建筑钢管混凝土柱施工工法

'多（高）层建筑钢管混凝土柱施工工法工法编号：RJGF(闽)—S1—2010完成单位：中建七局第三建筑有限公司主要完成人：张书锋陈霞王耀1前言钢管混凝土柱是近年来研究应用的多元化结构形式之一，成功的应用被越来越多的建筑界专家所瞩目。它利用钢牛腿、梁钢筋、节点环板的传力方式，配以双向密肋梁模壳楼盖、肋型楼盖或其他形式楼盖，形成钢管混凝土板柱或梁板柱结构，充分发挥了钢管柱的优势，因而逐步被推广应用于建筑工程中。本工法中混凝土底部顶升法施工采用的钢管柱柱芯混凝土顶升进料装置已获得国家专利（申请号/专利号：0）。2特点2.0.1钢管混凝土柱是在圆形钢管内浇灌混凝土形成的组合结构构件，是套箍混凝土的一种特定形式，兼有钢结构和混凝土结构的优越性能，充分利用了混凝土受压性能好和钢管韧性、塑性好的优点，使管内混凝土受三向约束，充分发挥了混凝土的作用，提高了结构构件的承载能力、抗震能力，与钢筋混凝土柱比较，减小了柱子截面面积，增大了建筑使用面积。2.0.2钢管混凝土柱的钢管适合机械化施工，钢管在工厂加工完毕后运送至现场即可直接吊装对接，施工现场仅存在钢管对接焊和连接节点焊接，柱芯混凝土采用泵送或其他形式一次浇注2～3个楼层。减少了钢筋混凝土柱的重复工作次数，节省了模板，降低了劳动强度，缩短了工期。3适用范围本工法适用于现浇混凝土楼面的多层、高层钢管混凝土柱结构工程。4工艺原理在成品钢管或用钢板卷圆对接的钢管上焊接梁板节点部件，检验合格后运至现场吊装对接，支设梁板模板，安装梁、板钢筋、浇灌楼面及钢管内混凝土。它的节点传力方式有两种：第一种在楼层梁柱结合部的钢管上焊接节点环板，通过柱侧钢筋混凝土连续双梁或变宽度梁，环板将楼层荷载传递至钢管混凝土柱身（图4-a），此种构造适用于楼层为密肋梁平板结构；第二种是在梁柱结合部的钢管上焊接钢牛腿，并在梁位钢管外侧设加强环，管内设加强肋板，梁主筋直接与钢牛腿焊接（图4-b），此种构造适用主次梁楼层结构。12 (f)主次梁节点构造剖面图(b)连续双梁节点构造剖面图(d)变宽度梁节点构造剖面图(e)主次梁节点构造示意图(c)变宽度梁节点构造示意图(a)连续双梁节点构造示意图图4节点构造图5施工工艺流程及操作要点5.1工艺流程（见图5.1）原材料检验钢管制作连接部件制作钢管组焊超声波焊缝检验进场验收钢管柱吊装就位、校正基础预埋件预埋件复核钢管接长对接焊超声波焊缝检验梁板节点焊接浇灌混凝土楼板模板安装梁钢筋安装图5.1施工工艺流程图12 5.2操作要点5.2.1钢管及部件制作成品钢管要有质量合格证，并按规定进行规格、尺寸以及外观等项目检查验收。下面仅对钢板卷制钢管进行叙述。1下料：下料前，先通过试焊确定钢板对接焊缝收缩余量，在下料时一并考虑，根据钢管展开尺寸在钢板上划线，用自动气割机切割并坡口，坡口宜采用V型坡口，钢管现场对接端采用外坡口，其余为内坡口，坡口角度60°±5°。节点部件要制作样板，经检验评定合格后按样板分块尺寸划线下料，所有部件切割后，应及时清除割渣并矫正气割变形。2钢板卷圆：将压好边的钢板放在卷板机上进行卷圆，卷圆过程中，卷管方向应与钢板压延方向一致，并严格控制钢管的椭圆度、焊缝间隙及错边量等。3焊前准备：钢管组焊时的纵、环缝，现场对接焊缝、节点连接焊缝应进行焊接工艺评定，确定焊接工艺流程。焊接前应编制如下文件：焊接工艺指导书，焊接工艺评定。通过焊接工艺评定确定焊接的焊条、焊丝、焊剂及焊接技术参数(焊接电流、电压、焊接顺序、焊接方法等)，并填写焊接工艺卡。4钢管焊接：钢管纵、环缝，现场焊缝等焊缝质量等级应满足设计要求，并按《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001进行验收。