一种地铁车站y型铸钢结合钢管柱加施工方法
【专利摘要】本发明涉及异型钢管柱加工及其混凝土施工领域，具体为一种地铁车站Y型铸钢结合钢管柱施工方法，解决现有钢结构柱应用于地下工程中时加工工艺、焊接质量、吊运安装非常困难、管柱内混凝土不密实、容易变形等问题，包括Y型铸钢结合钢管柱的设计加工、施工现场上部分铸钢段和下部分钢管段拼装焊接施工、预埋件安装施工、整体吊运安装、空中对接、空中焊接以及采用混凝土顶升装置及泵送顶升法浇筑钢管柱内混凝土。采用在工厂分段加工铸造、现场拼装焊接，分两段整体吊运安装，空中一次焊接完成的工艺，保证施工安全及结构焊接质量，提高施工效率，加快施工进度，填补了地下工程大型钢结构设计、加工、安装的空白。
【专利说明】-种地铁车站Y型铸钢结合钢管柱加施工方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及异型钢管柱加工及其混凝土施工领域，具体为一种地铁车站Y型铸钢 结合钢管柱施工方法。
【背景技术】
[0002] 随着城市轨道交通的高速发展，地铁车站的建筑结构形式也在不断的发展、创新。 空间高、柱距大、厅台联通的优美"大空间"建筑形式开始从机场、酒店等地面建筑进入到地 下地铁车站中，而轻质、高强的钢支撑结构也随之在地铁车站中开始逐步应用。钢结构建筑 形式在地面建筑已广泛采用中，但在地铁车站目前在国内还没有成熟、可行的施工方法，只 是处在试验研究阶段，尤其是Y型钢结构柱应用在地下支撑结构中，在国内外还未见公开， 因为地铁车站支撑结构柱受力复杂，需考虑大柱距、厚顶板(钢筋混凝土）荷载、地面覆土 荷载、车行人行荷载等坚向力作用，地下土体的侧向压力，还需考虑地震对车站稳定性的影 响，而且环境恶劣，长期处于密闭空间，环境潮湿，在地下工程中此类型的大型钢无论是加 工工艺、焊接质量还是吊运安装在地下工程实施非常困难。
[0003] 此外，目前施工现场所用的Y型钢结构柱均应用在地上工程，而且全部采用钢管 焊接而成，内部采用混凝土填充。由于Y型柱上部为异型Y字，其内部结构复杂，采用常规 泵送高抛浇筑工艺，在施工过程中存在以下问题，1)浇筑平台需要搭设工具架，费时费力， 会延后整体工期；2)混凝土下落高度较大，混凝土容易产生离析，局部的下落孔洞较小，无 法用振动棒进行振捣，导致混凝土不密实，管柱内混凝土产生空洞，影响整个柱体的结构安 全；3)结构柱为异性，浇筑过程必须在两分叉同时进行，容易出现钢管柱两Y叉因受力不均 产生变形，以及铸钢内混凝土不密实、离析等质量缺陷。
[0004] 所以迫切需要一种加工质量好、安装精度高、施工安全快速、工艺比较成熟的地下 工程Y型钢结构柱加工及施工方法。
【发明内容】
[0005] 本发明为了解决现有Y型钢结构柱应用于地下工程中时加工工艺、焊接质量、吊 运安装非常困难，以及混凝土施工存在费时费力、管柱内混凝土不密实、产生空洞以及容易 变形等问题，提供一种地铁车站Y型铸钢结合钢管柱施工方法。
