鋼管混凝土頂升澆築施工工法

《鋼管混凝土頂升澆築施工工法》是中建三局第二建設工程有限責任公司、中國一冶集團有限公司完成的建築類施工工法；主要完成人羅宏、方勝利、黃晨光、鄭承紅和王平。該工法適用於大型工業廠房及公共建（構）築物的鋼管直徑小於1.2米、頂升高度小於45米的圓形及方形鋼管柱內混凝土的施工。尤其適用於鋼管柱內鋼筋密集、結構複雜、施工難度大的鋼管柱內混凝土施工。

《鋼管混凝土頂升澆築施工工法》主要的工法特點是：鋼管混凝土柱頂升灌注混凝土的施工是將混凝土從鋼柱的根部緩慢向上頂升，並通過截止閥、卸壓孔等特殊裝置來完成鋼管內混凝土的順利澆築。施工過程中柱內混凝土受到了頂升壓力有效地排除了鋼柱內尤其是橫隔板下的空氣，混凝土密實度得到了提高，避免了隔板底下混凝土密實度不足、離析等缺陷；特別是能夠保證鋼筋密集、結構複雜、施工難度大的構件內混凝土澆築質量；可以加快施工進度。一般情況下，鋼管柱吊裝就位固定好後就可以直接安裝屋架、梁板等構件。泵送頂升工作可以在上述工作進行的同時進行平行作業，改變了以往需要從鋼管柱頂澆築完混凝土後才能安裝屋架等構件的作業模式；採用泵送頂升方法施工，基本可以不振搗，相應減少了高空作業量；降低施工費用，與吊車提升料斗在柱頂落灌方法比較，省略料斗和澆灌平台的製作，節省了施工費用。

2011年9月30日，《鋼管混凝土頂升澆築施工工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為國家二級工法。

基本介紹

• 中文名：鋼管混凝土頂升澆築施工工法
• 工法編號：YJGF46-2000
• 類別：工程建設類
• 審批單位：中華人民共和國住房和城鄉建設部
• 主要榮譽：國家二級工法（2009-2010年度）
• 完成單位：中建三局第二建設工程有限責任公司、中國一冶集團有限公司
• 主要完成人：羅宏、方勝利、黃晨光、鄭承紅、王平

形成原因

鋼管混凝土是介於鋼結構和鋼筋混凝土結構之間的一種結構形式，兼有兩種結構的優點。以往施工都是從鋼管柱頂灌入混凝土，施工時需製作施工平台，長時間占用大型吊車，並且，由於高空作業量大，施工人員不安全，且每次澆築的混凝土量並不大，費用高。而泵送頂升混凝土的施工方法無需長時間占用大型吊車，施工時，現場有一台混凝土輸送泵即可滿足要求，工藝相對簡單，同時減少了高空作業量，在安全保障方面可有改善，並且具有時間短、費用低等優點。

中建三局第二建設工程有限責任公司在武昌造船廠套用鋼管混凝土頂升澆築施工綜合技術。之後在深圳證券交易所營運中心工程和中國一冶集團有限公司的武鋼二冷軋工程等工程中成功套用。通過工程實踐，中建三局二公司聯合中國一冶集團有限公司總結此工法，共同完成了《鋼管混凝土頂升澆築施工工法》。

工法特點

《鋼管混凝土頂升澆築施工工法》特點如下：

1、鋼管混凝土柱頂升灌注混凝土的施工，省工、省料，操作簡便易行。

2、泵送頂升混凝土的施工是將混凝土從鋼柱的根部緩慢向上頂升，並通過截止閥、卸壓孔等特殊裝置來完成鋼管內混凝土的順利澆築。施工過程中柱內混凝土受到了頂升壓力有效地排除了鋼柱內尤其是橫隔板下的空氣，混凝土密實度得到了提高，避免了隔板底下混凝土密實度不足、離析等缺陷；特別是能夠保證鋼筋密集、結構複雜、施工難度大的構件內混凝土澆築質量。

