顾拥军

浙江大地钢结构有限公司，浙江 杭州311215

重钢厂房钢管混凝土柱的施工

顾拥军

浙江大地钢结构有限公司，浙江 杭州311215

本文简要叙述重型钢结构厂房钢管混凝土柱的制作、安装及其混凝土底灌的施工方法，图文并茂，供施工者参考。

钢管混凝土；相贯线；底灌

钢管混凝土从70年代已经开始研究和应用，这是一种新型的组合结构，已广泛应用于工业与民用建筑工程中，尤以高层建筑、桥梁、重钢厂房等为最多。

钢管混凝土柱是指在钢管中填充混凝土而形成的组合构件，当钢管混凝土柱轴心受压时，产生紧箍效应，具有特殊性能，抗压强度大大提高，是钢材与混凝土最佳的合理使用。与钢结构柱相比，可节约钢材50%左右，造价也可降低。

近年来，公司应用钢管混凝土结构施工项目颇多，有高层建筑钢结构、桥梁钢管拱、重钢厂房和标志塔桅杆下部钢管混凝土柱等。钢管混凝土的施工主要包含钢结构的制作、安装及混凝土的施工两个方面的内容。本文就单层重型钢结构厂房钢管混凝土柱为例，重点阐述四肢格构式钢管混凝土柱的施工方法和工艺要点。

图1 三连跨格构式钢管混凝土柱重钢厂房

一、工程概况与结构特点

浙江造船有限公司室内船台及集配库工程为单层重型钢结构厂房，采用钢结构（框）排架，建筑面积约29552m2, 纵向长316m，柱距12m（局部柱距24m），横向宽97m，三连跨（AB、BC、CD跨），跨度分别为36m、36m和25m。如图1所示。

A、B、C轴为高跨（36m跨），屋面檐口标高为45.50m，CD跨为厂房低跨（25m跨），标高为12.680至13.730。

A、B、C轴36m跨采用格构式排架柱，下柱为四肢钢管混凝土格构式柱子，上柱为H型焊接实腹式钢柱，单根空管桁架柱最大重量55.3t。D轴柱及抗风柱采用H型焊接实腹式钢柱。

钢柱柱脚均采用插入式柱脚，部分柱间设柱间支撑。屋面梁为H型实腹式钢梁，梁柱节点采用刚接，即高强螺栓加翼缘板焊接连接，屋面结构为有檩体系，吊车梁为H型实腹式钢梁，有9m、24m、38m轨高吊车梁系统，主跨厂房为双层行车，上层桥机最大吊重150t。

图2 钢管上、下柱分段图

四肢钢管格构柱，由肢管、腹杆、隔板和牛腿组成。肢管采用螺旋焊缝钢管（φ450×10、φ450×12）和直缝埋弧焊管（仅用于两端露天跨钢柱，规格φ559×16）两种，腹杆采用高频焊管（φ168×10、φ 168×12）。钢结构材质采用Q345B。

二、钢管格构柱制作工艺要点

2.1 施工总体构思

由于钢管桁架柱尺寸较大，限于运输，在工厂进行分段制作，工厂预拼装，运至现场进行吊装、高空拼装焊接。

①钢管柱腹管与肢管相贯连接，采用5轴联动数控相贯线切割机割出管端相贯线和坡口，以保证拼装和焊接的质量。

②提高工厂制造程度，节点的制作和组装均在工厂进行，能在工厂制作的尽可能在工厂完成，使现场工作尽量减少，以保证安装质量。

③焊接是关键，钢管柱钢管相贯节点的焊接和钢柱肩梁处箱形牛腿的焊接要求很高，必须严格制订焊接工艺方案，由全方位合格焊工进行施焊，焊后按规程严格检查。

2.2 格构式钢柱制作

2.2.1 钢管柱制作的技术要点

①钢管与钢管、板与板对接应等截面等强度拼接，焊缝为全熔透一级焊缝。

②钢管柱腹管相贯焊接，其腹管相贯线及坡口加工必须在数控管相贯切割机上加工，相贯焊缝必须严格按工艺施工。

③钢柱牛腿处十字型加劲板与顶板以及牛腿箱两侧板的焊缝等级为全熔透一级焊缝。

④钢管柱管壁与顶板接触面必须刨平顶紧，然后焊接。

2.2.2 格构柱分段与钢管对接

肢管采用螺旋焊缝钢管和直缝埋弧焊管，经计算和排料，钢管分三段，每段约12米，由钢管供应商定尺制作并端部加工坡口，材料利用率达100%。工厂对接和现场拼接均为带垫的全熔透一级焊缝，其结构形式如图3所示。

