钢管柱泵送顶升混凝土施工工法

钢管柱泵送混凝土顶升施工工法1前言钢管混凝土是介于钢结构和钢筋混凝土结构之间的一种结构形式，兼有两种结构的优点。以往施工都是从钢管柱顶灌入混凝土，施工时需制作施工平台，长时间占用大型吊车，并且，由于高空作业量大，施工人员极其不安全，且每次浇筑的混凝土量并不大，费用高。而泵送顶升混凝土的施工方法无需长时间占用大型吊车，施工时，现场有一台混凝土输送泵即可满足要求，工艺相对简单，同时减少了高空作业量，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。在武昌造船厂应用的钢管混凝土顶升浇筑施工综合技术于2000年1月通过了湖北省级的技术鉴定，其技术水平达到了国内领先水平。该工法也获得了2000年度的国家级工法（编号：XXXXX）。之后在的XX证券交易所营运中心工程、中国一冶集团有限公司的武钢二冷轧工程等工程中成功应用。通过工程实践，联合中国一冶集团有限公司进一步总结此工法。2011年4月8日，由和中国一冶集团有限公司完成的科技成果“钢管柱泵送混凝土顶升成套技术研究与应用”通过了中国建筑工程总公司的科技鉴定，该成果达到了国内领先水平。获得国家实用新型专利《插板止回流式混凝土顶升灌注装置》，专利号：XXXXXX。该工艺具有很好的推广价值。2工法特点2.1钢管混凝土柱顶升灌注混凝土的施工，省工、省料，操作简便易行。2.2泵送顶升混凝土的施工是将混凝土从钢柱的根部缓慢向上顶升，并通过截止阀、卸压孔等特殊装置来完成钢管内混凝土的顺利浇筑。施工过程中柱内混凝土受到了顶升压力有效地排除了钢柱内尤其是横隔板下的空气，混凝土密实度得到了提高，避免了隔板底下混凝土密实度不足、离析等缺陷；特别是能够保证钢筋密集、结构复杂、施工难度大的构件内混凝土浇筑质量。2.3可以加快施工进度。一般情况下，钢管柱吊装就位后，固定好后就可以直接安装屋架、梁板等构件。泵送顶升工作可以在上述工作进行的同时进行平行作业，改变了以往需要从钢管柱顶浇注完混凝土后才能安装屋架等构件的作业模式。2.4采用泵送顶升方法施工，基本可以不振捣，相应减少了高空作业量。2.5降低施工费用，与吊车提升料斗在柱顶落灌方法比较，省支了料斗和浇灌平台的制作，节省了施工费用。3适用范围适用于大型工业厂房及公共建（构）筑物的钢管直径小于1.2m、顶升高度小于45m的圆形及方形钢管柱内混凝土的施工。尤其适用于钢管柱内钢筋密集、结构复杂、施工难度大的钢管柱内混凝土施工。4工艺原理在钢管下端的适当位置安装一个带闸门的进料支管，直接与泵车的输送管相连，利用混凝土泵的压力将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。钢管柱顶部设置排气孔，以减少泵送压力。在钢管柱下部接口连接管上，采用设置截止闸方法，防止混凝土倒流。5施工工艺流程及操作要点5.1施工工艺流程钢柱开孔焊接短管安装截止阀连接混凝土泵管混凝土泵送顶升混凝土溢出停止顶升关闭截止阀焊接封管混凝土终凝后割除短管补焊钢管检测验收制作截止阀混凝土试配混凝土搅拌运输坍落度检测混凝土试块制作混凝土试块试压资料收集整理图5.1施工工艺流程图5.2混凝土的顶升浇筑5.2.1混凝土配合比的选择除必须满足混凝土设计强度和耐久性的要求外，尚应使混凝土满足可泵性要求，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同强度等级的塑性混凝土。在混凝土中同时掺加减水剂和膨胀剂，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，可采用压力泌水试验结合施工经验进行控制，一般10S时的相对压力泌水率S10不宜超过40%。S10=V10/V140（5.2.1-1）式中S10-----10S时的相对压力泌水率；V10-----混凝土加压至10S时的泌水量；V140-----混凝土加压至140S时的泌水量。