子面积与中和轴的距离的平方成正比，即柱子布置在正方形的四个角上，截面的抗弯刚最大；反之，柱子均布置在两条中和轴，截面的抗弯刚度最小，为前者的50%。即柱子布置在正方形的四个角上，截面的抗弯刚最大；反之，柱子均布置在两条中和轴，截面的抗弯刚度最小，为前者的50%。天津117大厦（四根巨柱布置在塔楼角部）能够较完美满足结构平面抗弯刚度最大化的需求。天津117大厦（四根巨柱布置在塔楼角部）能够较完16、美满足结构平面抗弯刚度最大化的需求。2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究（2）超高层建筑巨型框架结构体系选型研究（2）超高层建筑巨型框架结构体系选型研究2）外框架的布置形式采用1中分析作为参照的正方形平面，在保证立柱总面积相等的情况下，根据外框类型的不同（分别为稀柱体系、带支撑巨型框架体系、密柱框筒体系、斜交网格体系），分A、B、C、D四个模型进行计算，其平面布置图如下图所示。模型A模型B模型C模型D稀柱体系带支撑巨型框架体系密柱框筒体系斜交网格体系注：对于B、D模型，在外框立面上沿整个结构高度布置有斜撑。不同模型外框竖向构件与斜撑构17、件在水平面内的轴向刚度相同。注：对于B、D模型，在外框立面上沿整个结构高度布置有斜撑。不同模型外框竖向构件与斜撑构件在水平面内的轴向刚度相同。2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究（2）超高层建筑巨型框架结构体系选型研究（2）超高层建筑巨型框架结构体系选型研究通过上表可知，支撑桁架筒-核心筒体系的模型B的平面抗弯刚度最大。因此天津117大厦采用巨柱设置在角部的带支撑巨型框架结构体系，属于超高层建筑中抗侧效率较高的结构体系。2）外框架的布置形式截面抗弯刚度相对值2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究2.1超高层结构复杂截面钢管混18、凝土巨型柱设计研究（2）超高层建筑巨型框架结构体系选型研究（2）超高层建筑巨型框架结构体系选型研究通过超高层结构体系选型比较，最终确定天津117大厦结构体系为巨型框架支撑+钢筋混凝土核心筒结构体系，外框筒由4根巨型截面多腔体异形钢管混凝土柱、环带桁架、巨型斜撑组成。3）结构体系选定通过超高层结构体系选型比较，最终确定天津117大厦结构体系为巨型框架支撑+钢筋混凝土核心筒结构体系，外框筒由4根巨型截面多腔体异形钢管混凝土柱、环带桁架、巨型斜撑组成。3）结构体系选定天津117大厦整体结构体系天津117大厦整体结构体系2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土19、巨型柱设计研究（2）超高层建筑巨型框架结构体系选型研究（2）超高层建筑巨型框架结构体系选型研究3）结构体系选定3）结构体系选定巨型柱翼墙巨型柱翼墙天津117大厦地下室结构体系天津117大厦地下室结构体系巨型柱巨型柱2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究（2）超高层建筑巨型框架结构体系选型研究（2）超高层建筑巨型框架结构体系选型研究截面类型选定天津117大厦四根巨柱均匀承担了约截面类型选定天津117大厦四根巨柱均匀承担了约55%55%塔楼总重量，同时承载了塔楼侧向力作用下约塔楼总重量，同时承载了塔楼侧向力作用下约80%80%的倾覆弯矩，罕20、遇地震作用下，巨柱最大轴力的倾覆弯矩，罕遇地震作用下，巨柱最大轴力约20万吨约20万吨。因此需要巨大的巨柱截面来满足结构的承载力以及刚度的要求。4）巨柱结构选型。因此需要巨大的巨柱截面来满足结构的承载力以及刚度的要求。4）巨柱结构选型序号指标钢管混凝土柱钢骨混凝土柱序号指标钢管混凝土柱钢骨混凝土柱1轴向承载力2抗弯承载力3混凝土施工难度4钢筋施工难度5楼面形式的选择余地钢管混凝土与钢骨混凝土柱优缺点对比表钢管混凝土与钢骨混凝土柱优缺点对比表截面形状选定巨柱需在每个建筑分区均与双向转换桁架以及巨型支撑连接，结合建筑外立面角部削角的需求，因此将巨柱设置为六边形。截面形状选定巨柱需在每个建筑分区均与21、双向转换桁架以及巨型支撑连接，结合建筑外立面角部削角的需求，因此将巨柱设置为六边形。2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究（2）超高层建筑巨型框架结构体系选型研究（2）超高层建筑巨型框架结构体系选型研究截面类型选定4）巨柱结构选型截面类型选定4）巨柱结构选型核心筒+巨型钢柱核心筒+巨型钢柱+转换桁架+巨型斜撑核心筒+巨型钢柱核心筒+巨型钢柱+转换桁架+巨型斜撑2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究（3）巨型组合截面钢管混凝土柱受力性能研究（3）巨型组合截面钢管混凝土柱受力性能研究22、1）结构整体刚度研究分析内外筒剪力分布内外筒倾覆力矩分布从剪力和倾覆力矩内外筒分担比例分析看，117大厦所选取的带有巨型支撑的巨型框架结构体系，从剪力和倾覆力矩内外筒分担比例分析看，117大厦所选取的带有巨型支撑的巨型框架结构体系，显著缓解了传统钢混凝土混合结构高层，混凝土内筒强，型钢外筒弱，对结构产生的不利影响；显著缓解了传统钢混凝土混合结构高层，混凝土内筒强，型钢外筒弱，对结构产生的不利影响；从而在实现多道设防的前提下，明显降低了混凝土核心筒在罕遇地震下刚度退化，内力重分配对型钢外框架的不利作用，显著的提高了结构的整体安全储备。从而在实现多道设防的前提下，明显降低了混凝土核心筒在罕遇地震下23、刚度退化，内力重分配对型钢外框架的不利作用，显著的提高了结构的整体安全储备。2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究（3）巨型组合截面钢管混凝土柱受力性能研究（3）巨型组合截面钢管混凝土柱受力性能研究2）巨柱承载力分析研究2）巨柱承载力分析研究巨柱承载力理论计算巨柱正截面承载力用有限元算法，计算时采用如下假定：应变分布符合平截面假定；巨柱承载力理论计算巨柱正截面承载力用有限元算法，计算时采用如下假定：应变分布符合平截面假定；钢筋、钢骨不发生局部屈曲；钢筋、钢骨不发生局部屈曲；钢骨与钢筋采用理想弹塑性应力应变关系。钢骨与钢筋采用理想弹塑性应24、力应变关系。111111lmcicisjsjijlmxcicicisjsjsjijlmycicicisjsjsjijNAAMA xA xMA yA y=2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究（3）巨型组合截面钢管混凝土柱受力性能研究（3）巨型组合截面钢管混凝土柱受力性能研究2）巨柱承载力分析研究巨柱承载力理论计算上述方法必须借助于软件或编程以实现单元的划分及承载力的积分运算，分析采用ANSYS通用有限元分析软件进行。对巨柱截面进行细分，通过对各种极限状态下的截面各单元应力进行积分，获取截面的承载力曲面。巨柱正截面承载力曲线（PMM相关曲25、线）巨柱正截面承载力曲线（PMM相关曲线）巨柱ANSYS有限元分析模型巨柱ANSYS有限元分析模型2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究（3）巨型组合截面钢管混凝土柱受力性能研究巨型组合截面钢管混凝土柱受力性能研究2）巨柱承载力分析研究巨柱承载力试验由北京工业大学进行了117大厦巨型柱试验，共设计了6个1/12缩尺的多腔体钢管混凝土巨型柱模型试件。巨柱缩尺试验模型加载装置2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究（3）巨型组合截面钢管混凝土柱受力性能研究巨型组合截面钢管混凝土柱受力性26、能研究2）巨柱承载力分析研究巨柱承载力试验结论如下：结论如下：1、轴心受压条件下，计算分析所得的多腔体钢管混凝土巨型柱原型的承载力与模型试件轴心受压承载力实测结果较为接近。2、在多腔体钢管混凝土巨型柱的腔体内配置一定数量的钢筋，可提高腔体内混凝土的工作性能，特别是在弹塑性变形阶段的工作性能。3、巨柱截面在变形过程中，角部钢板连接的焊缝应力集中现象易于发生，往往导致此处钢板焊缝首先损伤乃至开裂破坏。4、巨柱试验验证了巨柱截面理论分析的可靠性，并为巨柱构造设计提供了有效建议。巨柱截面应变（验证平截面假定）巨柱截面应变（验证平截面假定）巨柱角部焊缝破坏巨柱角部焊缝破坏2.1超高层结构复杂截面钢管混凝27、土巨型柱设计研究2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究（3）巨型组合截面钢管混凝土柱受力性能研究巨型组合截面钢管混凝土柱受力性能研究2）巨柱承载力分析研究2）巨柱承载力分析研究巨柱刚度退化分析侧向荷载作用下巨型框架约承担了巨柱刚度退化分析侧向荷载作用下巨型框架约承担了80%的倾覆弯矩80%的倾覆弯矩，虽然巨柱承担了约55%的建筑重量，但巨柱在罕遇地震下仍可能出现拉力。巨柱内部混凝土受拉可能退出工作，对于巨柱轴向刚度有较大影响。北京工业大学针对此现象进行了普通矩形钢管混凝土柱往复拉压试验，以获取拉压反复作用下，钢管混凝土柱的真实刚度。，虽然巨柱承担了约55%的建筑重量，但巨柱在罕遇地震28、下仍可能出现拉力。巨柱内部混凝土受拉可能退出工作，对于巨柱轴向刚度有较大影响。北京工业大学针对此现象进行了普通矩形钢管混凝土柱往复拉压试验，以获取拉压反复作用下，钢管混凝土柱的真实刚度。反复拉压试验模型轴向刚度K-轴向应变曲线02000400060008000100001200014000-3000-2000-100001000/K/kN/mm有栓钉段无栓钉段2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究（3）巨型组合截面钢管混凝土柱受力性能研究巨型组合截面钢管混凝土柱受力性能研究2）巨柱承载力分析研究2）巨柱承载力分析研究巨柱刚度退化分析巨柱29、刚度退化分析试验结论如下：试验结论如下：各试件的抗压刚度明显大于抗拉刚度，混凝土受拉退出工作现象比较严重。