钢管混凝土叠合柱施工技术

[摘要]根据首都医科大学工程错层部位结构设计特点，结合施工实践，探讨钢管混凝土柱施工控制要点。

[关键词] 钢管混凝土；钢管柱；错层结构；施工技术

中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：

首都医科大学科研楼工程，建筑结构形式框架剪力墙结构，抗震设计八度，框架抗震等级为二级，剪力墙抗震等级为一级。建筑设计使用年限50年，钢管柱设计截面尺寸900×900，标高从－5.40～＋17.61m，布置于A轴、D轴，穿越所有错层部位。钢管采用￠450×20mm钢管，材质为Q345B。其中地下一层钢柱七根，布置于5―10轴；首层钢柱十三根，布置于5―10轴；二至四层钢柱十六根，布置于5―10轴。

钢梁设计截面尺寸为H600*300*12*25；H450*300*11*18； H500*300*11*18；H400*300*10*16；H350*250*9*14；H250*250*9*14； H125*3125*6.5*9 。材质为Q345B。标高从+0.00～＋9.00m。钢梁采用高强螺栓连接，与报告厅连接部位的钢管柱，需要与三个方向的梁连接，焊接连接板角度、位置以及安装时控制角度和标高是本工程的难点。

钢管柱与梁相交处钢筋节点复杂，除了加设牛腿外，对于与三个方向（含）以上梁相交接的柱子，须单独加设钢筋混凝土柱帽和环形梁。钢管混凝土叠合柱的梁柱节点安装是本工程又一难点。

一、钢管柱施工需要解决主要技术问题

（一）主体结构单层面积近3000m2，按后浇带划分为4个施工段，钢管柱分布在3个施工段内，并且位于错层位置，均在塔吊覆盖范围以内。平面及竖向结构分布的不规则对于常规混凝土结构施工的各工种协调工作带来较大难度，各工种与钢结构协调部署要求较高。

（二）对焊缝要求高，钢管柱均为全熔透剖口焊，焊缝等级一级，而且重量比较大，因部分不能整体吊装，分段进行安装，钢柱安装精度要求高，现场对接焊缝施工难度大。

（三）框架柱及框架梁配筋密集，特别梁柱节点部位，钢柱及钢牛腿与四周柱梁主筋、箍筋、腰筋的关系顺序成为施工处理的重点。

（四）结构中钢柱的增加使常规钢筋绑扎、模板支设、混凝土浇筑等结构施工流程、工艺要求须作相应调整。

（五）需要对钢管柱进行二次设计翻样工作。由于设计图纸只给了钢管截面，对施工考虑较少。

（六）需要对钢管混凝土柱环型梁节点进行二次深化设计。尤其是标高、梁钢筋的锚固需节点细化。

（七）钢管混凝土叠合柱的混凝土浇筑分为钢管内和钢管外混凝土浇筑，同时部分梁柱节点还加设了环型梁，梁柱节点部位钢筋非常密，混凝土浇筑困难。

二、钢管柱设计

（一）材料要求

钢管材质Q345B， 规格φ450×20 mm ，栓钉Q235。钢板Q345B，板厚8-20mm，焊条E50系列 。

高强螺栓满足现行国家标准，主筋三级钢Φ25、Φ28，箍筋三级钢Φ10。

砼采用C60商品砼，石子粒径5－25mm，环型梁部位豆石混凝土。

（二） 钢管柱截面

钢管柱设计截面尺寸900×900mm、φ900mm，标高从－5.19～＋16.71m，穿越所有错层部位。

（三）钢管柱柱脚

钢管柱柱脚设计非埋入式柱脚，柱脚采用4根材质Q345B的M30锚栓，锚入负一层、一层柱内。锚栓上端穿过钢管封底板螺栓孔中，加－10垫板后，用双螺母紧固。钢管封底板为650×650×20，与钢管柱身剖口全熔透焊接。柱底进行二次灌浆浇筑，柱底封板中间设φ370浇筑孔。

（四）钢管柱梁柱节点设计

梁柱节点为钢筋混凝土梁―钢管混凝土柱连接。第一种是在钢管柱上加设焊接耳板。具体方法为在钢筋混凝土梁与钢管混凝土柱连接的梁端，设一H字型钢牛腿，设计牛腿高度于梁等高。牛腿与钢管在工厂焊接好，钢筋混凝土梁内的主筋与牛腿上下冀缘焊接。牛腿长度为500mm。

第二种是加设钢筋混凝土环型梁的方法。具体做法是对于钢管柱三个以上方向与框架梁连接的，加设钢筋混凝土环型梁。

（五）钢管柱接长设计

由于钢管柱长度12.51m至22.81m，每根最大重量达到4.8吨，运输安装困难，现场分两节至三节进行加工安装，每节长度8.0m左右。考虑加工及安装方便，并保证剖口全熔透焊接等强连接的设计要求，经与设计协商，采用了全焊接连接，钢管为全熔透剖口对接焊连接 。

