浅谈一种钢管混凝土柱泵送顶升法施工技术研究

姚金山 姚宇翔 文士青 申培成 翟光林

中国建筑第五工程局有限公司

1 引言

安徽省滁州中学新校区项目工程,风雨操场的看台悬挑雨棚柱子设计为钢管混凝土结构，共9 根，柱肢钢管有Φ750×30mm，柱肢间距为5.8m，核心混凝土强度为C35，浇筑高度：下部柱脚为-0.9m，上端为9.69m～15.00m不等。

在滁州市中学新校区工程建设中，钢管混凝土结构属于一种应用广泛的新技术。钢管混凝土结构属于钢管混凝土灌注结构。钢管混凝土结构是混凝土在钢管中建筑，实现两种不同的材料形成一个完善的整体结构。钢材的属性就是强度高、弹塑性良好，易失稳，而混凝土的抗压性良好，但抗剪性较差。通过两者的有效融合，可以确保混凝土处于三维受压状态，显著地提升了抗压强度。除此之外，由于内部混凝土的产生，钢管刚度不但得以有效提高，同时也会使结构的承载力获得高效提升。因为两者能够互补，互相组合，所以可节约钢材25%左右，减少项目成本。

2 钢管混凝土的特点

2.1 钢管混凝土受力特征

钢管混凝土（CFST）为一种普通混凝土在钢管内部进行填充而产生的组合结构，钢管混凝土通过填充混凝土提高管壁的稳固性，而钢管对于核心混凝土的作用让核心混凝土位于三维受压状态，从而可以充分保证核心混凝土具有较高的抗变形能力及抗压强度。

2.2 钢管混凝土的施工工艺特点

钢管自身即为耐侧压模板，当对混凝土进行实际浇筑时，能够更好地节约支模和拆模工作，钢管同时具有箍筋和纵向钢筋功能，钢管是刚性承重骨架，可节省支撑，可缩短施工工期。

2.3 钢管混凝土结构经济效益

据有关研究可知，使用钢管混凝土结构，可大概节省约25%的钢材，且工程造价能够降低超过18%。

3 泵送顶升法施工工艺及施工方法

3.1 工艺原理

泵送顶升法施工技术通常是通过应用混凝土输送泵，混凝土由钢管柱下部左侧钢管柱连续底部向上注入钢管柱上，通过泵送重量形成混凝土的密实度，在一定的压力下进行施工。其实际做法：钢管柱下部与泵车输送管相互对应之处留有个进料孔，进料孔应该距离地面约1米处，略高于混凝土泵车尾部的三通管。再加焊一节导向弯管，导向弯管和钢管柱一般由45°-60°的夹角，厚度需大于5mm，需充分保证同混凝土输送管直径的一致性，伸入管中20mm～30mm。导向弯头与混凝土输送管之间连接有单向阀，导向弯头的外端与单向阀连接，单向阀利用夹具和混凝土输送管的互相连接，混凝土利用泵车的出料口、输送管、单向阀、导向弯管输送到钢管柱上面。钢管柱顶部预留混凝土溢流孔，混凝土经常压排出后才被压实。

3.2 施工流程

高效安装钢管柱→超声波的探伤→钢管柱下面开进料孔、上不开排气孔并进行导向弯管的焊接→单向阀门的安装→互相连接泵车及混凝土输送管→顶升混凝土→混凝土溢流后停止顶升→关闭单向阀门→拆卸泵管、转移到下一个钢管柱→......→所有钢管柱都顶升注入成功混凝土→混凝土终凝之后拆卸单向阀门→割除导向弯管、保障进料孔急排气孔混凝土修整平滑，喷水泥砂浆后，加贴圆孔板、封顶板、补焊钢管柱。

