钢管混凝土柱制作安装工法

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1、适用范围
    本工法适用于工业与民用建筑及构筑物的钢管混凝土柱的施工。本工法所反映的钢管混凝土柱是指在圆形钢管内填灌混凝土的钢管混凝土结构。
    2、工艺原理
    根据中国工程建设标准化协会标准《钢管混凝土结构设计与施工规程》（CECS28:90）来指导整个钢管柱的制作和安装全过程。材料和施工质量应符合国家标准《钢结构工程施工及验收规范》（GB50205-95）和《混凝土结构工程施工及验收规范》（CB50204-92）的要求。采用的施工工艺是在依据规范、设计图纸要求的基础上形成的切实可行的工艺。
    2.1钢管卷制过程中及时调整，严格保证管端平面与管轴线垂直。
    2.2制订切实可选择焊接工艺用于指导生产，控制焊接变形。
    2.3自制工具调整垂直度，保证钢管形心位置、垂直度满足设计和规范要求。
    2.4制订测量工艺，规定测试时间，减少日照景响，保证测量精度。
    2.5钢管混凝土柱按照现有规范规定，混凝土的实际强度对设计强度的保证率应超过95%，配合比设计还必须满足施工环境要求，包括坍落度损失的控制、可泵性、初终凝时间、早期强度等。
    3、材料
    3.1钢管可采用直缝焊接管、螺旋形缝焊接管和无缝钢管。焊接必须采用对接焊缝，并达到母材等强的要求。
    3.2钢材及焊接材料应按设计图的要求选用，其性能和质量必须符合国家标准和待业标准的规定，并应出具质量证明或试验报告。
    3.3成批钢材入库后，应按批量复检其理、化性能，合格后方能使用。
3.4如化学性能测试过程中元素有超差现象，则应先验算其碳当量Cequ，当碳当量Cequ小于或等于0.45%时，此批量钢材仍可按常规施焊。碳当量Cequ 可按下列公式计算：
       Cequ = C + 1/6Mn + 1/5（Cr + Mo+ V）+1/15（Ni + Cu）
    式中：C 椞嫉暮?浚?）           Mn 椕痰暮?浚?）
          Ni 椖?暮?浚?）           Mo 楊獾暮?浚?）
          Cu 椡?暮?浚?）           Cr 椄醯暮?浚?）
3.5常用的钢材焊接用焊条、焊丝、焊剂的选用参见表1
表1
钢号 手工电弧焊 自动埋弧焊
Q235 焊条 型号 E4301 E4303 焊丝 焊剂 HJ401 - H08 HJ401 ?H08A
Q345  E5010 E5011  HJ402-H08A
    3.6混凝土采用普通混凝土，其强度等级不宜低于C30，目前通常选用高性能混凝土，强度达C40-C60。
    3.6.1水泥：水泥是混凝土中的胶凝材料，可为混凝土提供活性。混凝土中的水泥中的水泥用量过多会产生不良后果；如水化热过大，混凝土收缩过大产生裂缝及空隙。因此，设计高性能钢管混凝土的水泥用量不宜过大，选择水泥时应选择525水泥为主。水泥矿物组成中C3AT C3S对水化速度和强度发挥起决定作用。控制C3S在40%~50%为宜；C3A含量高的，养活效果就差，宜控制在5%~9%。所以选择水泥时，应全面考虑，防止效果就差，宜控制在胀值过大或过小，造成混凝土收缩，钢管内不饱满。
    3.6.2粗骨料：对于高性能混凝来说，骨料的性能对混凝土的抗压强度及弹性模量能起到决定性制约作用，根据试验研究，混凝土中骨料粒径越大，长条形和扁平形颗粒所占所例越大，骨料表面聚集水膜的倾向越大，从而使水泥水化胶体和骨料间存在薄弱过渡区，降低混凝土强度。高性能混凝土通常使用二次破碎石作为粗骨料，连续级配5~30mm，粗骨料中长条形和扁平形颗粒所占比例不超过5%，含泥量≤1.0%。
