超高变径一次顶升钢管柱混凝土施工工法

超高变径一次顶升钢管柱混凝土施工工法超高变径一次顶升钢管柱混凝土施工工法中建总公司级工法申报资料工法名称类别专业分类申报单位推荐单位(2021年度)超高钢管混凝土柱混凝土一次泵送顶升施工工法房屋建筑工程主体结构中建六局第三建筑工程有限公司中国建筑第六工程局有限公司二0一三年四月三十日2021年度中建总公司级工法申报材料说明1、《2021年度中建总公司级工法申报表》2、工法正文3、企业级工法批准文件复印件4、企业级工法评审委员会的评审意见复印件5、工程应用证明6、经济效益证明7、关键技术专利证书复印件8、科技查新报告复印件中建总公司级工法申报表(2021年度)工法名称超高钢管混凝土柱混凝土一次泵送顶升施工工法类别房屋建筑工程专业分类主体结构申报单位中建六局第三建筑工程有限公司推荐单位中国建筑第六工程局有限公司中建总公司科技与设计管理部制超高钢管混凝土柱混凝土一次泵送顶升施工工法完成单位名称：中建六局第三建筑工程有限公司主要完成人：郭颖、杨太洲、王晓东、窦卫、闻珊华1.前言钢管混凝土柱混凝土顶升施工工艺是利用混凝土输送泵的泵送压力将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。目前，国内钢管柱内混凝土顶升施工一般高度均在30米以下，少数高度在30米以上的超高钢管柱内混凝土顶升施工多采用分段顶升法，一次性顶升的成功率不高；并且在顶升混凝土时，连接钢管柱和进料管之间的焊缝有时会被撕裂从而造成顶升失败。本工法所涉及的苏州电科院项目工程为国内单层钢结构实验室厂房高度之最，主体钢结构由四肢管桁架格构柱组成，单根钢管柱高度达66米；同时钢管柱中间存在3段内衬加劲连接管件，阻力成倍递增，并需采用一次性顶升施工方法。针对以上所述技术难点，我们进行了技术攻关，解决了难题，并成功地对该项目共计96根钢管柱内混凝土进行顶升施工，一次性成功率100%，并申请了6项专利。超高变径钢管柱混凝土一次顶升施工工法通过该工程及其他多项工程对其工艺研究及施工实践，经过总结形成的，并且打破了房建领域钢管柱混凝土一次顶升高度局限，并为该领域提供不可多得借鉴资料。此工法具有良好的发展前景，这些优势便于在行业中进行普及。2.工法特点2.1．本工法基本特点：2.1.1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。2.1.2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。2.1.3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。2.2.本工法关键特点：钢管柱通过内衬加劲连接管件进行有效连接，并在常规钢管柱混凝土顶升前增加2选一项工艺步骤，加之使用自主发明的3项顶升装置及新型止流阀，能够克服较大的顶升阻力，一次完成超高变径钢管柱内全部混凝土的顶升。2.2.1通过采用先顶升水或水泥砂浆在前面开道的方法，润滑了钢管柱的内表面，较大程度地减小了混凝土与钢管柱内表面的摩擦阻力，使紧随在水泥砂浆后面的混凝土能够顺畅地被顶升，因此，该方法能够实现超高变径钢管柱内混凝土的一次顶升，施工效率高，工程质量容易保证。施工过程中的关键点：顶升混凝土时候混凝土车辆必须全部到位或者不能有间断，泵车打压过程中千万不能中断，必须连续顶升混凝土至最顶端方可停止。2.2.2施工方法通过顶升装置实现，通过采用在泵管的下面设置稳定支架的结构，减小了整个装置因进料引起的震动。