3、可以加快施工進度。一般情況下，鋼管柱吊裝就位後，固定好後就可以直接安裝屋架、梁板等構件。泵送頂升工作可以在上述工作進行的同時進行平行作業，改變了以往需要從鋼管柱頂澆築完混凝土後才能安裝屋架等構件的作業模式。

4、採用泵送頂升方法施工，基本可以不振搗，相應減少了高空作業量。

5、降低施工費用，與吊車提升料斗在柱頂落灌方法比較，省支了料斗和澆灌平台的製作，節省了施工費用。

操作原理

適用範圍

《鋼管混凝土頂升澆築施工工法》適用於大型工業廠房及公共建（構）築物的鋼管直徑小於1.2米、頂升高度小於45米的圓形及方形鋼管柱內混凝土的施工。尤其適用於鋼管柱內鋼筋密集、結構複雜、施工難度大的鋼管柱內混凝土施工。

工藝原理

《鋼管混凝土頂升澆築施工工法》在鋼管下端的適當位置安裝一個帶閘門的進料支管，直接與泵車的輸送管相連，利用混凝土泵的壓力將混凝土自下而上擠壓頂升灌入鋼管內，直至注滿整根鋼管混凝土柱。鋼管柱頂部設定排氣孔，以減少泵送壓力。在鋼管柱下部接口連線管上，採用設定截止閘方法，防止混凝土倒流。

工藝流程

《鋼管混凝土頂升澆築施工工法》工藝流程參見下圖：

施工工藝流程圖

操作要點

施工單位採用《鋼管混凝土頂升澆築施工工法》的操作要點包括：

一、混凝土的頂升澆築

1、混凝土配合比的選擇

除必須滿足混凝土設計強度和耐久性的要求外，尚應使混凝土滿足可泵性要求，使水灰比小、坍落度大，減少混凝土收縮，強度、均勻性和凝聚性均優於普通同強度等級的塑性混凝土。在混凝土中同時摻加減水劑和膨脹劑，可使混凝土拌合物泌水率減小，含氣量增加，和易性改善，從而滿足泵送要求，可採用壓力泌水試驗結合施工經驗進行控制，一般10秒時的相對壓力泌水率S10不宜超過40%。

S10=V10/V140

式中：S10—10秒時的相對壓力泌水率；V10—混凝土加壓至10秒時的泌水量；V140—混凝土加壓至140秒時的泌水量。

粗骨料選用最大粒徑與輸送管徑比對碎石不宜大於1:3，對卵石不宜大於1:2.5，細骨料宜採用中砂細度模數為2.0，同時摻合適量Ⅰ級粉煤灰，混凝土水灰比宜為0.4~0.6，外加劑可選用高效緩凝減水劑增加混凝土的初凝時間，同時摻入10%的UEA膨脹劑使混凝土澆灌後微膨脹，以補償收縮達到密實。

2、對混凝土輸送泵工作壓力的要求

頂升過程中，混凝土在鋼管內呈“泉涌狀”上升，混凝土輸送泵工作壓力與泵產品性能、狀況、泵送高度、泵送水平距離和混凝土坍落度及和易性有關。施工前要根據現場實際水平泵送距離及泵送管路的設定計算壓力損失（具體見下面壓力損失換算表），為減少泵送壓力損失，輸送泵與鋼柱間距離不宜過大，以確保輸送泵的有效工作壓力達到10~16兆帕。

3、柱肢與混凝土輸送管的連線：

進料短管與鋼管柱連線

在距鋼管混凝土柱底部約800毫米的位置開一個進料口，進料口的尺寸比進料短管大3毫米，焊接的進料短管採用混凝土泵管制作，焊接時須保證進料短管與鋼管柱向下呈45°，進料短管的出口面呈水平狀態以防止混凝土進入鋼管柱後直接噴射到管內壁，減小混凝土向上的頂升阻力。進料短管與鋼管柱之間採用焊接（參見右圖），焊縫高度不小於壁厚。為防止施工時進料口處振動劇烈，將進料口與鋼管柱之間的焊縫撕裂，在進料短管周圍均勻地加焊加強勁板。

