顧擁軍

浙江大地鋼結(jié)構(gòu)有限公司，浙江 杭州311215

重鋼廠房鋼管混凝土柱的施工

顧擁軍

浙江大地鋼結(jié)構(gòu)有限公司，浙江 杭州311215

本文簡要敘述重型鋼結(jié)構(gòu)廠房鋼管混凝土柱的制作、安裝及其混凝土底灌的施工方法，圖文并茂，供施工者參考。

鋼管混凝土；相貫線；底灌

鋼管混凝土從70年代已經(jīng)開始研究和應(yīng)用，這是一種新型的組合結(jié)構(gòu)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑工程中，尤以高層建筑、橋梁、重鋼廠房等為最多。

鋼管混凝土柱是指在鋼管中填充混凝土而形成的組合構(gòu)件，當(dāng)鋼管混凝土柱軸心受壓時，產(chǎn)生緊箍效應(yīng)，具有特殊性能，抗壓強(qiáng)度大大提高，是鋼材與混凝土最佳的合理使用。與鋼結(jié)構(gòu)柱相比，可節(jié)約鋼材50%左右，造價也可降低。

近年來，公司應(yīng)用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)施工項目頗多，有高層建筑鋼結(jié)構(gòu)、橋梁鋼管拱、重鋼廠房和標(biāo)志塔桅桿下部鋼管混凝土柱等。鋼管混凝土的施工主要包含鋼結(jié)構(gòu)的制作、安裝及混凝土的施工兩個方面的內(nèi)容。本文就單層重型鋼結(jié)構(gòu)廠房鋼管混凝土柱為例，重點闡述四肢格構(gòu)式鋼管混凝土柱的施工方法和工藝要點。

圖1 三連跨格構(gòu)式鋼管混凝土柱重鋼廠房

一、工程概況與結(jié)構(gòu)特點

浙江造船有限公司室內(nèi)船臺及集配庫工程為單層重型鋼結(jié)構(gòu)廠房，采用鋼結(jié)構(gòu)（框）排架，建筑面積約29552m2, 縱向長316m，柱距12m（局部柱距24m），橫向?qū)?7m，三連跨（AB、BC、CD跨），跨度分別為36m、36m和25m。如圖1所示。

A、B、C軸為高跨（36m跨），屋面檐口標(biāo)高為45.50m，CD跨為廠房低跨（25m跨），標(biāo)高為12.680至13.730。

A、B、C軸36m跨采用格構(gòu)式排架柱，下柱為四肢鋼管混凝土格構(gòu)式柱子，上柱為H型焊接實腹式鋼柱，單根空管桁架柱最大重量55.3t。D軸柱及抗風(fēng)柱采用H型焊接實腹式鋼柱。

鋼柱柱腳均采用插入式柱腳，部分柱間設(shè)柱間支撐。屋面梁為H型實腹式鋼梁，梁柱節(jié)點采用剛接，即高強(qiáng)螺栓加翼緣板焊接連接，屋面結(jié)構(gòu)為有檁體系，吊車梁為H型實腹式鋼梁，有9m、24m、38m軌高吊車梁系統(tǒng)，主跨廠房為雙層行車，上層橋機(jī)最大吊重150t。

圖2 鋼管上、下柱分段圖

四肢鋼管格構(gòu)柱，由肢管、腹桿、隔板和牛腿組成。肢管采用螺旋焊縫鋼管（φ450×10、φ450×12）和直縫埋弧焊管（僅用于兩端露天跨鋼柱，規(guī)格φ559×16）兩種，腹桿采用高頻焊管（φ168×10、φ 168×12）。鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)采用Q345B。