各试件的抗压刚度明显大于抗拉刚度，混凝土受拉退出工作现象比较严重。在弹塑性变形后期无栓钉段容易出现薄弱的截面，这种薄弱的截面在轴向往复拉压荷载作用下性能退化较快，导致整个构件的后期承载力、刚度和延性显著下降，十分不利。在弹塑性变形后期无栓钉段容易出现薄弱的截面，这种薄弱的截面在轴向往复拉压荷载作用下性能退化较快，导致整个构件的后期承载力、刚度和延性显著下降，十分不利。在钢管柱的腔体内钢板上焊接一定数量的栓钉，可明显提高钢管与腔体内混凝土共同工作的性能，特别是弹塑性变形阶段的工作性能。在钢管30、柱的腔体内钢板上焊接一定数量的栓钉，可明显提高钢管与腔体内混凝土共同工作的性能，特别是弹塑性变形阶段的工作性能。“轴力F-位移U”曲线”（有栓钉段）“轴力F-位移U”曲线”（无栓钉段）-3000-2000-10000100020003000-2-1.5-1-0.500.5U/mmF/kN-3000-2000-10000100020003000-2-1.5-1-0.500.5U/mmF/kN2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究（3）巨型组合截面钢管混凝土柱受力性能研究巨型组合截面钢管混凝土柱受力性能研究3）巨柱焊缝形式研究分析3）巨柱焊31、缝形式研究分析项目部委托同济大学对巨型钢管混凝土柱的截面组装焊缝性能进行研究。由于巨柱截面巨大，为了试验能够更好模拟焊缝影响，需降低试件的缩尺比例。试验根据焊缝位置以及焊缝形式设计了2腔以及4腔截面。2腔模型截面示意图4腔模型截面示意图2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究（3）巨型组合截面钢管混凝土柱受力性能研究巨型组合截面钢管混凝土柱受力性能研究3）巨柱焊缝形式研究分析3）巨柱焊缝形式研究分析试验、分析结论如下：试验、分析结论如下：天津117大厦巨型钢管混凝土柱组装焊缝可采用以下方案：横向焊缝均采用全熔透，纵向外部焊缝采用全熔透，仅32、对影响较小的纵向内部焊缝采用部分熔透形式。天津117大厦巨型钢管混凝土柱组装焊缝可采用以下方案：横向焊缝均采用全熔透，纵向外部焊缝采用全熔透，仅对影响较小的纵向内部焊缝采用部分熔透形式。部分熔透形式角焊缝形式一级全熔透形式一级全熔透形式2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究（3）巨型组合截面钢管混凝土柱受力性能研究巨型组合截面钢管混凝土柱受力性能研究4）巨柱节点设计研究4）巨柱节点设计研究柱脚节点设计巨型柱承担了近50%的上部结构竖向荷载。在水平地震作用下，由巨柱和支撑组成的柱脚节点设计巨型柱承担了近50%的上部结构竖向荷载。在水平地震33、作用下，由巨柱和支撑组成的外筒承担的底层剪力占基底总剪力65%外筒承担的底层剪力占基底总剪力65%，底层倾覆力矩占基底总倾覆力矩80%。巨柱是主体结构体系的关键构件之一，因此巨柱的柱脚构造设计尤为重要。巨柱柱脚的设计目标同巨柱，即中震弹性和大震不屈服。根据荷载组合分析，只有大震不屈服工况柱脚出现拉力，最大拉力值为300MN，其余工况巨柱柱脚承担压力。，底层倾覆力矩占基底总倾覆力矩80%。巨柱是主体结构体系的关键构件之一，因此巨柱的柱脚构造设计尤为重要。巨柱柱脚的设计目标同巨柱，即中震弹性和大震不屈服。根据荷载组合分析，只有大震不屈服工况柱脚出现拉力，最大拉力值为300MN，其余工况巨柱柱脚承担34、压力。1353290 334095 231377 500335 1206807 0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 1400000 1600000 恒+活风荷载小震中震大震巨柱轴力（kN）巨柱轴力分布巨柱轴力分布2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究（3）巨型组合截面钢管混凝土柱受力性能研究巨型组合截面钢管混凝土柱受力性能研究4）巨柱节点设计研究柱脚节点设计一般柱脚节点构造有露出式、埋入式以及半埋入式几种。本工程采用露出式柱脚构造，辅以高强锚栓系统承担大震下的拉力，主要有几点原因：35、主要有几点原因：1 高强锚栓系统（75mm，屈服强度1080kN/）具有材料抗拉强度高，与筏板纵筋冲突少、方便施工的特点；2 地下室范围巨柱与翼墙连接，巨柱的内力已有效扩散至筏板；3 巨柱柱脚的弯矩、剪力与轴力相比，承载力要求较低；4 巨柱为多腔钢管混凝土，钢柱脚底板可采用环板构造，巨大轴向压力可通过混凝土直接传递筏板；5 露出式柱脚可充分利用筏板厚度，提高筏板抗冲切承载力；6 如采用埋入式，巨柱柱脚不可避免与筏板的顶面纵筋冲突，筏板钢筋有较大削弱，钢柱安装定位需要额外固定措施，给土建和钢构施工均带来难度；7 延长钢结构加工制作周期。钢柱可延迟至筏板混凝土养护结束时进场，增加近3个月的加工周期36、。巨柱柱脚节点示意图巨柱柱脚节点示意图2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究（3）巨型组合截面钢管混凝土柱受力性能研究巨型组合截面钢管混凝土柱受力性能研究4）巨柱节点设计研究4）巨柱节点设计研究巨型节点设计塔楼巨型节点连接双向转换桁架以及巨型支撑，是结构设计的关键节点，主要有以下特点：节点尺寸大、节点连接杆件多、巨型支撑与转换桁架不在同一平面内，两者之间的净距仅200mm。鉴于巨型节点设计塔楼巨型节点连接双向转换桁架以及巨型支撑，是结构设计的关键节点，主要有以下特点：节点尺寸大、节点连接杆件多、巨型支撑与转换桁架不在同一平面内，两者之间37、的净距仅200mm。鉴于节点构造节点构造、传力机制传力机制、材料组成材料组成等方面都非常复杂，且数值模拟难度大，故有必要对此连接进行试验研究。项目部委托同济大学进行了117巨柱节点试验，并进行了节点有限元分析进行验证。等方面都非常复杂，且数值模拟难度大，故有必要对此连接进行试验研究。项目部委托同济大学进行了117巨柱节点试验，并进行了节点有限元分析进行验证。巨型节点有限元模型巨型节点试验模型2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究（3）巨型组合截面钢管混凝土柱受力性能研究巨型组合截面钢管混凝土柱受力性能研究4）巨柱节点设计研究巨型节点设计38、通过对节点进行单向、往复加载以及有限元分析论证，4）巨柱节点设计研究巨型节点设计通过对节点进行单向、往复加载以及有限元分析论证，主要有以下结论：主要有以下结论：两种工况大震水平往复加载时，两个节点均未有明显的宏观破坏现象发生，试件基本处于弹性状态，两种工况大震水平往复加载时，两个节点均未有明显的宏观破坏现象发生，试件基本处于弹性状态，节点满足大震不屈服要求节点满足大震不屈服要求；弹塑性滞回加载时，支撑端部荷载超过支撑屈服内力后，巨柱节点未有明显破坏现象，说明；弹塑性滞回加载时，支撑端部荷载超过支撑屈服内力后，巨柱节点未有明显破坏现象，说明结构设计符合“强节点弱构件”的抗震设计要求结构设计符合“39、强节点弱构件”的抗震设计要求；支撑、桁架与巨柱的连接焊缝，横隔板与钢管以及钢骨间的连接焊缝都十分重要，施工中应当保证节点域对接；支撑、桁架与巨柱的连接焊缝，横隔板与钢管以及钢骨间的连接焊缝都十分重要，施工中应当保证节点域对接焊缝的质量焊缝的质量。2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究（4）技术成果结论（4）技术成果结论1、1、巨柱设置在四个角部平面抗弯刚度最大巨柱设置在四个角部平面抗弯刚度最大，带支撑巨型框架结构体系属于超高层建筑中抗侧效率较高的结构体系。2、，带支撑巨型框架结构体系属于超高层建筑中抗侧效率较高的结构体系。2、巨柱截面基40、本符合平截面假定巨柱截面基本符合平截面假定，纵向内部焊缝部分熔透的形式对钢管混凝土柱的斜向受压极限承载力和延性影响较小。3、轴心受压条件下，计算分析所得的多腔体钢管混凝土巨型柱原型的承载力与模型试件轴心受压承载力实测结果较为接近。巨型柱内须配置一定数量钢筋、巨柱周边钢板焊缝的棱角部位予以加强。4、节点区域耗能性能良好，结构设计，纵向内部焊缝部分熔透的形式对钢管混凝土柱的斜向受压极限承载力和延性影响较小。3、轴心受压条件下，计算分析所得的多腔体钢管混凝土巨型柱原型的承载力与模型试件轴心受压承载力实测结果较为接近。巨型柱内须配置一定数量钢筋、巨柱周边钢板焊缝的棱角部位予以加强。4、节点区域耗能性能41、良好，结构设计符合“强节点弱构件”的抗震设计符合“强节点弱构件”的抗震设计要求。要求。2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术（1）多腔体钢管柱高强高性能混凝土研制与评价技术（1）多腔体钢管柱高强高性能混凝土研制与评价技术1）研究背景本工程外框4根巨型钢管混凝土柱，单根柱最大横截面面积为1）研究背景本工程外框4根巨型钢管混凝土柱，单根柱最大横截面面积为109109，且柱内腔体多，腔体体内有大量50mm大直径竖向钢筋与肋板，所浇筑混凝土为C70自密实混凝土，为确保巨型柱整体强度、混凝土浇筑密实度，同时控制混凝土与钢柱内壁间的缝隙，混凝土性能42、指标须满足下表要求，且柱内腔体多，腔体体内有大量50mm大直径竖向钢筋与肋板，所浇筑混凝土为C70自密实混凝土，为确保巨型柱整体强度、混凝土浇筑密实度，同时控制混凝土与钢柱内壁间的缝隙，混凝土性能指标须满足下表要求技术指标具体要求技术指标具体要求坍落度及坍落度经时损失对于巨型柱C70自密实混凝土，为保障混凝土具有超强的施工性能，要求混凝土入泵坍落度为220240mm；坍落度经时损失要求为1h小于10mm，2h小于20mm；保证混凝土匀质性高、粘聚性好，不离析。坍落扩展度坍落扩展度在600700mm之间，扩展度损失1h小于20mm，2h小于30mm。倒锥试验倒锥试验流出时间在58s之间，保证超高43、泵送时具有合适的粘度。