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建筑钢管混凝土柱安装技术 |
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时间日期：2010-4-27 已被阅读次：[7502] |
广东省六建集团有限公司 李孝国 刘均益
[摘 要] 在高层建筑钢管混凝土柱安装工艺中，采用自制的卡盘锁具和传统吊线坠方
法代替经纬仪和千斤顶，能取得更好的安装效果。钢管混凝土柱焊接的残余
变形，主要是由对接焊缝冷却收缩引起的，难以准确控制，焊缝偏差大小及
钢管混凝土柱壁厚是其主要影响因素， 重点应做好焊接和焊接冷却过程的
测控。
[关键词] 高层建筑 混凝土柱 焊接 变形
随着钢管混凝土柱技术的不断完善与发展，钢管混凝土柱在高层建筑中得到了广泛的应用。
钢管混凝土柱作为建筑结构的主体构件，它的施工质量及速度直接影响着整个工程的质量及
工期进度。对施工单位而言，现场安装是钢管混凝土柱施工的主要工作内容，而能采用一套
简便、迅捷的安装工艺来完成钢管混凝土柱的现场安装，就显得尤为重要。
一、高层钢管混凝土柱安装的工序过程及需要注意的问题
钢管混凝土柱安装过程为：吊装就位→垂直度校正→对接焊接浇筑混凝土→平面楼层施
工→上层钢管混凝土柱吊装就位。
在钢管混凝土柱施工中，对接焊缝的焊缝质量和垂直度是主要的验收项目。在焊接阶段
不但要保证焊缝质量满足设计的要求，而且要严格掌控焊接
变形的大小，这是因为焊接时焊缝产生的焊接变形很大程度的影响了钢管混凝土柱的垂
直度，并且垂直度偏差的大小又直接影响着钢管混凝土柱上口轴线位移的大小。
在钢管混凝土柱安装中常见的一个问题是：在平面楼层施工结束后，原本在焊接阶段完
成时控制的相当好的平面轴线位置，又出现了新的偏差，而这种最终形成的偏差又很可能会
超出施工规范允许的验收范围。最终偏差主要是由后期施工中产生的一些外力（如施工中钢
筋、模板的顶撑，混凝土浇筑时混凝土料斗的碰撞等）造成的。为保证结构的整体垂直度满
足规范要求，避免多次楼层施工后的最终偏差累计过大，在每一次的安装上一层钢管混凝土
柱时，我们需要在规范允许偏差的范围内，适当预设逆向偏差来抵消下层钢管混凝土柱的最
终偏差。计算逆向偏差时需要综合考虑下层钢管混凝土柱的最终偏差和焊接阶段中将产生的
焊接变形。钢管混凝土柱吊装就位和浇筑混凝土应根据现场施工条件确定相应施工方案。
二、传统的钢管混凝土柱安装工艺的优缺点
目前，钢管混凝土柱安装延续了传统的钢柱装方法：通过两台成900角架设的经纬仪，
测控标识于钢管混凝土柱上的标示线（俗称洋冲）的偏差度，再结合两台千斤顶做两个方向
的顶升调整来完成。此种安装方法的优点在于：经纬仪在相应的工作条件下能够精确测定偏
差；千斤顶可平稳的完成重型构件的顶升工作。但由于钢管混凝土柱的特殊性，传统安装方
法也存在以下弊病：
1. 误差大、效能低。目前用于建筑结构中的大直径钢管，一般由钢板卷制焊接而成。
钢管混凝土柱本身为近似圆柱体，无可直观观测的竖向边线，一般依靠在钢管的外壁上标识
洋冲，用作以后的观测线。钢管制作完成后允许存在制作偏差，钢管的几何中心位置很难确
定，洋冲标识会存有偏差，并且由于现场条件的限制，观测时还会产生多方面误差，这就使
得经纬仪不能合理发挥效能。
2. 工程整体进度慢。高层施工工期紧、进度要求快，而采用经纬仪测控时需要一定的
工作面，在观测区域内不能同步进行楼层脚手架搭设等其它工序，钢管混凝土柱安装工作需
独立进行，明显滞后了工程的进度。
