钢管混凝土顶升技术的研究应用.pdf

第 4 0卷 第 5期 2 01 3年 5月 建筑技术开发 Bui l di n g Te c hn i q ue De v e l o p me n t Vo 1 4 0， No 5 M a v 201 3 钢 管混凝 土 顶升技术 的研 究应 用 卢伟杰 ( 济钢 集 团山 东建设 工程 有限公 司 ， 济南2 5 0 1 0 1 ) 摘要 通过对钢管混凝土顶升技术 中钢管柱焊接 、 单 向阀和截止 阀的制作 、 混凝土配合 比设计 以及 施工关键 点的控 制等方面的研究 ， 总结 出一套合理 的施工方 案 ， 并成功应用于厂房柱的施工中 ， 取得 良好 的应用效果 。 关键词 】 钢管柱 ； 钢管混凝土 ； 顶升技术 中图分类号 T U 7 6 5 文献标志码 文章编号 1 0 0 1 - 5 2 3 X( 2 0 1 3 ) 0 5 0 0 6 0 0 4 RES EARCH APPLI CATI oN oF CRES T RI S ES TECHNI CAL FoR S TEEL PI PE CoNCRETE L u We i - j i e Ke y wo r d s Thr o g h t o t h e s t e e l p i p e c on c r e t e c r e s t r i s e t h e s t e e l p i pe pi l l a r i n t he t e c hn i qu e t o we l d a nd o ne wa y v a l v e a nd c l o s e v a l v e o f c r e a t i o n，c o nc r e t e ma t c h r a t i o de s i g n a nd c o ns t r uc t i o n k e y o r de r s o f t h e r e s e a r c h o f c o n t r o l e t c， t a l l y u p a s e t o f c o n s t r u c t i o n p r o j e c t o f r e a s o n a b l e， a n d s u c c e e d a p p l i e d a t t h e f a c t o r y p r e mi s e s p i l l a r o f u n d e r c o n s t r uc t i o n， o bt a i n g o o d a p pl i c a t i o n e f f e c t s t e e l p i p e p i l l a r ； s t e e l p i p e c o n c r e t e； c r e s t r i s e s t e c h ni q ue 某 厂房总建筑 面积 3 6 4 0 0 m ， 为 单层工业 厂房 。 厂房 柱结构为 钢管 混凝 土框 架结 构 。考虑 到 厂房 的 跨度、 天车吨位、 使用条件等问题 ， 单层工业厂房的柱 属于偏心受压 构件 ， 为 了充分 发挥钢管 混凝土 结构 的 特点， 本工程中的柱子设计成格构式组合柱 ， 如双肢 柱和四肢柱 ， 把偏心弯矩转变为轴心力。钢管柱按截 面为 圆形 ， 圆管 柱 计 3 7 6根 ， 规格 为 5 0 8 ； 柱 的标 高 从 一 5 5 0 0+ 2 3 0 0 0 i n ， 全高达 2 8 5 m， 柱 内混凝 土 浇筑量 最大 为 1 1 m ， 最 小 为 5 m ， 管 内浇筑 C 5 0高 流态 白密实混凝 土 。 