压力泌水率压力泌水率小于35%，保证超高泵送压力下混凝土的抗离析性能。体积稳定性3天收缩率小于万分之二C70混凝土性能指标表C70混凝土性能指标表2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术（1）多腔体钢管柱高强高性能混凝土研制与评价技术（1）多腔体钢管柱高强高性能混凝土研制与评价技术1）研究背景由于采用高强高性能自密实混凝土，且泵送高度高，根据混凝土各项性能指标要求，对其研制主要从以下1）研究背景由于采用高强高性能自密实混凝土，且泵送高度高，根据混凝土各项性能指标要求，对其研制主要从以下三个方面开展三个方面开展：1 大44、体积混凝土体量大，水泥水化时放热量多，如何降低大体积混凝土的水化热、控制温度裂缝。2 高强混凝土水胶比很低，胶凝材料总量高，细矿物掺合料量大，混凝土收缩较大，如何控制高强混凝土的收缩在合理的范围内。3 异形多腔巨型柱结构复杂，对混凝土流动性能及抗离析性能要求苛刻，要求混凝土具有较高的粘度，但是粘度高会导致混凝土泵送困难，因此粘度的控制是研究重点。2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术（1）多腔体钢管柱高强高性能混凝土研制与评价技术（1）多腔体钢管柱高强高性能混凝土研制与评价技术2）C70大体积自密实混凝土胶凝材料体系研究2）C70大体积45、自密实混凝土胶凝材料体系研究微珠基本性能研究a、微珠颗粒粒径及形态微珠呈球形颗粒，硅灰呈无定形态，超细矿粉呈不规则多边形状。硅灰的无定形态会吸附大量的自由水，对体系流动性有负面影响；超细矿粉不规则多边形状，棱角分明，与微珠形成鲜明的对比，也不能增加体系流动性。而微珠细又多的球形颗粒，能够说明其在胶凝材料体系中可以表现出更出色的微珠基本性能研究a、微珠颗粒粒径及形态微珠呈球形颗粒，硅灰呈无定形态，超细矿粉呈不规则多边形状。硅灰的无定形态会吸附大量的自由水，对体系流动性有负面影响；超细矿粉不规则多边形状，棱角分明，与微珠形成鲜明的对比，也不能增加体系流动性。而微珠细又多的球形颗粒，能够说明其在胶凝46、材料体系中可以表现出更出色的“滚珠”轴承作用“滚珠”轴承作用，增加，增加浆体流动性浆体流动性。微珠SEM图片硅灰SEM图片超细矿粉SEM图片2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术（1）多腔体钢管柱高强高性能混凝土研制与评价技术（1）多腔体钢管柱高强高性能混凝土研制与评价技术2）C70大体积自密实混凝土胶凝材料体系研究2）C70大体积自密实混凝土胶凝材料体系研究微珠基本性能研究微珠基本性能研究b、微珠化学成分水泥粒度分布硅灰粒度分布超细矿粉粒度分布微珠粒度分布原材料SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgO烧失量共计水泥23.355.17347、.8159.603.060.9596.03微珠58.9016.436.519.171.340.2992.64微珠58.9016.436.519.171.340.2992.64粉煤灰49.9231.236.712.540.782.9194.09超细矿粉31.7614.640.4036.279.960.7893.81硅灰89.640.490.981.181.752.8096.84c、微珠粒度分析c、微珠粒度分析2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术（1）多腔体钢管柱高强高性能混凝土研制与评价技术（1）多腔体钢管柱高强高性能混凝土研制与评价技48、术2）C70大体积自密实混凝土胶凝材料体系研究2）C70大体积自密实混凝土胶凝材料体系研究微珠对水泥性能的影响研究微珠对水泥性能的影响研究0102030405050100150200250流 动度/mm微珠掺量/%01020304050012345678减水率/%微珠掺量/%0102030405001020304050607080 3d 7d 28d抗压强度/MPa微珠掺量/%微珠掺量对胶凝材料体系减水率的影响微珠掺量对水泥净浆流动度的影响微珠掺量对水泥胶砂强度的影响微珠掺量对胶凝材料体系减水率的影响微珠掺量对水泥净浆流动度的影响微珠掺量对水泥胶砂强度的影响2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨49、型柱建造技术2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术（1）多腔体钢管柱高强高性能混凝土研制与评价技术（1）多腔体钢管柱高强高性能混凝土研制与评价技术2）C70大体积自密实混凝土胶凝材料体系研究低热胶凝体系关键技术胶凝体系水化温升测试结果胶凝体系水化温升测试结果编号水泥/kg矿粉/kg微珠/kg粉煤灰/kg水胶比编号水泥/kg矿粉/kg微珠/kg粉煤灰/kg水胶比140010010000.232150210901500.203150270120600.2041502101201200.20因此，低热胶凝材料体系设计的原则是尽量降低水泥与硅灰用量，提高粉煤灰或微珠用量。因此，低热胶凝材料体50、系设计的原则是尽量降低水泥与硅灰用量，提高粉煤灰或微珠用量。2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术（1）多腔体钢管柱高强高性能混凝土研制与评价技术（1）多腔体钢管柱高强高性能混凝土研制与评价技术3）C70大体积自密实混凝土配制及性能研究3）C70大体积自密实混凝土配制及性能研究水泥+粉煤灰+超细矿粉+硅灰胶凝材料体系水泥+粉煤灰+超细矿粉+硅灰胶凝材料体系编号胶材总量W/C水泥粉煤灰超细矿粉硅灰砂516mm碎石510mm碎石水PC%C7015800.274106050607458351101552.40C7026000.2642070551、060737835981552.30C7036100.25420905050751835841552.10C7046200.254309030707158451101552.40C7056200.2740010050707459051652.20C7066200.2540010050707459051552.50C7076300.254309050607459051552.50编号坍落扩展度/mm坍落与J环扩展度之差/mm倒坍时间/s离析率/%U型箱填充高度/mm抗压强度/MPa3d7d14d28dC701685105.25.136061.971.27982.8C702695103.75.9352、6061.37580.783.5C70370553.46.736257.368.372.285.5C70471553.15.337062.468.676.482.5C70571002.67.736360.16870.481.2C706670207.63.636865.175.580.289.6C707655258.85.335269.770.385.292.7在水泥+粉煤灰+超细矿粉+硅灰胶材体系下，配合比C70-3最佳。在水泥+粉煤灰+超细矿粉+硅灰胶材体系下，配合比C70-3最佳。2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术（1）多腔体钢53、管柱高强高性能混凝土研制与评价技术（1）多腔体钢管柱高强高性能混凝土研制与评价技术3）C70大体积自密实混凝土配制及性能研究3）C70大体积自密实混凝土配制及性能研究水泥+粉煤灰+矿粉+硅灰胶凝材料体系水泥+粉煤灰+矿粉+硅灰胶凝材料体系13配合比优势较大，自密实性能良好。14和15配合比强度富余系数偏小，在115%以下，14和15配合比对比，降低粉煤灰用量以降低胶凝材料总量，混凝土粘度变大，各龄期强度普遍下降，其中，15配合比28d强度下降5%左右。试验编号胶材水泥粉煤灰S95矿粉硅灰河砂小石大石水减水剂C701260034012090507305004501502.30%C7013600354、2014090507305004501502.30%C701460030016090507305004501502.30%C701558030014090507305004501502.30%试验编号坍落扩展度/mm坍落与J环扩展度之差/mm倒坍时间/s离析率/%U型箱填充高度/mm抗压强度/MPa7d14d28dC701270053.46.336565.075.881.4C701371002.96.837059.570.380.6C701469502.85.237060.268.377.3C701568503.14.736056.466.373.72.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造55、技术2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术（1）多腔体钢管柱高强高性能混凝土研制与评价技术（1）多腔体钢管柱高强高性能混凝土研制与评价技术3）C70大体积自密实混凝土配制及性能研究3）C70大体积自密实混凝土配制及性能研究利用特种超细矿物掺合料微珠制备C70大体积自密实混凝土利用特种超细矿物掺合料微珠制备C70大体积自密实混凝土试验编号胶材水泥微珠S95矿粉河砂516mm碎石510mm碎石水减水剂C70226103201301607205404201452.20%C70235903201301407405404201452.20%C7024570340110120760540420156、452.20%C70255503401101007605404401452.20%试验编号坍落扩展度/mm坍落与J环扩展度之差/mm倒坍时间/s离析率/%U型箱填充高度/mm抗压强度/MPa7d14d28dC702269052.97.636564.977.692.7C702368002.68.437060.671.388.3C702469002.37.037058.868.586.7C702567553.36.736054.961.178.5综合考虑混凝土性能与经济性，最终选定综合考虑混凝土性能与经济性，最终选定C70-24C70-24配合比为最优配合比。