粗骨料选用最大粒径与输送管径比对碎石不宜大于1：3，对卵石不宜大于1：2.5，细骨料宜采用中砂细度模数为2.0，同时掺合适量Ⅰ级粉煤灰，混凝土水灰比宜为0.4～0.6，外加剂可选用高效缓凝减水剂增加混凝土的初凝时间，同时掺入10%的UEA膨胀剂使混凝土浇灌后微膨胀，以补偿收缩达到密实。5.2.2对混凝土输送泵工作压力的要求顶升过程中，混凝土在钢管内呈“泉涌状”上升，混凝土输送泵工作压力与泵产品性能、状况、泵送高度、泵送水平距离和混凝土坍落度及和易性有关。施工前要根据现场实际水平泵送距离及泵送管路的设置计算压力损失（具体见压力损失换算表），为减少泵送压力损失，输送泵与钢柱间距离不宜过大，以确保输送泵的有效工作压力达到10～16MPa。表5.2.2混凝土泵送压力损失换算表管件名称换算量换算压力损失值（MPa）水平管每20m0.10垂直管每5m0.10450弯管每只0.05900弯管每只0.10管道接环（管卡）每只0.10管路截止阀每个0.803.5m橡皮软管每根0.205.2.3柱肢与混凝土输送管的连接：在距钢管混凝土柱底部约800mm的位置开一个进料口，进料口的尺寸比进料短管大3mm，焊接的进料短管采用混凝土泵管制作，焊接时须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状态以防止混凝土进入钢管柱后直接喷射到管内壁，减小混凝土向上的顶升阻力。进料短管与钢管柱之间采用焊接，焊缝高度不小于壁厚。为防止施工时进料口处振动剧烈，将进料口与钢管柱之间的焊缝撕裂，在进料短管周围均匀地加焊加强劲板。图5.2.3进料短管与钢管柱连接5.2.4止流阀的制作、安装：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。为防止在混凝土泵送顶升浇灌过程中闸板缝漏气,需用黄油涂缝，或者加设一个密封圈垫在闸板缝内。混凝土泵送顶升浇灌结束后,控制泵压2～3ｍｉｎ,然后略松闸板的螺栓,打入止流闸板,即可拆除混凝土输送管,转移到另1根钢管柱浇筑。待混凝土强度达75%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。止流阀阀板（350mm*150mm）法兰盘（250mm*250mm）组合图图5.2.4-1止流阀的制作及安装图5.2.4-2止流阀5.2.5卸压孔：采用泵送顶升浇灌工艺，钢管柱顶端必须设溢流卸压孔或排气卸压孔。溢流卸压孔的面积应不小于混凝土输送管的截面面积，并将洞口适当接高，以填充混凝土停止泵送顶升浇灌后的回落空隙。图5.2.5卸压孔布置5.2.6顶升浇筑施工：每次浇筑混凝土前（包括施工缝）应先浇灌一层厚度为10～20cm的与混凝土强度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。浇筑过程中，每一根钢管柱混凝土浇灌最好连续泵送完成，其间不宜停顿，如果必须中断，时间尽量缩短，最多不能超过半小时，否则，由于混凝土在输送管及钢管柱内停留时间过长，有可能导致管内混凝土泵不上去，造成工程质量事故。混凝土顶升浇灌至钢管钢管柱卸压孔柱顶部从排气孔溢出后，输送泵停止工作，待混凝土沉实一段时间后（约5至6min），再泵送顶升一次，排气孔溢出混凝土，顶升浇灌混凝土结束。5.2.7创新应用近几年来，中建三局第二建设工程有限公司和中国一冶集团有限公司合作，已将原国家级工法（钢管混凝土顶升浇筑施工工法）的应用范围和规模进行了大幅拓展，即从直径φ600mm扩展到直径φ1200mm，顶升高度从36.5m提升到45m，从单柱顶升扩展到双肢柱顶升，从圆柱扩展到方柱顶升，从普通的混凝土升级为高强度混凝土，并且在XX证券交易所营运中心工程、武钢二冷轧工程等工程中成功应用。1.钢管柱直径从0.6m扩展到1.2m，从普通的混凝土升级为高性能高强度混凝土XX证券交易所营运中心项目塔楼外框筒东西两侧首层14根方钢管柱内混凝土采用泵送顶升施工工艺进行浇注，方钢管柱最大边长为1.2m，柱内混凝土强度等级最大为C70。2.从圆柱扩展到方柱顶升XX证券交易所营运中心项目桁架筒柱和塔楼的部分外框筒柱为方钢管柱，方钢管柱最大边长为2.5m，最小边长为0.4m。