通过采用在进料管与钢管柱之间焊接加强筋板的结构，来加强进料管与钢管柱之间的连接，能够避免进料管与钢管柱之间的焊缝撕裂，保证施工安全，通过在进料管和泵管之间加装混凝土泵输送高压胶管，能够对进入钢管柱的混凝土进行缓冲，起到减振的作用。实现超高变径钢管柱内混凝土的一次性成功顶升。2.2.3新型的止流阀改变以往的插板式结构，采用限位闸板。在泵送混凝土的作用下，泵管震动，不会因泵管的震动会直接导致闸板的松动，从而使止流阀漏气，使用时，对外呈封闭状态，不漏气，施工方便，安全可靠；采用接头与混凝土输送泵管连接，使用方便；能够重复循环使用，成本较低。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65m以下、直径Φ800以下钢管柱的一次泵送顶升。4.工艺原理钢管柱是分段吊装，并通过内衬加劲连接管件（如图4-1）进行有效连接，吊装完成后，纵向水平垂直支撑安装到位后方可进行钢管柱内混凝土浇筑。在钢管柱的下部管壁上开一个比输送管略大3mm的注入口，用高压输送泵管将混凝土输送泵的出口与注入口相连，采用类似超高钢管柱混凝土的顶升法，不同的是在顶升混凝土前增加泵送顶升水或水泥砂浆两选一项步骤，以启到润滑钢管内壁，较大程度的减小混凝土与钢管柱及法兰盘的摩擦阻力的作用。上述步骤后混凝土靠泵压通过输送管被连续注入钢管柱内，依靠顶升原理，砼由钢管柱内下端直至管内上端注满混凝土。钢管柱顶部设置溢流排气孔，以减少泵送压力。在钢管柱下部接口连接管上，采用设置止流阀的方法，防止混凝土倒流。钢管柱的混凝土顶升完毕后，质量检测方法采用钢管混凝土“四维质量检测法”即：一、敲击法：通过小锤敲击听声音的方法来判断是否存在管内混凝土与钢管内侧空鼓的情况；二、试验法：强度等级测定是否符合要求；三、超声波检测法：由超声波通过时的声速、振幅和波形等超声参数的变化判断混凝土内部的密实度、均匀性和局部缺陷，检测频率一般选择40~100kHz范围内；四、局部钻孔法：可以直观检测实际混凝土强度和状态，但属于破坏性检测，需要压浆补强和补焊封固。图4-15.施工工艺流程及操作要点5.1．工艺流程(见图5.1-1)。图5.1-1施工工艺流程图5.2.施工准备5.2.1机具准备：选置拖泵，施工前进行调试；5.2.2试验人员对混凝土的预控工作，对配料计量系统进行检查、校核，检查混凝土的坍落度，控制在210±10mm；5.2.3收集天气预报信息，调整混凝土的浇筑时间，保证混凝土成形质量；5.3．操作要点5.3.1钢柱轴线、标高校核：将标高控制线打在钢柱上，使开孔的位置处于室内地面标高往上80公分。5.3.2钢柱开孔、焊接短管及稳定支架：钢管柱与混凝土泵管的连接。进料管的下端依次通过止流阀和混凝土泵输送高压胶管与泵管连接。进料管与钢管柱呈45°，出料管头的出口面呈水平状态，以减少混凝土进入钢管柱后直接喷射到柱内壁，增大混凝土向上的顶升力。为防止施工时进料口处震动剧烈，将进料管与钢管柱之间的焊缝撕裂，在进料管周围均匀的加焊6片加强筋板。混凝土泵输送高压胶管上端设有止流阀，进料管和泵管之间加装混凝土泵输送高压胶管，能够对进入钢管柱的混凝土进行缓冲，起到减振的作用。泵管的下面设置稳定支架的结构，减小了整个装置因进料引起的震动。钢管柱与混凝土输送管的连接如图5.3-1。图5.3-1钢管柱与混凝土输送管的连接5.3.3止流阀的制作：为防止在拆除输送管时混凝土回流，需在泵管上设置一个止流装置，一种用于混凝土顶升浇筑的止流阀，包括分别与泵管连接的前、后接头，前接头的后端设有前法兰，后接头的前端设有后法兰，在前、后法兰之间设有活动闸板，活动闸板的上下端设有与其垂直的上、下限位板，活动闸板的下部设有导通孔，在活动闸板两侧均设有挡板，挡板、前后法兰通过螺栓连接。