配合比为最优配合比。2.2超高层结构复57、杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术（1）多腔体钢管柱高强高性能混凝土研制与评价技术（1）多腔体钢管柱高强高性能混凝土研制与评价技术4）C70大体积自密实混凝土温控模拟试验结果与分析4）C70大体积自密实混凝土温控模拟试验结果与分析试验柱实体设置栓钉的腔体混凝土种类强度等级每立方米混凝土原材料用量/kg水泥砂石水外加剂矿粉微珠自密实混凝土C703307609601459120110混凝土种类强度等级每立方米混凝土原材料用量/kg水泥砂石水外加剂矿粉微珠自密实混凝土C703307609601459120110项目坍落扩展度/mmT50/s含气量出罐温度/58、入模温度/测试值7307402.53.3%30.832.6项目坍落扩展度/mmT50/s含气量出罐温度/入模温度/测试值7307402.53.3%30.832.6C70自密实混凝土配合比C70自密实混凝土性能指标C70自密实混凝土配合比C70自密实混凝土性能指标2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术（1）多腔体钢管柱高强高性能混凝土研制与评价技术（1）多腔体钢管柱高强高性能混凝土研制与评价技术4）C70大体积自密实混凝土温控模拟试验结果与分析4）C70大体积自密实混凝土温控模拟试验结果与分析温度测点布置图多腔巨型柱中心纵向温度巨柱表面测59、点与大气温差图2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术（1）多腔体钢管柱高强高性能混凝土研制与评价技术（1）多腔体钢管柱高强高性能混凝土研制与评价技术5）技术成果结论5）技术成果结论1、1、微珠能够大大降低需水量，减水率能够达到7%微珠能够大大降低需水量，减水率能够达到7%，具有高比表面积和高活性，28d活性指数能够达到120%。2、复合胶凝材料压实体堆积密度与其硬化水泥石的孔结构具有较好的对应关系，复合胶凝材料压实体堆积密实度越高，具有高比表面积和高活性，28d活性指数能够达到120%。2、复合胶凝材料压实体堆积密度与其硬化水泥石的孔结60、构具有较好的对应关系，复合胶凝材料压实体堆积密实度越高，复合胶凝材料浆体的孔结构越致密复合胶凝材料浆体的孔结构越致密。3、减水剂的调整试验表明，。3、减水剂的调整试验表明，在高强混凝土中使用时减水剂、保坍剂时，用量越高，混凝土塌落度保持能力越强在高强混凝土中使用时减水剂、保坍剂时，用量越高，混凝土塌落度保持能力越强，但应根据实际施工情况进行试验后确定用量。聚羧酸减水剂对混凝土的凝结时间基本无影响，混凝土的凝结时间调整主要是通过缓凝剂来调整。，但应根据实际施工情况进行试验后确定用量。聚羧酸减水剂对混凝土的凝结时间基本无影响，混凝土的凝结时间调整主要是通过缓凝剂来调整。2.2超高层结构复杂截面钢管61、混凝土巨型柱建造技术2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术（2）超高层异形多腔体巨型柱混凝土施工技术（2）超高层异形多腔体巨型柱混凝土施工技术巨型柱最大高度583.66米，混凝土总方量6.2万m巨型柱最大高度583.66米，混凝土总方量6.2万m。综合考虑混凝土泵送高度及总泵送方量，现场布置三台超高压混凝土输送泵，泵车型号为三一重工生产的HBT9050CH-5D。综合考虑混凝土泵送高度及总泵送方量，现场布置三台超高压混凝土输送泵，泵车型号为三一重工生产的HBT9050CH-5D。1）巨型钢管柱混凝土超高泵送设备配置技术1）巨型钢管柱混凝土超高泵送设备配置技术技术参数HBT9050CH62、-5D整机质量kg17350外形尺寸mm793024902950理论混凝土输送量M/h90（低压）/50（高压）技术参数HBT9050CH-5D整机质量kg17350外形尺寸mm793024902950理论混凝土输送量M/h90（低压）/50（高压）理论混凝土输送压力MPa24（低压）/48（高压）理论混凝土输送压力MPa24（低压）/48（高压）输送缸直径行程mm1802100柴油机功率kW2732上料高度mm1420料斗容积m0.7柴油箱理论容积L650输送缸直径行程mm1802100柴油机功率kW2732上料高度mm1420料斗容积m0.7柴油箱理论容积L650理论最大输送距离管m水平363、000m垂直1000m理论最大输送距离管m水平3000m垂直1000m泵机照片泵机技术参数表泵机技术参数表转换层泵管现场布置示意图巨柱截面内收处泵管布置示意图转换层泵管现场布置示意图巨柱截面内收处泵管布置示意图2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术（2）超高层异形多腔体巨型柱混凝土施工技术（2）超高层异形多腔体巨型柱混凝土施工技术巨柱因其截面需进行巨柱因其截面需进行9次内收9次内收并整体以0.88倾斜，泵管布置需设置多处弯头而增大泵管阻力。因此巨柱泵管采用每100米设置转换层方式进行布置，以减少泵送压力，泵管内收处采用45外头处理。并整64、体以0.88倾斜，泵管布置需设置多处弯头而增大泵管阻力。因此巨柱泵管采用每100米设置转换层方式进行布置，以减少泵送压力，泵管内收处采用45外头处理。1）巨型钢管柱混凝土超高泵送设备配置技术1）巨型钢管柱混凝土超高泵送设备配置技术2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术（2）超高层异形多腔体巨型柱混凝土施工技术（2）超高层异形多腔体巨型柱混凝土施工技术2）巨型钢管柱混凝土复杂气象条件下模拟试验高温气象条件下混凝土泵送模拟试验泵送材料主系统压力换向压力搅拌压力泵送方量排量备注泵送材料主系统压力换向压力搅拌压力泵送方量排量备注水218220765、0%单机低压净浆2182270%单机低压砂浆（润管）4182470%单机低压混凝土221823070%单机低压1818270%单机高压1418250%双机高压2118255%单机低压砂浆（洗管）41821070%单机低压水21822070%单机低压高温气象条件下混凝土泵送模拟实验高温气象条件下混凝土泵送模拟实验2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术（2）超高层异形多腔体巨型柱混凝土施工技术（2）超高层异形多腔体巨型柱混凝土施工技术2）巨型钢管柱混凝土复杂气象条件下模拟试验2）巨型钢管柱混凝土复杂气象条件下模拟试验高温气象条件下混凝土泵送66、模拟试验高温气象条件下混凝土泵送模拟试验试验结论：试验结论：混凝土性能优异，混凝土性能优异，混凝土入泵前及出泵后性能没有明显差异混凝土入泵前及出泵后性能没有明显差异，表明此配合比混凝土在高温、高压下仍能保持性能稳定；，表明此配合比混凝土在高温、高压下仍能保持性能稳定；混凝土泵送压力小，表明混凝土匀质性好，泵送过程中摩擦阻力较小混凝土泵送压力小，表明混凝土匀质性好，泵送过程中摩擦阻力较小，有助于混凝土的超高泵送；整个模拟试验过程圆满顺利，为117大厦高温气象条件下混凝土超高泵送提供了技术支持。，有助于混凝土的超高泵送；整个模拟试验过程圆满顺利，为117大厦高温气象条件下混凝土超高泵送提供了技术支67、持。混凝土性能指标扩展度倒坍时间含气量高压压力泌水率流变性能入泵前7302.664.10Y=6.61x+235.35出泵后（1.5h后）7102.354.4Y=2.89x+438.84模拟实验混凝土泵送前后性能指标表模拟实验混凝土泵送前后性能指标表2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术（2）超高层异形多腔体巨型柱混凝土施工技术（2）超高层异形多腔体巨型柱混凝土施工技术2）巨型钢管柱混凝土复杂气象条件下模拟试验2）巨型钢管柱混凝土复杂气象条件下模拟试验低温气象条件下混凝土泵送模拟试验低温气象条件下混凝土泵送模拟试验低温气象条件下混凝土泵送68、模拟实验低温气象条件下混凝土泵送模拟实验编号主系统压力换向压力搅拌压力泵送方量备注编号主系统压力换向压力搅拌压力泵送方量备注水2192单机低压净浆2192单机低压砂浆121929单机低压混凝土1919310单机低压2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术（2）超高层异形多腔体巨型柱混凝土施工技术（2）超高层异形多腔体巨型柱混凝土施工技术2）巨型钢管柱混凝土复杂气象条件下模拟试验2）巨型钢管柱混凝土复杂气象条件下模拟试验低温气象条件下混凝土泵送模拟试验低温气象条件下混凝土泵送模拟试验试验结论：试验结论：混凝土性能优异，混凝土入泵前及出泵后性69、能没有明显差异，表明此配合比混凝土在低温、高压下仍能保持性能稳定；混凝土性能优异，混凝土入泵前及出泵后性能没有明显差异，表明此配合比混凝土在低温、高压下仍能保持性能稳定；混凝土泵送压力相对小，表明混凝土匀质性好，泵送过程中摩擦阻力较小，有助于混凝土的超高泵送。混凝土泵送压力相对小，表明混凝土匀质性好，泵送过程中摩擦阻力较小，有助于混凝土的超高泵送。模拟实验混凝土泵送前后性能指标表模拟实验混凝土泵送前后性能指标表检测项目扩展度（检测项目扩展度（mm）倒筒时间（）倒筒时间（s）含气量（）含气量（%）混凝土入泵前7303.51.6混凝土出泵后7403.01.32.