    3.6.3细骨料：选用洁净圆形颗粒的天然河砂，使用时必须考虑到砂中的云母含量、硫化物含量、含泥量和压碎指标值，需按高标准严格控制，同时对细度模数也有较高要求，细度模数宜选用≥2.5,含泥量≤1.0%。
    3.6.4外加活性掺抖：充分发挥粉煤灰的形态效应、活性效应、微集料效应，能有效改善混凝土拌和料的坍落度，减少泌水和离析现象，但用粉煤灰取代部分水泥后，混凝土的早期强度将会受到削弱的，所以控制混凝土中粉煤灰的掺量在25%以内。
3.6.5化学外加剂：因外加剂掺在不同膨胀剂的混凝土中产生的效果不同，选择外加剂一定要多次试验后可使用，其质量应符合现行国家标准《混凝土外加剂》规定。掺加复合型微膨胀增强剂，使减少收缩与补偿收缩共同作用，有效控制结构收缩裂缝，并能提高混凝土的早期强度。
    4、工艺流程
    4.1钢管柱制作工艺流程
    施工图→原材料复检→钢板号料→自动切割下料→钢板坡口加工→钢板卷制→二氧化碳气体保护焊打底焊→碳弧气刨清根→焊钢管直焊缝→超声波探伤检验→校正→钢管对接、拼装→焊钢管环焊缝→超声波探伤检验→焊内衬环、耳板→除锈、涂装→检验合格出厂。
    4.2钢管柱安装工艺流程
    施工图→钢管检验→柱轴线测量、放线→基础节安装（分插入式和端承式两种联接方式）→钢柱垂直度、轴线校正→标高校正→焊接→检验。
    5、操作要点
    5.1钢管柱制作工序
    5.1.1钢板气割前应将切割区域表面的铁锈、污物等清除干净，气割后应清除熔渣和飞溅物。
    5.1.2放样、号料应根据工艺要求预留制作和安装的焊接收缩量；制s作时切割、刨边和铣平等加工余量。其允许偏差见表2。
表2   加工允许偏差
项      目 允许偏差（mm）
平行线距离和分段尺寸 ±0.5
对角线差 1.0
宽度和长度 ±0.5
加工样板的角度 ±20'
零件外形尺寸 ±1
    5.1.3中板下料用自动切割机下料切割，薄板下料采用机械剪切，切割后均需清除毛刺。其允许偏差见表3。
表3    加工允许偏差
项      目 允许偏差（mm）
零件宽度和长度 ±（1+1/5000），且不大于±3.0
切割面平面度 0.05t且不大于2.0
割纹深度 0.2
局部缺口深度 1.0
边缘缺棱 1.0
型钢端部垂直度 2.0
    5.1.4切割后出现变形的零件，要矫正其平直度，质量要求为局部挠曲矢高f的允许偏差值在1m范围内f≤1.0mm。
    5.1.5板材坡口加工及端面加工，为保证施工质量，进行刨、铣加工，其加工余量不应小于2.0mm。
    5.1.6组装前，应先检验合格，所有焊接面需按要求打磨。打磨范围：焊缝边缘每边30-50mm，并不得有大于1mm的局部缺口。
    5.1.7钢管卷制：卷管方面应与钢板压延方向一致。在卷板过程中，应注意保证管端平面与管轴线严格垂直。卷压钢板时，考虑到一次变形量不能太大，应及时调整上滚间隙。钢管卷制后应在管端打上十字轴线并作标记。钢管卷制方法如图1所示。
    5.1.8钢管焊接成型后，为消除焊接变形，应采用机械校正，直至达到尺寸精度要求。机械校正无法完成的可用热加工来校正。
    5.1.9在钢管卷制过程中，由于设备和材料的条件限制，需要进行对接，组对在托架上操作，托架构造。对接时应严格保持焊后管肢平直。焊接时，除控制几何尺寸外，还应控制焊接变形，焊接宜采用分段反向顺序，分段施焊应保证对称，并预留对接间隙，以抵消收缩变形。
    5.1.10钢管对接时，为确保对接处的焊接质量，在对接处设置附加衬管，其宽度为20mm，厚度为3mm，与管内壁保持0.5mm的间隙。
