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超高钢管混凝土一次顶升浇筑施工工法

中冶集团华冶资源开发有限责任公司
陈春香
1 前言
钢管混凝土柱柱芯混凝土顶升施工工艺是利用混凝土输送泵的泵送压力将自密实混凝土从钢管柱底部灌入，直至注满整根钢管柱的一种混凝土免振捣施工方法。通过工程施工实践，总结形成本工法。
2002年创中国企业新记录。
2 特点
2.1 本工艺能一次性将钢管混凝土柱内的混凝土顶升至所需高度，可减少工序环节，降低劳动强度，加快施工进度。
2.2 本工艺与高位抛落免振捣法相比，可有效避免钢管柱内混凝土不密实、离析等缺陷，确保混凝土质量符合设计要求。
2.3采用顶升施工工艺,可减少或避免在砼浇注时水泥浆对钢结构的污染,有利于成品保护。
3 适用范围
本工法适用于混凝土强度等级C50以下、顶升高度50m以下、直径Φ800以下钢管柱的泵送顶升。
4 工艺原理
在钢管混凝土柱底部适当位置开孔并焊接带单向阀的混凝土输送管，利用混凝土泵的压力将自密实混凝土自下而上挤压顶升灌入钢管内，直至注满整根钢管混凝土柱(如图4-1)。

图4-1 泵送顶升施工工艺图
5 施工工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程
顶升自密实混凝土
专业工序交接
浇筑结束。混凝土泵进行回抽，判断单向阀是否关闭
拆除混凝土输送管及截止阀
关闭截止阀，拆除截止阀后靠近混凝土泵端的输送管
混凝土养护，7天后
割去浇筑口外露部分输送管
焊接封口钢板
否
试配自密实混凝土
柱底部开孔、安装止回阀
单向阀后连接截止阀
及混凝土输送管
浇筑单根钢管柱的混凝土全部运至现场
全部运至现场
现场混凝土坍落度及
坍落扩展度的检测
混凝土试块制作

是

是

图5.1-1 施工工艺流程图
5.2施工操作要点
5.2.1 逆止阀的安装
为防止在拆除输送管时混凝土回流,在进料短管与泵输送管之间安装1个止流装置,其形式为闸板式(见图5.2.1-1)。为防止顶升时闸板缝漏气,需用黄油涂缝。
图5.2.1-1 逆止阀平面图
5.2.2钢管柱顶端排气、溢流孔开设和溢流管安装。
1. 钢管混凝土柱顶端开设排气、溢流孔是为了保证钢管柱在顶升混凝土时的一个关键装置,该装置在顶满前,作为钢管柱的排气孔,因为钢管柱内在混凝土往上顶升时,随着混凝土的上升而空气外排,若排气量与混凝土的进料量不成比例,进料量大于空气的排出量,会造成阻力增加,故要求钢管柱端排气孔排气量要大于混凝土的进料量。
2. 溢流管的安装
因为吊车梁将柱顶大部遮盖,且肩梁板及加劲肋伸入钢管内,将钢管分成四部分(柱顶1m高处)钢管柱顶端的排气孔不能兼作溢流孔使用,溢流孔及溢流管只能安装在侧面且每一部分必须有一个溢流管安装位置(示意图5.2.2-1)。
5.2.3在距钢管混凝土柱底部300mm～500mm开一Φ145mm圆孔，以清除柱内积水、杂物及焊接单向阀。
5.2.3 焊接单向阀（如图5.2.2-1），单向阀伸进钢管混凝土柱内的位置见图中所示。单向阀的盖板与水平方向的夹角宜为600～700，可通过伸出铰链背后的钢板调节固定。
图5.2.2-1 排气孔、溢流管安装示意图
5.2.4进料短管与柱肢的连接