使用时，在前后法兰与所述活动闸板形成的闸板缝内涂填黄油，以防止在混凝土泵送顶升浇筑的过程中闸板缝漏气。也可以从结构上解决闸板缝漏气的问题：在前法兰的后端面上安装前部密封垫圈，在后法兰的前端面上安装后部密封垫圈。不论是在闸板缝内涂填黄油还是在法兰的端面上安装密封垫圈，都是为了在止流阀使用时，对外呈封闭状态。所述导通孔为沿混凝土输送方向逐渐缩小的喇叭状。以减小混凝土的输送阻力。闸板式止流装置如图示5.3-2图5.3-2闸板式止流装置5.3.4止流阀安装：为了防止在混凝土泵送顶升浇筑过程中闸板缝漏气，需用黄油涂缝，或者加一个密封圈垫在闸板缝内。5.3.5泵车与输送管连接：按照要求进行连接。5.3.6泵送顶升水或水泥砂浆润滑管壁工艺一：先顶升水，用水先代替混凝土进行打压顶升，至水到柱顶溢出后顶升打压，柱底部开小孔将水排净后再焊补上。然后再进行混凝土顶升。排水时现场需预设排水设施，以免现场将变成水塘。工艺二：根据钢管柱内径及高度确定约1/10钢管柱总体积的水泥砂浆方量（为确保砼强度，后续的混凝土级配做适当调整，以确保钢管柱内混凝土强度等级等同于设计要求），水泥砂浆在前面先行顶升，后续的混凝土紧跟其后。上述两点的作用都是为润滑钢管内壁，较大程度的减小混凝土与钢管柱及内衬加劲连接管件的摩擦阻力。5.3.7进料泵送顶升：混凝土配合比设计是以满足可泵性要求，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的方式对比试验进行的。在塑性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。施工过程中的关键点：顶升混凝土时候混凝土车辆必须全部到位或者不能有间断，泵车打压过程中千万不能中断，必须连续顶升混凝土至最顶端方可停止。5.3.8混凝土溢出后停止顶升：当混凝土溢出后及时停止泵车。关闭止流阀：混凝土泵送顶升浇筑结束后，控制泵压2-3min，然后略松闸板的螺栓，打入止流阀板。5.3.9拆除混凝土输送管：止流阀板打入后，即可拆除混凝土输送管。5.3.10移到下根肢管：输送管拆除后，可以移到下根肢管。5.3.11清洗钢管柱：拆除混凝土输送管后，将钢管柱残留的混凝土清洗干净。5.3.12混凝土终凝后拆除止流阀：待核心混凝土强度达70%后，拆除止流阀。5.3.13割除短管补焊圆孔：切除连接短管，补焊洞口管壁，磨平、补漆。5.3.14补焊封顶板：混凝土养护28天后，按照规范要求，焊接封顶板。5.3.15检查验收：请有资质的专业队伍对钢柱进行应力波脉冲反射波法和直达波法检测。在混凝土泵送顶升同时，需要检查混凝土的坍落度。5.3.16坍落度试验：将坍落筒放于不吸水的刚性平板上，漏斗放在坍落筒上，脚踩踏板，拌和物分三层装入筒内。随即立即提起坍落筒，将坍落筒放在锥体混凝土试样一旁，筒顶平放一个朝向拌和物的直尺，用钢尺量出直尺底面到试样最高点的垂直距离。确保坍落度在210±10mm。5.3.17制作混凝土试块：混凝土拌合物分两层装入试模，捣棒多捣几次，然后应用橡皮锤轻敲试模四周，最后抹平表面。5.3.18混凝土试块养护：标养和同养同时进行。5.3.19资料归档：将钢柱混凝土的检测报告和混凝土试块试压报告等资料进行归档。6．材料与设备6.1材料表6.1-16.2机械设备配备表表6.2-17．质量控制在施工中严格遵照《钢管混凝土结构设计与施工规程》和《建筑工程质量检验评定标准》的有关规定，重点强调以下质量管理要求：7.1泵送混凝土采用的水泥、砂、石子、水、掺和料、外加剂等原材料。