3. 人力、物资需求高。每根钢管混凝土柱安装均需两台经纬仪、两名测量人员，若想
多根钢管混凝土柱同步安装，则专业测量人员和仪器设备需求成倍增长，经济效益差，而且
一般的施工单位都难以满足这种要求。
三、工艺的实践应用
经过实践摸索，采用一种简易的卡盘锁具结合传统的吊线坠方法来完成钢管混凝土柱的
安装，较好的解决了传统工艺中存在的几点缺陷。此种新工艺在某市某广场工程中应用，取
得了良好的质量效果和经济效益。
某市某广场为双塔型高层商住楼，框－剪结构，地下一层地上二十八层，全高104.4 米
，单塔结构的中部采用六根钢管混凝土柱做为竖向承重构件，01 栋塔楼钢管混凝土柱平面
布置图见附图。钢管混凝土柱在南京市高层结构中尚属首次应用。钢管混凝土柱采用变截面
设计，直径由Ф900渐变为Ф850、Ф800、Ф750、Ф700；楼层荷载依靠焊于钢管外壁上的
环形筋传递给钢管混凝土柱；钢管管材采用Q345B 级钢，管壁厚由t=24mm 渐变为20mm、16m
m、12mm；C60 混凝土。钢管混凝土柱的安装就是采用了自制的卡盘锁具结合定边定点吊线
坠的安装方法。卡盘锁具的介绍
1. 制作大样图
卡盘锁具采用普30mm 厚Q235 钢板为原材制作，一套锁具由一只锁盘、两个锁母、四支
圆销组成。锁盘采用30mm 宽钢板条焊制；锁母为钢板块中间开孔制成；圆销为钢板条锻造
制成；放样尺寸见卡盘锁具大样图。
2. 使用方法
吊装就位 卡盘锁具的使用部位在钢管混凝土柱接口处对准轴线位置的四点（见钢管混
凝土柱平面布置图中a、b、c、d 四点）。操作方法为：上层钢管混凝土柱吊装前，在下层
柱的上管口下边10cm 左右处对准轴线位置焊上锁母，然后进行上层钢管混凝土柱的吊装。
吊装就位后，对准下层柱锁母的位置焊上上层柱的锁母，然后挂上锁盘将圆销插入锁母孔中
，即完成了钢管混凝土柱的吊装就位。附图见卡盘锁具就位图。锁母同钢管混凝土柱的连接
采用单侧点焊即可满足使用要求，取下时较为容易，操作简便。垂直度校正 选取需做垂直
度调整的柱边侧的锁具，插入圆销1、2或插入圆销3、4（见卡盘锁具就位图），通过控制圆
销1、2 或圆销3、4 打入的多少即可完成垂直度的调整工作。例如在卡盘锁具就位图中，上
层钢管混凝土柱吊装就位后因为向右侧倾斜需要做垂直度调整，则在右侧锁盘处插入圆销1
、2，通过控制圆销打入的多少就做到了钢管混凝土柱右侧的上顶，调整了垂直度；或者在
左侧锁盘处插入圆销3、4，通过控制圆销打入的多少就做到了钢管混凝土柱左侧的下拉，调
整了垂直度。在钢管混凝土柱垂直度校正工作中，对上顶或下拉的距离要求一般都很小（通
常在0～2cm 间），此种方法完全可以替代千斤顶来满足安装工作的需要。定边定点吊线坠
法
定边定点吊线坠方法就是结合楼层的平面控制网，用线坠取代经纬仪，通过测控整根钢
管混凝土柱从下至上的两个固定控制边（如：钢管混凝土柱平面布置图中a、b 边为固定控
制边）上的固定点，来完成垂直度的控制工作。
在距钢管混凝土柱上口约30cm 处（为避免钢管接口处会因焊接产生变形，并且避开锁
盘），对准轴线位置点焊钢筋头用于吊线坠，钢筋头下10cm 处作为固定测点。量测控制上
、下测点与吊线间的间来完成垂直度控制，见线坠使用示意图。
下面以工程实例说明其应用情况：
某广场双塔型商住楼工程验收时发现，在钢管混凝土柱平面布置图中西北角的钢管混凝
土柱在楼层混凝土浇筑后出现轴线位置偏移，测量结果为向东偏5mm，向北偏3mm,需吊装的
上节钢管混凝土柱长度h 为6.6m，规范允许垂直度偏差1‰。钢管混凝土柱吊装就位后，在
东侧、南侧点焊钢筋头，悬挂线坠，将线坠上测距定位为100mm，用东侧锁盘调整钢管混凝