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱70、建造技术2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术（2）超高层异形多腔体巨型柱混凝土施工技术（2）超高层异形多腔体巨型柱混凝土施工技术3）复杂气象条件下巨型钢管混凝土柱超高泵送施工技术3）复杂气象条件下巨型钢管混凝土柱超高泵送施工技术复杂气象条件下采取措施复杂气象条件下采取措施料仓加热（冬季）电伴热装置保温（冬季）泵管反光纸设置（夏季）防晒棚（夏季）料仓加热（冬季）电伴热装置保温（冬季）泵管反光纸设置（夏季）防晒棚（夏季）2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术（2）超高层异形多腔体巨型柱混凝土施工技术（2）超高层异形多腔体巨型柱混71、凝土施工技术3）复杂气象条件下巨型钢管混凝土柱超高泵送施工技术3）复杂气象条件下巨型钢管混凝土柱超高泵送施工技术超高泵送水气联洗技术在建筑高度超过300米，传统洗泵方式因超高泵送水气联洗技术在建筑高度超过300米，传统洗泵方式因堵泵概率大堵泵概率大，泵管，泵管清洗不净清洗不净，泵管密封处容易损坏等诸多情况不在使用，117项目采用水气联洗技术成功解决300米以上洗泵难题。，泵管密封处容易损坏等诸多情况不在使用，117项目采用水气联洗技术成功解决300米以上洗泵难题。水气联洗流程图水气联洗技术操作示意图水气联洗流程图水气联洗技术操作示意图2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术2.2超高层72、结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术（2）超高层异形多腔体巨型柱混凝土施工技术（2）超高层异形多腔体巨型柱混凝土施工技术3）复杂气象条件下巨型钢管混凝土柱超高泵送施工技术超高泵送水气联洗技术气洗回收架气洗接管加气设备气洗混凝土出口2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术（3）超高层巨型组合截面钢管柱制作与安装技术（3）超高层巨型组合截面钢管柱制作与安装技术1）研究背景1）研究背景焊接变形控制焊接中易产生扭曲变形、局部以及整体变形，从而影响构件的外形尺寸精度，会给现场安装带来难度。焊接变形控制焊接中易产生扭曲变形、局部以及整体变形，从而影响73、构件的外形尺寸精度，会给现场安装带来难度。整体精度控制巨型柱最大平面尺寸达22.8m24m，单层高度最大达到3.8m且共分6层41个单元由现场对接完成。巨柱的整体制作精度直接影响现场吊装是否顺利。整体精度控制巨型柱最大平面尺寸达22.8m24m，单层高度最大达到3.8m且共分6层41个单元由现场对接完成。巨柱的整体制作精度直接影响现场吊装是否顺利。超厚板焊接质量控制本工程巨型柱超厚钢板居多，最厚达120mm，且结构复杂，熔透焊缝多，焊接质量要求高。超厚板焊接质量控制本工程巨型柱超厚钢板居多，最厚达120mm，且结构复杂，熔透焊缝多，焊接质量要求高。2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技74、术2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术（3）超高层巨型组合截面钢管柱制作与安装技术（3）超高层巨型组合截面钢管柱制作与安装技术2）异型多腔体复杂组合截面钢管柱单元拆分与组拼安装关键技术巨型组合截面柱深化设计技术要点分段基本原则：分段基本原则：a、尽量避免单元立面上拼接焊缝交汇从而出现十字焊缝；b、立焊缝尽量避免出现T型接头，采用对接接头形式；c、尽量避免出现现场厚板焊薄板情况；d、拼接单元宜为完成的封闭箱体。斜撑牛腿单独吊装桁架牛腿单独吊装节点巨柱部分分段参照MC128003900718830516198218128003900工型T型100100箱型箱型节点巨柱分段拆分桁架牛腿连75、同箱体吊装2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术（3）超高层巨型组合截面钢管柱制作与安装技术（3）超高层巨型组合截面钢管柱制作与安装技术2）异型多腔体复杂组合截面钢管柱单元拆分与组拼安装关键技术2）异型多腔体复杂组合截面钢管柱单元拆分与组拼安装关键技术巨型组合截面柱深化设计技术要点流淌孔：巨型组合截面柱深化设计技术要点流淌孔：直径180cm直径180cm，1.5m间隔布置1.5m间隔布置，不同隔板上的流淌孔错开标高设置，每两个腔体间竖隔板至少设置一个流淌孔。透气孔：直径2cm，设置在巨柱外形转角位置，转角每个面至少设置一个透气孔。，不同76、隔板上的流淌孔错开标高设置，每两个腔体间竖隔板至少设置一个流淌孔。透气孔：直径2cm，设置在巨柱外形转角位置，转角每个面至少设置一个透气孔。巨柱内竖隔板流淌孔柱内透气孔巨柱内竖隔板流淌孔柱内透气孔2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术（3）超高层巨型组合截面钢管柱制作与安装技术（3）超高层巨型组合截面钢管柱制作与安装技术2）异型多腔体复杂组合截面钢管柱单元拆分与组拼安装关键技术2）异型多腔体复杂组合截面钢管柱单元拆分与组拼安装关键技术巨型组合截面柱深化设计技术要点先立焊缝后横焊缝，先焊内部焊缝后焊外围焊缝；巨型组合截面柱深化设计技术要点77、先立焊缝后横焊缝，先焊内部焊缝后焊外围焊缝；巨柱大节点区域分单元逐一安装焊接，后期为减小误差修改为整体吊装完成后焊接，造成剖口方向修改。巨柱大节点区域分单元逐一安装焊接，后期为减小误差修改为整体吊装完成后焊接，造成剖口方向修改。焊缝焊接顺序2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术（3）超高层巨型组合截面钢管柱制作与安装技术（3）超高层巨型组合截面钢管柱制作与安装技术2）异型多腔体复杂组合截面钢管柱单元拆分与组拼安装关键技术2）异型多腔体复杂组合截面钢管柱单元拆分与组拼安装关键技术巨型组合截面柱钢结构制作控制研究a、巨型组合截面柱钢结构制作78、控制研究a、合理拆解合理拆解，单元与总装阶段成型，慎重考虑各，单元与总装阶段成型，慎重考虑各零件余量的加放零件余量的加放。b、制定合理装配和焊接顺序，采用先进焊接工艺进行。b、制定合理装配和焊接顺序，采用先进焊接工艺进行对称焊接对称焊接。c、。c、采取预拼装采取预拼装，根据拼装结果，对构件焊接余量加放等进行精确调整，及时修正可能出现的误差，确保构件精度。d、充分发挥以往工程的厚板、超厚板焊接经验及技术优势，针对本工程特点，按相关规范规定进行焊接工艺评定和焊工资格考试，从焊接顺序、焊接参数和坡口形式上控制焊接变形和应力，严格按焊接工艺评定结果进行，根据拼装结果，对构件焊接余量加放等进行精确调整，79、及时修正可能出现的误差，确保构件精度。d、充分发挥以往工程的厚板、超厚板焊接经验及技术优势，针对本工程特点，按相关规范规定进行焊接工艺评定和焊工资格考试，从焊接顺序、焊接参数和坡口形式上控制焊接变形和应力，严格按焊接工艺评定结果进行预热及焊后保温预热及焊后保温，防止焊接层状撕裂，采用，防止焊接层状撕裂，采用加热及振动相结合加热及振动相结合的方法消减焊接残余应力。的方法消减焊接残余应力。2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术（3）超高层巨型组合截面钢管柱制作与安装技术（3）超高层巨型组合截面钢管柱制作与安装技术2）异型多腔体复杂组合截面钢80、管柱单元拆分与组拼安装关键技术巨型组合截面柱钢结构制作控制研究现场对接处加支撑管焊缝电加热图片同时对称施焊勤翻身焊接2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术（3）超高层巨型组合截面钢管柱制作与安装技术（3）超高层巨型组合截面钢管柱制作与安装技术2）异型多腔体复杂组合截面钢管柱单元拆分与组拼安装关键技术2）异型多腔体复杂组合截面钢管柱单元拆分与组拼安装关键技术巨型组合截面柱钢结构预拼装技术巨型组合截面柱钢结构预拼装技术分段示意图一节巨柱预拼装实际图一节巨柱预拼装实际图放地样、布胎架A单元上胎架M单元上胎架剩余单元上胎架2.2超高层结构复杂截81、面钢管混凝土巨型柱建造技术2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术（3）超高层巨型组合截面钢管柱制作与安装技术（3）超高层巨型组合截面钢管柱制作与安装技术3）巨型组合截面钢管柱厚板焊接控制技术数值模拟技术单元A、M之间的焊接示意图焊缝模拟局部尺寸示意图焊缝冷却后的温度场分布云图焊接冷却后弹性应变云图2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术（3）超高层巨型组合截面钢管柱制作与安装技术（3）超高层巨型组合截面钢管柱制作与安装技术3）巨型组合截面钢管柱厚板焊接控制技术厚板现场焊接控制技术先横焊方案示意先立焊方案示意先横焊方案示意先立焊方82、案示意多腔体巨型钢柱焊接流程图多腔体巨型钢柱焊接流程图2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术（3）超高层巨型组合截面钢管柱制作与安装技术（3）超高层巨型组合截面钢管柱制作与安装技术3）巨型组合截面钢管柱厚板焊接控制技术厚板现场焊接控制技术焊缝现场焊接照片立焊缝为双边V形坡口，坡口角度均为35度，此种坡口形式比规范中建议的45度明显减小，大大减少焊接填充量，并能保证全熔透焊缝的质量。是一种平衡了质量与经济的坡口形式。对接焊缝坡口形式2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术2.2超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱建造技术（3）超高层83、巨型组合截面钢管柱制作与安装技术（3）超高层巨型组合截面钢管柱制作与安装技术4）技术成果结论4）技术成果结论1、下料期间1、下料期间严格控制余量的加放严格控制余量的加放，防止出现二次加工的问题。在拼装底板上画出定位线，依次组装主、次壁板、内隔板，并在现场对接开口处焊接钢支撑，控制巨柱变形。