本工程自然地面为±0.000。基础顶面标高为-1.200m，而柱子插入基础内的深度为2.0m,为防止混凝土自由下落的高度过高,在管柱±0.000标高开一进料孔。进料口的尺寸要稍大于进料短管直径3mm。焊接的进料短管为Dg125无缝钢管,焊接时一定要保证进料短管与钢管柱向下呈45°,进料短管的出口面呈水平,以减少混凝土进入钢管柱内直接喷射到管内壁,减少混凝土向上的顶升阻力。(如图5.2.4-1)
图5.2.4-1 进料短管安装示意图
5.2.5混凝土的顶升施工
1. 实施顶升前,必须要对已运至现场的混凝土的坍落度进行检查,要求混凝土的坍落度必须保持在规定要求的范围内。现场要设专人对混凝土坍落度进行测试,对检测结果予以记录。通过对钢管混凝土顶升施工和混凝土坍落度是影响混凝土顶升浇筑最关键的一环。
2. 进料短管与钢管必须焊接牢固,焊肉饱满,不得有漏焊和花焊,防止在顶升过程中因水平管的颤动而脱焊,造成顶升失败。
3. 非特殊要求的钢管柱内混凝土不需振捣,以防堵管,进料短管管口以下部分混凝土靠自由下落填满。为保证混凝土密实,采用附着式振捣器在钢管柱外部振捣时间不少于1min。在顶升过程中,要派专人对泵压进行计录,及顶入的实际混凝土量,并与理论计算混凝土量进行比较。
4. 顶升施工时用于润滑输送管的水泥砂浆,不得替代混凝土注入钢管内。
5. 顶升完毕后,输送泵衡压2--3min后关闭逆止阀,将水平管拆除,将利用水平管内的剩余混凝土制作一组试块,作为观察是否初凝和终凝及同条件混凝土强度的依据,以便及时将逆止阀和进料短管拆除清洗,以备后用,混凝土顶升施工完毕。
6. 顶升完后,要及时清理被从排气孔流出的水泥浆污染的钢结构。
本工程在顶升过程中对泵送的有关数据作了详细记录(如表一),根据3根柱肢的压力记录得：泵送顶升压力与累计混凝土量(累计顶升高度)变化曲线(如图5.2.5-1)。
表5.2.5-1 泵送顶升压力与累计混凝土量(累计顶升高度)变化曲线
柱子编号
水平输送管的压力(MPa)
累计混凝土量所对应的压力(MPa)
混凝土平均坍落度(mm)
5m3
10m3
15m3
20m3
25m3
柱1
1.5
2.8
3.8
4.7
5.7
6.8
185
柱2
1.4
2.6
3.6
4.6
5.8
6.9
180
柱3
1.55
2.75
3.9
5.0
5.9
7.1
170
6、材料与设备
6.1制作逆止阀的钢材均为10mm厚及20mm厚的Q345钢板。
6.2泵送混凝土的配合比设计，应符合《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2002）、《混凝土泵送施工技术规程》（JGJ/T10-95）、《自密实高性能混凝土技术规程》（DBJ13-55-2004）和《预拌混凝土生产施工技术规程》（DBJ13-42-2002）的规定，并应根据混凝土原材料、运输距离、混凝土泵送性能与输送管径、泵送距离及气温等进行试配。配合比实例见表6.2-1。
表6.2-1 自密实混凝土（C40）配合比（kg/m3）

注：坍落度为180 mm±20mm 。
6.3 所需机具设备有：混凝土搅拌运输车、混凝土输送泵（HBT50,理论最大输出压力为12.5Mpa）、输送管、单向阀、截止阀、铁锹、试件制作器具、电焊机、对讲机等。
7 质量控制
7.1自密实混凝土应严格按《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2002）、《自密实高性能混凝土技术规程》（DBJ13-55-2004）、《钢管混凝土结构技术规程》（DBJ13-51-2003）的规定进行试配及施工。混凝土原材料应符合其质量要求及严格控制原材料的计量，严格控制好混凝土的坍落度和坍落扩展度。