    5.1.11钢管柱制作焊接纵、环焊缝均采用CO2气体保护焊打底，清根后自动埋弧焊焊接。全自动焊接中心操作示意。施焊前应清除焊丝上的油污和铁锈，对焊剂进行烘焙至350℃～400℃，保温2h。焊缝两端设置引弧板和引出板。焊接完毕后，应采用气割切除引弧和引出板，并修磨平整，不得用锤击落。
    5.1.12钢管柱制作尺寸允许偏差，焊接检查执行《钢结构工程施工及验收规范》（GB50205 - 95）和设计要求。
5.2钢管柱安装工序
    钢管柱柱脚与基础连接分插入式和端承式两种。端承式又分焊接式和螺栓连接式。
    5.2.1根据施工图及规范复检需安装钢柱的质量，合格后进行吊装。
    5.2.2测量钢管柱轴线尺寸与标高，引出每个钢柱柱脚十字相交轴线。
    5.2.3埋设预埋螺栓，控制轴线、中心距满足设计和规范要求，并加定位支撑，浇筑混凝土。
    5.2.4吊装基础节钢管柱，用基础节柱脚上预设的十字轴线与预埋件的轴线对应调节来确定基础节的位置，同时用二台经纬仪在十字相交轴线上测量垂直度。
    5.2.5在预埋螺栓上标出柱脚板底的标高线，校正钢管柱水平标高，测量确认安装找平层的厚度，当找平层厚度大于15mm，应用铁片填实后再进行找平、填实，保证钢管柱正常传力至承台。
5.2.6其余钢管柱的安装
    钢柱起吊前应地管端焊接区域打磨除锈，定出柱轴线与水平标高标记。钢管对接时，在对接处设置调节螺杆校正柱的垂直度，在x、y轴向架设2台经纬仪，测出柱底偏差，调整调节丝杆，使柱顶标记与柱底十字线重合，焊接环焊缝，卸去卡板，对柱身垂直度进行复测，并做好记录，以便下节柱安装调整，防止出现累积误差。
    5.2.7钢管柱的现场焊接形式为水平焊，施焊前焊条需烘焙，并保温2小时后方可使用。施焊时焊条应放在电热保温筒内，随用随取。焊接采用分段分向顺序，分段施焊保持对称，防止焊接变形影响安装精度。
    5.3钢管内混凝土浇灌
    5.3.1管内混凝土浇灌有三种方法：泵送顶升浇灌法；立式手工浇捣法；立式高位抛落无振捣法。泵送顶升浇灌需连续进行，中断时间太久会给继续泵送顶升浇灌造成很大困难，甚至无法继续浇筑，因此通常采用吊斗卸料、人工振捣相结合的方法，但要根据到现场的混凝土坍落度适时调整捣捧，振捣方法为快插慢拔。一次沤灌高度不宜大于2m，振捣时间不少于30s，插入点沿管平面呈三角形分布，距管壁150m
    5.3.2当混凝土浇灌到钢管顶端时，可以使混凝土稍为溢出，防止柱头砂浆层过厚。
    5.3.3管内混凝土的浇灌质量，可用敲击钢管的方法进行初步检查，如有异常，则应用超声波检测。对不密实的部位，应采用钻孔压浆法进行补强，然而将钻孔补焊封固。
    5.3.4配制高性能钢管柱芯混凝土时，所用普通硅酸盐水泥量控制在400-500kg/m3，水泥与掺合料的总量不宜超过500kg/m3，为确保密芯填充密实和满足工程施工、强度设计要求，控制粉煤灰掺量不超过胶凝材料总量的20%。如果现场采用吊斗施工，选择砂率在34-36%。
    6、机具设备
序号 设备、仪器名称 规 格 型 号 备 注
1 自动切割机 CG3 ?1500 
2 仿形自动切割机 CG2 ?150 
3 自动理弧焊机 MZ ?1000 
4 铣边机  
5 行车 5t 
6 角向磨光机  
7 机械除锈机  
8 栓钉焊机 FRNK-2000 
9 CO2气体保护焊机  
10 焊接中心  
11 自升塔吊 QTZ125t?m 
12 汽车吊 YQ8t、25t、40t 
13 平板运输车 5t、10t 
14 电焊机 BX ?500 
15 水平仪 S2 
16 经纬仪 J02 
17 激光经纬仪 JDJ2 
18 焊检器  
19 超声波探伤仪  
20 长度检测仪器  
21 砼搅拌机 JZC500 
22 砼汽车泵  