2、采用，防止出现二次加工的问题。在拼装底板上画出定位线，依次组装主、次壁板、内隔板，并在现场对接开口处焊接钢支撑，控制巨柱变形。2、采用预拼装可检验制作的精度预拼装可检验制作的精度，及时调整、消除误差，从而确保构件现场顺利吊装，减少现场特别是高空安装过程中对构件的安装调整时间。3、厚板焊接：，及时调整、消除84、误差，从而确保构件现场顺利吊装，减少现场特别是高空安装过程中对构件的安装调整时间。3、厚板焊接：先进行同一标高单元间的先进行同一标高单元间的立焊立焊，再进行单元之间的，再进行单元之间的横焊横焊。在进行立焊与横焊时，由。在进行立焊与横焊时，由中心单元向四周单元扩散中心单元向四周单元扩散焊接；焊接；焊接工艺宜采用焊接工艺宜采用多层多道焊多层多道焊，长焊缝采用多焊工分段焊；，长焊缝采用多焊工分段焊；需要对焊缝的焊前、焊中和焊后进行全程的温度控制，需要对焊缝的焊前、焊中和焊后进行全程的温度控制，焊后保温和消氢处理焊后保温和消氢处理对于焊后应力的消减尤为重要；对于焊后应力的消减尤为重要；狭小空间内工作环85、境可以使用排风扇、冷风机、冰块等进行改善，保障施焊人员身体健康的同时，大大提高工作效率。狭小空间内工作环境可以使用排风扇、冷风机、冰块等进行改善，保障施焊人员身体健康的同时，大大提高工作效率。（1）基于超声法的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测试验研究（1）基于超声法的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测试验研究2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术1）研究的目的与意义1）研究的目的与意义针对模拟钢管混凝土柱核心混凝土的浇筑质量、钢管内壁与内部混凝土界面浇筑质量以及模拟界面剥离损伤性能等进行基于超声法的检测与评估检测与评估，重点分析各类缺陷产生的原因，为86、正式施工提供可靠的技术依据和技术参数，为保证工程施工质量和实用阶段的安全性奠定基础，为类似工程的施工积累了经验。混凝土性能、内部结构及其组成情况声速波形频率波幅超声法检测机理超声法检测机理（1）基于超声法的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测试验研究（1）基于超声法的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测试验研究2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术平面检测方法平面检测方法（采用的换能器为平面换能器）（采用的换能器为平面换能器）a.平面对测法b.平面斜测法c.平面平测法钻孔检测方法钻孔检测方法（采用一对发射换能器和接收换能器）（采用一对发射换能器和接收换能器87、）a.孔中对测法b.孔中斜测法2）超声法检测混凝土缺陷的基本原理和方法（1）基于超声法的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测试验研究（1）基于超声法的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测试验研究2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术混合检测方法混合检测方法（采用一个平面换能器和一个径向换能器）（采用一个平面换能器和一个径向换能器）混合对测法混合斜测法3）超声法检测大体积复杂钢管混凝土缺陷的方法和理论大体积复杂钢管巨型柱的材料组成及内部构造（1）基于超声法的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测试验研究（1）基于超声法的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测试验研究88、2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术大体积复杂钢管混凝土检测方法的确定由于各种单一的检测方法通常只可以解决大体积复杂钢管混凝土超声检测某一方面的问题，因此综合由于各种单一的检测方法通常只可以解决大体积复杂钢管混凝土超声检测某一方面的问题，因此综合运用三种超声检测方法运用三种超声检测方法，方能实现对大体积复杂钢管混凝土缺陷的有效检测。，方能实现对大体积复杂钢管混凝土缺陷的有效检测。（a）对测（b）斜测大体积混凝土超声检测方法示意图大体积混凝土超声检测方法示意图（1）基于超声法的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测试验研究（1）基于超声法的复杂多腔体钢管巨89、型柱混凝土缺陷检测试验研究2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术4）试验模型的建立由于在加强层节点处巨型柱腔体的构造极其复杂，浇筑混凝土时的条件最不利，混凝土的质量最不容易保证。因此，选择加强层节点处巨型柱的一部分按1:1制作，作为足尺模型进行模拟试验，运用超声法来检测其内部缺陷。尺寸确定为由于在加强层节点处巨型柱腔体的构造极其复杂，浇筑混凝土时的条件最不利，混凝土的质量最不容易保证。因此，选择加强层节点处巨型柱的一部分按1:1制作，作为足尺模型进行模拟试验，运用超声法来检测其内部缺陷。尺寸确定为2760mm3460mm6690mm2760mm346090、mm6690mm;规格栓钉为22mm100mm，水平与竖向间距均为200mm。;规格栓钉为22mm100mm，水平与竖向间距均为200mm。多腔体钢管混凝土巨型柱模型平面图多腔体钢管混凝土巨型柱模型现场图多腔体钢管混凝土巨型柱模型平面图多腔体钢管混凝土巨型柱模型现场图（1）基于超声法的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测试验研究（1）基于超声法的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测试验研究2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术5）测点布置测点的布置分为腔体内测点和钢管壁测点，腔体内测点共为13个，分别在13个混凝土浇筑孔布置测点的布置分为腔体内测点和钢管壁91、测点，腔体内测点共为13个，分别在13个混凝土浇筑孔布置13根声测管13根声测管，其编号为A1A4、B1B4、C1、D1D4；钢管壁测点位置为31个，分别为W1W31。，其编号为A1A4、B1B4、C1、D1D4；钢管壁测点位置为31个，分别为W1W31。测点布置平面图测点布置平面图测点竖向位置布置图测点竖向位置布置图不同板厚声速测值的影响分析测试剖面B2-B3对测波形图测试剖面D2-W20对测数据测试剖面D2-W20水平隔板S2处斜测波形图（1）基于超声法的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测试验研究（1）基于超声法的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测试验研究2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检92、测技术2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术6）检测数据的处理与分析20040060080010001200140016001800200001234567891011121314 限值3%h=20mm h=40mm h=60mm h=80mm h=100mm测试距离(mm)声速提高系数%（1）基于超声法的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测试验研究（1）基于超声法的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测试验研究2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术7）缺陷分析与检测结论7）缺陷分析与检测结论验证了钢板的存在和换能器种类的不同对声参数造成的影响的相关理论。93、超声法是可以有效应用于检测大体积复杂钢管混凝土缺陷的。通过将检测结果与声参数的理论值和经验值的对比，可以比较准确地推定出缺陷所存在的位置和类型。验证了钢板的存在和换能器种类的不同对声参数造成的影响的相关理论。超声法是可以有效应用于检测大体积复杂钢管混凝土缺陷的。通过将检测结果与声参数的理论值和经验值的对比，可以比较准确地推定出缺陷所存在的位置和类型。序号位置现象依据判断备注1钢板与混凝土接触面声速、频率和波形剥离2测点1测点5声速、频率不密实正测和斜测均说明，范围大约1米3测点23测点30声速变化混凝土离析50mm左右4测点1、3、4、19、25、26、27、28首波衰减严重钢板与混凝土出现剥94、离5测点7声速、波幅和频率钢板与混凝土之间有剥离正测和斜测序号位置现象依据判断备注1钢板与混凝土接触面声速、频率和波形剥离2测点1测点5声速、频率不密实正测和斜测均说明，范围大约1米3测点23测点30声速变化混凝土离析50mm左右4测点1、3、4、19、25、26、27、28首波衰减严重钢板与混凝土出现剥离5测点7声速、波幅和频率钢板与混凝土之间有剥离正测和斜测试验模型缺陷判断（2）基于压电陶瓷的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测方法研究（2）基于压电陶瓷的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测方法研究2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术1）研究的目的与95、意义本试验研究主要有以下几个方面的目的：对多腔钢管混凝土柱中每一个腔内部混凝土的本试验研究主要有以下几个方面的目的：对多腔钢管混凝土柱中每一个腔内部混凝土的浇筑质量进行评估浇筑质量进行评估；对各个腔的钢管内壁与核心混凝土界面的；对各个腔的钢管内壁与核心混凝土界面的粘结质量进行评估粘结质量进行评估；有效识别有效识别混凝土混凝土模拟内部缺陷模拟内部缺陷；模拟界面剥离损伤的具体情况；对混凝土浇筑过程中的侧压力进行检测，获取有效的监测数据；模拟界面剥离损伤的具体情况；对混凝土浇筑过程中的侧压力进行检测，获取有效的监测数据；验证评估验证评估按照拟定施工方法施工后巨型柱内混凝土质量。