7.2自密实混凝土开盘鉴定的指标，除应满足工程建设地方标准有关要求外，尚应满足自密实混凝土的工作要求，同时宜对自密实混凝土的表观密度进行测试，使自密实混凝土的表观密度在正常范围内。
7.3混凝土搅拌车在装料及运输过程中，应保持运输车滚筒按3～6r/min低速转动，保持混凝土拌合物的均匀性，不产生分层、离析现象，严禁在运输和等待卸料过程中加水。
7.4浇筑前，要计算好单根柱混凝土量，待所需混凝土运送到施工现场后方可进行顶升，防止混凝土在运输过程中耽搁造成顶升中断。
7.5混凝土浇筑完毕后，应及时覆盖养护，浇水养护的时间，不得少于7天，浇水次数应能保持柱顶混凝土始终处于湿润状态。
7.6加工制作截止阀使用的钢材、焊接材料和紧固件等应具有质量证明书，并符合《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2001）的规定。
7.7截止阀应严格按照施工图要求加工制作，开启、关闭灵活。焊接质量应符合《建筑钢结构焊接技术规程》(JGJ81-2002)。
8 安全措施
采用本工法施工时，除应执行有关安全施工及环保措施规定外，尚应遵守注意下列事项：
8.1施工作业人员必须了解和掌握本工艺的技术操作要领，特殊工种（如输送泵操作人员、电焊工等）应持证上岗。
8.2施工场地必须平整、坚实,以防泵车发生倾斜或沉陷。
8.3顶升前要检查水平输送管接头的可靠性,在顶升开始时,水平钢管上要覆盖草袋,以防在泵送压力过大发生爆管而伤人,且在泵送时,现场人员要远离泵管。
8.4在混凝土浇筑过程中，截止阀旁严禁站人。
9 环保措施
9.1要制定混凝土输送泵、混凝土运输车的噪声控制措施，现场道路要平整畅通，保证混凝土输送泵、混凝土运输车平稳运行。
9.2混凝土运输车出场前应清理下料斗，防止混凝土滴洒，经洗车台洗车后方可离场。
9.3混凝土输送泵的冷却水及清洗运输车的污水应经集水坑和沉淀池后，方可排入市政污水管线或回收用于洒水降尘。
9.4混凝土施工时废物及时清理，保证工完料尽场地清，保证现场的整洁、干净。
10 效益分析
工业厂房采用钢管混凝土柱,与钢结构柱相比,可降低钢材使用量的25—27%,因钢管柱在制作时只需按尺寸截取,不需要象实腹钢柱那样进行焊接,柱子制作费用可降低25%。此项施工综合技术简化了施工工艺,节约人工费,减少周转材料的投入,节约材料,减少施工用地,能确保工程质量,同时可缩短施工工期。
在该工程中钢管混凝土柱土建综合费用为13783122.3元,安装综合费用为1072960元。其中钢管柱用钢材为1297.74吨,按平均2800元/吨计算钢材费用为3633672元；制作费用为2087394元。根据上面提到的节约钢材用量和制作降低费用得：
节约钢材费用为：3633672÷3=1211224元；
钢柱制作节约费用为：2087394÷3=695798元；
共计节约投资：1211224+695798=1907022元。
采用泵送顶升施工技术使工期提前20天,节约了大量的人工和机械：
节约人工工资：30元/天/人×40人×20天=24000元；
节约机械租赁费：1430元/天×20天=28600元；
在施工中节约了支模费用：4671.6元/10m3×750m3=350370.18元；
施工节约费用为：Σ=402970.18元。
11 工程实例
11.1邯钢酸洗镀锌工程主厂房
