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摘要:钢管混凝土柱结构与其它结构相比，具有承载力高、塑性和抗震性能好，施工简便等优点，应用于高层及超高层建筑中。本文介绍了钢管混凝土柱的技术特点，重点阐述了关键技术及施工要点。供同行交流借鉴。
关键词:钢管混凝土柱；技术特点；施工要点
在高层建筑结构中，钢管混凝土柱具有很大的优势，具有承载力高、抗震性能好的特点。既可以取代钢筋混凝土柱，解决高层建筑结构中普通钢筋混凝土结构底部的“胖柱”问题和高强钢筋混凝土结构中柱的脆性破坏问题，也可以取代钢结构体系中的钢柱，以减少钢材用量，提高结构的抗侧移刚度。钢管混凝土构件的自重较轻，可以减小基础的负担,降低基础的造价。
1 技术特点
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关键技术及施工要点
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°。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5钢结构工程施工质量验收规范6(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400～1000mm(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0°、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。
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。
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。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,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,防止鋼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,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。本工程钢管柱与基础底板的连接采用预埋板式。
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。本工程采用汽车吊,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:
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,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,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。
(4)异径钢管的连接、定位、调整:
异径钢管的连接通常采用变径加强环或法兰盘连接,本工程采用为加强环连接,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。
(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: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;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;设置防变形卡板限制变形;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°,烘烤位置在焊缝上方500mm,宽度不超过10倍板厚。
2.5钢管对接焊缝检测
本工程钢管对接焊缝设计质量等级为一级,对116根钢管柱全熔透连接焊缝经超声波检验,按GB11345-89的Ò级标准评定,均未发现超标缺陷,所检焊缝达到GB50205-2001规定的一级焊缝质量等级。
2.6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。
3结束语
钢管混凝土柱结构充分利用了钢管混凝土和钢结构的特点，特别适用于大跨、重载、恶劣环境和复杂体形结构等体系中。对其进行深入研究有助于推动建筑结构向大跨度、大空间、重载和动载方向发展，并可简化施工、降低造价，值得推广使用。
参考文献
[1] 李海龙，钢管混凝土柱柱芯混凝土施工技术[J].隧道建设,2010.06
[2] 李壮, 芜湖科技馆钢管混凝土柱施工技术[J].安徽建筑,2010.05
关键词:钢管混凝土柱；技术特点；施工要点
在高层建筑结构中，钢管混凝土柱具有很大的优势，具有承载力高、抗震性能好的特点。既可以取代钢筋混凝土柱，解决高层建筑结构中普通钢筋混凝土结构底部的“胖柱”问题和高强钢筋混凝土结构中柱的脆性破坏问题，也可以取代钢结构体系中的钢柱，以减少钢材用量，提高结构的抗侧移刚度。钢管混凝土构件的自重较轻，可以减小基础的负担,降低基础的造价。
1 技术特点
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关键技术及施工要点
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°。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5钢结构工程施工质量验收规范6(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400～1000mm(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0°、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。
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。
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。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,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,防止鋼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,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。本工程钢管柱与基础底板的连接采用预埋板式。
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。本工程采用汽车吊,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:
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,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,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。
(4)异径钢管的连接、定位、调整:
异径钢管的连接通常采用变径加强环或法兰盘连接,本工程采用为加强环连接,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。
(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: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;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;设置防变形卡板限制变形;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°,烘烤位置在焊缝上方500mm,宽度不超过10倍板厚。
2.5钢管对接焊缝检测
本工程钢管对接焊缝设计质量等级为一级,对116根钢管柱全熔透连接焊缝经超声波检验,按GB11345-89的Ò级标准评定,均未发现超标缺陷,所检焊缝达到GB50205-2001规定的一级焊缝质量等级。
2.6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。
3结束语
钢管混凝土柱结构充分利用了钢管混凝土和钢结构的特点，特别适用于大跨、重载、恶劣环境和复杂体形结构等体系中。对其进行深入研究有助于推动建筑结构向大跨度、大空间、重载和动载方向发展，并可简化施工、降低造价，值得推广使用。
参考文献
[1] 李海龙，钢管混凝土柱柱芯混凝土施工技术[J].隧道建设,2010.06
[2] 李壮, 芜湖科技馆钢管混凝土柱施工技术[J].安徽建筑,2010.05