3.3 操作要点

（1）泵站的位置和混凝土管的方向应在开口方向考虑。（2）混凝土输送泵工作承受的压力，通常标准要求为10MPa～20MPa。（3）泵送顶升浇筑需要连续的开展。（4）在进行泵送顶升操作时，严禁遭受外界振动，防止泵压快速升高，甚至会被迫中断混凝土的浇筑。（5）顶送施工时，钢管柱内不允许用水泥砂浆代替混凝土对输送管进行润滑，清空润滑砂浆之后，输送管与单向阀连接。为了减小顶管的摩阻，从钢管柱顶部溢流孔处向钢管内注入相同配比的水泥浆，同时对管壁进行润滑。溢流孔面积要超出混凝土输送管的截面面积，然后将洞口进行适当调高，从而有利于填补泵顶进浇筑后产生的回落空隙。

3.4 钢管混凝土泵送顶升的施工方法

（1）钢管柱开L 要求。该工程钢柱共9 根，为避免开孔时由于温度太高而导致钢柱变形，需要进行对称设置。钢管柱开口上边缘应在0.1m～0.15m之间，进料管与钢柱成45°夹角，然后向上面输送，孔口的平面形状是椭圆形。开孔时，专用输送Φ150的无缝钢管锯是45°，并在钢柱开孔位置上吧斜口金牙，管道接头向下，接着对整个管口形状进行详细画出，然后通过墨汁做好详细的标记。钢柱开孔需要逐个进行，每当开好一个孔就应该有效保存开出的小钢板块编号，进而将泵送混凝土后的修复工作顺利完成。孔洞开好后，应该及时焊接并焊接牢固钢管接头，并且保证焊缝的严密性和饱满性，避免发生漏气等情况。Φ150专用输送管道接头应在400mm 长管道安装后进行控制，应保证管道底部外缘与承台表面的距离保持在200mm，有利于方便管道的拆装。柱顶端排气是Φ100，每根钢柱顶设置一次开一个孔，并保存开出的小钢板块编号，此种方式可以保证泵送混凝土修复工作的顺利开展，且能全部一次性开好。

（2）安装输送管道。钢柱采用两根钢管柱Φ150的输送管道进行对称安装，保证每一条输送管道长度不超过8m，应充分考虑现场具体实况开展安装工作，以最大程度将管道长度降低，进而减小摩擦力。管道支撑点@3m为最佳，在钢柱脚转弯处，管道除在承台面位置支点处支撑外，还应使用Φ6钢筋及钢柱支撑将管系牢，进而可以最大程度防止受到泵送的反作用力冲击而使该位置被破坏，并保证管道直管是顺直布置的，同时确保管道连接位置的严密性，也需要最大程度保证转弯处锚固的牢固。在进行管道的安装过程中，管口需采用塑胶袋封口避免进入杂物。

（3）搅拌站需提前做好混凝土（C40、坍落度160mm～180mm）试配工作，混凝土的每次供应中，并提供设计配合比报告、施工配合比文件及相关资料。

（4）配料的实际开展中，需应用普通的硅酸盐42.5R 以上强度等级水泥。粗骨料：中砂、碎石5mm～30mm，自来水外加剂、粉煤灰。一些材料一定要具备一定的合格检验报告，如外加剂、粉煤灰、粗骨料、水泥等。

（5）混凝土装料搅拌顺序：石子-水泥-砂子-掺合料-水-外加剂。

实测I11=2.03 A,I12=1.97 A,I1=2.01 A,根据计算公式,可计算出充电电流电流变化率为:2.99%。

（6）保证搅拌操作的均匀性，搅拌时间需要达到有关的标准要求，把全部的掺合料都加入进来后，一般情况下，应大于120s（时间可根据搅拌机容量进行确定）。

（7）浇灌钢柱内部混凝土之前，需要预先计算当天所需量（稍多加入点），明确供应地点、时间、混凝土强度等级、施工地点，坍落度、加强与拌和站技术部门的信息沟通，准确的技术要求有助于搅拌站的备料。

