钢筋混凝土管的应用

徐财国

甘肃山丹水利水电工程局有限责任公司，甘肃张掖，734100

0 引言

近年来，由于基础理论研究的开展以及新型施工工艺的出现，钢筋砼管体系逐步被广泛应用于各类建筑工程构件[1]。特别是在高层建筑构件中，由于建筑物层高的增大，钢筋高强度砼以及钢筋超高强度砼构件的使用也在获得迅速的进展。

1 钢筋混凝土管结构的特点

钢筋混凝土管结构良好的受力特性与施工性能主要体现为如下几个方面。

1.1 强度大、热延性强，抗震性能优越

钢筋混凝土管柱中，外钢筋对其内砼产生的约束效应使砼保持三向受力状态，从而增加了砼的抗压强度；外钢筋内的砼也能够更有效地避免内部钢材产生局部挫曲。研究结果表明，钢筋砼管梁的强度大于相应的钢梁强度与砼墙强度之和。钢筋与砼间的作用使钢筋内部混凝土的损伤从脆性破坏转化为塑性损伤，结构的伸延性能明显提高，消耗力量明显提高，获得较好的抗震特性。

1.2 施工方便，工期缩短，节能减排

钢筋混凝土井内的主要零部件较小，工厂焊接数量少，结构简便，且柱脚常采取在混凝土基上预留杯口的插入式柱足，因此工厂制造结构简单易行，而且主要构件墙体的自重较小，搬运和吊装施工也容易，施工过程容易，且由于钢筋混凝土井内一般使用板材卷制，因此板材安装厚度都不大，通常在四十米之内，因此无论工厂焊接和现场进行机械连接，都不是问题。同样，和钢筋混凝土井内一样，由于钢筋混凝土井内的管外表面钢筋绑扎既有钢筋的功能，又兼具了纵向钢筋绑扎和横向箍筋的功能，所以由于管中表面没有钢筋绑扎，又省去了钢筋绑扎的下材和绑扎钢筋材料等一些作业工序，也因为管柱外表面钢筋绑扎本身就是耐挡土墙的强模板，同样又省去了支模和拆模等作业工序、支模、拆模的物料和人工费用。当钢筋砼管构件浇筑时，内部钢筋绑扎也可作为强劲性骨架承受浇筑阶段的浇筑负荷和构件重量，浇筑过程不受砼养护时间的影响，从而大大节约了时间。

1.3 有利于钢筋的抗火和防火

因为在钢筋混凝土管径内填有大量钢筋混凝土，可以吸收大部分的热能，所以在发生火灾时管柱截面高温场的热分配并不均匀，增加了立柱的抗火工作时限，从而大幅减小了钢柱的向上流速，而且如果钢柱屈服，则钢筋混凝土就能够承担大部分的轴向荷载，从而避免了结构倒塌。经实验数据证实：按照等级消防三小时要求与钢筋混凝土柱比可节约耐火涂料1/3～2/3或者更多，由于钢筋混凝土材料孔径增大，节约涂料就更大。

2 钢筋混凝土管的工程应用

2.1 工程概况

甘肃省山丹县白石崖渠道改建工程位于甘肃省张掖市山丹县境内，距山丹县城约90km。工程主要任务是三条引水管线和白石崖总干渠套衬：东岔输水管线长约1.47km，设计流量0.5m3/s；旧渠改建输水管线长约8.4km，设计流量3.0m3/s，加大流量3.75m3/s；水库输水管线长约835m，设计流量0.5m3/s。白石崖总干渠套衬1.3km，拆除重建总分水闸一座，新建节制分水闸一座以及管道附属建筑物。

2.2 钢筋混凝土管的选用

2.2.1 选择原则

输水管道为本工程项目的最主要部分，在资金投入比例上占比重较大，因而管材选择十分重要。本次确定选用管道的基本原则为：能满足设计要求的最大内压和对外负荷；使用性能安全可靠，维护工程量较小，设计接管简单、施工简便；应用期限长，内壁较平滑，输水能力基本维持恒定，而在应用中的摩阻系数也没有出现很大改变；工程费用相对低廉；水质在管道中不会产生二次污染等[2]。

针对本工程建设的特殊性，本阶段采用了供水施工中常用的各类管线，并按照其设计内径、工程内水压、铺设方法、外部负荷、地形、地质、施工条件与原物料供给情况等要求，在技术、经济、安全等方面综合比较判断。管路中通常可供使用的管材类型有：管材、球墨铸铁管、预制砼管、预应力混凝土管、玻璃钢夹沙管、聚乙烯管（PE）等。