1技 术特 点 钢 管混 凝土 ， 它是 约束 混凝 土 的一种特 例 ， 是将 高强 混凝 土灌入 薄壁 圆钢 管 内而形 成 的组 合结 构材 料 ， 利 用在 一般 的工 作状态 下 ， 2种 不 同力 学 性 能 的 材料 产生 相互 作 用 ， 即紧箍 力 来 协 调 工作 。 由于 紧 箍力 的存在 ， 使得钢管与混凝土处于三 向受力状态 。 当在钢管 内浇筑混 凝 土 并 达 到 一定 强 度 后 ， 混 凝 土 保证 了薄壁钢管的局部稳定 ， 反过来 ， 钢管又约束混 收稿 日期 ： 2 0 1 30 21 5 作者简介 ： 卢伟杰( 1 9 7 9 - ) ， 男 ， 毕业 于济南 大学 ， 本科学 历 ， 工程师 ， 注册一级建造师 ， 长期从 事施工 管理、 水泥 、 混 凝土 、 外 加 剂 、 冶金渣利用等方面的研究工作。 凝土的径向变形， 使它处于三向受压应力状态 ， 延缓 了受 压 时的纵 向开 裂 ， 从 而 提 高 了钢 管 混 凝 土 构 件 的承载力 。因此 ， 钢 管混 凝 土作 为一种 组合 材料 ， 具 有 独特 的工作 特性 ： 弹 性工作 而 塑性破 坏 ， 承载 力高 而极 限压缩 变形 大 。 钢管混凝 土柱 浇灌 已广泛使用 的有开孔 浇灌 法 、 高 位抛 落法 等 施 工方 法 。本 工 程 根 据 结 构 特 点 采用在管柱下部开临时浇灌孔 ， 用混凝土泵 自下而 上灌 注混凝 土 的泵送 顶 升法施 工 。采用 泵送 顶升 法 施工， 在混凝土浇灌过程 中不需振捣 ， 可节省大量的 混凝 土 用工 和机 械 ； 由于混 凝 土 从 柱 根 向 上顶 升逆 向浇灌 ， 利用 混凝 土 的重力 自密 实 ， 比传统 施 工工艺 浇灌 的混凝 土更 加密 实 、 均 匀 ， 并 较好 地杜 绝 了采用 高位抛 落法 在变 肢距 处 出现离 析 、 烂 根等 质量 通病 ； 由于 双肢柱 在柱 脚 底 部连 通 ， 利用 连 通 器 原 理 只 需 在任一肢柱上开孔就可以同时将一榀双肢柱浇灌完 毕 ， 极大提高了施工效率 ； 同时不搭设高空脚手架 ， 减少 了高空作业量 ， 在安全保障方面可有较大改善 ， 并且 具 有时 间短 、 费用低 等 优点 。 2关键 技术 及操 作要 点 2 1 钢 管柱 制作 工 艺流程 施 工 图一原 材料 复检 一钢 板号 料一 自动 切割 下 第 4 0卷 卢伟 杰： 钢管混凝土顶升技 术的研究应用 第 5期 料一 钢 板坡 口加 工一钢 板卷 制一二 氧化 碳气 体保 护 焊 打底 焊一碳 弧气 刨清 根一 焊钢管 直焊 缝一 超声 波 探 伤检 验一校 正一 钢 管 对 接 、 拼 装一 焊 钢 管 环 焊 缝 一 超声 波探伤 检验一 焊 内衬 环 、 耳 板一 除锈 、 涂装一 检 验合 格 出厂 。 2 2钢 管柱 制作 工序 1 ) 钢 板气 割前应 将 切 割 区域 表 面 的 铁锈 、 污 物 等清除干净， 气割后应清除熔渣和飞溅物 。中板下 料用 自动切割机 下料 切割 ， 薄板 下料 采用 机械 剪切 ， 切割 后均 需清 除 毛刺 。切 割 后 出现 变形 的零 件 ， 要 矫正其平直度 ， 质量要求为局部挠曲矢高 ，的允许 偏差值在 1 m范围内厂 1 0 mm。 2 ) 在钢 管卷 制过 程 中 ， 对接 时 应 严 格保 持 焊 后 管肢平 直 。焊接 时 ， 除控制 几何 尺寸外 ， 还 应控 制焊 接 变形 ， 焊 接宜采 用分 段反 向顺序 ， 分段 施 焊应保 证 对 称 ， 并预 留对接 间 隙 ， 以抵 消收 缩变形 。钢管对 接 时 ， 为确保对接处的焊接质量 ， 在对接处设置附加衬 管 ， 其 宽度 为 2 0 m m， 厚 度 为 3 m m， 与 管 内壁 保 持 0 5 mm的 间 隙 。