攀钢某工程1, 2号高炉的框架柱分上柱和下柱两部分, 下部框架柱规格为ϕ1 200×25, 材质Q345B, 安装标高为4.000～24.750m, 上部框架柱规格为ϕ1 000×25, 材质Q345B, 安装标高为24.750～41.150m, 炉体上、下部框架梁采用H型截面, 框架柱与框架梁采用刚性连接。本工程施工采用顶升法浇筑钢管混凝土柱, 钢管内普通混凝土强度等级为C50, 且要求连续浇筑。需顶升的1, 2号高炉8根框架柱如图1所示。

根据施工图数据分析, 参照国内钢管混凝土顶升施工的计算依据^[1], 本次钢管混凝土的泵送阻力为13.007MPa, 而本地区能选用的泵送设备最高泵送压力为13.00MPa, 按照传统计算方法本次钢管混凝土将无法浇筑到顶^[2]。因此如何降低混凝土在泵送过程中的压力损失是需解决的重点和难点。

目前国内钢管混凝土泵送过程中泵送压力损失因素如下^[3]:①水平管道的压力损失;②垂直管道、斜段管道的压力损失;③“泉涌状”混凝土柱产生的静压力;④附属设备产生的压力损失。

本工程采用大直径钢管混凝土柱, 钢管直径达1 000～1 200mm, 因此在泵送过程中混凝土的泵送压力损失计算需改变常规的分析方法。钢管 (ϕ1 200) 和混凝土连通输送管 (ϕ125) 直径比例较大, 混凝土在钢管内部以缓慢的流速流动, 没有形成泉涌柱, 不考虑其产生的静压力, 且混凝土在初凝之前是属于“宾汉型流体”, 只要泵送压力大于沿程阻力与侧压力之和, 那么混凝土就能够输送到钢管内。

根据以上分析, 确定该大直径钢管混凝土泵送压力损失因素应去除目前国内顶升计算提及的泉涌状混凝土柱产生的静压力, 新提出了进料口处由压强产生的侧压力这一压力损失因素。

传统顶升法的泵送压力损失计算方法如下:①根据JGJ/T10—2011《混凝土泵送施工技术规程》^[4]附录B里的垂直部分以及弯管部分换算成水平管道的长度;②计算出水平管道每米输送管道产生的压力损失, 乘以总的管道长度;③ 泉涌状混凝土柱产生的静压力。

《混凝土泵送施工技术规程》中混凝土在水平管内流动产生的压力损失计算公式如下:

$\xi =\frac{2}{r{}_0}\left[{\rm K}{}_1+{\rm K}{}_2\left(1+\frac{t{}_2}{t{}_1}\right)V{}_2\right]\alpha {}_2(1)$

式中:ξ为混凝土在水平输送管内流动产生的压力损失 (Pa/m) ;r₀为混凝土输送管半径, 取0.062 5m;K₁为黏着系数, K₁= (3.00-0.1S) ×10²Pa;K₂为速度系数, K₂= (4.00-0.1S) ×10² (Pa·s/m) ;$\frac{t{}_2}{t{}_1}$为混凝土泵分配阀切换时间与活塞推压混凝土时间之比, 一般取0.3;V₂为混凝土拌合物在输送管内的平均流速 (m/s) ;α₂为径向压力与轴向压力之比, 对普通混凝土取0.90。

项目研究采用的泵送压力损失计算方法是根据《混凝土泵送阻力修正算法》^[5]。其主要内容是用流体力学的理论, 针对垂直管道、倾斜管道换算成水平管道进行进一步的精确化, 使之与实际阻力更为吻合, 并且使计算过程更为简化, 计算公式如下:

${\rm P}{}_{{\displaystyle \sum =}}\xi (L{}_{{\displaystyle \sum +}}L{}_{\text{E}})+\rho g{\rm H}/1000+{\rm P}{}_{\text{F}}(2)$

式中: L_∑为从混凝土泵锥管出口计起的管道沿程总长度 (不包括出口胶管长度) (m) ;L_E为弯头、锥形管、末端软管等结构按照阻力等效原则折算的水平管长度 (m) ;H为混凝土泵送总高度 (m) ;ξ为混凝土在水平输送管内流动产生的压力损失 (MPa/m) ;P_F为截止阀、分配阀及泵体启动内耗产生的压力损失之和 (MPa) 。