2.2.3 腹杆相贯线切割

四肢管格构柱的腹管与肢管相贯连接，此相贯线及其坡口的形成，主要是腹管端部的切割，由于主管贯通，支管以内径相贯，沿内径向外开出坡口。钢管切割在CNC相贯线切割机上进行，随机引进用于三维构造中的斜切及马鞍形等轮廓的工作准备软件系统，可以采用联机和脱机工作，并可在网上在线工作。ACAD生成的钢管桁架三维图（图4），输入该软件后，即生成用于CNC数控切割机的切割数据并保存在数据文件中，可通过数据连线或U盘或移动硬盘，送到管子切割机中，操作者仅需调入数据文件，即可按编号逐个对管子端口进行相贯线和坡口切割，一次切割完成。非常方便可靠，该软件还具有套料程序，按程序一根一根下料并割出相贯线和坡口。我们引进了荷兰HGG公司和国内林克曼数控管相贯切割机，此类设备功能先进、齐全、切割速度快、坡口光洁、操作简便、效果好。

图3 工厂钢管对接结构形式

图4 CNC相贯线切割三维结构图

科技进步和创新工艺技术替代了参数化输入及传统的展开放样工艺，从而推动了钢管桁架制造业的发展。

2.2.4 格构柱相贯焊缝

腹管与肢管的相贯相交形式有正交和斜交。相贯焊缝的焊接，采用手工电弧焊和气体保护焊，是钢柱制作的关键。

相贯节点的焊接，在A区域内焊缝为全熔透二级，B区过渡区，由熔透焊缝逐渐过渡到确良角焊缝，C区为加强角焊缝，焊缝高度为1.5倍管壁厚, 按三级焊缝进行检测，相接处圆弧过渡。相贯线焊缝坡口形式及焊缝高度如图6所示。

图5 CNC相贯线切割机

2.2.5 格构柱厂内预拼装

①钢立柱上下段必须在厂内进行总体预拼装。

②预拼装在装配平台上卧拼，划出各构件装配中心线和高程线。

图6 钢管相贯线焊缝分区图

③将上、下柱对接后，检查各标高尺寸和中心线，主管直线度等参数，再组装现场连接用定位板。吊装方法。根据钢柱的高度确定绑扎点，应保证钢柱吊装过程中基本处于垂直状态，并应在柱子上用麻绳绑好（为了避免吊起的柱子自由摆动）作为牵制溜绳的调整方向。吊装准备工作就绪后，指挥者发出试吊信号，由80t汽吊将钢柱进行试起吊，吊起高度为200～300mm时发出停止信号，再对构件和各部位环节进行检查，特别是各吊具的安全性及牢固性是否安全可靠，确认无问题后再继续进行。

三、钢管柱吊装与安装就位

3.1 钢结构安装工艺流程：

钢结构安装工艺流程按构件划分为：格构式钢柱下柱→柱间支撑→吊车梁→格构式钢柱上柱→高空对接→屋架梁→部分檩条→檩条→墙檩→屋面板→墙面板→门、窗等。按轴线划分流程为：A轴→D轴、1轴→26轴。

格构式柱分两段进行安装，吊机使用80t和175t汽吊。

3.2 钢柱安装

格构式钢柱在厂内分上下两段制作，工厂进行预拼装，运至施工现场，根据现场施工顺序进行堆放，安装前需对各构件进行全面检查，做好吊装的各项准备工作。

3.2.1 下柱安装

①下柱安装时，先将基础清理干净，然后进行安装。吊装时，要将安装的柱子按位置、方向放到吊装(起重半径)位置。柱子安装层次包括：基础放线、绑扎、吊装、校正、固定等。

②格构式钢柱一般采用直接绑扎

图8 钢管下柱吊装示意图

图7 四肢管格构柱厂内组装

③当格构式柱脚接近杯底时，必须注意将柱脚落实，以防柱子在校正时发生倾斜，每肢插入4个楔子,柱子落实后，打紧四周楔子撑牢,将柱子加固，达到安全方可摘除吊钩。继续按此法吊装其余所有柱子。

④格构式钢柱校正

钢柱吊装就位后，按照先调标高，再调扭转，最后调垂直度的顺序进行安装精度的调校。在进行校正同时并采取临时固定措施，以保证构件的稳定性，格构式钢柱吊装校正方法可选用经纬仪、缆风绳、千斤顶、撬杠等工具，对钢柱施加拉、顶、撑或撬的垂直力和侧向力。用经纬仪进行柱子垂直度的校正，校正时还要注意风力和温度的影响。

3.2.2 上柱安装

上柱的安装，使用175t和80t两台汽吊抬吊。为了便于上柱吊装对接，在已安装就位并固定好的下柱上先装好工作平台。

两台汽吊抬吊后，在上柱处于垂直状态下，由175t汽吊安装就位，定位轴线应从地面轴线引到高空，以保证每段柱子安装正确无误，避免产生累积偏差。

上柱垂偏校正：钢柱校正重点是对钢柱有关尺寸预检，使影响垂直因素得以预先控制。下段钢柱的柱顶垂直度偏差、上段钢柱的底部轴线位移量以及垂直度偏差、焊接变形量等综合安装误差之和，可采取预留可调整值，其方向与偏差方向相反。