二、鋼管格構(gòu)柱制作工藝要點

2.1 施工總體構(gòu)思

由于鋼管桁架柱尺寸較大，限于運輸，在工廠進(jìn)行分段制作，工廠預(yù)拼裝，運至現(xiàn)場進(jìn)行吊裝、高空拼裝焊接。

①鋼管柱腹管與肢管相貫連接，采用5軸聯(lián)動數(shù)控相貫線切割機(jī)割出管端相貫線和坡口，以保證拼裝和焊接的質(zhì)量。

②提高工廠制造程度，節(jié)點的制作和組裝均在工廠進(jìn)行，能在工廠制作的盡可能在工廠完成，使現(xiàn)場工作盡量減少，以保證安裝質(zhì)量。

③焊接是關(guān)鍵，鋼管柱鋼管相貫節(jié)點的焊接和鋼柱肩梁處箱形牛腿的焊接要求很高，必須嚴(yán)格制訂焊接工藝方案，由全方位合格焊工進(jìn)行施焊，焊后按規(guī)程嚴(yán)格檢查。

2.2 格構(gòu)式鋼柱制作

2.2.1 鋼管柱制作的技術(shù)要點

①鋼管與鋼管、板與板對接應(yīng)等截面等強(qiáng)度拼接，焊縫為全熔透一級焊縫。

②鋼管柱腹管相貫焊接，其腹管相貫線及坡口加工必須在數(shù)控管相貫切割機(jī)上加工，相貫焊縫必須嚴(yán)格按工藝施工。

③鋼柱牛腿處十字型加勁板與頂板以及牛腿箱兩側(cè)板的焊縫等級為全熔透一級焊縫。

④鋼管柱管壁與頂板接觸面必須刨平頂緊，然后焊接。

2.2.2 格構(gòu)柱分段與鋼管對接

肢管采用螺旋焊縫鋼管和直縫埋弧焊管，經(jīng)計算和排料，鋼管分三段，每段約12米，由鋼管供應(yīng)商定尺制作并端部加工坡口，材料利用率達(dá)100%。工廠對接和現(xiàn)場拼接均為帶墊的全熔透一級焊縫，其結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

2.2.3 腹桿相貫線切割

四肢管格構(gòu)柱的腹管與肢管相貫連接，此相貫線及其坡口的形成，主要是腹管端部的切割，由于主管貫通，支管以內(nèi)徑相貫，沿內(nèi)徑向外開出坡口。鋼管切割在CNC相貫線切割機(jī)上進(jìn)行，隨機(jī)引進(jìn)用于三維構(gòu)造中的斜切及馬鞍形等輪廓的工作準(zhǔn)備軟件系統(tǒng)，可以采用聯(lián)機(jī)和脫機(jī)工作，并可在網(wǎng)上在線工作。ACAD生成的鋼管桁架三維圖（圖4），輸入該軟件后，即生成用于CNC數(shù)控切割機(jī)的切割數(shù)據(jù)并保存在數(shù)據(jù)文件中，可通過數(shù)據(jù)連線或U盤或移動硬盤，送到管子切割機(jī)中，操作者僅需調(diào)入數(shù)據(jù)文件，即可按編號逐個對管子端口進(jìn)行相貫線和坡口切割，一次切割完成。非常方便可靠，該軟件還具有套料程序，按程序一根一根下料并割出相貫線和坡口。我們引進(jìn)了荷蘭HGG公司和國內(nèi)林克曼數(shù)控管相貫切割機(jī)，此類設(shè)備功能先進(jìn)、齊全、切割速度快、坡口光潔、操作簡便、效果好。

圖3 工廠鋼管對接結(jié)構(gòu)形式

圖4 CNC相貫線切割三維結(jié)構(gòu)圖

科技進(jìn)步和創(chuàng)新工藝技術(shù)替代了參數(shù)化輸入及傳統(tǒng)的展開放樣工藝，從而推動了鋼管桁架制造業(yè)的發(fā)展。