2002年承建邯钢酸洗镀锌工程，厂房全部采用钢结构,三跨均设通长钢天窗，围护采用彩色压型板，钢结构总重8000t。经过严密组织，公司仅用3个月就完成了施工任务，比合同工期提前6个月，工程质量优良。
本工程为邯钢酸洗镀锌工程主厂房，于2001年6月开工，2002年12竣工。设计年产热轧酸洗镀锌板卷50万吨，主厂房由酸洗原料跨、纵横剪切成品跨、镀锌跨三跨组成,为单层排架全钢结构，跨度分别为30m、33m、30m,跨长330m。主体结构柱，下柱为钢管砼双肢柱，上柱为实腹式工字钢柱，吊车梁为实腹工字钢，镀锌塔为820×14螺旋管钢管砼柱。设计±0.000相当于绝对高程65.800m，基础为双杯口独立基础，柱为钢管混凝土柱，其中50m高φ820的钢管柱6根，柱肢内相应砼量为25m3，钢管柱为双肢格构柱，钢管内混凝土设计强度为C40。于2001年12月27日成功地完成了对50m高钢管混凝土柱的混凝土顶升。
该工程被评为冶金行业优质工程，其中50m高的钢管砼柱顶升浇筑砼施工技术创《中国企业新纪录》。
11.2邯钢中板型一车间改造工程
邯钢3500mm中板易地大修改造工程A标段工程为主厂房1～20轴部分，轴线长234m，各跨跨度均为30m，为单层排架大型钢结构工业厂房，柱为钢管混凝土柱。设备基础包括主轧机、主轧区、主电机及液压站、高压水除鳞、控冷区、矫直机、定尺剪、堆垛区、剪切区3#电磁站等相对独立的九部分。主电室地下一层，为箱型结构；地上4层，为框架结构。
3500mm中板工程为单层排架结构，设计±0.00相当于绝对标高67.4m，基础为双杯口独立基础。柱为钢管混凝土柱，柱高共有196根，高从12.7m~14.46m，内径有φ600和φ650两种。钢管柱为双肢格构柱，钢管内混凝土为微膨胀C40混凝土。
该工程于2005年5月28日开工，2006年6月2日竣工。在图纸不到位、场地窄小、多单位交叉立体施工等不利条件下，克服了地下水位高、基坑深、螺栓埋件多、结构复杂多变等困难，施工中应用了深基坑降水与护壁技术、螺栓和螺栓筒直埋与波纹管技术、钢管混凝土顶升快速施工技术、大体积防水砼施工技术等多种新技术、新工艺，仅用六个多月时间完成了原有基础拆除、基础开挖、厂房柱基、钢管混凝土顶升、设备基础等施工任务。完成施工产值4000多万元，因质量好、速度快、能打硬仗而受到甲方好评。
11.3邯钢冷轧薄板技术改造工程
邯钢冷轧薄板技术改造工程,年产冷轧板卷136万吨，其中热镀锌卷板36万吨、彩涂卷12万吨。主要设备由西马克—德马克引进，为酸洗冷轧联合机组、平整机组、连续镀锌机组和彩涂机组等，代表了国内先进水平。主要生产车间12个，建筑面积约17万m2。我公司承建的36万吨冷轧热镀锌土建和设备安装工程，于2005年9月正式投产，工程质量优良被评为冶金行业优质工程。
本工程为连续热镀锌车间主厂房工程。连续热镀锌车间长384m，轴宽30m；退火平整车间长384m，轴宽36m；两跨平行连接，轴宽66.0m。建筑面积27280m2；属丁、戊类火灾危险性生产厂房，耐火等级为二级。
外墙面1.2m以下到基础顶面为240mm厚砖墙；1.2m以上为彩色压型钢板，屋面亦采用彩色压型钢板。地面为钢纤维混凝土面层；门窗为电动及手动铝合金保温卷帘门、塑钢窗。
厂房采用双杯口独立杯口基础，柱距18.0m，柱为钢管混凝土柱，柱共计有68根，最高为36m，内径有φ550、φ650、φ750三种。钢管柱为双肢格构柱，钢管内混凝土为微膨胀C40混凝土。吊车梁、屋架、天窗、托架、走道板均为钢结构。
2003年4月18日开工，2004年8月20日竣工。