钢管纵、环缝采用埋弧自动焊，先在钢管外部进行人工封口焊，再按先里后外的顺序各焊一道。5钢管柱组焊：每节钢管柱的长度可按2～3个楼层的高度加上伸出楼板面400mm～1000mm(设计确定)考虑，但一般不超过12m。组对时上、下相邻两条纵缝应错开500mm以上。把钢管放在托轮架上，在钢管上划出O°、90°、180°、270°四根基准线，作为以后组装的基准线，划线时全盘考虑钢管柱及连接节点部件的位置、方向，便于现场组对及垂直度观测。钢管柱组对好后按5.2.1-4方法焊接。5.2.2节点部件连接在钢管上划出钢牛腿、节点板等的位置线，把所有连接部件按12 标高、方位先点焊固定，复检后施焊。内衬管先焊丁字型肋板，再将衬管与钢管焊接，牛腿部位管内节点先组焊，再推入管内与钢管焊接。5.2.3钢管柱与基础底板的连接连接方式有二种：一种形式是将钢管柱伸入底板落于工程桩上即桩承式，此种形式预先将环形受剪箍、加强环、勒脚分别和钢管焊接，在浇筑完基础垫层混凝土，绑扎完底板下排钢筋后，按弹设于垫层面上的控制线安装钢管柱（图5.2.3-a）。第二种形式是将预埋钢板下落一个勒脚高度，底板混凝土浇筑完毕后再安装钢管柱，即预埋板式（图5.2.3-b），此种形式应预先制作钢筋支架，用精密水准仪调整标高后，按垫层平面控制线摆放预埋板，复核校正后焊接固定，底板混凝土浇筑完毕后再安装钢管柱。两种方式在浇筑底板混凝土时均应对称浇筑，防止钢管柱或预埋钢板位移。另外在建筑层数不多，荷载不大的情况下，也可采用插入式（图5.2.3-c），插入式连接应注意验算钢管柱与基础连接面的局部受压强度。(b)预埋板式钢管柱安装(a)桩承式钢管柱安装(c)插入式钢管柱安装图5.2.3柱与基础连接5.2.4钢管柱现场安装1钢管柱吊装：钢管柱吊装可利用现场塔吊，进行施工组织设计时应考虑安装最远端钢管柱时塔吊的臂长及起重能力能否满足吊装要求。钢管柱吊装采用二点对称捆绑垂直起吊，钢丝绳绑点设于柱最上一个节点下部，起吊时注意保护节点部件，钢管柱固定牢固后方可解除吊索。2第一节钢管柱的安装：在桩顶(垫层)或预埋钢板上弹出钢管柱安装十字控制线，划出柱外皮控制点。钢管柱吊装前在柱顶部平分圆周位置预先栓置4条钢丝绳，钢管柱吊起调整至柱12 身控制线与十字控制线基本吻合后下落，调整就位并临时固定，在钢管两侧呈90°位置架设二台经纬仪，同时观测钢管柱身的二条控制母线，通过调节设置在钢丝绳中间的法兰螺栓，校正垂直度。3同径钢管柱的连接、定位、调整：(a)顶拉杆设置示意图(b)变形卡板设置示意图将吊起的上节柱按划线位置缓慢插入下节柱内衬管，角度调整用特制抱箍钳。上节柱插入内衬管时由于衬管外壁与上节钢管柱内壁局部存在磨擦，就位较困难，可在上下柱接口处设顶拉杆（图5.2.4-1-a），一方面帮助就位，另一方面校正柱身垂直度，还可起到临时固定作用。垂直度校正好后，在钢管柱四侧焊接防变形卡板（图5.2.4-1-b），以减小焊接变形。对接焊完成后，割除防变形卡板等临时构件，并将临时固定焊缝打磨平整。图5.2.4-1同径钢管连接图4异径钢管的连接、定位、调整：(b)法兰盘连接(a)变径加强环连接5.2.4-2异径钢管连接图异径钢管的连接采用变径加强环（图5.2.4-2-a）或法兰盘螺栓连接（图5.2.4-2-b），加强环连接施工顺序为：将变径加强环、柱脚分别与小直径钢管焊接，利用定型样板，依照变径加强环肋板的位置，在大直径钢管上割缺口，再吊装小直径钢管，将变径加强环下部榫管插入大直径钢管内，然后进行小直径钢管的垂直找正，最后大直径钢管与变径加强环焊接，小直径钢管的垂直找正与同径钢管基本相同，唯一区别是顶拉杆上端连接于变径加强环。