2.2.4 格構(gòu)柱相貫焊縫

腹管與肢管的相貫相交形式有正交和斜交。相貫焊縫的焊接，采用手工電弧焊和氣體保護(hù)焊，是鋼柱制作的關(guān)鍵。

相貫節(jié)點的焊接，在A區(qū)域內(nèi)焊縫為全熔透二級，B區(qū)過渡區(qū)，由熔透焊縫逐漸過渡到確良角焊縫，C區(qū)為加強(qiáng)角焊縫，焊縫高度為1.5倍管壁厚, 按三級焊縫進(jìn)行檢測，相接處圓弧過渡。相貫線焊縫坡口形式及焊縫高度如圖6所示。

圖5 CNC相貫線切割機(jī)

2.2.5 格構(gòu)柱廠內(nèi)預(yù)拼裝

①鋼立柱上下段必須在廠內(nèi)進(jìn)行總體預(yù)拼裝。

②預(yù)拼裝在裝配平臺上臥拼，劃出各構(gòu)件裝配中心線和高程線。

圖6 鋼管相貫線焊縫分區(qū)圖

③將上、下柱對接后，檢查各標(biāo)高尺寸和中心線，主管直線度等參數(shù)，再組裝現(xiàn)場連接用定位板。吊裝方法。根據(jù)鋼柱的高度確定綁扎點，應(yīng)保證鋼柱吊裝過程中基本處于垂直狀態(tài)，并應(yīng)在柱子上用麻繩綁好（為了避免吊起的柱子自由擺動）作為牽制溜繩的調(diào)整方向。吊裝準(zhǔn)備工作就緒后，指揮者發(fā)出試吊信號，由80t汽吊將鋼柱進(jìn)行試起吊，吊起高度為200～300mm時發(fā)出停止信號，再對構(gòu)件和各部位環(huán)節(jié)進(jìn)行檢查，特別是各吊具的安全性及牢固性是否安全可靠，確認(rèn)無問題后再繼續(xù)進(jìn)行。

三、鋼管柱吊裝與安裝就位

3.1 鋼結(jié)構(gòu)安裝工藝流程：

鋼結(jié)構(gòu)安裝工藝流程按構(gòu)件劃分為：格構(gòu)式鋼柱下柱→柱間支撐→吊車梁→格構(gòu)式鋼柱上柱→高空對接→屋架梁→部分檁條→檁條→墻檁→屋面板→墻面板→門、窗等。按軸線劃分流程為：A軸→D軸、1軸→26軸。

格構(gòu)式柱分兩段進(jìn)行安裝，吊機(jī)使用80t和175t汽吊。

3.2 鋼柱安裝

格構(gòu)式鋼柱在廠內(nèi)分上下兩段制作，工廠進(jìn)行預(yù)拼裝，運至施工現(xiàn)場，根據(jù)現(xiàn)場施工順序進(jìn)行堆放，安裝前需對各構(gòu)件進(jìn)行全面檢查，做好吊裝的各項準(zhǔn)備工作。

3.2.1 下柱安裝

①下柱安裝時，先將基礎(chǔ)清理干凈，然后進(jìn)行安裝。吊裝時，要將安裝的柱子按位置、方向放到吊裝(起重半徑)位置。柱子安裝層次包括：基礎(chǔ)放線、綁扎、吊裝、校正、固定等。

②格構(gòu)式鋼柱一般采用直接綁扎

圖8 鋼管下柱吊裝示意圖

圖7 四肢管格構(gòu)柱廠內(nèi)組裝

③當(dāng)格構(gòu)式柱腳接近杯底時，必須注意將柱腳落實，以防柱子在校正時發(fā)生傾斜，每肢插入4個楔子,柱子落實后，打緊四周楔子撐牢,將柱子加固，達(dá)到安全方可摘除吊鉤。繼續(xù)按此法吊裝其余所有柱子。