按照拟定施工方法施工后96、巨型柱内混凝土质量。2）检测的基本原理和方法基于压电陶瓷的压电功能块激励器与传感器的基本原理与构造压电陶瓷智能材料具有压电效应。当压电陶瓷沿一定方向伸长或压缩时，在其表面上会产生电荷(束缚电荷)，这种效应称为压电效应。压电效应是可逆的，即晶体在外电场的作用下要发生形变，这种效应称为反向压电效应。于是基于压电效应可以发展基于压电陶瓷的智能传感技术，基于反压电效应可以发展基于压电陶瓷的执行器或者激励器。压电陶瓷智能材料具有压电效应。当压电陶瓷沿一定方向伸长或压缩时，在其表面上会产生电荷(束缚电荷)，这种效应称为压电效应。压电效应是可逆的，即晶体在外电场的作用下要发生形变，这种效应称为反向压电效应。97、于是基于压电效应可以发展基于压电陶瓷的智能传感技术，基于反压电效应可以发展基于压电陶瓷的执行器或者激励器。（2）基于压电陶瓷的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测方法研究（2）基于压电陶瓷的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测方法研究2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术压电功能块的基本结构第一代压电传感驱动器压电功能块的基本结构第一代压电传感驱动器第二代压电传感驱动器第二代压电传感驱动器第三代压电传感驱动器第三代压电传感驱动器（2）基于压电陶瓷的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测方法研究（2）基于压电陶瓷的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测方法研究2.398、复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术波动法监测原理波动法就是通过埋设在混凝土内部一定位置的封装好的压电陶瓷压电功能块以及钢管外表面一定位置的压电陶瓷片来测量该位置的应力波，由于应力波在混凝土中传播时，如果存在微裂缝或者混凝土的非密实区域或者空洞或者界面剥离等缺陷时，会造成应力波能量传播的损失，通过分析该应力波的特性的变化，可以实现对混凝土质量的监测以及混凝土性能随时间的变化情况以及混凝土与钢管粘结界面的长期监测。基于压电技术的混凝土缺陷检测原理基于压电技术的混凝土缺陷检测原理混凝土与钢管粘结界面性能监测示意图混凝土与钢管粘结界面性能监测示意图（2）基于压电99、陶瓷的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测方法研究（2）基于压电陶瓷的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测方法研究2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术压电陶瓷应力传感器测钢管壁应力原理压电陶瓷应力传感器是利用压电陶瓷的正压电效应，将外界输入的力信号转换成电信号，再通过电荷放大器转换成可以输出的电压信号，来得到力信号和电压信号的关系。通过测得埋入构件内部传感器的电压值，来间接获得混凝土内部力的值。压电陶瓷应力传感器压电陶瓷应力测量系统压电陶瓷应力传感器压电陶瓷应力测量系统（2）基于压电陶瓷的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测方法研究（2）基于压电陶瓷的复杂100、多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测方法研究2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术平膜式压力变送器测钢管壁应力的监测原理平膜式压力变送器的主要测量元件是溅射薄膜，浇筑时流动的混凝土对它产生的压力直接作用在测量薄片的表面，使膜片产生微小的形变，电阻值也跟着发生变化，根据惠斯特电桥产生差分电压变化，然后采用专用芯片将这个电压信号转换为工业标准的4-20mA电流信号输出。平膜式压力变送器测钢管壁应力的监测原理平膜式压力变送器的主要测量元件是溅射薄膜，浇筑时流动的混凝土对它产生的压力直接作用在测量薄片的表面，使膜片产生微小的形变，电阻值也跟着发生变化，根据惠斯特电桥101、产生差分电压变化，然后采用专用芯片将这个电压信号转换为工业标准的4-20mA电流信号输出。平膜式压力变送器测量系统平膜式压力变送器测量系统多腔钢管混凝土试验柱横截面示意图多腔钢管混凝土试验柱立面图（2）基于压电陶瓷的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测方法研究（2）基于压电陶瓷的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测方法研究2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术3）试验模型3）试验模型足尺巨型多腔钢管混凝土模拟柱：足尺巨型多腔钢管混凝土模拟柱：Q235B，板厚20mm，水平隔板及肋板为16mm。柱脚采用直径30mm柱脚锚栓，底板开孔40mm，隔板钢筋穿孔直径102、60mm。柱壁内侧设置22*100规格栓钉，水平与竖向间距200mm。Q235B，板厚20mm，水平隔板及肋板为16mm。柱脚采用直径30mm柱脚锚栓，底板开孔40mm，隔板钢筋穿孔直径60mm。柱壁内侧设置22*100规格栓钉，水平与竖向间距200mm。（2）基于压电陶瓷的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测方法研究（2）基于压电陶瓷的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测方法研究2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术4）基于压电陶瓷技术的巨型柱试验模型缺陷检测波动法监测技术监测的目的：一是对试验柱体内部混凝土浇筑质量进行评估；二是对混凝土与钢管粘结界面性103、能的监测；三是模拟界面剥离损伤的识别监测；四是模拟内部混凝土缺陷的识别监测。为了实现以上监测目的，结合所监测试验柱的设计图，我们将试验柱分为单元M、单元N、单元K三个单元，并根据检测的需要在四个横截面的钢筋及钢管内壁上布置压电功能块，在钢管外壁上布置压电陶瓷片。压电功能块布置平面示意图模拟缺陷和损伤布置平面示意图对测区域模拟缺陷和损伤布置立面示意图界面区域大样图压电功能块布置平面示意图模拟缺陷和损伤布置平面示意图对测区域模拟缺陷和损伤布置立面示意图界面区域大样图（2）基于压电陶瓷的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测方法研究（2）基于压电陶瓷的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测方法研究2.3复杂104、多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术截面上应力传感器的平面布置示意图压电陶瓷应力传感器的立面布置示意图（2）基于压电陶瓷的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测方法研究（2）基于压电陶瓷的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测方法研究2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术压电陶瓷应力传感器测钢管壁应力监测技术每个截面沿两条边各布置一个传感器，固定在距角点1米的位置处。传感器沿柱高共布置五个截面，间距800mm，最下面的截面距下层横隔板的距离为750mm。测试与混凝土浇筑同步进行，一起结束，通过数据采集系统采集数据，最后对数据进105、行分析处理，得到监测结果。压电陶瓷应力传感器测钢管壁应力监测技术每个截面沿两条边各布置一个传感器，固定在距角点1米的位置处。传感器沿柱高共布置五个截面，间距800mm，最下面的截面距下层横隔板的距离为750mm。测试与混凝土浇筑同步进行，一起结束，通过数据采集系统采集数据，最后对数据进行分析处理，得到监测结果。压力变送器的平面布置示意图压力变送器的立面布置示意图（2）基于压电陶瓷的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测方法研究（2）基于压电陶瓷的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测方法研究2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术平膜式应力变送器测应力技术为了平106、膜式应力变送器测应力技术为了比较压电陶瓷应力传感器测量应力的效果比较压电陶瓷应力传感器测量应力的效果，特采用平膜式压力变送器来测量钢管壁的应力，压力变送器的布置与压电陶瓷应力传感器的布置位置方向一致，并保证两者在同一高度上。测量时将压力变送器连接到无纸记录仪上，得出钢管壁的侧压力。