鋼筋混凝土管的應(yīng)用

徐財國

甘肅山丹水利水電工程局有限責任公司，甘肅張掖，734100

0 引言

近年來，由于基礎(chǔ)理論研究的開展以及新型施工工藝的出現(xiàn)，鋼筋砼管體系逐步被廣泛應(yīng)用于各類建筑工程構(gòu)件[1]。特別是在高層建筑構(gòu)件中，由于建筑物層高的增大，鋼筋高強度砼以及鋼筋超高強度砼構(gòu)件的使用也在獲得迅速的進展。

1 鋼筋混凝土管結(jié)構(gòu)的特點

鋼筋混凝土管結(jié)構(gòu)良好的受力特性與施工性能主要體現(xiàn)為如下幾個方面。

1.1 強度大、熱延性強，抗震性能優(yōu)越

鋼筋混凝土管柱中，外鋼筋對其內(nèi)砼產(chǎn)生的約束效應(yīng)使砼保持三向受力狀態(tài)，從而增加了砼的抗壓強度；外鋼筋內(nèi)的砼也能夠更有效地避免內(nèi)部鋼材產(chǎn)生局部挫曲。研究結(jié)果表明，鋼筋砼管梁的強度大于相應(yīng)的鋼梁強度與砼墻強度之和。鋼筋與砼間的作用使鋼筋內(nèi)部混凝土的損傷從脆性破壞轉(zhuǎn)化為塑性損傷，結(jié)構(gòu)的伸延性能明顯提高，消耗力量明顯提高，獲得較好的抗震特性。

1.2 施工方便，工期縮短，節(jié)能減排

鋼筋混凝土井內(nèi)的主要零部件較小，工廠焊接數(shù)量少，結(jié)構(gòu)簡便，且柱腳常采取在混凝土基上預留杯口的插入式柱足，因此工廠制造結(jié)構(gòu)簡單易行，而且主要構(gòu)件墻體的自重較小，搬運和吊裝施工也容易，施工過程容易，且由于鋼筋混凝土井內(nèi)一般使用板材卷制，因此板材安裝厚度都不大，通常在四十米之內(nèi)，因此無論工廠焊接和現(xiàn)場進行機械連接，都不是問題。同樣，和鋼筋混凝土井內(nèi)一樣，由于鋼筋混凝土井內(nèi)的管外表面鋼筋綁扎既有鋼筋的功能，又兼具了縱向鋼筋綁扎和橫向箍筋的功能，所以由于管中表面沒有鋼筋綁扎，又省去了鋼筋綁扎的下材和綁扎鋼筋材料等一些作業(yè)工序，也因為管柱外表面鋼筋綁扎本身就是耐擋土墻的強模板，同樣又省去了支模和拆模等作業(yè)工序、支模、拆模的物料和人工費用。當鋼筋砼管構(gòu)件澆筑時，內(nèi)部鋼筋綁扎也可作為強勁性骨架承受澆筑階段的澆筑負荷和構(gòu)件重量，澆筑過程不受砼養(yǎng)護時間的影響，從而大大節(jié)約了時間。

1.3 有利于鋼筋的抗火和防火

因為在鋼筋混凝土管徑內(nèi)填有大量鋼筋混凝土，可以吸收大部分的熱能，所以在發(fā)生火災(zāi)時管柱截面高溫場的熱分配并不均勻，增加了立柱的抗火工作時限，從而大幅減小了鋼柱的向上流速，而且如果鋼柱屈服，則鋼筋混凝土就能夠承擔大部分的軸向荷載，從而避免了結(jié)構(gòu)倒塌。經(jīng)實驗數(shù)據(jù)證實：按照等級消防三小時要求與鋼筋混凝土柱比可節(jié)約耐火涂料1/3～2/3或者更多，由于鋼筋混凝土材料孔徑增大，節(jié)約涂料就更大。