该工程对塔楼外框筒东西两侧首层14根方钢管柱内混凝土采用泵送顶升施工工艺进行浇注。图5.2.7-1方钢管柱顶升混凝土施工3.从单柱顶升扩展到双肢柱顶升，顶升高度从36.5m提升到45m武钢二冷轧三区主厂房采用单层排架结构，圆形双杯口独立柱基础，钢管双肢格构混凝土柱。钢管内混凝土设计强度等级为C30。主厂房三区钢柱设计主要采用φ800×12mm的钢管混凝土柱，格构钢管为φ325㎜×8㎜。共有96根双肢钢管柱，最大柱高45m。采用泵送顶升浇灌法。图5.2.7-2双肢钢管柱顶升混凝土施工4.在原有工法基础之上，为了保证钢管混凝土顶升质量，采取了以下措施。1）钢管混凝土模拟试验XX证券交易所营运中心项目在钢管柱混凝土施工时，针对本工程特点，综合设计及相关规范规程的要求，在施工现场进行钢管混凝土模拟实验。采用超声波检测管内混凝土的浇筑质量，并采用钻芯取样，检测混凝土强度，检测完后，采用氧气切割方式把钢柱剖开，用目测的方法观察其浇筑效果，查看混凝土与加劲板、钢管柱钢板的结合情况。一方面验证工程实体钢管混凝土的施工质量，另一方面进一步进行总结和优化施工方案，确保实际施工质量达到要求。图5.2.7-3钢管混凝土模拟试验图5.2.7-4钢管混凝土钻芯取样2）钢管柱内设栓钉和加劲板，加劲板上增设排气孔XX证券交易所营运中心项目方钢管柱直径大，柱内填充混凝土强度等级最大为C70，钢管柱内设栓钉，且按节点设置加劲板，加劲板上开设浇筑孔和排气孔，以减少泵送压力。图5.2.7-5钢管混凝土柱内设栓钉和加劲板6材料与设备6.1混凝土泵混凝土泵的最大泵送能力应有一定的储备，以保证输送顺利、避免堵管。可选用HBT60C高压混凝土泵，其液压系统工作压力可达32MPa，混凝土出口最高压力可达16MPa，完全满足工程的需要。管内最大压力可达到10MPa，将产生较大纵向拉力，所以必须采用耐高压的管道系统，具体方案如下表所示：表6.1管道系统选用方案项目选用方案管径管径越小则输送阻力越大，过大则抗爆能力差且混凝土在管内流速慢，影响混凝土的性能，综合考虑选用内径为125mm的输送管。壁厚选用壁厚为10mm的超高压管道，保障管道的抗爆能力。密封圈采用带骨架的超高压密封圈以防止混凝土在16MPa的高压下从管夹间隙中流出，确保密封，耐久可靠。6.2钢管柱混凝土顶升系统及组件钢管柱混凝土顶升系统主要由止流阀、短管、泵管、混凝土泵组成，通过短管和一个135°弯头实现。连接短管与钢管柱呈45°自下而上插入管洞。管外径与弯头及输送管相同，便于使用管卡连接，从而使混凝土泵送顶升浇筑更加顺利。6.3劳动组织表6.3劳动力组织表序号工种人数主要工作1混凝土输送车司机4～6将商品混凝土从搅拌站运至工地2泵机操作工2泵机操作及保养3接管工4布管、安拆管、安装及关闭截止阀等4电焊工2柱底开孔、焊接封头钢板等5指挥人员2组织指挥、统筹规划、调度6混凝土工2浇捣、清理、养护7试验员1混凝土坍落度及扩展度的检测试块制作等7质量控制采用泵送顶升浇灌法施工时混凝土在泵送压力作用下向上流动，在流动过程中粗骨料逐渐向管壁运动，多余的浆液渗至管中间，形成“栓流”。在混凝土流动过程中主要是“栓流”在向前整体移动，当然在运动过程中，栓流与周围部分有各成分的相互交换，周围部分由于粘性与钢管壁的表面张力作用受扰动小，凝结时间较早，基本不向前运动。“栓流”从混凝土面流出后由于重力作用和压力损失又落向周围部分。通过钢管中混凝土流速分布情况的分析可以看出，“栓流”的直径与混凝土的坍落度、混凝土输送泵管及进料支管直径、钢管倾角、混凝土的凝结时间、粗骨料粒径有关。且随着混凝土面的不断上升，泵送压力需要不断加大。表7质量保证措施序号项目质量保证措施1坍落度夏天宜大于220mm，冬天宜在180mm左右2混凝土输送泵管及进料支管直径选用内径为125mm的输送管3钢管倾角钢管柱通过短管和一个135°弯头实现。连接短管与钢管柱呈45°自下而上插入管洞4粗骨料粒径粒径5mm～30mm5泵送压力有效工作压力达到10～16MPa8安全措施8.1对作业人员进行“三级”安全文明施