23 插入式振动器  
24 砼试压模具  
25 砼坍落度模具  
    7、劳动组织
分    类 工    种 人    数
厂内制作 气割下料工 冷作拼装工 电焊工 辅助工 专职安全质量员 管理干部 6名 16名 10名 20名 3名（含1名探伤员） 5名
分    类 工    种 人     数
现场安装 安装工 混凝土工 电焊工 测量工 技术干部 16名 4名 12名 2名 4名
    8、质量要求
    8.1施工质量检验依据
    8.1.1本工法执行的规范和规程
    （1）《钢结构工程施工及验收规范》                   GB50205 - 95
    （2）《钢结构工程质量检验评定标准》                 GB50221 - 95
    （3）《钢制压力容器对接焊缝超声波探伤》             JB1152 - 82
    （4）《建筑钢结构焊接规程》                         JGJ81 - 91
    （5）《钢管混凝土结构设计与施工规程》               CECS28:90
    （6）《混凝土结构工程施工及验收规范》               GB50204-92
    8.1.2工程设计图和设计变更文件
    8.2外观检验
    8.2.1普通碳素结构钢应在焊接冷却到工作环境温度，低合金结构钢应在焊接24h后方保进行焊接缝质量检查。
    8.2.2焊缝外观检查，不得有裂纹、未溶合、夹渣、焊瘤、咬边、烧穿、弧坑等缺陷，焊接区无飞溅残留物。
8.2.3焊缝的外形尺寸、位置必须符合施工图和《钢结构工程施工及验收规范》（GB50205-95）要求。钢管外观检查必须符合表5的质量标准。
表5    钢管柱外观检查标准
项 目 名 称 质  量  标  准
切割 断面无裂纹、夹层和超过规定的缺口。 光洁度、不平底符合规定。
钻孔 成形良好，孔边无毛刺。
焊接 无致命缺陷和严重缺陷。焊渣、飞溅清除干净，表面缺陷按规定处理。
结构外观 构件无变形，构件表面无疤痕、油污和粘结泥沙。
8.2.4钢管柱现场安装允许偏差见表6
表6   钢管柱安装允许偏差
项        目 允许偏差（mm）
预埋件平面度 支座范围内 ±5.0
 支座范围外 ±10.0
相邻地脚螺柱中心距 ±1.0
地脚螺柱中心与柱轴线 ±3.0
柱垂直度 H/1000且≤12
柱轴线位移 h/1000且≤6
柱水平标高 6
注：H为柱中高度
    8.2.5钢结构测量受日照影响很大，要控制测量时间，宜在早晨或傍晚进行垂直度、轴线、标高的测量工作，以求准确。
    8.2.6焊缝无损检验应根据施工图要求及有关标准规定进行，无损检验不合格的焊缝，应按规定要求进行返修，返修后必须再进行无损检验。
    8.2.7钢管柱制作、安装、验收及土建施工放线使用的所有钢尺必须统一，丈量时的拉力要一致，确保标高、确保标高、垂直度、轴线及柱间距的尺寸在允许误差范围内。
    9、安全措施
    9.1本工法执行国家和上级部门制定的各项安全规程。
    9.2在钢柱吊装期间，为防止人员、材料和工具坠落或飞出造成安全事故，需铺设安全网。为便于钢柱对接施工，并保证操作人员的安全，在操作场地要设操作平台。
    9.3为便于钢柱对接施工，并保证操作人员的安全，在操作场地要设操作平台。
    9.4施工时所用设备均需接地，决不允许有破损的电线、电风速达到15m/s时，应停止所有施工作业。
    9.5高空施工，当风速达到10m/s时，吊装工作要停止，当风速达到15m/s时，应停止所有施工作业。
    9.6施工期间应注意防火，配备必要的灭火设备和消防人员。