小直径钢管的平面位置微调采用钢楔楔入的方法进行调整。法兰盘连接先将勒脚、上法兰与小直径钢管焊接，下法兰片与大直径钢管焊接，最后上下法兰片用螺栓连接。5垂直度观测：在安装钢管柱时应在两个垂直方向架设二台经纬仪，同时观测12 柱的两条控制母线，指挥操作人员校正钢管柱的垂直度。随着建筑物高度增加及平面形状、尺寸的限制，用于垂直观测的经纬仪只能放在安装层的楼板上，部分柱观测的角度、距离受到不同程度的影响，因此应将经纬仪架立在尽可能远离被观测柱的位置，使观测的水平距离达到最大；同时要合理安排安装顺序，先难后易，避免因已安装钢管柱的阻挡而影响观测。垂直度观测若采用垂直度校准仪，对钢管柱安装顺序可不作要求，将垂校仪直接安装在钢管柱上，用顶拉杆调整垂直度。6钢管柱对接焊残余应变对垂直度影响的处理方法：现场钢管对接焊采取的是人工焊接，不可避免地产生焊接残余应变，可通过以下几个方面进行控制：1)采用对称分层分段焊接，分层厚度、分段长度、焊接速度等选用的焊接参数均应相同；2)通过验证：焊缝间隙大小和变形大小成正比。因此安装前事先测定上节柱的偏差值，根据计算在管口实行机械打磨，使焊缝间隙保持基本一致；3)设置防变形卡板限制变形；4)对实际存在且已无法更改的偏差进行火焰矫正。矫正加热方法一般采用线状加热或三角形加热，根据偏差大小选择，烘烤温度不大于750°C，烘烤位置在焊缝上方500mm，宽度不超过10倍板厚。5.2.5钢管混凝土施工钢管混凝土的浇灌方法有三种，即底部顶升法、高位抛落法和立式浇捣法。混凝土的输送方式有泵送和现场搅拌塔吊运输等。采用底部顶升法和高位抛落法的要求混凝土必须要有较大的坍落度，否则极易产生管壁与混凝土粘结不紧密等质量缺陷。立式浇捣法由于振动棒振捣等因素，管顶容易产生泌水层和砂浆层。因此，应通过试验在钢管混凝土中掺入微膨胀剂和高效减水剂等，配制成补偿收缩混凝土，使之既满足施工工艺要求，又满足钢管混凝土柱对混凝土的特定要求。1底部顶升法：底部顶升法是在钢管柱底部开孔，设置与混凝土泵管连接、堵口的装置，由混凝土高压输送泵将混凝土压入钢管柱内，混凝土由下至上顶升至管顶后，压下堵口挡板，停止混凝土供应。当混凝土强度达设计强度的50%时，拆除连接装置，将孔口补焊封堵。操作要点：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（从混凝土拌合至开始顶升的时间应控制在混凝土初凝前），防止混凝土在运输过程中耽搁造成顶升中断。同时，及时做好混凝土坍落度及坍落扩展度的检测。212 )在混凝土输送管与截止阀连接前，用泵送砂浆润滑输送管道，并把该部分砂浆清除干净后再进行柱芯混凝土的浇筑。3)混凝土顶升至柱顶后，应及时停泵，并进行数次回抽，若柱顶混凝土面无明显回落，方可拆除混凝土输送管。4)浇筑完毕30min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。2高位抛落法：混凝土由管口倾入，利用自重力使混凝土密实，不用振捣，抛落高度应不小于4m，一次抛落混凝土量宜在0.7m3～0.9m3左右，料斗的下口尺寸应比钢管直径小100mm～200mm。该方法适用于大直径钢管柱。操作要点：1)每次浇灌混凝土前先浇一层厚度150mm左右与混凝土等级相同的水泥砂浆，以免自由下落的混凝土粗骨料产生弹跳现象。2)集料斗架设在管口中央并保持垂直，泵送混凝土至料斗，当料斗集满混凝土后，开启料斗封底板使混凝土一次性自由抛落，并利用混凝土下落时产生的动能振实混凝土。3)重复上述动作直至完成该管混凝土的灌注。