2 鋼筋混凝土管的工程應(yīng)用

2.1 工程概況

甘肅省山丹縣白石崖渠道改建工程位于甘肅省張掖市山丹縣境內(nèi)，距山丹縣城約90km。工程主要任務(wù)是三條引水管線和白石崖總干渠套襯：東岔輸水管線長約1.47km，設(shè)計流量0.5m3/s；舊渠改建輸水管線長約8.4km，設(shè)計流量3.0m3/s，加大流量3.75m3/s；水庫輸水管線長約835m，設(shè)計流量0.5m3/s。白石崖總干渠套襯1.3km，拆除重建總分水閘一座，新建節(jié)制分水閘一座以及管道附屬建筑物。

2.2 鋼筋混凝土管的選用

2.2.1 選擇原則

輸水管道為本工程項目的最主要部分，在資金投入比例上占比重較大，因而管材選擇十分重要。本次確定選用管道的基本原則為：能滿足設(shè)計要求的最大內(nèi)壓和對外負荷；使用性能安全可靠，維護工程量較小，設(shè)計接管簡單、施工簡便；應(yīng)用期限長，內(nèi)壁較平滑，輸水能力基本維持恒定，而在應(yīng)用中的摩阻系數(shù)也沒有出現(xiàn)很大改變；工程費用相對低廉；水質(zhì)在管道中不會產(chǎn)生二次污染等[2]。

針對本工程建設(shè)的特殊性，本階段采用了供水施工中常用的各類管線，并按照其設(shè)計內(nèi)徑、工程內(nèi)水壓、鋪設(shè)方法、外部負荷、地形、地質(zhì)、施工條件與原物料供給情況等要求，在技術(shù)、經(jīng)濟、安全等方面綜合比較判斷。管路中通?？晒┦褂玫墓懿念愋陀校汗懿?、球墨鑄鐵管、預制砼管、預應(yīng)力混凝土管、玻璃鋼夾沙管、聚乙烯管（PE）等。

2.2.2 性能優(yōu)勢

鋼筒混凝土管是一款結(jié)構(gòu)新穎的剛性管道。其是由帶鋼筒的高強度鋼筋混凝土管芯環(huán)繞在外部的預應(yīng)力鋼筋上，噴以鋼筋混凝土或砂漿保護層材料，內(nèi)部采取了鋼質(zhì)的承插口，和鋼筒連接在一塊，承插口的溝槽與膠圈之間構(gòu)成了滑移式膠圈的柔性連接，是由鋼材、混凝土結(jié)構(gòu)、高強鋼筋和混凝土砂漿等多種材質(zhì)構(gòu)成的復合型結(jié)構(gòu)，同時具備了鋼材與混凝土結(jié)構(gòu)各自的特點。由上述特點分析可以得知，鋼筒混凝土管有著理想的復合構(gòu)造、承載內(nèi)外壓較高、耐裂性和防水滲能力較好、爆管率低、接口密封性好、防震力強、施工方便、防腐蝕性能好、維修簡單、運營費用低廉、適用性較廣等特點，被建筑工程界所重視，應(yīng)用于各種工程中。鋼筒混凝土管道的直徑通常為DN600～4000mm，最大工作水壓約為≤3.0MPa。

鋼筒混凝土管匯集了一般預應(yīng)力砼管與鋼管的雙重優(yōu)勢，并克服了它們的缺點，是一個優(yōu)良的復合型管道。鋼筒混凝土管的主要特點為：高強抗?jié)B能力，除依靠混凝土的防水滲漏能力以外主要靠鋼筒管壁的防水滲漏能力，可保證在高壓下不泄漏；管接頭具高度密封性，承插口鋼度大連接環(huán)硬度高不易破裂，管接頭配合公差僅為0.4～2mm，并利用圓形的滑動膠圈封口；具有較大的強度和較大的抗彎力，可抗高外壓，當管道出現(xiàn)與重量標準的偏差時也不會損壞；管壁糙率比一般的預應(yīng)力砼管徑??；管道為柔性接頭，防震特性較強，應(yīng)用于地震帶管道的效果良好。