组 装 前 ， 应 先 检验 合 格 ， 所 有 焊 接 面需 按 要 求 打 磨 。 打 磨 范 围 ： 焊 缝 边 缘 每 边 3 0 5 0 m m， 并 不得有 大 于 1 m m 的局部 缺 口。 3 ) 钢管 柱 制作 焊 接 纵 、 环 焊缝 均 采用 C O ， 气 体 保护 焊打底 ， 清 根 后 自动埋 弧 焊 焊 接 。施 焊 前应 清 除焊 丝上 的油 污和铁 锈 ， 对 焊剂 进行 烘焙 至3 5 0 C 4 0 0 o C， 保温 2 h 。焊 缝 两 端 设 置 引 弧板 和 引 出板 。 焊接 完毕后 ， 应采 用气 割切 除引 弧和 引 出板 ， 并 修磨 平 整 ， 不得用 锤 击落 。 2 3单 向阀及截 止 阀的制 作 1 ) 现场 加 工 制 作 单 向 阀 及 截 止 阀 。单 向 阀 由 1 4 5 m m， 5 m m厚 的混 凝土输 送 弯管 ( R= 5 0 0 mm) 及 8 m m厚 的 Q 3 4 5钢 板共 同加 工而成 ， 具 体 加工 方 法 和 尺 寸 如 图 1所 示 。截 止 阀 采 用 2 0 m m 厚 的 Q 3 4 5钢 板 及 1 8的螺 栓 加 工 制 作 ， 具 体 加 工 方 法 和尺 寸如 图 2所示 。 R = 0 5 m 泵送弯管 R = 0 5 m泵送弯管 R = 0 5 m泵送弯管，从中个泵送弯管可加工两个单向阀。 部断开，用于单向阀加工。 8 ,Q 2 3 5 钢盖板 注：固定钢板与活动钢板问适当留缝隙，缝隙不大于2 m m， 使用钢板均为Q 2 3 5 ，钢板须平整、无变形。 截止阀 开启状态示意 图 2 截 止阀加工大样 单向阀开启状态示意 图 1 单 向阀加工 大样 ( 4 0 0 x 2 5 0 x 2 0 钢板 ) 活动钢板 ( 5 6 0 x 2 4 0 x 2 0 钢板 ) 板件图示 61 第 5期 卢伟杰 ： 钢 管混凝 土顶升技 术的研 究应 用 第 4 0卷 2 ) 在距 钢 管混 凝 土 柱 底 部 3 0 0 5 0 0 m m 开 一 1 4 5 m m 圆孔 ， 以 清 除柱 内 积水 、 杂 物 及 焊 接 单 向 阀。焊接单向阀( 如图 3 ) ， 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 6 0 。 7 0 。 ， 可 通过 伸 出铰链 背 后 的 钢 板 调 节 固定 。用 套 箍 连 接截 止 阀 ( 如 图 4 ) ， 在 截 止 阀 与 混凝 土泵 间布 置混凝 土输 送管 。若单 向阀在浇 筑 完毕后能正常启闭， 可重复利用截止阀。 图 3 单 向 阀 图 4截止阀 3原 材料选 择 和配合 比 的设计原 则 3 1原材料 选择 1 ) 外加 剂 ： 高性 能减 水 剂是 配 制 高 性 能 钢管 混 凝土的关键技术之一 ， 它是提高混凝土流动性 和密 实性 不 可缺少 的技 术措 施 。要 求 具 有 减 水 率 高 、 引 气量 小 、 减缩 、 保 塑性 好 等 特 性 ， 适合 复 杂 结 构 的施 工 需要 。本 工程 选用 聚羧 酸系列9 1, n 剂 。 2 ) 水 泥 ： 作为 胶凝 材 料 的水 泥 是 否 与外 加 剂 相 适 应 ， 决 定 着能 否配 制 出一 定强 度 等 级 的 自密实 混 凝土。钢管混凝土 的水泥用量不宜过大， 本工程选 用适应 性好 的 P 0 5 2 5水 泥 。 3 ) 粉煤灰和矿粉 ： 粉煤灰 和矿粉 具有“ 活性效 应 ” 、 “ 界 面效应 ” 和 “ 微填 充效应 ” ， 能填充 混凝 土 中 的空隙 ， 增强 混凝 土 的密实 度 ， 提 高粗 骨料 与砂浆 的 界 面粘接 强度 ， 提 高新拌 混凝 土 的工作 性 ， 增 强硬 化 后混 凝 土 的耐 久 性 。