施工过程中由专职检验人员用小锤敲击管壁，听声音鉴定混凝土的密实。3立式浇捣法：混凝土由管口倾入，用内部加长振动器振捣，混凝土一次浇筑高度不宜大于1.5m，每次振动时间以混凝土面无气泡泛出并不少于30秒为准，管径小于350mm者采用附着式振动器振捣，振捣时间不小于1分钟，一次浇灌高度不大于振动器的有效工作范围。立式浇捣法混凝土水灰比不宜大于O.4，坍落度不宜大于40mm，混凝土浇至管顶后应清除浮浆层。4混凝土浇筑宜连续进行，必须间歇时，间歇时间不应超过混凝土的初凝时间。每段钢管柱的混凝土，只浇筑到离钢管顶端500mm处，以防焊接高温影响混凝土的质量。钢管柱到顶收头时，混凝土浇至距管顶300mm左右，焊接中间留孔的封顶板，待混凝土强度达设计值的50%后，用同强度等级细石混凝土填满，最后封焊封顶板孔。5.3劳动力组织操作人员必须有岗位操作合格证，并且具有一定的钢结构施工经验，施工前应进行详细的技术安全交底，明确岗位职责，劳动力组织情况见表5.3。表5.3劳动力组织情况12 序号工种人数加工制作阶段1冷作工152电焊工103电工14起重工25探伤工2现场安装阶段1电焊工42电工13起重工24机械工35探伤工26协调联络员1混凝土浇筑1振捣工22机械工23普工86材料与设备6.1材料6.1.1钢管、钢板委托工厂生产的钢管应按方案确定的一次安装高度进行加工，但最长不得超过12m，成品钢管或卷制钢管壁厚应符合设计要求，钢管可用焊接管、螺旋管和无缝管，管内不得有油渍和污物，出厂时应具有质量合格证明。卷制钢管可用Q235钢或16Mn钢，钢板表面不得有结疤、裂纹、折叠、严重锈蚀，不得使用受过冲击的钢板，钢板必须有出厂合格证或机械力学性能试验报告。6.1.2焊接材料焊接材料的选用可根据母材的性能、工件的性能、结构特点、工艺设备等综合考虑。各类焊条必须保存在通风良好、干燥的库房内。库内温度不低于5℃，相对空气湿度小于60%，使用前应烘干。6.1.3混凝土钢管混凝土强度等级不宜低于C30，所用粗骨料应为粒径不大于4cm的连续级配石料，不得使用针片状、石屑含量高于15%的碎石，砂应选用中砂，各种外加剂进场后应进行性能检验，合格后使用。6.2设备12 机具配备见表6.2。表6.2机具配备一览表序号机具名称数量（台）备注1卷板机12埋弧自动焊机13交直流焊机4/组根据方案确定4自动切割机25焊条烘干箱16焊剂烘干箱17吊车18塔吊19磨光机510超声波探测仪111经纬仪212水准仪113托轮架414混凝土输送泵根据混凝土浇灌方式选择7质量控制7.1质量控制标准7.1.1严格按《高强混凝土结构技术规程》CECS104：99，《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81—2002，《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001中相应的规定施工。7.1.2焊接坡口允许偏差见表7.0.2-1，钢管构件外形尺寸允许偏差见表7.0.2-2，钢管柱安装允许偏差见表7.0.2-3。表7.0.2-1焊接坡口允许偏差（单位：mm）坡口名称焊接方法板厚(δ)钝边(a)内侧间隙(b)坡口角度(α)坡口形式V型坡口手工焊6～81±11±170°±5°10～262±12±160°±5°自动焊16～227±10±160°±5°表7.0.2-2钢管构件外形尺寸允许偏差（单位：mm）12 