[0006] 本发明是采用如下技术方案实现的：一种地铁车站Y型铸钢结合钢管柱施工方 法，包括以下步骤： 步骤一、Y型铸钢结合钢管柱的设计加工 Y型铸钢结合钢管柱上部分铸钢段由两个分叉段和坚向节点段分别铸造、然后在施 工现场拼装焊接而成，材质为G20Mn5N，壁厚80mm，分叉节点位置壁厚130mm，两个分叉 段之间的夹角为70° ;Y型铸钢结合钢管柱下部分钢管段由若干节钢管焊接而成，材质为 Q345B，钢管直径1200mm，壁厚30mm; 步骤二、施工现场上部分铸钢段和下部分钢管段的第一节钢管拼装焊接施工 上部分铸钢段和下部分钢管段第一节钢管之间采用全透焊对接焊缝，焊缝质量等级为 一级，上部分铸钢段的分叉段与坚向节点段之间的焊接厚度为80mm，坚向节点段与下部分 钢管段的第一节钢管之间的焊接厚度为50mm; 步骤三、Y型铸钢结合钢管柱预埋件安装施工 (1)定位器的埋设 定位器由1个定位环板和8根定位锚栓组成，施工前，首先在钢管柱位置扩挖lm深施 做Y型铸钢结合钢管柱承台基础并埋设定位锚栓； (2 )Y型铸钢结合钢管柱下部分钢管段的吊装定位 1).预先在定位锚栓上安装调节螺母，并将调节螺母顶标高调至设计标高位置；2).吊 装前，在钢管柱上标注十字轴线位置；3). 250t汽车吊进行钢管柱吊装，钢管柱下地脚板上 预留螺栓孔穿过定位螺栓落于调节好标高的调节螺母上，上口采用双螺帽固定；4).采用 千斤顶配合调节螺母对钢管柱进行微调，包括标高、垂直度及平面位置的微调：标高采用水 准仪实测，垂直度采用吊铅垂线、平面位置采用钢管柱和承台基础上的十字轴线重合进行 确定；5).调节完成后，在钢管柱柱脚板和承台基础之间二次填充混凝土，将钢管柱固定牢 固； 步骤四、整体吊运安装 将焊接在一起的上部分铸钢段和下部分钢管段的第一节钢管整体吊运安装，吊装采用 一台450吨履带吊车，履带吊位于距离基坑边15m的安全区域支车、组车，然后进行吊装； 步骤五、空中对接 吊装过程中，上部分铸钢段和下部分钢管段的第一节钢管与下部分钢管段的其他钢管 进行空中对接，完成就位工作，空中对接时使用连接板进行固定； 步骤六、空中焊接 将下部分钢管段的第一节钢管与下部分钢管段的其他钢管进行空中对接焊接，焊缝处 内设钢衬管，采用双焊工对称分层连续焊接，完成Y型铸钢结合钢管柱在地铁车站基坑内 的安装就位； 步骤七、采用混凝土顶升装置及泵送顶升法浇筑钢管柱内混凝土 (1)Y型铸钢结合钢管柱下部分钢管段预留混凝土输送孔，并焊接带截止阀的混凝土输 送支管，上部分铸钢段顶部预留混凝土流出孔，同时在基坑边地面上布置混凝土搅拌运输 车和混凝土一次泵送汽车泵，在基坑内底板上布置混凝土二次泵送车载地泵；（2)浇筑前， 计算好单根Y型铸钢结合钢管柱自密实混凝土量，待所需自密实混凝土运送到施工现场后 采用混凝土顶升装置进行顶升；（3)在混凝土输送总管与截止阀连接前，泵送砂浆用以润 滑输送管道，并把该部分砂浆清除干净后再将混凝土输送总管与截止阀连接进行柱芯混凝 土的浇筑；（4)泵送混凝土因故暂停时，须每隔2?3min抽动一下汽车泵的活塞；（5)混 凝土顶升至柱顶后，及时关闭截止阀，若柱顶混凝土无明显回落，且截止阀部位没有漏浆现 象，方可停泵然后拆除混凝土输送管，进行下一根钢管柱的顶升；（6)浇筑完毕30min后，观 察柱顶混凝土有无回落下沉，若有下沉，则用人工补浇柱顶混凝土；（7)混凝土养护3天后， 将柱子上截止阀外露部分割去，并焊接使用事前原位割下的钢板补足孔口。
[0007] 所述的定位器埋设方法包括以下步骤： 1).承台基槽内SBS防水及防水保护层施工完成，承台基础钢筋绑扎；2).在定位环 板上标出钢结构柱十字轴线位置，使用全站仪在承台钢筋上实测钢结构柱十字轴线位置， 通过双十字轴线重合，精确固定定位环板；3).通过定位环板上预留的螺栓孔，埋设定位螺 栓，并焊接固定于承台钢筋上；4).复测定位环板标高，浇筑承台混凝土。