本 工程 选用 $ 9 5级矿 渣微 粉和 62 级粉 煤灰 。 4 ) 膨 胀 剂 ： 膨 胀剂 在 水 化 硬化 过 程 中形成 大量 C A 3 C a S O 3 2 H 0( 即钙矾 石 ， A F t ) 。它 能 产 生 一 定 的膨胀 ， 在 有钢 管约束 的条 件下 ， 在结 构 中形成 0 2 0 3 MP a的预应 力 ， 可抵 消 混凝 土在 硬 化过 程 中产 生 的收缩 应力 ， 提高 混凝 土 的密实 性 。 5 ) 细 骨料 ： 砂 的含 泥量 和 杂 质会 使 水 泥 浆 与 骨 料的粘结力下降 ， 增加用水量和水泥用量 ， 影响抗冻 性 、 抗 渗 性 和 耐 久 性 。选 用 采 用 细 度 模 数 为 2 8 3 1 的中粗砂 ， 要求 含 泥量 3 0 。 6 ) 粗骨 料 ： 石 子 主要 应 控 制 颗 粒 级 配 、 针 片状 含量 、 压碎 值 和 含 泥量 。选 用 粒 径 5 2 5 mm 连 续 级配 的碎 石 ， 要 求 含 泥量 0 5 ， 针 片状 颗 粒 含 量 5 O ， 压碎值 1 0 。 3 2配合 比优 化设 计 综 合分 析 多 方 面信 息 后 ， 决 定 泵送 顶 升混 凝 土 的研究 、 配 制技术 路线 是 ： 水 泥 与外 加剂 的适应 性试 验 确定 优质 矿物 掺合料 寻 找掺 合料 的最 佳 比例确定掺合料和膨胀剂 的最佳掺量调整 混凝土和易性一确定满足技术指标要求 的一组或几 组配 合 比 为 实 验 室 最 佳 配 合 比 模 拟 泵 送 顶 升 确 定最 终施 工 配合 比。根 据这 一配 合 比设 计 思 路及类 似 工程 经验 ， 通过 多次 正 交 试 验 优化 出 最 佳 配合 比。配合 比实 例见 表 1 。 表 1 自密 实 混 凝 土 ( C5 0) 配 合 比 ( k g m ) 注 ： 配 合 比 中水 胶 比为 o 3 6 6 ， 坍 落 度 为 1 9 o 2 2 0 m m。 4顶 升 施工技 术 的工艺 流程 及施 工要 点 4 1 钢 管混凝 土 顶升施 工 工艺 ( 图 5 ) 。 4 2钢 管混 凝 土顶升施 工 1 ) 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 。坍落度是影响 混凝土 顶 升浇筑 最关 键 的一 环 。实 施 顶 升 前 ， 须 检 查运至现场的混凝土坍落度 ， 要求其必须保持在规 定范围内。现场设专人测试并记录及时做好混凝土 坍落度及坍落扩展度的检测 。在混凝土输送管与截 止 阀连 接前 ， 泵送 砂浆用 以润滑输 送 管道 ， 并 把 该部 分砂 浆 清除 干净 后再进 行柱 芯混 凝 土 的浇 筑 。 第4 O卷 卢伟杰 ： 钢 管混凝 土顶 升技 术的研 究应用 第 5期 制作单向阀及截止阀 柱底部开孔、焊接单向阀 单向阀后连接截止 l 阀及混凝土输送管 l 浇筑单根钢 管柱的 l 【 L 一 试 配自 混凝土全部运至现场l 顶升自密实混凝土 浇筑结束。混凝 三 I 是 现场混凝土坍落度及 坍落扩展度的检测 混凝土试块制作 否 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 d 后割去 浇筑口外露部分输送管 l 苎 ! 塑 堡 I 图 5施 工 流 程 2 ) 在拆 除混 凝 土输 送 管 过程 中 ， 随 时 做好 关 闭 截 止 阀的准备 ， 并应 注意 拆管 顺 序 ， 必 须先 拆 除截 止 阀后靠近混凝 土泵端的输送管 ， 再拆 除截止 阀前 的套 箍 及截 止 阀 。