技术指标必须符合《混凝土泵送施工技术标准》(JGJ/T10)的要求，特别是骨料粒径，含泥量、含水率应经常检测，根据检测结果及时调整配合比。混凝土在满足泵送要求的同时要满足以下要求：粗骨料粒径5～31.5mm，水灰比不大于0.45，混凝土坍落度入柱时不小于15cm，加适量缓凝减水剂。应采取的其配比如下：表7.1-1(每立方用量kg)7.3混凝土添加的水泥掺和料、外加剂均应有合格证和出厂检测报告。7.4现场随时检查混凝土的坍落度，不符合要求的及时通知搅拌站。7.5由于混凝土顶升后不振捣，为保证混凝土密实，在混凝土掺加微膨胀剂，使混凝土浇灌后微膨胀，补偿收缩，达到密实。7.6加强混凝土试块质量管理，专人负责制作、养护、保管及送检，以试验报告作为检验工程质量和交工的依据。7.7柱内混凝土的质量检验，其强度等级不低于设计强度等级C50，其标准试样的取样符合《混凝土强度检验评定标准》(GBT50107-2021)的要求。7.8钢管混凝土施工必须符合《钢管混凝土工程施工质量验收规范》（GB50628-2021）的要求，浇筑质量可用敲击钢管的方法进行初步检查，若有异常，应采用超声波检测，对不密实的部位，应采用钻孔注浆法进行补强，然后将钻孔补焊封闭。按照《钢管混凝土结构设计与施工规程》的要求，核心混凝土质量采用敲击法检查。为了对钢管混凝土柱的核心混凝土质量和钢管混凝土柱的完整性有一个更科学的结论，在现场施工时除按《混凝土强度检验评定标准》(GB/T50107-2021)留置试块的方法检验混凝土的强度外，还采用应力波脉冲反射波法和直达波法对钢管混凝土柱完整性进行了检测。应力波脉冲反射波法和直达波法检测原理：当在柱顶激发一应力波脉冲，应力波脉冲沿柱身传播时，如果遇到波阻抗发生变化的界面，如缩颈、混凝土离析和混凝土与管壁脱离等，将发生反射。对柱顶和柱底2个传感器分别接受到的反射波和直达波信号进行计算分析，可确定缺陷发生的位置、类型和严重程度。为了检测钢管混凝土柱的混凝土的强度，采用了直接对比法。在浇筑钢管混凝土柱的同时，浇筑3根混凝土试件。在检测钢管混凝土柱时，同时检测3根混凝土长条试件。通过对所测得的加速度时程曲线的分析，钢管混凝土柱均完整和密实，没有发现混凝土离析、混凝土和钢管壁脱离、混凝土呈蜂窝状结构和缩颈等缺陷。钢管混凝土柱的波速均达到和接近试件混凝土的波速，说明浇灌的钢管混凝土的强度达到了与混凝土试件同样的强度标号。对与混凝土长条试件同时浇筑的压块试样进行了强度试验，试块强度指标均达到了设计强度。因此可以得出结论，钢管混凝土柱混凝土强度已达到了设计强度。8．安全措施8.1混凝土浇筑时必须要有施工负责人到施工现场统一指挥，安全员、防护员必须到位。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混凝土浇筑时要认真检查相关施工机具的运行是否正常，严禁使用不合格机具。对单向阀、截止阀、输送管的布管及接头等进行检查，混凝土输送泵进行试运转正常后方可开机工作。8.3泵管的卡套一定要连接牢固，随时查看泵送压力，以免堵管、崩管伤人。8.4混凝土浇筑时，除特定作业人员外，其余人员均不得在钢管柱周围停留，以免喷浆伤人。钢管混凝土在顶升施工过程中，在混凝土输送管与钢管连接处15m范围内严禁人员停留。8.5夜间施工时要备足照明设备，照明开关必须安置漏电保护器。8.6泵车、输送车辆需设专人负责指挥，严禁带病作业。8.7供电线路架设符合相关规定，分设配电箱并设漏电保护装置，各用电设备，各用电设备开关箱，做到一箱一闸。电器设备和电流的绝缘必须良好，有防雨、防潮措施。8.8混凝土泵车上部应搭设可移动式临时顶棚防护结构，以确保泵车司机及相关作业人员安全，避免混凝土顶升至顶溢出后伤人。