郭其龙 安徽天翰工程咨询有限责任公司
1 前言
钢管混凝土是一种具有承载力高、塑性和韧性好、节省材料、方便施工等特点的新型组合结构。用作钢管混凝土时，内部存在混凝土，提高了薄壁管的局部稳定性，其屈服强度可以充分利用。在钢管混凝土构件中，两种材料能相互弥补对方的弱点，从而发挥各自的长处。尤其适用受压构件，由于钢管混凝土结构的出现，解决了我国建筑工程中长期存在而未能解决的“胖柱”问题，从而提高了建筑水平。
马钢新区300t转炉与钢水精练设施工程废钢间主厂房刚架系统应用的钢管混凝土泵送顶升施工技术。为了钢管混凝土顶升浇筑中贯彻国家规范，做到技术先进，经济合理，安全适用和确保质量，以全面提高社会效益和企业效益，特制定本工法。
2 特点
2.1 本工法基本工序明确，每项工序都有控制，质量有保证。
2.2 不搭设高空脚手架，减少高空作业及劳动强度，操作更为简便安全。
2.3 混凝土浇筑速度快，不浪费混凝土。
2.4 钢管是很好的受压杆件，其管壁还是合理的耐侧压模板，施工混凝土时可节省支模、拆模的人工和材料。
2.5 钢管是很好的钢筋骨架和劲性承重骨架，施工中可简化施工工艺、节省脚手架、缩短工期。
2.6 混凝土施工无需振捣，依靠顶升挤压自然密实。
3 适用范围
本工法适用于大型工业厂房及公共建（构）筑物的大型钢管混凝土柱的施工。
4 施工工艺
4.1工艺原理
钢管混凝土顶升工艺就是在钢管柱的下部(高度便于施工为宜)管壁上开一个比输送管略大的孔洞，用输送管将混凝土输送泵的出口与之相连接，混凝土靠泵压通过输送管被连续注入钢管柱内，直至管内注满混凝土。
施工工艺流程(见附图一)
4.2 按4.1所述的工艺流程进行施工
4.2.1钢管混凝土柱的混凝土顶升浇筑。在钢管混凝土柱核心混凝土的项升浇筑施工中要重点解决好以下三个问题：混凝土配合比的设计、柱肢与混凝土输送管的连接、钢管混凝土柱混凝土的顶升浇筑工艺。
a) 混凝土配合比的设计：混凝土配合比设计是以满足可泵性要求，使水灰比小、坍落度大，减少混凝土收缩，强度、均匀性和凝聚性均优于普通强度等级的塑性混凝土的方式对比试验进行的；在塑性混凝土中同时掺加减水剂和膨胀剂以及适量粉煤灰，可使混凝土拌和物泌水率减小，含气量增加，和易性改善，从而满足泵送要求。
b) 柱肢与混凝土输送管的连接：①柱肢与输送管的连接是通过连接短管实现的，连接短管与弯头采用与混凝土输送管同直径、同厚度的钢管制作，短管长度为750mm。②相邻两排柱子的底部对称开孔，圆孔的直径大于连接短管2mm，且开好的柱子圆孔除去气割飞溅物和毛刺并用砂轮打磨平整，以便柱子与连接短管焊接③连接短管与钢管柱呈20～30°自上而下插入钢管洞20～30㎜。④连接短管与钢管柱焊接焊缝高度应采用比连接短管厚度小1～2mm以满足受力的要求。⑤为减小混凝土顶升时的压力损失可在钢管中注入适量的水以达到润滑的作用。⑥连接短管在制作时除去气割飞溅物和毛刺并用砂轮打磨平整，减少混凝土的流动阻力，柱肢与短管连接见下图所示。
c)输送泵车布置：① 输送管的布置应尽结合现场情况，尽量缩短管线长度，少用弯管。②混凝土输送泵的现场停放位置，应距浇筑地点较近，便于配管并接近供排水设施。③场地应平整密实，道路通畅，以便固定泵车的拆装输送管，泵车受料斗旁有足够的场地，以保证混凝土运输车快速交替供料。④连接短管方向与泵送位置保持相对应，以减少泵移动次数或位置。
d) 钢管混凝土柱混凝土的顶升浇筑施工工艺：对混凝土输送泵工作压力的要求，在工程实践中一般为10-16Mpa，这与泵的状况、泵送高度和混凝土坍落度及和易性有关，尤其是混凝土的坍落度对泵送工作压力的影响十分明显,泵送压力可按JGJ/T10-95混凝土泵送施工技术规程进行计算，
⊿PH＝2/r〔K1+ K2（1+t2/t1）V〕α
式中 ⊿PH—每米水平管的压力损失（Pa/m）
r —输送管半径（m）
K1—粘着系数Pa
K1＝（3.0-0.1S1）·102
K2—速度系数(Pa/m/s)
K2＝（4.0-0.1S1）·102
S1—混凝土坍落度(㎝)