[0008] 所述的混凝土顶升装置包括位于钢管柱底部的混凝土输送孔以及位于钢管柱顶 部的混凝土流出孔，混凝土输送孔处焊接有带截止阀的混凝土输送支管，该顶升装置还包 含位于车站基坑边地面上的混凝土搅拌运输车和混凝土一次泵送汽车泵以及位于车站基 坑内底板上的混凝土二次泵送车载地泵，混凝土一次泵送汽车泵的输送管与混凝土二次泵 送车载地泵的料斗连接，混凝土二次泵送车载地泵的物料输出口通过混凝土输送总管与混 凝土输送支管连通。
[0009] 所述的混凝土输送总管与混凝土输送支管通过泵管套箍连接。
[0010] 所述的截止阀包含通过两侧的焊接板连接在一起的两块固定钢板、位于两块固定 钢板之间缝隙内的活动钢板，两块固定钢板上分别开设位置相互对应的两个长条形定位 槽，活动钢板上开设与长条形定位槽位置相对的四个螺栓孔，固定钢板和活动钢板通过贯 穿长条形定位槽和螺栓孔的拉结螺栓固定；两块固定钢板和活动钢板上均设有与混凝土输 送支管相互配合的泵送孔洞，两块固定钢板分别与混凝土输送支管焊接。
[0011] 采用本发明所述的混凝土顶升装置及泵送顶升法浇筑钢管柱内混凝土，将Y型铸 钢结合钢管柱按照施工图纸调运安装完成，铸钢结构柱靠下位置预留开孔作为混凝土输送 孔，并焊接带截止阀的混凝土输送支管，铸钢结构柱顶部预留混凝土流出孔。浇筑施工时， 基坑边地面上采用汽车泵泵送混凝土，在基坑内底板上采用车载地泵二次接力泵送混凝土 至输送总管。利用混凝土地泵的压力将自密实混凝土自下而上挤压顶升灌入铸钢结构柱 内，直至钢管柱柱顶开始溢出混凝土，停止泵送保证混凝土不回流，关闭截止阀后进行下一 根柱子的顶升施工。与现有技术相比，具有以下优点： 1、 异型钢结构内混凝土浇筑密实性好，施工质量有保证，施工方法简便快捷，缩短了施 工工期，并产生了明显的社会效益和经济效益； 2、 安全性好，可有效控制混凝土浇筑过程中钢结构均匀受力，减小偏移，有效控制铸钢 结构两Y型分叉的垂直度偏差，确保混凝土浇筑密实，符合设计及规范要求； 3、 减少了混凝土浇筑的施工工序，减少了铸钢结构内混凝土分段浇筑次数，有利于安 全管理工作，可组织流水施工，加快施工进度； 效益分析如下： 1)按总共28根钢管柱分6次浇筑完成计算，每根柱平均11. 5立方混凝土计；采用传 统高抛法逐段浇捣和采用顶升装置施工，费用分析如下： a.传统高抛法逐段浇捣费用： 混凝土振捣费用30元/m3,计：11. 5X28X30 = 9660元。
[0012] 每根钢管振捣平台高16. 3m，按10个架子工搭架子带拆架子7天完成，人工费用计 200 元 / 人：6X10X7X200 = 84000 元。
[0013] 支撑架租赁费用，每个平台使用3. 5mm厚，6m长的钢管432根，分6次浇筑，每次浇 筑使用钢管2592根。按现在的租赁费用一米一天2分钱算：2592X6X0. 02X7X6=13064 JLi〇
[0014] 后期因混凝土不密实额外增加费用，对钢管柱注浆产生的费用，130mm铸钢开孔补 焊及材料费用6700元/处，后期注浆产生的费用600元/处，按照平均每根3处不密实部 位估算：（6700 + 600)X3X28=613200 元 总计：9660+84000+13064+613200=719924 元。