（六）钢管柱身抗剪混凝土钉设置

由于钢管与混凝土的粘结力远小于螺纹钢与混凝土的粘接力，因此设计要求在柱全长范围内设置φ19×120栓钉，周长设5排，竖向间距@200m，工厂焊接，保证钢管与混凝同工作。

（七）钢管柱二次深化设计

钢管混凝土叠合柱的钢管柱必须根据与之相连的钢筋砼梁标高、截面、配筋及钢管柱主筋位置情况进行二次翻样，确定钢管牛腿穿孔位置，牛腿高度、宽度、标高，牛腿及复板钢筋孔位置，以确保钢管安装后，钢筋砼梁及钢管柱主筋能够顺利绑扎。（见图1）

图1：钢管柱二次深化设计示意图

三、钢管柱施工工艺

（一） 钢管混凝土叠合柱的施工工艺流程

钢管柱钢管详图设计钢管加工钢管进场

柱脚螺栓加工柱脚螺栓预埋

钢管吊装钢管柱脚二次灌浆浇筑柱脚砼养护钢管柱柱筋绑扎钢管柱模板支设钢管柱砼浇筑拆模、养护

（二） 框架结构钢管柱梁柱节点核心区施工工艺：

1.钢管柱与框架梁采用牛腿连接施工工艺

钢管柱施工剔凿柱砼表面浮浆，柱筋浮浆确认主次梁纵筋钢筋位置主梁下铁钢筋锚入柱子内次梁下铁下排与型钢牛腿穿贯通筋次梁下铁上排钢筋在柱牛腿上通过节点核心区箍筋绑扎、焊接主梁上铁与型钢牛腿焊接，穿贯通筋主次梁箍筋，与主筋绑扎常规主次梁、节点区模板支设砼浇筑。

2.钢管柱与框架梁采用环型梁施工工艺

钢管柱施工剔凿柱砼表面浮浆，柱筋浮浆确认环型梁标高支环型梁模板环型梁钢筋绑扎支框架梁模板框架梁上铁搭在环型梁上铁上锚入环型梁内框架梁下铁搭在环型梁下铁上锚入环型梁内框架梁箍筋绑扎梁柱核心区模板支设砼浇筑。

（三）首层钢管柱安装工艺：

基础面清理凿毛调整预埋螺栓螺帽标高、螺栓位置核对钢管柱标记基准线吊装就位就位调整、临时固定垂直度标高调整 柱脚二次浇筑地下一层混凝土叠合柱施工

（四）二层钢管柱安装工艺

核对钢柱标记基准线 吊装钢柱安装螺栓临时固定调整垂直度 钢管坡口熔透焊接探伤实验

四、钢管混凝土叠合柱施工控制要点

（一） 钢管加工质量要求

钢管制作采用机械加工，由有资质的钢结构制作厂家承担。型钢切割、焊接、运输、吊装检验应符合现行国家标准《钢结构工程施工及验收规范》GB50205，现行国家标准《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81，《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99。

钢材、焊接材料、螺栓等应有质量证明书，质量应符合国家规范规定。刚才、高强螺栓应进行复试。

型钢钢板制孔，采用工厂车间制孔，严禁现场气割。

栓钉抽样检查其焊接质量。

钢管柱焊缝采用全熔透剖口焊接，达到二级焊缝要求。焊接前将构件焊接面油锈清除，焊工持证上岗。施工中确保现场钢柱拼接和梁柱节点连接的焊接质量，坡口形式尺寸。焊接后要按二级焊缝标准进行探伤试验。

（二）预埋螺栓

主要是要控制好标高、位置。螺栓预埋前要先做好模具，模具采用700×700mm，15mm厚多层板，在多层板上定好孔位后钻孔，孔径比螺栓直径大2mm。在梁柱节点模板合模前预埋。预埋时采用2块模具，外露螺栓的长度范围内上下各一块。模具中心线与钢管柱中心线对齐，找好标高后，然后用附加钢筋将螺栓上下焊接固定。并再次对螺栓进行检查，发现偏差及时纠正。

预埋螺栓标高保证钢管柱脚下部不少于50mm长螺杆，以便在柱脚下安装调节螺母，调整钢管柱垂直度及标高。

（三）钢管柱安装：

1.钢管柱安装采用塔吊吊装，堆放在塔吊的回转半径内。

2.安装前核对钢管柱定位轴线，标高，地脚螺栓直径和伸出长度。并对钢管柱编号，外形尺寸、螺孔位置、牛腿方向，梁钢筋穿钢梁腹板预留孔等全面复核。调整螺帽的垫片上表面标高到柱脚下表面标高。

3.钢管柱安装前对预埋螺栓处的砼面进行清理凿毛，否则安装钢柱后很难再清理干净，严重影响钢管柱质量。

4.钢柱调整标高时采用水准仪及柱脚下部调整螺母。先在柱身标定标高基准点，水准仪测定基差值，旋动调整螺母以调整柱顶标高。

钢柱垂直度调整利用两台经纬仪与柱脚调整螺母进行调整。两台经纬仪从两个侧面同时观察。当受到现场条件限制，在精度要求不高的情况下，可以利用两套线坠与钢卷尺，在两个方向监测钢管柱的垂直度。