4、止流閥的製作、安裝（參見下圖）：

止流閥的製作及安裝

為防止在拆除輸送管時混凝土回流，需在連線短管上設定一個止流裝置（參見下左圖），其形式可以是閘板式的，或者是插楔式的。為防止在混凝土泵送頂升澆灌過程中閘板縫漏氣，需用黃油塗縫，或者加設一個密封圈墊在閘板縫內。混凝土泵送頂升澆灌結束後，控制泵壓2~3分鐘，然後略松閘板的螺栓，打入止流閘板，即可拆除混凝土輸送管，轉移到另一根鋼管柱澆築。待混凝土強度達75%後切除連線短管，補焊洞口管壁，磨平、補漆。補洞用的鋼板宜為原開洞時切下的。

止流閥（左圖）、卸壓孔布置（右圖）

5、卸壓孔（參見上右圖）：採用泵送頂升澆灌工藝，鋼管柱頂端必須設溢流卸壓孔或排氣卸壓孔。溢流卸壓孔的面積應不小於混凝土輸送管的截面面積，並將洞口適當接高，以填充混凝土停止泵送頂升澆灌後的回落空隙。

6、頂升澆築施工：

每次澆築混凝土前（包括施工縫）應先澆灌一層厚度為10~20厘米的與混凝土強度等級相同的水泥砂漿，以免自由下落的混凝土粗骨料產生彈跳現象。澆築過程中，每一根鋼管柱混凝土澆灌最好連續泵送完成，其間不宜停頓，如果必須中斷，時間儘量縮短，最多不能超過半小時，否則，由於混凝土在輸送管及鋼管柱內停留時間過長，有可能導致管內混凝土泵不上去，造成工程質量事故。混凝土頂升澆灌至鋼管柱頂部從排氣孔溢出後，輸送泵停止工作，待混凝土沉實一段時間後（約5~6分鐘），再泵送頂升一次，排氣孔溢出混凝土，頂升澆灌混凝土結束。

7、創新套用

中建三局第二建設工程有限公司和中國一冶集團有限公司合作，將原國家級工法《鋼管混凝土頂升澆築施工工法》的套用範圍和規模進行了拓展，即從直徑Φ600毫米擴展到直徑Φ1200毫米，頂升高度從36.5米提升到45米，從單柱頂升擴展到雙肢柱頂升，從圓柱擴展到方柱頂升，從普通的混凝土升級為高強度混凝土，並且在深圳證券交易所營運中心工程、武鋼二冷軋程等工程中套用。

（1）鋼管柱直徑從0.6米擴展到1.2米，從普通的混凝土升級為高性能高強度混凝土。

深圳證券交易所營運中心項目塔樓外框筒東西兩側首層14根方鋼管柱內混凝土採用泵送頂升施工工藝進行澆築，方鋼管柱最大邊長為1.2米，柱內混凝土強度等級最大為C70。

（2）從圓柱擴展到方柱頂升。

深圳證券交易所營運中心項目桁架筒柱和塔樓的部分外框筒柱為方鋼管柱，方鋼管柱最大邊長為2.5米，最小邊長為0.4米。該工程對塔樓外框筒東西兩側首層14根方鋼管柱內混凝土採用泵送頂升施工工藝進行澆築（參見下左圖）。

方鋼管柱頂升混凝土（左圖）、雙肢鋼管柱頂升混凝土施工（右圖）

（3）從單柱頂升擴展到雙肢柱頂升，頂升高度從36.5米提升到45米。

武鋼二冷軋三區主廠房採用單層排架結構，圓形雙杯口獨立柱基礎，鋼管雙肢格構混凝土柱（參見上右圖）。鋼管內混凝土設計強度等級為C30。主廠房三區鋼柱設計主要採用Φ800×12毫米的鋼管混凝土柱，格構鋼管Φ325×8毫米。共有96根雙肢鋼管柱，最大柱高45米。採用泵送頂升澆灌法。