若 拆管 过 程 中混 凝 土有 涌 出现象 ， 应 立 即关 闭截止 阀 ， 待 混凝 土终凝后 再拆 除截止 阀 。浇 筑完毕 3 0 rai n后 ， 观察 柱 顶混凝 土有 无 回落下 沉 ， 若 有下沉 ， 则用人工 补浇 柱顶 混 凝土 。混凝 土 养护 7 d 后 ， 将柱底 单 向阀外露部 分割去 ， 并 焊接封 口钢板 。 3 ) 钢 管 混凝 土 柱 顶 端 开 设 排 气 溢 流 孔 是 钢 管 柱在 顶升 混凝 土 时的一个 关键 装 置 ， 在 顶满 前 ， 该 装 置作 为钢 管柱 的排 气 孔 ， 因钢 管柱 内空 气 在 混凝 土 往上 顶升 时外 排 ， 若 混 凝 土 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 。 5 结束语 施 工 厂房按 照 上述 施 工 技 术 进 行 ， 总 计 3 7 6根 钢管 柱全部 顺利 施工 完成 ， 钢管 柱 的轴线 位置 、 垂直 度 及焊 缝检 测均 满 足规 范及 设 计 要 求 ， 同条件 混 凝 土试压 强度 达 到 5 5 6 MP a ， 经 过建设 及 设计 单位 鉴 定 ， 建 筑物结 构 安全 稳 定 ， 使 用 功 能 满 足设 计 要 求 。 实 践证 明 ， 钢 管混凝 土 的顶 升施 工 ， 可 在很 大程度 上 减少工序环节 ， 降低劳动强度 ， 加快施工进度。通过 钢 管混凝 土 的顶 升施 工 ， 我们 总 结 得 出 了钢 管 混 凝 土 顶升施 工 的三要 素 ： 钢管及 阀 门的制 作 、 混 凝土 配 合 比设 计 、 正 确 的 顶 升 技 术 。 同 时 ， 我 们 在施 工 准 备 、 顶升 过程 中 ， 获 得 了大 量 的实 际 数 据 ， 积 累 了 经 验 ， 为 以后 的施工 打下 了基础 。 ( 上接第 2 3页) 1 0 薹 20 荷载P ， MN 0 1 2 3 4 5 6 ( b 4 0 D= 0 7 m，q s k = 2 0 k P a ,E= 3 6 0 0 0 MP a 图 4不同桩端 阻力条件下 的 Ps 曲线 图 4也 表 明 了摩 擦 桩 与端 承 桩 的差 别 ， 即对 于 摩擦桩来说 ， 可尽量提高桩长 ， 对于端承桩可尽量加 大 桩端 阻力 。 3 结论 以上 分析 了影 响荷载 沉降 的 因素 ， 指 出桩 的荷 载沉 降 曲线受 多方 面影 响 ， 与 土 的力 学性 质有关 ， 也 与桩 本身 的参 数如桩 长 、 桩径 有关 ， 还与 桩 的弹性模 量有关 ， 当然也与荷载传递 函数有关。对于某 一固 定地区或固定土型 ， 荷载传递函数可 以选取一 经验 参 数 ， 可认 为是 固定 不 变 的。 因此 可 以在 实 际 工程 中改变桩及桩周土本 身的这些相关的参数 ， 以相应 的改变 桩 的荷载 沉降 曲线 ， 达 到桩 的荷 载沉 降要 求 。 例 如可 通过 桩 的后 压 浆 技 术 ， 来 改 变 桩 或桩 周 土 的 某些相关参数 ， 如 ： 注浆后扩大桩径形成变截面桩身 形式 ， 挤密压实桩周土体等 ， 改变桩端阻力与桩侧摩 阻力 的大 小 ， 达 到提 高桩 的承载 力 ， 降低沉 降 的 目的 。 参考文献 1 林天健 ， 熊厚金 ， 王利群 桩 基础设计 指南 M 北京 ：中国建筑 工业 出版社 ， 1 9 9 9 2 J G J 9 42 0 0 8 ， 建筑桩基技术规范 S 3 党发宁 ， 刘娜 ， 何文安 西安 地区单桩 荷载传 递双 曲线模型 与工 程应用 J 岩士工程学报 2 0 0 7 ， 2 9 ( 9 ) 63