项目允许偏差检验方法图例直径d±d/500±5.0用钢尺检查构件长度l±3.0管口圆度d/500且不应大于5.0管面对管轴的垂直度d/500且不应大于3.0用焊缝量规检查弯曲矢高d/1500且不应大于5.0用拉线、吊线和钢尺检查对口错边t/10且不应大于3.0用拉线和钢尺检查表7.0.2-3钢管柱安装允许偏差（单位：mm）项目允许偏差检验方法立柱中心线和基础中心线±5用吊线和钢尺检查立柱顶面标高-20，+0用水准仪检查立柱顶面高度差±5用拉线和钢尺检查立柱垂直度高度的1/1000，且不大于10用经纬仪、吊线和钢尺检查整体垂直度底柱不大于10，顶层柱不大于35用经纬仪、吊线和钢尺检查上下柱连接处的错口±3用钢尺检查7.2质量保证措施7.2.1进行手工电弧焊时当风速大于5m/s，进行气体保护焊时当风速大于2m/s，均应采取防风措施方能施焊。7.2.2Ⅰ、Ⅱ级焊缝，必须进行超声波探伤，如发现超标现象，分析原因后再进行返修，同一部位返修次数不得超过2次，对经过2次返修仍不合格的焊缝，应会同设计或有关部门研究处理。焊缝表面不得有气孔、裂纹、夹渣等缺陷，咬边深度不得大于0.5mm且不大于0.1t（t为连接处较薄的板厚），长度不大于总长的10%，连续长度不大于1OOmm，焊脚高度必须满足焊接工艺卡规定要求。钢管混凝土强度等级必须达到设计要求，管内混凝土应密实。12 8安全措施8.0.1机械设备、电动工具等必须有可靠的接地接零和漏电保护装置。8.0.2机械设备采用挂牌负责制，配备维修保养人员，特殊工种应持证上岗。8.0.3在钢管内的焊接人员应戴防毒面具，并从一端向另一端送风。8.0.4钢管柱吊装时由信号员专人指挥，保证联络通畅，指挥及时准确。8.0.5经常检查吊具吊索的安全状态，在钢管柱临时固定完成前不得松开吊钩，风速超过5级以上不得吊装。8.0.6进入现场应正确佩戴好安全帽，焊工操作时应佩戴防护面具和电焊手套，高空作业应系好安全带。9环保措施9.0.1安装钢管柱时，不得大力随意敲击钢管柱，尽量减少噪音的产生。9.0.2多台焊机在一起集中施焊时，应设隔光板。9.0.3施焊场地周围应清除易燃易爆物品，或进行覆盖、隔离。9.0.4焊接作业后应及时收集焊渣等废弃物，保持施工作业面整洁，做到工完场清。9.0.5工作结束，应切断焊机电源并检查操作地点，确认无起火危险后，方可离开。10效益分析10.0.1钢管混凝土柱一次可安装2～3个楼层，柱混凝土的浇筑相应为2～3个楼层浇筑一次，加快了施工进度，省却了钢筋混凝土柱的支模，绑扎钢筋，拆模等工序，工期效益显著。10.0.2钢管混凝土柱在保持钢材用量和承载力相同的情况下，构件的横截面面积较钢筋混凝土柱可减少一半，不仅减轻了整个建筑物的自重，而且在不增加建筑物总高的条件下，增大了建筑面积。10.0.3本工法在钢管柱制作，改进钢管柱安装方法，提高劳动效率方面可降低成本373元/吨。11应用实例本工法成功应用于福州市万象商业广场、重庆江滨大厦、温州丽华大厦等工程，工程施工质量均满足规范和合同要求，并创造了一定的综合经济效益。现以福州市万象商业广场工程为实例进行简要说明。11.0.1工程概况12 福州市万象商业广场，建筑高度99.95米，地下室建筑面积为26568m²，地上建筑面积为67518m²。本工程结构形式为钢框架结构，竖向采用116根Φ720钢管柱，用钢量约1200吨，管内浇筑C50高流态自密实混凝土。11.0.2施工情况钢结构连接方式采用高强螺栓、焊接和栓一焊形式，混凝土采用采用顶升法施工，柱芯混凝土在28天后的直径收缩值为0.16mm，混凝土强度在56.3MPa～58.7MPa之间，均符合设计及施工质量验收规范要求。11.0.3工程评价通过采用本工法进行钢管混凝土柱施工，有效控制了钢管柱的安装及混凝土的施工质量，形成综合经济效益10.6万元，对同类项目的施工起到一定的指导作用。12'