（8）泵机空载起动前，料斗中应添加一般的水量，让活塞在缸筒中有效移动，避免太大的摩擦力为活塞造成损伤。

（9）水泥砂浆按照1:2 的比例准备，坍落度是120mm～160mm，待泵机运行正常后，再放入料斗中泵入管道内部润滑管道，以免管道堵塞。

（10）泵送第二根及以上钢管柱时，泵车供料口前进的连接，灌水保证管道湿润，管道适当加入1:2 水泥砂浆后，才可进行泵车供料口的互相连接，有助于进行管道的润滑。

（11）当泵机空载运行一段时间后，认证工作状态是否正常，在泵送混凝土前，将贮料斗中的清水从管道中泵出，进而使其达到湿润和管道清洁的目标，然后在料斗中加入与混凝土相同比例的水泥砂浆（或1:2水泥砂浆），管道湿润后再泵送混凝土。

（12）泵车料斗倒进混凝土时，倒入前应加速搅拌均匀（2 分钟），从泵送开始，需要将泵送速度进行放慢，保证油压变压可以在允许值范围内，待泵送顺利开展时，方可采用正常速递进行泵送。

（14）泵送混凝土需连续开展，严禁留下施工缝，待排气孔有混凝土喷出后即刻停止泵送然后将闸门及时关闭，防止混凝土倒流。

（15）对泵送冲击力惯性引起的柱顶凹处，积极安排专人用同一混凝土填充，预留通气孔的层间隔板或顶板应压紧在管顶，然后立即点焊，等到混凝土的强度到达设计值的50%以后，此外，应按具体设计要求对横隔板会封顶板实施补焊处理。

（16）闸门后端管道应在混凝土浇筑成功后1～2小时内拆除并用水冲洗，接口位置最好用手凿平，接口位置应比钢管柱表面低8mm～10mm，用1:2水泥砂浆填塞，将小钢板压至原开孔口，与钢柱面找平点焊，当混凝土强度达到设计的50%时，按设计要求进行填料焊接。

（17）泵送结束后，及时清理混凝土泵、布料器和管道，管道拆除后，应按不同规格堆放在指定地点。

4 泵送顶升法施工工艺对混凝土材料的要求

混凝土中粗集料的粒径应在5mm～20mm 之间，水灰比不应大于0。坍落度不超过150mm，不小于120mm为宜；为了减少混凝土的收缩，应在混凝土中掺入12%的微膨胀剂。

5 混凝土的强度检测

钢管混凝土柱核心混凝土的强度形成条件不同于普通混凝土。钻芯混凝土取样或者钻芯中的模拟尤为困难，严重危害工程的实体。充分考虑试验证明泵送顶升法与非振捣法浇筑的核心混凝土强度和普通振捣法浇筑的混凝土强度差别较小，所以，充分结合《混凝土强度试验评定标准》（GB 50107—2010）保留试块法进行试验。

6 安全保证措施

泵送顶升工艺具有很大的工作压力，应避免混凝土输送管发生爆裂，连接导向弯管应进行牢固的焊接，严禁选用已经严重磨损的输送管。泵送时设专人指挥，灌满混凝土时应立即停泵。柱顶开口泵送顶升时，下方应标出危险区，以防混凝土溢流坠落伤人。

7 施工注意事项

①加强泵送混凝土坍落度的严格控制，例如：坍落度减少过多，混凝土的输送压力将具有很大的需求，甚至会发生堵管的状况。混凝土坍落度的控制范围是（21±2）cm。②混凝土灌满钢管之后，尽管在立柱顶部增设高了0.5m的细钢管，需要在第一次顶压完成间隔1.2分钟之后复顶一次，为钢管顶部混凝土的饱满性和密实性提供保障。③DN40 混凝土专用闸阀用作关闭钢管混凝土输送管路，多次拆卸重复应用应确保清洗的干净，不然就会导致关闭不严密。④钢立柱的垂直度受到气温的影响很大，为了保障钢立柱的垂直度，灌注时间应和钢立柱调整的时间（气温条件）确保一致，尽量防止中午气温很高的时间段进行灌注。

8 结束语

概而言之，本工程应用泵送顶升施工工艺浇灌钢管柱柱芯混凝土，都一次性顶升到设计标高，并采用自制简易单向阀门及简易导向弯管、连接短管，确保施工的顺利开展，速度较快还不占用重要路线工期，成本较低并且安全没有事故。