该公式简单, 具有较高的应用价值, 免去了管道布置状态的计算, 并且H在实际工程中容易测定, 大大减少了计算和测量工作量。

1) 混凝土在泵输送管 (泵出口至进料口之间) 遇到的阻力:直径1 000mm的90°弯头考虑4个, 直径500mm的90°弯头考虑1个, 锥形管内径为150～125mm, 考虑1根, 管道接环、关卡考虑30个。泵车与进料口之间的高度为8m, 泵出口到框架柱入口之间的距离为60m。

2) 混凝土在进入钢管内遇到的阻力损失 (进料口与混凝土顶部高度为33.15m) 。

3) 附属设备产生的压力损失。

混凝土在泵输送管内的流速 (高压) :

$V=\frac{Q}{A}=0.815\text{m}/\text{s}(3)$

水平管内产生的阻力由式 (1) 可得:ξ=0.008 98MPa/m;混凝土压力损失由式 (2) 可得:P_∑=6.525MPa。

钢管内混凝土从进料口流入钢管内, 根据流体力学公式:

$A{}_{1}V{}_1=A{}_{2}V{}_2(4)$

式中:A为钢管横截面积 (m²) ;V为流速 (m/s) 。

钢管内混凝土流速:V₂=0.014m/s, 代入式 (1) 得出水平管内产生的阻力:ξ=0.393×10^-3MPa/m。垂直方向管换算成水平方向的管长为:33.15m×4=132.6m, 钢管内混凝土的阻力损失为:0.393 ×10^-3×132.6=0.052 1MPa。

两种阻力之和为6.577 1MPa。为了防止在浇灌过程中出现尚未考虑到的阻力损失因数, 另考虑20%的阻力损失储备, 即6.5771×1.2=7.892 5MPa。

当浇筑完毕之后, 进料口处单位面积受到的侧压力为:P=ρgh=2 500×9.8×33.15=0.81MPa, 此部分损失随着浇筑高度增加而增大。

所以, 混凝土顶升达到最高点的时候, 需要克服的压力损失为:7.892 5+0.81=8.702 5MPa。

根据泵车的调压, 系统初始油压为24MPa, 满负荷为32MPa, 如果顶升压力不够、泵车自动加压, 所以初始出口压力为:$\frac{13}{32}\times 24=9.75$MPa, 泵车出口压力减去阻力损失:9.75-7.8925=1.857 5MPa。混凝土顶升高度为:$h=\frac{{\rm P}}{\rho g}=75.81\text{m}$。

当浇筑高度到75.81m, 进口处侧压力等于顶升压力。本工程钢管混凝土浇筑高度为41.15m, 可知所选的泵车型号、阻力分析符合要求。

钢管直径较大, 不能进行外部振捣。人工进入钢管内部振捣, 内部空间较小, 空气不流通, 安全不能得到保证, 且人工费用较大。一次浇筑高度不能超过2m, 施工速度较慢。

框架柱顶部加套管, 避免混凝土从顶部直接下落至底部, 用混凝土下落的动能使混凝土密实, 但是无法避免混凝土在下落过程中产生离析, 如一旦产生离析, 没有补救措施。

在钢管接近地面或者平台位置安装一个带闸板的进料支管, 直接与泵车的输送管相连, 由泵车将混凝土连续不断地自下而上灌入钢管, 无需振捣。

综合以上分析, 钢管混凝土柱内混凝土顶升法浇筑工艺较为简便, 耗费的人力、财力相对其他两种方法较少, 且混凝土密实度得到有效保证, 故本工程采用泵送混凝土浇筑工艺^[6]。

传统钢管混凝土柱内混凝土顶升法浇筑工艺的闸板是在所顶升浇筑的钢管上打一个抱箍, 抱箍连接弧形闸板, 待泵送完毕后松开螺栓, 闭合闸板。本工程对传统闸板稍作改进, 在离框架柱500mm位置焊接一个DN125mm的法兰 (输送管直径为DN125mm) , 然后在另一端的输送管焊接一个法兰, 两片法兰中间夹上没有弧形的闸板, 在框架柱的输送管处加以固定, 确保混凝土浇筑完毕后, 闭合闸板时不会发生意外, 如图2所示。