[0015]b.顶升装置施工法费用： 顶升装置施工增加阀门的费用，截止阀每个80元，截止阀28个，阀门费用为：80X28 =2240 元。
[0016] 顶升装置施工采用自密实混凝土，其添加外加剂和矿渣粉每立方混凝土成本增加 15 元：28X11. 5X15 = 4830 元。
[0017] 开孔、焊接截止阀及焊接封口钢板等的费用计60元/个： 28X60 = 1680 元。
[0018] 每根钢管振捣平台高6m，按2个架子工搭架子带拆架子2天完成10个，人工费用 计 200 元 / 人：28 +10X2X2X200 = 2240 元。
[0019] 地泵的租赁费用为每台班3000元：3000X6=18000元 总计：2240+4830+1680+2240+18000=28990 元 c.总共节省费用为： 719924-28990 = 690934 元。
[0020] 2)工期上，如果采用传统的浇捣法施工工艺总工期：6X(7+1) =48天；如采用顶升 装置施工总工期：6X(2+1) =18天，相比浇捣法，工期缩短约48-18=30天。
[0021] 同时，本发明考虑到地铁车站支撑结构柱受力复杂，考虑到大柱距、厚顶板(钢筋 混凝土）荷载、地面覆土荷载、车行人行荷载等坚向力作用，以及地震对车站稳定性的影响， 经过受力分析及计算，采用上部分Y型铸钢段(材质G20Mn5N)和下部分钢管段(材质Q345B) 组合的钢结构支撑柱可以有效保证地铁车站的安全。Y型铸钢结合钢管柱采用在工厂分段 加工铸造、现场拼装焊接，分两段整体吊运安装，空中一次焊接完成的工艺，可以减少吊装 次数，保证施工安全；减少空中焊接接缝，保证结构焊接质量；整体安装还可以减少钢结构 施工和土建结构施工作业的交叉干扰，提高施工效率，加快施工进度。经试验检测和测量， 施工质量、安装精度全部满足设计规范要求，填补了我国地下工程大型钢结构设计、加工、 安装的空白，为今后相似结构形式的地铁车站或地下空间开发创造性的提供了技术依据， 取得了显著的经济效益和社会效益。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1为本发明所述Y型铸钢结合钢管柱的整体结构示意图； 图2为本发明所述Y型铸钢结合钢管柱上部分铸钢段的分节结构示意图； 图3为本发明所述Y型铸钢结合钢管柱下部分钢管段的吊装定位示意图； 图4为本发明所述顶升装置的结构示意图； 图5为混凝土输送支管与钢管柱的连接结构示意图； 图6为截止阀的结构示意图； 图7为图6中活动钢板的结构示意图； 图8为图6中固定钢板的结构示意图； 图中：1-钢管柱；2-混凝土输送孔；3-截止阀，3. 1-焊接板，3. 2-固定钢板，3. 3-活 动钢板，3. 4-长条形定位槽，3. 5-螺栓孔，3. 6-拉结螺栓，3. 7-泵送孔洞；4-混凝土输送支 管；5-车站基坑；6-混凝土搅拌运输车；7-混凝土一次泵送汽车泵；8-混凝土二次泵送车 载地泵；9-混凝土输送总管；10-泵管套箍；；11-上部分铸钢段；12-分叉段；13-坚向节 点段；14-下部分钢管段；15-定位锚栓；16-承台基础；17-调节螺母；18-双螺帽；19-二次 填充混凝土。
【具体实施方式】