3.2.3 钢柱构件的司索

①构件的索具应按照要求的规格进行捆扎使用，不准随意修改。

②捆扎时应在有锐角的金属构件部位加垫保护层, 使钢丝绳索具不受损伤。

③索具的长短应符合设计要求，不允许两支索的夹角＞120°。

④捆扎索具应坚固安全，但是也要考虑到拆除的方便。

⑤不准以单根吊索吊装构件，防止构件在吊装过程中打旋转而扭伤吊索。

⑥构件在起吊过程中应先拴好两端的稳索，防止构件在起吊后打旋转。

表1

图12 进料支管和闸门的情景

⑦构件未曾做好稳固措施前严禁吊装设备卸钩，并严禁长时间悬吊重物、构件或过夜。

图9 上柱吊装

3.3 钢管混凝土柱吊装允许偏差

钢柱吊装允许尺寸偏差要求见表1。

3.4 上柱与下柱高空对接

高空对接施工要点：

①高空对接必须在钢柱吊装稳妥校正后，并经定位后进行。

②在现场焊接施工中，设立高空焊接平台，对风、雨的影响采取有效的应对措施。如图10所示。

③高空钢管对接焊缝坡口结构如图11所示。

④钢管柱的焊接，应采用合理的焊接顺序。以防止产生整体焊接变形，尽可能减少焊接残余应力。由四名焊工对钢柱四根钢管对称焊接，四人同时逆时针方向（或同时顺时针方向）施焊，直至焊完整条焊缝。整个焊接过程中，四名焊工都要保持对称位置。

图10 高空对接焊接平台

图11 高空对接结构形式

⑤焊接过程控制

施焊过程中，每一焊层都要进行清渣，进行层间检查，发现缺陷及时处理后方可继续施焊，焊后清理焊接飞溅。

⑥高空焊接注意事项

在钢柱的整个焊接过程中，有专职测量人员，对柱子的垂直度进行监测。同时，设专职人员对风速、温度、湿度进行测量记录，若出现风速大于10m/S；相对湿度大于90%，雨天等情况之一，且无有效保护措施，立即停止焊接。

⑦焊材的管理：焊条应有质保书，现场配有一级库、二级库存放焊材，焊条使用前须烘干，焊工领取焊条需用保温筒，焊接时保温筒接上电源用以保温防潮湿。

⑧焊接完成24小时后，对焊缝进行外观检查以及超声波检查，超声波检查按照《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级法》(GB11345)进行评定，100%探伤达BII级要求。

四、钢管柱混凝土浇灌

管内浇灌混凝土的方法，通常有泵送顶升、高位抛落无振捣和手工浇捣等三种形式。本工程采用泵送顶升的施工方法，成功地将混凝土顶升至36m高程，顺利完成了78根格构柱子312根钢管的混凝土浇灌任务。

泵送顶升混凝土浇灌都在现场进行，其施工要点如下：

①在全部主体结构安装完成后进行混凝土的浇灌，插入式钢柱脚已固定，尚未进行钢柱平台二次浇捣时进行混凝土的浇灌。

②在离柱脚平台面-500～-300mm处钢管上开一临时浇灌口，并安装一个带闸门的进料支管，浇灌口上焊接的一小段支管无须拆除，在柱脚二次浇灌混凝土时埋入即可。

图12显示进料支管和闸门的情景。

③将进料支管直接与移动式泵车输送管出口端相连，由泵车连续不断地将混凝土自下而上顶升灌入钢管，无需振捣。至顶部溢出后关闭闸门，停止泵送。泵送时，有专人在钢管顶部看守，待混凝土溢出时，泵送停止后，清除多余混凝土，再将封板紧压管端。

④钢管内无钢筋，管内混凝土配合比除满足强度等级外，尚须注意混凝土坍落度的选择，泵送顶升混凝土向管内浇灌时，混凝土采用免振较高流态的混凝土C30，粗骨料粒径可采用0.5～3cm,水灰比应不大于0.45,坍落度不小于15cm。

⑤钢管内混凝土浇灌属隐蔽工程，无法直接观察到浇灌的质量和存在的缺陷，因此必须制订严格的施工工艺细则，加强浇灌工作的施工管理，明确岗位责任制。可用敲击钢管方法进行初步检查，如有异常则用超声波检测，若发现有不密实部位和质量问题，应进行钻孔压浆补强，然后将钻孔补焊封死。

图13 泵送混凝土

五、结束语

钢管混凝土是一种具有特殊性能，抗压强度高，钢材与混凝土最佳的合理使用的新型组合结构，钢结构零件少，结构简单，节省材料，施工方便，有较好的经济效益，已广泛应用于工业与民用建筑工程中。近年来，由于数控管相贯切割和泵送顶升混凝土技术的发展，解决了现场钢管内部浇灌混凝土的工艺问题，钢管混凝土技术一定会在建筑领域得到广泛的应用和推广。

[1]钢管混凝土结构设计与施工规程.CECS 28:90

[2] 钟善桐.钢管混凝土结构.清华大学出版社.第3版

[3]钢结构设计一般说明.中船九院

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.06.014