因1, 2号高炉间距为80m, 每座高炉有4根框架柱, 所以要考虑用最少的费用浇灌框架柱, 目前市场上泵车有汽车泵和拖式泵两种类型:①拖式泵 泵送压力高, 泵送高程可以达到180m (与输送管管径有关) , 但是拖式泵安装拆卸输送管道比较麻烦, 灵活性不够强, 施工比较缓慢;占地面积较小, 对现场交叉作业留有一定空间, 台班费用较小;混凝土泵送排量小, 流速较小, 对阻力损失较小, 对一次浇灌成功有较大把握。②汽车泵 泵送压力低于拖式泵, 但是灵活性较强, 不用安装和拆除输送管, 只需安装进料管, 但是台班费用较高, 占地面积较大, 8根柱子可以连续施工, 但对输送管的密封性能要求严格, 不能漏浆, 否则会出现因漏浆而产生离析;混凝土泵送排量大, 流速较快, 对阻力损失较大, 一次性浇灌成功需实际验证。经综合考虑, 最终确定拖式泵为本次顶升法的顶升设备 (选择高压) , 其理论输送压力为13.00MPa (高压) , 理论输送排量为36m³/h。

传统顶升法钢管混凝土柱浇筑时, 在钢管顶部设置排气孔, 主要作用是在混凝土浇筑过程中排除钢管内的气体。如果混凝土液面上升速度过快, 排气孔不能及时排除钢管内部的气体, 就会增加混凝土在泵送过程中的阻力。

本工程钢管混凝土柱直径较大, 混凝土液面上升速度较为缓慢, 所以排气比较通畅。考虑到仍需排气的因素, 钢管顶部的封板在混凝土液面升顶前不进行安装, 待升顶完毕之后再安装, 避免排气孔不能及时排除钢管内空气, 使钢管内部空气压强过大, 形成阻力。

根据CECS28:2012《钢管混凝土结构设计与施工规程》, C50混凝土配合比除满足强度指标外, 还应考虑混凝土坍落度的选择。对于泵送浇筑法, 粗骨料粒径可采用0.5～2cm, 水灰比≤0.45, 坍落度20cm。

对于本次钢管混凝土的配合比做了以下要求:①较好的和易性;②初凝时间适当延长, 满足泵送过程所需时间 (根据测算, 从混凝土搅拌至泵送完毕需要2h, 而添加了缓凝剂之后, 初凝时间延长到8h, 完全满足实际要求) ;③商品混凝土搅拌站配料必须满足配合比的设计要求;④加入适量膨胀剂^[7], 防止混凝土凝固收缩而产生混凝土与钢管壁之间的间隙。

当混凝土顶升至顶部时, 可能溢出钢管, 导致钢管外壁、平台被混凝土污浊、凝固。针对此现象, 在钢管顶部做一套筒, 在套筒上开一个导出孔, 溢出钢管部分的混凝土流入套筒, 套筒内部的混凝土通过导出孔流出 (见图3) , 这样既可防止混凝土溢出污浊钢管外壁、钢平台, 又可以观察浮浆是否完全流出钢管内部。当观察到有骨料流出时, 说明浮浆完全流出钢管内部。

待封板安装完毕之后, 进行炉顶框架安装前, 需进行压浆工作, 其主要目的是保证封板与混凝土之间完全接触, 避免因接触不良而出现的封板变形。

管内混凝土完毕, 应同时制作混凝土试块, 待混凝土试块达到规定的标准养护时间后, 进行强度试验, 混凝土试块符合要求。钢管内部的混凝土密实度通过敲击钢管壁的方法检测, 声音没有异常^[8]。

该技术工艺实施效果:①浇灌时间符合要求 据现场测试, 每根框架柱浇灌时间为52～55min, 与理论上浇筑1根框架柱为56min, 相差不大。②泵送压力符合计算分析结果 泵车上显示的系统油压22～24MPa, 换算成出口压力为8.9～9.75MPa。泵车上不能直接读出泵送41.15m所需要的压力 值, 而是一个泵车出口压力区间值8.9～9.75MPa, 由此可知, 泵送41.15m高是在泵车的额定范围内, 符合前面的阻力分析。③采用泵车直接一次顶升到位的方法可行, 没有出现爆管或泵送不到位的情况。

研究形成的钢管混凝土柱顶升法浇筑工艺, 摆脱了以往顶升技术一概套用公式的做法, 经实际工程应用, 达到了一泵到顶的效果, 避免了混凝土的分层浇筑、缩短了工期、降低了成本, 积累了宝贵的施工经验, 带来了较好的经济、社会效益, 具有较好的工程应用前景。