[0023] 一种地铁车站Y型铸钢结合钢管柱施工方法，包括以下步骤： 步骤一、Y型铸钢结合钢管柱的设计加工 Y型铸钢结合钢管柱上部分铸钢段11由两个分叉段12和坚向节点段13分别铸造、然 后在施工现场拼装焊接而成，材质为G20Mn5N，壁厚80mm，分叉节点位置壁厚130mm，两个分 叉段之间的夹角为70° ;Y型铸钢结合钢管柱下部分钢管段14由若干节钢管焊接而成，材 质为Q345B，钢管直径1200mm，壁厚30mm;此结构可承载单轴2000吨坚向压力。
[0024] 上部分铸钢段可安装传统铸钢件的加工方法制作，主要包括制模、造型、冶炼与浇 铸、热处理、毛坯件的打磨、修补等工序制成，其力学性能指标如下：
【权利要求】
1. 一种地铁车站Y型铸钢结合钢管柱施工方法，其特征是包括以下步骤： 步骤一、Υ型铸钢结合钢管柱的设计加工 Υ型铸钢结合钢管柱上部分铸钢段（11)由两个分叉段（12)和坚向节点段（13)分别铸 造、然后在施工现场拼装焊接而成，材质为G20Mn5N，壁厚80mm，分叉节点位置壁厚130mm， 两个分叉段之间的夹角为70° ;Y型铸钢结合钢管柱下部分钢管段（14)由若干节钢管焊接 而成，材质为Q345B，钢管直径1200mm，壁厚30mm ; 步骤二、施工现场上部分铸钢段和下部分钢管段的第一节钢管拼装焊接施工 上部分铸钢段和下部分钢管段第一节钢管之间采用全透焊对接焊缝，焊缝质量等级为 一级，上部分铸钢段的分叉段与坚向节点段之间的焊接厚度为80mm，坚向节点段与下部分 钢管段的第一节钢管之间的焊接厚度为50mm ; 步骤三、Y型铸钢结合钢管柱预埋件安装施工 (1)定位器的埋设 定位器由1个定位环板和8根定位锚栓组成，施工前，首先在钢管柱位置扩挖lm深施 做Y型铸钢结合钢管柱承台基础（16)并埋设定位锚栓（15); (2 ) Y型铸钢结合钢管柱下部分钢管段的吊装定位 1) .预先在定位锚栓上安装调节螺母（17)，并将调节螺母顶标高调至设计标高位置； 2) .吊装前，在钢管柱上标注十字轴线位置； 3) . 250t汽车吊进行钢管柱吊装，钢管柱下地脚板上预留螺栓孔穿过定位螺栓落于调 节好标高的调节螺母上，上口采用双螺帽（18)固定； 4) .采用千斤顶配合调节螺母对钢管柱进行微调，包括标高、垂直度及平面位置的微 调：标高采用水准仪实测，垂直度采用吊铅垂线、平面位置采用钢管柱和承台基础上的十字 轴线重合进行确定； 5) .调节完成后，在钢管柱柱脚板和承台基础之间二次填充混凝土（19)，将钢管柱固 定牢固； 步骤四、整体吊运安装 将焊接在一起的上部分铸钢段和下部分钢管段的第一节钢管整体吊运安装，吊装采用 一台450吨履带吊车，履带吊位于距离基坑边15m的安全区域支车、组车，然后进行吊装； 步骤五、空中对接 吊装过程中，上部分铸钢段和下部分钢管段的第一节钢管与下部分钢管段的其他钢管 进行空中对接，完成就位工作，空中对接时使用连接板进行固定； 步骤六、空中焊接 将下部分钢管段的第一节钢管与下部分钢管段的其他钢管进行空中对接焊接，焊缝处 内设钢衬管，采用双焊工对称分层连续焊接，完成Y型铸钢结合钢管柱在地铁车站基坑内 的安装就位； 步骤七、采用混凝土顶升装置及泵送顶升法浇筑钢管柱内混凝土 (1) Y型铸钢结合钢管柱下部分钢管段预留混凝土输送孔，并焊接带截止阀的混凝土输 