为避免上节钢管柱安装校正困难，故在混凝土浇筑前进行复核，浇筑过程中及完毕后，要利用花篮螺栓、钢丝绳对钢管柱进行二次校正。

（四）柱脚浇筑CGM-1高强无收缩灌浆料：

成品的高强无收缩灌浆料，存于现场，随时浇筑，早期强度高，质量保证，施工方便。柱脚砼浇筑后达到终凝，具有一定强度（C20以上，一天后），方可进行钢管柱钢筋绑扎。

（五）钢管柱节点钢筋绑扎：

1.注意主次梁绑扎顺序：两端均是钢管柱时，配筋时要精确计算钢筋长度，合理确定钢筋接头长度位置，留出20mm的调节空间。特别是机械接头，施工时要从一端向另一端逐跨进行，防止钢筋在牛腿上焊接后，跨中无法进行接长。焊接前主筋下部保护层垫块要预先垫好，钢筋放平，防止跨中钢筋下垂。

2.节点区最外侧箍筋必须是封闭箍筋。当封闭箍筋无法穿过钢牛脚时，可以采用开口箍筋，穿过钢牛脚腹板，然后将开口箍筋焊接10d。焊接位置应错开以保证抗震要求。内侧复合箍筋可以采用拉筋，弯钩采用135度，满足抗震要求。

3.框架梁箍筋加密区计算长度与常规框架梁不同，应按梁端至钢牛腿端部以外2倍梁高范围内进行加密，间距100mm。

（六）柱帽、环型梁节点钢筋绑扎

1.确定钢筋穿插及绑扎顺序

混凝土梁与环梁相交处节点钢筋密集，二排钢筋的穿插入环梁，施工时必须先将环梁处框架梁底面筋先穿插入环梁，再绑扎其他部位框架梁，梁口处附加箍先不绑扎，待梁筋穿插完毕后再进行调整及焊接。

2. 环梁内框架梁箍筋的绑扎

在绑扎过程中，梁截面高度不同，当框架梁在环梁之上或之下位置时，仅有部分梁与钢管相连，框架梁在环梁内部分箍筋绑扎采用开口箍进行绑扎，成型后焊接或保证锚固即可。

3.附加箍筋的绑扎

附加箍筋的绑扎是钢筋工程的施工难点，尤其是135°弯勾由于其与二排主筋及大、小箍筋的位置交叉密集，施工中较难保证质量，因此附加箍筋采用90°弯勾，搭接处焊接，焊缝长度10d, 且一个箍筋只能有一道焊缝。 见图2

图2：环梁绑扎节点图

（七）钢管混凝土叠合柱砼浇筑：

特点是柱内的钢管就是模板，具有很好的整体性和密闭性，不漏浆、耐压力，同时钢管四周为钢筋混凝土，采用定型模板。先浇注钢管内的混凝土，然后浇注钢管外的混凝土，混凝土强度等级为C60。

1.混凝土自钢管上口灌入，浇筑时使用插入式振捣棒，应快插慢拔，插点均匀排列，逐点移动，顺序进行，不得遗漏，做到均匀振实，移动间距不大于振捣作用半径的1.5倍，每一振点的延续时间以表面呈现浮浆为度，振捣上层混凝土时应插入下层混凝土5cm，以消除两层间的接缝，确定好混凝土下料点位置和振捣插入点位置，钢管内混凝土浇筑，宜连续进行，必须间歇时，不应超过混凝土的初终凝时间，钢管柱内混凝土标高控制与楼板面平。对于钢管较长，可采用自落式混凝土浇筑方法，通过重力使混凝土达到密实状态。

2.第二次浇筑前，应先浇筑一层厚度为 100～200mm 的与混凝土等级相同的水泥砂浆，以免自由下落的混凝土粗骨料产生弹跳现象，待混凝土终凝后进行凿毛处理。

3.钢管混凝土内混凝土浇筑完成后，初凝前，便可进行钢管柱外侧混凝土浇注，标高控制在梁底标高以上30mm位置，拆模后，及时采用塑料布包裹养护，同时在梁底标高以上5mm的位置弹线，采用切割机切割，然后剔除混凝土柱表面松散石子和浮浆。

4.由于部分梁柱节点还加设了环型梁，梁柱节点部位钢筋非常密，为保证混凝土柱浇筑密实，采用C60豆石混凝土，并采用30型插入式振捣棒，浇筑时，派专人敲打模板检查混凝土密实度，通过以上措施取得良好效果。

五、结语：

从本工程钢管柱的应用可以看到，钢管混凝土叠合柱施工技术由于其优良的结构承载性能，能够解决超高、超限、错层结构等复杂内力情况下的结构设计问题，能够满足对结构构件的抗震要求，减少结构构件截面尺寸，从而相对增加建筑使用面积，以较小的成本达到设计要求，其应用会越来越广泛。