④格構(gòu)式鋼柱校正

鋼柱吊裝就位后，按照先調(diào)標(biāo)高，再調(diào)扭轉(zhuǎn)，最后調(diào)垂直度的順序進(jìn)行安裝精度的調(diào)校。在進(jìn)行校正同時并采取臨時固定措施，以保證構(gòu)件的穩(wěn)定性，格構(gòu)式鋼柱吊裝校正方法可選用經(jīng)緯儀、纜風(fēng)繩、千斤頂、撬杠等工具，對鋼柱施加拉、頂、撐或撬的垂直力和側(cè)向力。用經(jīng)緯儀進(jìn)行柱子垂直度的校正，校正時還要注意風(fēng)力和溫度的影響。

3.2.2 上柱安裝

上柱的安裝，使用175t和80t兩臺汽吊抬吊。為了便于上柱吊裝對接，在已安裝就位并固定好的下柱上先裝好工作平臺。

兩臺汽吊抬吊后，在上柱處于垂直狀態(tài)下，由175t汽吊安裝就位，定位軸線應(yīng)從地面軸線引到高空，以保證每段柱子安裝正確無誤，避免產(chǎn)生累積偏差。

上柱垂偏校正：鋼柱校正重點是對鋼柱有關(guān)尺寸預(yù)檢，使影響垂直因素得以預(yù)先控制。下段鋼柱的柱頂垂直度偏差、上段鋼柱的底部軸線位移量以及垂直度偏差、焊接變形量等綜合安裝誤差之和，可采取預(yù)留可調(diào)整值，其方向與偏差方向相反。

3.2.3 鋼柱構(gòu)件的司索

①構(gòu)件的索具應(yīng)按照要求的規(guī)格進(jìn)行捆扎使用，不準(zhǔn)隨意修改。

②捆扎時應(yīng)在有銳角的金屬構(gòu)件部位加墊保護(hù)層, 使鋼絲繩索具不受損傷。

③索具的長短應(yīng)符合設(shè)計要求，不允許兩支索的夾角＞120°。

④捆扎索具應(yīng)堅固安全，但是也要考慮到拆除的方便。

⑤不準(zhǔn)以單根吊索吊裝構(gòu)件，防止構(gòu)件在吊裝過程中打旋轉(zhuǎn)而扭傷吊索。

⑥構(gòu)件在起吊過程中應(yīng)先拴好兩端的穩(wěn)索，防止構(gòu)件在起吊后打旋轉(zhuǎn)。

表1

圖12 進(jìn)料支管和閘門的情景

⑦構(gòu)件未曾做好穩(wěn)固措施前嚴(yán)禁吊裝設(shè)備卸鉤，并嚴(yán)禁長時間懸吊重物、構(gòu)件或過夜。

圖9 上柱吊裝

3.3 鋼管混凝土柱吊裝允許偏差

鋼柱吊裝允許尺寸偏差要求見表1。

3.4 上柱與下柱高空對接

高空對接施工要點：

①高空對接必須在鋼柱吊裝穩(wěn)妥校正后，并經(jīng)定位后進(jìn)行。

②在現(xiàn)場焊接施工中，設(shè)立高空焊接平臺，對風(fēng)、雨的影響采取有效的應(yīng)對措施。如圖10所示。

③高空鋼管對接焊縫坡口結(jié)構(gòu)如圖11所示。

④鋼管柱的焊接，應(yīng)采用合理的焊接順序。以防止產(chǎn)生整體焊接變形，盡可能減少焊接殘余應(yīng)力。由四名焊工對鋼柱四根鋼管對稱焊接，四人同時逆時針方向（或同時順時針方向）施焊，直至焊完整條焊縫。整個焊接過程中，四名焊工都要保持對稱位置。

圖10 高空對接焊接平臺

圖11 高空對接結(jié)構(gòu)形式

⑤焊接過程控制

施焊過程中，每一焊層都要進(jìn)行清渣，進(jìn)行層間檢查，發(fā)現(xiàn)缺陷及時處理后方可繼續(xù)施焊，焊后清理焊接飛濺。

⑥高空焊接注意事項

在鋼柱的整個焊接過程中，有專職測量人員，對柱子的垂直度進(jìn)行監(jiān)測。同時，設(shè)專職人員對風(fēng)速、溫度、濕度進(jìn)行測量記錄，若出現(xiàn)風(fēng)速大于10m/S；相對濕度大于90%，雨天等情況之一，且無有效保護(hù)措施，立即停止焊接。