（4）在原有工法基礎之上，為了保證鋼管混凝土頂升質量，採取了以下措施：

①鋼管混凝土模擬試驗（參見下左圖）

鋼管混凝土模擬試驗（左圖）、鋼管混凝土鑽芯取樣（右圖）

深圳證券交易所營運中心項目在鋼管柱混凝土施工時，針對該工程特點，綜合設計及相關規範規程的要求，在施工現場進行鋼管混凝土模擬實驗。採用超音波檢測管內混凝土的澆築質量，並採用鑽芯取樣（參見上右圖），檢測混凝土強度，檢測完後，採用氧氣切割方式把鋼柱剖開，用目測的方法觀察其澆築效果，查看混凝土與加勁板、鋼管柱鋼板的結合情況。一方面驗證工程實體鋼管混凝土的施工質量，另一方面進一步進行總結和最佳化施工方案，確保實際施工質量達到要求。

②鋼管柱內設栓釘和加勁板，加勁板上增設排氣孔（參見下圖）

鋼管混凝土柱內設栓釘和加勁板

深圳證券交易所營運中心項目方鋼管柱直徑大，柱內填充混凝土強度等級最大為C70，鋼管柱內設栓釘，且按節點設定加勁板，加勁板上開設澆築孔和排氣孔，以減少泵送壓力。

8、勞動組織（參見下表：）

材料設備

施工單位採用《鋼管混凝土頂升澆築施工工法》所需材料設備如下：

一、混凝土泵

混凝土泵的最大泵送能力應有一定的儲備，以保證輸送順利、避免堵管。可選用HBT60C高壓混凝土泵，其液壓系統工作壓力可達32兆帕，混凝土出口最高壓力可達16兆帕，完全滿足工程的需要。

管內最大壓力可達到10兆帕，將產生較大縱向拉力，所以必須採用耐高壓的管道系統，具體方案參見下表：

二、鋼管柱混凝土頂升系統及組件

鋼管柱混凝土頂升系統主要由止流閥、短管、泵管、混凝土泵組成，通過短管和一個135度彎頭實現。連線短管與鋼管柱呈45度自下而上插入管洞。管外徑與彎頭及輸送管相同，便於使用管卡連線，從而使混凝土泵送頂升澆築更加順利。

質量控制

施工單位採用《鋼管混凝土頂升澆築施工工法》應實施的質量控制如下：

採用泵送頂升澆灌法施工時混凝土在泵送壓力作用下向上流動，在流動過程中粗骨料逐漸向管壁運動，多餘的漿液滲至管中間，形成“栓流”。在混凝土流動過程中主要是“栓流”在向前整體移動，在運動過程中，栓流與周圍部分有各成分的相互交換，周圍部分由於黏性與鋼管壁的表面張力作用受擾動小，凝結時間較早，基本不向前運動。“栓流”從混凝土面流出後由於重力作用和壓力損失又落向周圍部分。通過鋼管中混凝土流速分布情況的分析可以看出，“栓流”的直徑與混凝土的坍落度、混凝土輸送泵管及進料支管直徑、鋼管傾角、混凝土的凝結時間、粗骨料粒徑有關。且隨著混凝土面的不斷上升，泵送壓力需要不斷加大。質量保證措施參見下表：

安全措施

施工單位採用《鋼管混凝土頂升澆築施工工法》需執行的安全措施如下：

1、對作業人員進行“三級”安全文明施工意識教育，特別是在施工前召開班前會，熟悉現場作業條件。

2、澆築施工前，檢查輸送泵管道的接頭和輸送管道的架體，確保接頭嚴密和固定架體的牢固。

3、夜間澆築必須有足夠照明，提前準備燈具等用具，以保證混凝土施工的正常進行。

4、所有電路、機械出現故障，均應由值班電工、修理工進行處理，不得擅自進行處理。

5、混凝土澆築完成後，清洗混凝土泵時，泵管的出口應朝安全方向，以防廢漿高速飛出傷人。

環保措施

施工單位採用《鋼管混凝土頂升澆築施工工法》應注意實施環保措施包括：

1、對於夜間作業和對周邊環境的影響，提前與建設行政主管部門、環保部門、城管部門溝通並進行申請，批准後方可作業。將混凝土施工需連續作業的原因、時間、審批情況以慰問信或致歉信的形式進行告示，尋求周圍的居民的諒解。