，特采用平膜式压力变送器来测量钢管壁的应力，压力变送器的布置与压电陶瓷应力传感器的布置位置方向一致，并保证两者在同一高度上。测量时将压力变送器连接到无纸记录仪上，得出钢管壁的侧压力。（2）基于压电陶瓷的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测方法研究（2）基于压电陶瓷的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测方法研究2.3复杂多107、腔体钢管混凝土巨型柱检测技术2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术正弦激励下信号归一化幅值正弦激励下信号归一化幅值扫频激励下信号归一化能量扫频激励下信号归一化能量（2）基于压电陶瓷的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测方法研究（2）基于压电陶瓷的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测方法研究2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术5）钢管壁应力实时监测5）钢管壁应力实时监测压力变送器实时检测数据压力变送器实时检测数据（2）基于压电陶瓷的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测方法研究（2）基于压电陶瓷的复杂多腔体钢管巨型柱混凝土缺陷检测方法研究2.3复杂多腔体钢管108、混凝土巨型柱检测技术2.3复杂多腔体钢管混凝土巨型柱检测技术6）技术成果结论6）技术成果结论三个腔中横隔板以下的三个腔中横隔板以下的界面粘结状况以及核心混凝土的均匀性基本良好界面粘结状况以及核心混凝土的均匀性基本良好，但是横隔板以下特别是钢管的角部在没有认为设置缺陷的位置，有可能出现混凝土不密实的现象。，但是横隔板以下特别是钢管的角部在没有认为设置缺陷的位置，有可能出现混凝土不密实的现象。未设置界面剥离缺陷部位的钢管内壁和混凝土的粘结性能良好，未设置界面剥离缺陷部位的钢管内壁和混凝土的粘结性能良好，设置剥离缺陷部位可以明显监测出来设置剥离缺陷部位可以明显监测出来。未设置内部混凝土缺陷部位的测量109、结果离散性较小，设置内部混凝土缺陷部位信号明显减弱。未设置内部混凝土缺陷部位的测量结果离散性较小，设置内部混凝土缺陷部位信号明显减弱。运用平膜式压力变送器，可以较好监测在钢管混凝土浇筑过程中混凝土对钢管壁的侧压力的变化过程，测量数据运用平膜式压力变送器，可以较好监测在钢管混凝土浇筑过程中混凝土对钢管壁的侧压力的变化过程，测量数据基本反映了钢管内部不同高度处混凝土侧压力的变化基本反映了钢管内部不同高度处混凝土侧压力的变化，峰值点也接近理论计算值，浇筑过程中混凝土对管壁的侧压力满足变形限制的相关要求。，峰值点也接近理论计算值，浇筑过程中混凝土对管壁的侧压力满足变形限制的相关要求。第三章 成果技术水110、平及主要创新点第三章 成果技术水平及主要创新点（1）通过对超高层结构巨型框架体系的比选和理论分析，研究了巨型框架结构布置形式、巨型柱分布定位、截面类型和形状对承载力和整体刚度的影响，分析了巨型组合截面钢管混凝土柱在597米高天津117大厦的适应性，（1）通过对超高层结构巨型框架体系的比选和理论分析，研究了巨型框架结构布置形式、巨型柱分布定位、截面类型和形状对承载力和整体刚度的影响，分析了巨型组合截面钢管混凝土柱在597米高天津117大厦的适应性，解决了超高层建筑视野开阔、平面紧凑、立面简洁的建筑功能和外观需求。解决了超高层建筑视野开阔、平面紧凑、立面简洁的建筑功能和外观需求。（2）通过巨型组合111、截面钢管混凝土柱受力性能分析，结合缩尺模型轴压、偏压、节点等力学性能试验，研究了外框架整体刚度、巨型柱承载力、焊缝形式及节点构造，确定了截面超大、异形多腔体钢管混凝土柱的设计方案，（2）通过巨型组合截面钢管混凝土柱受力性能分析，结合缩尺模型轴压、偏压、节点等力学性能试验，研究了外框架整体刚度、巨型柱承载力、焊缝形式及节点构造，确定了截面超大、异形多腔体钢管混凝土柱的设计方案，首次在超高层建筑巨型结构中应用了超大组合截面多腔体钢管混凝土巨型柱。首次在超高层建筑巨型结构中应用了超大组合截面多腔体钢管混凝土巨型柱。（3）（3）首次采用新型矿物微珠代替粉煤灰作为混凝土掺合料，降低大体积钢管混凝土水化热112、和收缩变形；首次采用新型矿物微珠代替粉煤灰作为混凝土掺合料，降低大体积钢管混凝土水化热和收缩变形；通过不同比例聚羧酸减水剂、保坍剂及减水剂辅料等外加剂对混凝土性能影响的试验研究，优化了高性能混凝土胶凝材料配合比，制备了适应于超高层建筑异形多腔体巨型柱的高强高性能自密实混凝土。通过不同比例聚羧酸减水剂、保坍剂及减水剂辅料等外加剂对混凝土性能影响的试验研究，优化了高性能混凝土胶凝材料配合比，制备了适应于超高层建筑异形多腔体巨型柱的高强高性能自密实混凝土。（4）通过千米级混凝土超高泵送弯管模拟试验，对比分析了混凝土的出机与入模性能，优化了复杂气象条件下高强高性能混凝土的配合比；发明并应用了泵管自限热113、加热装置，解决了寒冷地区超高泵送混凝土的流动性等难题，（4）通过千米级混凝土超高泵送弯管模拟试验，对比分析了混凝土的出机与入模性能，优化了复杂气象条件下高强高性能混凝土的配合比；发明并应用了泵管自限热加热装置，解决了寒冷地区超高泵送混凝土的流动性等难题，创造了C60高强高性能混凝土621米超高泵送的吉尼斯世界纪录，保证了超高层结构异形多腔体巨型柱混凝土的施工质量。创造了C60高强高性能混凝土621米超高泵送的吉尼斯世界纪录，保证了超高层结构异形多腔体巨型柱混凝土的施工质量。（5）根据异形多腔体巨型钢管柱的深化设计，采用工厂单元化制作现场组合拼装，解决了超大截面巨型钢管柱焊接空间有限、起重吊装受114、限等难题；选择全熔透焊缝类型，采用数值模拟仿真分析方法，（5）根据异形多腔体巨型钢管柱的深化设计，采用工厂单元化制作现场组合拼装，解决了超大截面巨型钢管柱焊接空间有限、起重吊装受限等难题；选择全熔透焊缝类型，采用数值模拟仿真分析方法，对超厚板材焊接区域温度场及残余应力进行分析，确定了多向同步焊接的施焊顺序及焊缝类型，对超厚板材焊接区域温度场及残余应力进行分析，确定了多向同步焊接的施焊顺序及焊缝类型，保证了超高层结构巨型组合截面钢管柱的制作与安装质量。（6）通过巨型组合截面钢管混凝土柱足尺模型试验，保证了超高层结构巨型组合截面钢管柱的制作与安装质量。（6）通过巨型组合截面钢管混凝土柱足尺模型试验115、，研究基于压电陶瓷与超声法对巨型柱混凝土缺陷的检测方法及其可行性，研究基于压电陶瓷与超声法对巨型柱混凝土缺陷的检测方法及其可行性，为巨型钢管柱混凝土缺陷检测提供了技术参考，初步解决了超大截面钢管混凝土柱内部质量检测的难题。为巨型钢管柱混凝土缺陷检测提供了技术参考，初步解决了超大截面钢管混凝土柱内部质量检测的难题。第四章 实施效果及综合效益第四章 实施效果及综合效益巨型柱吊装巨型柱组拼焊接施工狭小腔体内钢筋施工巨型柱焊缝质量检测巨型柱吊装巨型柱组拼焊接施工狭小腔体内钢筋施工巨型柱焊缝质量检测4.1实施效果4.1实施效果 压电陶瓷检测模拟试验超声波检测模拟试验天津117大厦整体照片压电陶瓷检测模拟116、试验超声波检测模拟试验天津117大厦整体照片4.1实施效果4.1实施效果 4.2社会效益4.2社会效益（1）为我国工程行业积累了适用于超高层建筑异型多腔钢管混凝土巨型柱设计经验。（2）丰富和完善了巨柱（1）为我国工程行业积累了适用于超高层建筑异型多腔钢管混凝土巨型柱设计经验。（2）丰富和完善了巨柱截面巨大截面巨大、腔体多腔体多、泵送高度达600米泵送高度达600米等复杂气候环境下高性能自密实混凝土研制技术、泵送施工技术、钢结构组拼焊接技术、巨型截面钢管柱混凝质量检测技术。（3）推动了巨型柱在超高层结构中应用不断发展与创新。等复杂气候环境下高性能自密实混凝土研制技术、泵送施工技术、钢结构组拼焊接117、技术、巨型截面钢管柱混凝质量检测技术。（3）推动了巨型柱在超高层结构中应用不断发展与创新。混凝土泵送高度获吉尼斯世界纪录（621米）混凝土泵送高度获吉尼斯世界纪录（621米）“中国尊”采用了相同结构形式“中国尊”采用了相同结构形式4.3经济效益4.3经济效益（1）采用微珠超细粉，通过配合比优化，减少了单方混凝土水泥使用量，在满足工作性能的同时，降低了材料费成本。普通配合比单方混凝土水泥用量为420Kg，优化后单方水泥用量340Kg，单方C70混凝土综合成本由484.92元降低为391.0元。截止目前C70混凝土共浇筑约31837m3（1）采用微珠超细粉，通过配合比优化，减少了单方混凝土水泥使用118、量，在满足工作性能的同时，降低了材料费成本。普通配合比单方混凝土水泥用量为420Kg，优化后单方水泥用量340Kg，单方C70混凝土综合成本由484.92元降低为391.0元。截止目前C70混凝土共浇筑约31837m3节约费用：（484.92-391.0）31837=299.01万元节约费用：（484.92-391.0）31837=299.01万元（2）焊接工法的应用节约了现场劳动力投入，节省了加固材料费。与传统方法相比，节省了大量的人力，每节四根巨型柱可节约劳动成本约2万元，单根巨型柱为150节，避免了15天的工期延误，每天按30万元计算，节约成本450万元。（2）焊接工法的应用节约了现场劳动力投入，节省了加固材料费。与传统方法相比，节省了大量的人力，每节四根巨型柱可节约劳动成本约2万元，单根巨型柱为150节，避免了15天的工期延误，每天按30万元计算，节约成本450万元。节约费用：2150+1530=750万元（3）合计共节约费用1049.01万元。节约费用：2150+1530=750万元（3）合计共节约费用1049.01万元。4.4技术成果4.4技术成果本技术成果形成国家发明专利本技术成果形成国家发明专利4项4项，实用新型专利，实用新型专利3项3项，省部级工法，省部级工法1项1项，发表科技论文，发表科技论文13篇13篇。汇报完毕！谢谢！