t2/t1—分配阀的切换时间与活塞推压混凝土时间之比，一般为0.30
V—混凝土在输送管内的平均流速(m/s)
α—混凝土径向压力与轴向压力之比，普通混凝土约为0.90
混凝土泵送的换算压力损失
|
管件名称 |
换算量 |
换算压力损失(Mpa) |
|
45°弯管 |
每只 |
0.05 |
|
90°弯管 |
每只 |
0.10 |
|
管卡 |
每只 |
0.10 |
|
管路截止阀 |
每个 |
0.80 |
混凝土输送管的水平换算长度
|
类别 |
单位 |
规格 |
水平换算长度(m) |
|
向上垂直管 |
每米 |
100mm 125mm 150mm |
3 4 5 |
垂直顶升时的混凝土静压力计算公式:
⊿FV＝γ·π·r12·H×9.81
⊿FV—混凝土静压力（N）
γ—混凝土容量2400㎏/m3
r1—钢管半径（m）
H—管柱顶升高度（m）
⊿PV＝⊿FV/π·r22
r2—输送管半径
⊿PV—顶升压力（Mpa）
混凝土顶升压力P＝⊿PH＋⊿PV
在混凝土泵送顶升浇筑作业作业过程中，不可进行外部振捣，以免泵压急剧上升，甚至使浇筑被迫中断。当混凝土供应量不能确保连续浇筑一根钢管时就不浇筑，以免出现堵塞现象。当混凝土中石子从卸压孔洞中溢出以后稳压2-3min方可停止泵送顶升浇筑。等待2-3min后再插入止回阀的闸板，混凝土顶升浇筑施工完毕。
e) 泵送混凝土截流装置：①为防止在拆除输送管时混凝土回流，需在连接短管上设置一个止流装置，其形式可以是闸板式的，或者是插楔式的。②当采用闸板止流时，底部连接短管离钢柱50～100mm距离处每隔120度开3个对称的长方形孔，每个长方形孔长为70mm，宽为10mm，8mm厚钢板制作3个200mm×60mm的闸板。③泵送混凝土时可用彩条布或薄胶皮捆盖住小孔，混凝土泵送顶升浇筑结束后，控制泵压2-3min，然后除去彩条布或薄胶皮，将200*60*8的钢板斜向交错打入止流孔内，这时可反泵吸出输送臂中的混凝土，随即可拆除与混凝土短管相连接的输送管，转移到另一根钢管浇筑。④待核心混凝土终凝后切除连接短管，补焊洞口管壁，磨平、补漆，补洞用的钢板宜为原开洞时切下的。⑤连接短管切除以后，清洗干净重复利用，闸板式止流装置如上图所示。
f) 卸压孔装置：①采用泵送顶升浇筑工艺，钢管柱端必须设溢出卸压孔或排气卸压孔。②溢流卸压孔的孔径可根据钢管高度以及混凝土顶升速度综合确定，一般不宜小于混凝土输送管直径，并将洞口适当接高，以填充混凝土停止泵顶升浇筑后的回落空隙。③当混凝土浇筑低于管口时，可待混凝土强度等级达到设计值的50%后再用相同等级的水泥砂浆或二次灌浆料填至管口，并将封顶板一次封焊到位。⑤当混凝土强度等级达到设计值的100%后，再将顶部短钢管割除，同样封焊管壁，焊接好的钢柱用砂轮磨平并补漆。
g) 待混凝土顶升完毕后及时清洗钢管外壁的水泥浆。
5 人力资源
5.1 主要工种：施工总负责1人、技术负责1人、技术员1人、质量检查员1人、工长1人、砼工4人、电焊工1人、电工1人、试验1人、机修1人、辅助工5-6人。
5.2 特殊作业人员须持证上岗；作业人员数量满足施工能力要求。
6 施工机具及仪表
6.1 主要机具
混凝土泵车 1台
8m3混凝土输送车 若干以满足施工要求为准
Φ150电动砂轮机 1台
高压水泵 1台
氧气瓶、乙炔瓶各一只，氧气、乙炔气管及气枪各1把；直流弧焊机1台；E40电焊条若干。Φ100混凝土输送管及管卡若干；60*8止回板若干。
6.2 主要仪表：氧气表、乙炔表各一只。
7工程材料
7.1 主要材料：水泥、砂、石子、水、掺合料、外加剂。
7.2 材料验收：
泵送顶升混凝土的原材料质量，特别是骨料粒径级配、针片状含量、含泥量、含水率应经常检测，根据检测结果及时调整配合比。
水泥、掺合料、外加剂应有合格证。
粗骨料粒径5-31.5mm其含泥量控制在1%之内，细骨料宜采用中、粗其细度模数宜控制在2.5～2.9之间，水灰比不大于0.45，混凝土坍落度入柱时不小于150mm，加适量减水剂。
为保证混凝土密实，在混凝土掺加微膨胀剂，使混凝土浇灌后微膨胀，补偿收缩，达到自密实。