2.2.2 性能优势

钢筒混凝土管是一款结构新颖的刚性管道。其是由带钢筒的高强度钢筋混凝土管芯环绕在外部的预应力钢筋上，喷以钢筋混凝土或砂浆保护层材料，内部采取了钢质的承插口，和钢筒连接在一块，承插口的沟槽与胶圈之间构成了滑移式胶圈的柔性连接，是由钢材、混凝土结构、高强钢筋和混凝土砂浆等多种材质构成的复合型结构，同时具备了钢材与混凝土结构各自的特点。由上述特点分析可以得知，钢筒混凝土管有着理想的复合构造、承载内外压较高、耐裂性和防水渗能力较好、爆管率低、接口密封性好、防震力强、施工方便、防腐蚀性能好、维修简单、运营费用低廉、适用性较广等特点，被建筑工程界所重视，应用于各种工程中。钢筒混凝土管道的直径通常为DN600～4000mm，最大工作水压约为≤3.0MPa。

钢筒混凝土管汇集了一般预应力砼管与钢管的双重优势，并克服了它们的缺点，是一个优良的复合型管道。钢筒混凝土管的主要特点为：高强抗渗能力，除依靠混凝土的防水渗漏能力以外主要靠钢筒管壁的防水渗漏能力，可保证在高压下不泄漏；管接头具高度密封性，承插口钢度大连接环硬度高不易破裂，管接头配合公差仅为0.4～2mm，并利用圆形的滑动胶圈封口；具有较大的强度和较大的抗弯力，可抗高外压，当管道出现与重量标准的偏差时也不会损坏；管壁糙率比一般的预应力砼管径小；管道为柔性接头，防震特性较强，应用于地震带管道的效果良好。

钢筒混凝土管道有应用时期长、抗压性能强大、制造工艺简便等的优点，且工程造价也相对于其他管材低，所以在管线施工中的使用也十分普遍。其好处是节约钢材、安装施工简单、输水性能稳定、接头安全性高及使用安全等。而从成本投入上讲，砼管道的工程费用也较为低廉。砼管材也可按照设计压力的差异，来设计形成承载各种水压的管材，如无压力非满流管子、低压水管、预应力管子等[3]。

钢筒混凝土管目前应用广泛，能够节省钢材和能源。混凝土管按工艺划分二类，一类因按工艺划分三步，故一般称作三阶段预应力钢筋砼管（SYG），另一分类方式则为一次成形，通常称作第一阶段管（YYG）。钢筒混凝土管通过滚动胶圈密实，止水性能很好。而预应力钢筋砼管则利用对钢筋的挤压密实，大大增加了钢筋的防水渗漏能力，不降低管道的输水功能，同时不易结垢，防腐蚀特性能较好，由于产品价格相对低廉，施工技术简便，且生产过程简便、费用少，比较适应当前的经济发展条件，而适用范围相当广泛。在钢筋管道生产过程中常出现问题，如三阶段管喷浆质量不稳，容易剥落和起鼓；第一阶段管在使用的外部预应力中质量不易控制（尤其在插口端部），而且由于体积比重较大导致的运输使用上都不便利，使其在实际应用中受到了相当影响。一阶段的预应力钢筋砼管孔径通常在DN2000以内，第三阶段的预应力钢筋砼管可达DN3000。钢筒混凝土管的最大水压一般为0.4～1.2MPa。缺点是载荷较大，安装与移动比较麻烦，且没有按照标准配套使用，因此日后的维护困难度较大，使用寿命也较短。

3 钢筋混凝土管结构使用中需要注意的问题

3.1 材料的应用

钢筋混凝土管结构主要用于各种柱子，但根据柱子特点和目前的国标标准《钢结构设计规范》中GB55017的相关条款，明确了对钢筋的要求。因钢筋主要是由钢板冷弯卷制而成，故需要冷弯180°以上的强度。而圆钢混凝土管结构主要使用螺旋焊管与直缝焊管，但前者质量较好，可满足焊缝和母材等对质量的需要。在有了可靠依据之后，还应按照实际要求选择无缝钢材直径。当螺纹焊接管的使用尺寸无法满足要求时，可以选用型钢卷条制成的直缝焊接钢筋，应选择在对接斜坡处焊接，但不可以选择用钢板搭接长度的直角焊接。并且焊缝应满足二级质量检验规范。

因为钢筋直径本身就是密闭的，多余水分也无法排除，所以水灰比不能过大。选择流动性水泥或塑性混凝土，主要决定于其所用的浇注工艺。好的水泥密实率，是确保钢筋与核心水泥之间一起工作的最主要前提条件[4]。高强度水泥、自密实高性能水泥使用已较为成。调查显示，在标准钢筋混凝土管内使用自密实高性能钢筋时，只要按照国家相关要求严格控制其质量，钢筋自密实混凝土就可以达到标准钢筋混凝土管的设计要求。使用高强度水泥有助于降低构件墙体自重、降低工程造价。由于水泥硬度的增加，其延性降低，也限制了其在实际施工中的使用。将高强度砼在灌注钢筋中产生高强钢筋混凝土管，因为受钢筋的约束作用，砼处在三向受力状态，因此其延性将大大增强，而其结构的强度也获得了一定的增强。所以，生产高强钢筋砼管有着巨大的经济潜力。