土柱的东西向倾斜，将东侧下测距调整到95mm；再用南侧锁盘调整钢管混凝土柱的南北向倾
斜， 将南侧下测距调整到103mm。至此完成了垂直度及轴线位置偏移的调整。(调点焊钢筋
头下测点楼地面下测距上测点上测距线坠线坠使用示意图整值为5mm 和3mm，均在h＊1‰允
许范围内。)
四、钢管混凝土柱焊接变形规律和反焊接变形测控数据的探索
焊接变形目前还是一技术性难题，受诸多不确定因素的影响，难以就焊接变形的程度进
行准确测控。现仅就南京市创新滨江广场钢管混凝土柱的安装经验及对全部测控数据的统计
分析，对焊接变形的测控展开阐述：
经实践分析，钢管混凝土柱的焊接残余变形主要是由对接焊缝冷却收缩引起的，在同等
的焊接环境和焊接工艺条件下，焊缝尺寸偏差的大小及钢管混凝土柱的壁厚是影响焊接变形
的主要因素。焊接变形发生在焊接过程中和焊缝冷却过程中，重点是要做好这两个阶段的测
控。
在焊接阶段采用两人分层分段对称焊接，能取得较好的控制效果。在两人对称焊接时，
当一方焊接的强度较大时，这一边的变形也会相应较大，故在每层焊接交圈后，需要将焊渣
打磨干净并检测一次垂直度，对变形较大的一侧在下一道焊接时相对减轻焊接的强度，尽量
控制钢管混凝土柱的垂直度在焊接阶段保持不变，在必要情况下可作小区段的返工焊接。
钢管混凝土柱因制做缺陷，会存在接口截面不垂直于柱子中心线的现象，又因为安装中
调整垂直度的倾斜，加大了焊缝尺寸的偏差（δ`－δ），如焊缝偏差示意图所示。在焊缝
冷却的阶段，若焊缝尺寸均匀则焊缝冷却收缩也相应均匀；当焊缝尺寸偏差较大时，焊缝冷
却收缩的偏差也会很大。在钢管混凝土柱垂直度调整完成后，若焊缝尺寸偏差较大，应再做
一次垂直度调整，根据反变形法预设反向倾斜来抵消将会产生的收缩偏差。
焊缝冷却到环境温度后焊接变形基本结束，此时钢管混凝土柱向焊缝较大的δ`一侧做
一定程度的倾斜，经对安装过程中测控数据统计分析后，推导出倾斜率η草算公式为:
η: 预测垂直度倾斜率，单位 ‰
δ`： 较大焊缝 15mm≤δˊ≤42mm
δ: 较小焊缝 8mm≤δ≤26mm
t : 钢管混凝土柱壁厚 12mm≤t≤24mm
ψ: 壁厚影响经验系数，t=24mm 时ψ取1.2，t=12mm 时ψ取1.0
注:公式中各项取值为施工中的实测数据。
根据η＊h 求出的焊接变形预测值即为反变形测控值，用反变形法进行钢管混凝土柱垂
直度的最终调整。至此完成垂直度的校正工作，进入对接焊接工序的施工。
五、卡盘锁具和定边定点吊线坠测控方法的推广优势
钢管混凝土柱吊装方案主要有两种：第一种方案是吊装与楼层施工同步，即按照钢管混
凝土柱长度一层一节或两层一节；第二种方案是一次性吊装多节。经比较不难发现，采用卡
盘锁具结合定边定点吊线坠方法来进行钢管混凝土柱的安装，第一种方案就具有以下明显优
势：
1. 安全便捷。以楼层做为钢管混凝土柱安装的操作面，无须另外搭设操作平台，避免
高空作业，便于浇筑钢管混凝土柱混凝土。
2. 安装质量高。以楼层为操作面便于质量控制，有利于安装成果的及时检验，下层垂
直度、轴线位置出现偏差在上一层安装中可及时校正。
3. 施工进度快。钢管混凝土柱吊装时间短、校正快、操作面小，并且与其它工序互不
影响，可与楼层脚手架、钢筋、模板工序同步进行，还可组织多个安装班组平行作业，大大
提高了工程的整体进度。
4. 经济效益高。无需专职测量人员及测量仪器，普通安装工人即可完成操作。卡盘锁
具自制，成本低廉，反复周转使用无损耗。
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