2、輸送泵及泵管應及時清洗乾淨，堆放整齊，要做到工完料淨場清。

3、混凝土運輸車在出施工現場時，要用水沖洗輪胎，不得讓罐車帶泥上路。

效益分析

施工單位採用《鋼管混凝土頂升澆築施工工法》的效益有：

一、可解決鋼管混凝土柱內混凝土密實度不足、離析等缺陷，確保施工質量。

二、採用該工法，減少了施工工序，避免多工種交叉施工，有利於安全管理工作。可組織流水施工，加快施工進度。

三、該工藝與傳統逐段澆搗法相比，具有良好的綜合效益。

以深圳證券交易所營運中心項目為例，效益分析如下：

1、按總共14根鋼管柱計算，每根柱平均12立方米混凝土計；採用傳統逐段澆搗法和採用頂升施工法，費用分析如下：

（1）傳統逐段澆搗法費用：

混凝土振搗費用30元/平方米，計：14×12×30=5040元。

每根柱至少需開1個振搗孔，開孔及封堵費用計120元/個：14×120=1680元。

（2）頂升施工法費用：

頂升法施工增加閥門的費用，截止閥每個450元，截止閥2個，閥門費用為：2×450=900元。頂升法施工採用自密實混凝土，其添加外加劑和粉煤灰每立方米混凝土成本增加15元：14×12×15=2520元。

開孔及焊接封口鋼板等的費用計120元/個：14×120=1680元。

（3）總共節省費用為：5040+1680-900-2520-1680=1620元。

2、採用頂升施工法，相比逐段澆搗法，工期縮短約8天。

註：施工費用以2009-2010年施工材料價格計算

套用實例

採用《鋼管混凝土頂升澆築施工工法》完成的工程套用實例如下：

1、武昌造船廠裝焊廠房工程（參見下左圖）

該工程建築面積8968平方米，屬鋼結構排架工業廠房。基礎下部採用鑽孔灌注樁，上部為杯形獨立基礎，柱子為四肢鋼管組成的階形格構柱，總計28根，柱鋼管為Φ400×10毫米，鋼管內C45混凝土澆築套用了鋼管混凝土頂升澆築施工方法。鋼管柱高36.5米，重達42噸。

武昌造船廠裝焊廠房（左）、深圳證券交易所營運中心工程（右）

2、深圳證券交易所營運中心（參見上右圖）

該工程項目位於福田中心區，工程建築總高度245.8米，總建築面積26.7萬平方米是一幢現代化的超高層辦公樓。該工程桁架筒柱和塔樓的部分外框筒柱為方鋼管柱，方鋼管柱最大邊長為2.5米，最小邊長為0.4米，柱內填充混凝土強度等級最高為C70。對塔樓外框筒東西兩側首層14根方鋼管柱內混凝土採用泵送頂升施工工藝進行澆築。已施工的鋼管柱工程質量優良。

3、武鋼二冷軋三區主廠房（參見下圖）

該工程採用單層排架結構，圓形雙杯口獨立柱基礎，鋼管雙肢格構混凝土柱。鋼管內混凝土設計強度等級為C30。主廠房三區鋼柱設計主要採用Φ800×12毫米的鋼管混凝土柱，格構鋼管為Φ325×8毫米。柱高28.68米的雙肢鋼管柱36根，柱高31.18米的雙肢鋼管柱40根，柱高45米的雙肢鋼管柱20根。採用泵送頂升澆灌法施工完成。

武鋼二冷軋工程

榮譽表彰

2011年9月30日，中華人民共和國住房和城鄉建設部審定《2009-2010年度國家二級工法名單（升級版）》，以建質[2011]154號檔案公布，《鋼管混凝土頂升澆築施工工法》被評定為中國國家二級工法。