3.2 钢筋混凝土管结构体系抗震性能

在对使用于钢筋混凝土井内和钢筋混凝土井内的框架结构，开展了抗震性能的比较实验研究；并在理论上分析对比了两个构件的空气动力特性，得到了钢筋砼管中钢筋混凝土框架结构的整体抗震性能显著高于钢筋砼管框架架构的实验结果。但目前对于钢筋砼管结构抗震特性的研究，大多仍然集中在基础结构方面，而对钢筋砼管结构整体构件的抗震特性的研究，还不够多。在钢筋砼管结构抗震设计时，对使用于钢筋砼管梁以及钢筋混凝土井内的结构构架，其整体构件抗震等级也可根据钢筋砼管构件的等级分类；对采用钢柱或钢筋－砼复合柱，在钢筋混凝土井道内的结构框架，可按现有国标标准《建筑抗震设计标准》GB50011和现有技术标准《高级住宅砌体施工技术管理规程》JGJ99的规定使用。

3.3 钢筋混凝土管施工

钢筋混凝土管结构适用作各种柱子，结构相当复杂，因此应该针对工程特性，根据制作厂的设计要求编写并制作工艺流程。制造工序中应该包含：制造过程所依据的规范、制作厂的质量保证规定、对成品的质量保证规定以及工厂为确保成品满足规定的生产条件及所制定的安全措施。加工工序中还应该包含：制造场所的空间布局，生产所用的机械加工、焊接装置和加工装备以及检验装置，焊接件设计和检测的人员资格证明文件，以及各种检验项目表，制造时间预算表和运输方案表等。而钢筋构件和制造单元也应该在必要时，对结构较复杂的构件开展工艺测试。主要考虑到复杂结构的加工工艺参数需要先在工艺测试中获得，如对加工、安装、连接的变形限制，尺寸精度的限制，必须经过测试，才能得出合适的加工工艺参数，并用于指导复杂结构的大批量生产，以提高复杂结构制造品质。这么做有助于避免材料浪费，避免不安全隐患。为确保结构正常浇筑和构件安全，先浇注钢筋直径内的砼宜在钢结构安装和检验合格后实施，是考虑到先行浇注砼会使结构的调整工作进行困难，以致无法调整[5]。

钢筋混凝土管构件的建筑施工中也有几个问题不容忽视。在建筑结构构件的连接结构方面，为可以发挥钢筋混凝土管的强度，钢筋混凝土管的接头结构应该尽可能地使连接应力安全地传导到核心混凝土上。常通过墙顶盖板、墙脚底板和层间隔板、穿心楼板等来完成。当然前提一定是要确保管道混凝土的密实，做好这一步当然也是相当不易的。横舱壁的上、下柱之间的衔接也是相当复杂的，特别是对小口径管道，尤其不方便施工。穿心板的制作也很困难，同时也容易阻碍管道砼的浇灌与振捣。浇筑砼前必须把管道异物、积水清理完毕；管道砼的施工必须在钢结构施工完成并检验合格后实施。钢筋内砼的施工方法，宜选用泵送顶升工程浇筑法、管道输送方式、手工逐段砼浇注法等，也可选用高位抛落的免点法。钢筋内砼施工前，应按照设计规定完成砼结合比设计工作和必要的混凝土工艺检验工作，并在此基础上提出混凝土工艺设计和各种工程技术对策。砼的配合比，除要符合质量指标之外，还应重视砼坍落量的问题。砼配合比应按照砼的性能推算，并经过测试后确认。对于泵送顶升的浇筑方法，砼的配合比尚需符合可泵性条件。钢筋直径内砼浇筑方法，应连续完成，需留施工缝，将管端密封，避免雨水、油污和杂质等掉入。

每次浇筑砼前（包括施工缝），都应先浇筑一段厚为100～200mm的与混凝土级别一致的混凝土搅拌砂浆，以防对自由落下的混凝土骨材形成弹跳现象。当砼浇筑至钢筋直径顶端时，可将砼稍加溢出中断管后再将已预留排水孔的层间横隔板或封顶层紧压于将管端，接着再通过点焊加固，待砼强度到达设计值的百分之五十后，再将横隔板或封顶层按要求予以补焊，也可将砼浇筑至略小于管端的地方，待砼强度超过设计值的百分之五十后再用同样级别的水泥砂浆添于管端，并按以上方式将横隔板或封顶层再一次性封焊完毕。钢筋砼管构件室内砼浇筑质量应当通过超声波进行检验。混凝土结构中不密实的部分，宜采取局部钻孔压浆技术法加以补强，或直接将钻孔补焊封固。

4 结语

钢筋混凝土管是一类具备承载力高、塑性和韧性好、节约建筑材料及便于施工等优点的新型组合建筑材料，伴随着科技特别是建筑材料理论和施工技术水平的提高，更多的新型建筑材料和高强耐候建筑用钢种的涌现，钢筋混凝土管结构将会被更加广泛地运用于工业与民用建筑等工程建设中，从而产生良好的经济技术效益。