9．环保措施9.1泵送混凝土或压浆过程中，顶部、排气孔、出渣孔等部位会产生废弃混凝土、水泥浆或废渣或污水，须针对性采取措施。如在顶部会有废弃混凝土，可预先在顶部周圈设置溜槽，并及时清洗钢管柱顶防止污染；在排气孔、出浆孔等会有混凝土涌出，须在下方设置一些方槽，接住下落的混凝土，防止混凝土落下伤人；在出渣孔会有带锈渣的污水排出，须设置一个方形漏斗吊挂在出渣口，用污水管道将污水引到预先修好的沉淀池沉淀后排放。9.2对产品噪声、振动的施工机械，应采取有效的控制措施，减轻噪声扰民。作业时间限制在规定时间内，尽量避免夜间作业。9.3电焊施工，作业人员必须持证上岗，施工要有动火证并采取有效措施，多级过滤烟雾中的有害物质，保护环境和人类健康。9.4顶升混凝土前先顶升水润管后，需将钢管柱内水排尽方可进行混凝土顶升施工，为了确保施工场地内能够给顶升施工及其他工序作业提供良好的施工环境，应事先在钢管柱底部排水位置设计好排水沟，排水沟可按钢管柱平面布置图位置进行设置，将排出的水引流走，防水积水的产生而影响施工。10．效益分析钢管混凝土柱混凝土顶升施工综合技术的经济效益，除按混凝土的浇筑工程量进行成本分析外，还应对整个工程的经济效益起决定作用的施工速度、工程质量及社会效益作综合分析。钢管混凝土与钢结构相比在保持自重相近和承载力相同的条件下，可省钢材约30％；与普通钢筋混凝土相比，在保持钢材用量相近或承载力相同的条件，构件的横截面积可减小一半，从而加大了建筑空间，相应减少约50％的混凝土用量以及构件自重。钢管混凝土柱混凝土泵送顶升施工综合技术简化了施工工艺，节约人工费，减少了周转材料的投入，节约材料，减小了施工用地，能确保工程质量，同时缩短了施工工期。按总共92根钢管柱计算，每根柱66×3.14×（0.45/2）2=10.49立方混凝土计；采用传统逐段浇捣法和采用顶升施工法，费用分析如下：a.传统逐段浇捣法费用：混凝土振捣费用30元/m，计：92×10×30＝27600元。每根柱都需开至少4个振捣孔，开孔及封堵费用计50元/个：92×4×50＝18400元。搭设脚手架需要钢管134960t、扣件30960个，需要租赁费用22561.6元。b.顶升施工法费用：顶升法施工增加阀门的费用，截止阀每个80元，单向阀每个25元，单向阀共164个，截止阀2个，阀门费用为：92×25＋2×80＝2460元。顶升法施工采用自密实混凝土，其添加外加剂和矿渣粉每立方混凝土成本增加15元：92×10×15＝13800元。开孔、焊接单向阀及焊接封口钢板等的费用计60元/个：392×60＝5520元。c.总共节省费用为：27600＋18400＋22561.6－2460－13800－5520＝46781.6元。则节约成本（27600＋18400＋22561.6－2460－13800－5520）/（27600＋18400＋22561.6）*100%=68.2%。2）采用顶升施工法，相比逐段浇捣法，工期缩短约20天。11、应用实例11.1、钢管柱内顶升混凝土施工工法在苏州国家电器科学院工程中的应用，钢管是很好的受压杆件，其管壁还是合理的耐侧压模板，施工混凝土时可节省支模、拆模的人工和材料。钢管是很好的钢筋骨架和劲性承重骨架，施工中可简化施工工艺、节省脚手架、缩短工期、减少施工用地。混凝土施工无需振捣，依靠顶升挤压自然密实。方便施工，现场文明，速度快，工期短，砼的浇筑质量可得到有效保证，并确保了主体工程的质量和进度，并且在施工过程中体现了技术先进、经济合理、有效缩短工期、使用环保要求，保证了质量、安全，而且得到了建设单位、设计单位、监理单