⑦焊材的管理：焊條應(yīng)有質(zhì)保書，現(xiàn)場配有一級庫、二級庫存放焊材，焊條使用前須烘干，焊工領(lǐng)取焊條需用保溫筒，焊接時保溫筒接上電源用以保溫防潮濕。

⑧焊接完成24小時后，對焊縫進(jìn)行外觀檢查以及超聲波檢查，超聲波檢查按照《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級法》(GB11345)進(jìn)行評定，100%探傷達(dá)BII級要求。

四、鋼管柱混凝土澆灌

管內(nèi)澆灌混凝土的方法，通常有泵送頂升、高位拋落無振搗和手工澆搗等三種形式。本工程采用泵送頂升的施工方法，成功地將混凝土頂升至36m高程，順利完成了78根格構(gòu)柱子312根鋼管的混凝土澆灌任務(wù)。

泵送頂升混凝土澆灌都在現(xiàn)場進(jìn)行，其施工要點如下：

①在全部主體結(jié)構(gòu)安裝完成后進(jìn)行混凝土的澆灌，插入式鋼柱腳已固定，尚未進(jìn)行鋼柱平臺二次澆搗時進(jìn)行混凝土的澆灌。

②在離柱腳平臺面-500～-300mm處鋼管上開一臨時澆灌口，并安裝一個帶閘門的進(jìn)料支管，澆灌口上焊接的一小段支管無須拆除，在柱腳二次澆灌混凝土?xí)r埋入即可。

圖12顯示進(jìn)料支管和閘門的情景。

③將進(jìn)料支管直接與移動式泵車輸送管出口端相連，由泵車連續(xù)不斷地將混凝土自下而上頂升灌入鋼管，無需振搗。至頂部溢出后關(guān)閉閘門，停止泵送。泵送時，有專人在鋼管頂部看守，待混凝土溢出時，泵送停止后，清除多余混凝土，再將封板緊壓管端。

④鋼管內(nèi)無鋼筋，管內(nèi)混凝土配合比除滿足強(qiáng)度等級外，尚須注意混凝土坍落度的選擇，泵送頂升混凝土向管內(nèi)澆灌時，混凝土采用免振較高流態(tài)的混凝土C30，粗骨料粒徑可采用0.5～3cm,水灰比應(yīng)不大于0.45,坍落度不小于15cm。

⑤鋼管內(nèi)混凝土澆灌屬隱蔽工程，無法直接觀察到澆灌的質(zhì)量和存在的缺陷，因此必須制訂嚴(yán)格的施工工藝細(xì)則，加強(qiáng)澆灌工作的施工管理，明確崗位責(zé)任制。可用敲擊鋼管方法進(jìn)行初步檢查，如有異常則用超聲波檢測，若發(fā)現(xiàn)有不密實部位和質(zhì)量問題，應(yīng)進(jìn)行鉆孔壓漿補強(qiáng)，然后將鉆孔補焊封死。

圖13 泵送混凝土

五、結(jié)束語

鋼管混凝土是一種具有特殊性能，抗壓強(qiáng)度高，鋼材與混凝土最佳的合理使用的新型組合結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)零件少，結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)省材料，施工方便，有較好的經(jīng)濟(jì)效益，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑工程中。近年來，由于數(shù)控管相貫切割和泵送頂升混凝土技術(shù)的發(fā)展，解決了現(xiàn)場鋼管內(nèi)部澆灌混凝土的工藝問題，鋼管混凝土技術(shù)一定會在建筑領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用和推廣。

[1]鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程.CECS 28:90

[2] 鐘善桐.鋼管混凝土結(jié)構(gòu).清華大學(xué)出版社.第3版

[3]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計一般說明.中船九院

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.06.014