送支管，上部分铸钢段顶部预留混凝土流出孔，同时在基坑边地面上布置混凝土搅拌运输 车和混凝土一次泵送汽车泵，在基坑内底板上布置混凝土二次泵送车载地泵； (2) 浇筑前，计算好单根Υ型铸钢结合钢管柱的自密实混凝土量，待所需自密实混凝土 运送到施工现场后采用混凝土顶升装置进行顶升； (3)在混凝土输送总管与截止阀连接前，泵送砂浆用以润滑输送管道，并把该部分砂 浆清除干净后再将混凝土输送总管与截止阀连接进行柱芯混凝土的浇筑； (4) 泵送混凝土因故暂停时，须每隔2?3min抽动一下汽车泵的活塞； (5) 混凝土顶升至柱顶后，及时关闭截止阀，若柱顶混凝土无明显回落，且截止阀部位 没有漏浆现象，方可停泵然后拆除混凝土输送管，进行下一根钢管柱的顶升； (6) 浇筑完毕30min后，观察柱顶混凝土有无回落下沉，若有下沉，则用人工补浇柱顶 混凝土； (7) 混凝土养护3天后，将柱子上截止阀外露部分割去，并焊接使用事前原位割下的钢 板补足孔口。
2. 根据权利要求1所述的一种地铁车站Y型铸钢结合钢管柱施工方法，其特征是定位 器埋设方法包括以下步骤： 1) .承台基槽内SBS防水及防水保护层施工完成，承台基础钢筋绑扎； 2) .在定位环板上标出钢结构柱十字轴线位置，使用全站仪在承台钢筋上实测钢结构 柱十字轴线位置，通过双十字轴线重合，精确固定定位环板； 3) .通过定位环板上预留的螺栓孔，埋设定位螺栓，并焊接固定于承台钢筋上； 4) .复测定位环板标高，浇筑承台混凝土。
3. 根据权利要求1所述的一种地铁车站Y型铸钢结合钢管柱施工方法，其特征是所述 的混凝土顶升装置，包括位于钢管柱（1)底部的混凝土输送孔（2)以及位于钢管柱顶部的 混凝土流出孔，混凝土输送孔处焊接有带截止阀（3)的混凝土输送支管（4)，该顶升装置还 包含位于车站基坑（5 )边地面上的混凝土搅拌运输车（6 )和混凝土一次泵送汽车泵（7 )以 及位于车站基坑内底板上的混凝土二次泵送车载地泵（8)，混凝土一次泵送汽车泵的输送 管与混凝土二次泵送车载地泵的料斗连接，混凝土二次泵送车载地泵的物料输出口通过混 凝土输送总管（9)与混凝土输送支管连通。
4. 根据权利要求3所述的一种地铁车站Y型铸钢结合钢管柱施工方法，其特征是混凝 土输送总管（9)与混凝土输送支管（4)通过泵管套箍（10)连接。
5. 根据权利要求3所述的一种地铁车站Y型铸钢结合钢管柱施工方法，其特征是截止 阀（3)包含通过两侧的焊接板（3. 1)连接在一起的两块固定钢板（3. 2)、位于两块固定钢板 之间缝隙内的活动钢板（3. 3)，两块固定钢板上分别开设位置相互对应的两个长条形定位 槽（3. 4)，活动钢板上开设与长条形定位槽位置相对的四个螺栓孔（3. 5)，固定钢板和活动 钢板通过贯穿长条形定位槽和螺栓孔的拉结螺栓（3. 6)固定；两块固定钢板和活动钢板上 均设有与混凝土输送支管相互配合的泵送孔洞（3. 7)，两块固定钢板分别与混凝土输送支 管焊接。
【文档编号】E02D29/045GK104234079SQ201410355041
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年7月24日 优先权日:2014年7月24日
【发明者】李光耀, 王冬胜, 武明静, 刘广钧, 郭强, 赵香萍, 支卫东, 樊培月, 李晓 申请人:中铁十二局集团第二工程有限公司