8技术准备
8.1 熟悉图纸、进行图纸自审；参加图纸会审。
8.2 编制《钢管混凝土柱混凝土顶升浇筑方案》、《焊接作业指导书》
8.3 收集有关的规范、标准及资料，其中包括：《钢结构工程施工验收规范》（GB50205-2001）、《混凝土结构工程施工及验收规范》（GB50204-2001）、《钢管混凝土结构设计与施工规程》（CECS28：90）、《混凝土强度评定标准》（GBJ107-87）。
8.4 检查验收上道工序。
9 工程质量验收标准
9.1主控项目
钢管混凝土内混凝土的浇筑质量，混凝土质量采用敲击法检查，如有异常，则应用超声波检测。
现场按《混凝土强度评定标准》（GBJ107-87）留设试块检验混凝土的强度。
检查数量：全数检查
9.2 一般项目：
对不密实的部位，应采用钻孔压浆进行补强，然后将钻孔补焊封固。
检查数量：全数检查
检验方法：检查施工记录及混凝土试块强度试验报告。
10 安全技术措施
10.1 坚持“安全第一，预防为主”的安全生产方针，坚持“谁主管，谁负责”“管生产必须管安全”的原则，施工现场严格执行建设部《施工现场安全检查评分标准》JGJ59-99;设专职安全员,全面落实各级人员的安全职责.
10.2 对所有作业人员进行安全教育，提高安全意识，并进行安全技术书面交底。
10.3 所有特种人员必须持证上岗。严格按安全操作规程施工。
10.4 进入施工区域必须穿戴好劳保用品，服从现场安全员及各级管理人员的劝告和指挥。
10.5 泵车及输送车行走道路，必须坚实平整，必要时需铺厚钢板或路基。
10.6 泵车、输送车辆需设专人负责指挥，严禁带病作业。
10.7 供电线路架设符合相关规定，分设配电箱并设漏电保护装置，各用电设备，各用电设备开关箱，做到一箱一闸。电器设备和电流的绝缘必须良好，有防雨、防潮措施。
10.8 氧气瓶、乙炔瓶存放距离符合相关规定，减压阀、防回火装置安全可靠，管带无破皮漏气现象。
10.9 搭设的脚手架、跳板铺设必须符合规范及安全规程。
10.10 夜间施工要安装充足的照明设施。
10.11 钢管混凝土在顶升施工过程中，在混凝土输送管与钢管连接处15m范围内严禁人员停留。
11 效益分析
钢管混凝土柱顶升施工综合技术的经济效益，除按混凝土的浇筑工程进行成本分析外，还应对整个工程的经济效益起决定作用的施工速度及社会效益作综合分析。
钢管混凝土与钢结构相比在保持自重相近和承载力相同的条件下，可节省钢材30%，焊接工程量可大幅度减少；与普通钢筋混凝土相比。在保持用钢量相近和承载力相同的条件下，构件的横截面积可减小约一半，从而加大了建筑空间，混凝土和水泥用量以及构件自重相应减少约50%。
钢管混凝土柱泵送顶升施工工艺，节约人工费，减少了周转材料的投入。租赁费用（钢管66.99t、扣件5220只）7281.9元。
加快了施工速度。在实际施工中低跨直径为ø400mm、高度为11米、混凝土量：1.4m3的钢管混凝土柱，采用汽车输送泵送约2分钟即可浇筑完成；ø600mm、高度为11米、混凝土量：3.1m3的钢管混凝土柱，采用汽车输送泵送约3分钟即可浇筑完成；ø600mm、高度为18.4米、混凝土量：5.2m3的钢管混凝土柱，采用汽车输送泵送约8～9分钟即可浇筑完成；ø600mm、高度为28米、混凝土量：7.92m3的钢管混凝土柱，采用地泵输送约10分钟即可浇筑完成。从而大加快了施工速度，同时缩短施工工期30天。
12 工程应用实例
中国十七冶马钢新区炼钢连铸工程项目经理部施工的马钢300t转炉与钢水精炼设施工程废钢间主厂房双肢格构式钢管混凝土柱系统，柱脚采用插入式柱脚，基础下部采用钢筋混凝土灌注桩，上部为基础承台，跨度为30m，刚架下柱采用双肢钢管砼柱（直径：ø550×10㎜），刚架上柱为实腹式工字形钢柱，钢管柱底标高为▽0.850，柱顶标高为▽10.810，单柱内混凝土为2.4m3，共50根，钢管内混凝土强度C30，钢管混凝土于2006年6月8日泵送顶升浇筑成功，采用泵送顶升砼浇筑法施工大大提高了施工工效。