鋼筒混凝土管道有應(yīng)用時期長、抗壓性能強大、制造工藝簡便等的優(yōu)點，且工程造價也相對于其他管材低，所以在管線施工中的使用也十分普遍。其好處是節(jié)約鋼材、安裝施工簡單、輸水性能穩(wěn)定、接頭安全性高及使用安全等。而從成本投入上講，砼管道的工程費用也較為低廉。砼管材也可按照設(shè)計壓力的差異，來設(shè)計形成承載各種水壓的管材，如無壓力非滿流管子、低壓水管、預應(yīng)力管子等[3]。

鋼筒混凝土管目前應(yīng)用廣泛，能夠節(jié)省鋼材和能源?；炷凉馨垂に噭澐侄?，一類因按工藝劃分三步，故一般稱作三階段預應(yīng)力鋼筋砼管（SYG），另一分類方式則為一次成形，通常稱作第一階段管（YYG）。鋼筒混凝土管通過滾動膠圈密實，止水性能很好。而預應(yīng)力鋼筋砼管則利用對鋼筋的擠壓密實，大大增加了鋼筋的防水滲漏能力，不降低管道的輸水功能，同時不易結(jié)垢，防腐蝕特性能較好，由于產(chǎn)品價格相對低廉，施工技術(shù)簡便，且生產(chǎn)過程簡便、費用少，比較適應(yīng)當前的經(jīng)濟發(fā)展條件，而適用范圍相當廣泛。在鋼筋管道生產(chǎn)過程中常出現(xiàn)問題，如三階段管噴漿質(zhì)量不穩(wěn)，容易剝落和起鼓；第一階段管在使用的外部預應(yīng)力中質(zhì)量不易控制（尤其在插口端部），而且由于體積比重較大導致的運輸使用上都不便利，使其在實際應(yīng)用中受到了相當影響。一階段的預應(yīng)力鋼筋砼管孔徑通常在DN2000以內(nèi)，第三階段的預應(yīng)力鋼筋砼管可達DN3000。鋼筒混凝土管的最大水壓一般為0.4～1.2MPa。缺點是載荷較大，安裝與移動比較麻煩，且沒有按照標準配套使用，因此日后的維護困難度較大，使用壽命也較短。

3 鋼筋混凝土管結(jié)構(gòu)使用中需要注意的問題

3.1 材料的應(yīng)用

鋼筋混凝土管結(jié)構(gòu)主要用于各種柱子，但根據(jù)柱子特點和目前的國標標準《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中GB55017的相關(guān)條款，明確了對鋼筋的要求。因鋼筋主要是由鋼板冷彎卷制而成，故需要冷彎180°以上的強度。而圓鋼混凝土管結(jié)構(gòu)主要使用螺旋焊管與直縫焊管，但前者質(zhì)量較好，可滿足焊縫和母材等對質(zhì)量的需要。在有了可靠依據(jù)之后，還應(yīng)按照實際要求選擇無縫鋼材直徑。當螺紋焊接管的使用尺寸無法滿足要求時，可以選用型鋼卷條制成的直縫焊接鋼筋，應(yīng)選擇在對接斜坡處焊接，但不可以選擇用鋼板搭接長度的直角焊接。并且焊縫應(yīng)滿足二級質(zhì)量檢驗規(guī)范。

因為鋼筋直徑本身就是密閉的，多余水分也無法排除，所以水灰比不能過大。選擇流動性水泥或塑性混凝土，主要決定于其所用的澆注工藝。好的水泥密實率，是確保鋼筋與核心水泥之間一起工作的最主要前提條件[4]。高強度水泥、自密實高性能水泥使用已較為成。調(diào)查顯示，在標準鋼筋混凝土管內(nèi)使用自密實高性能鋼筋時，只要按照國家相關(guān)要求嚴格控制其質(zhì)量，鋼筋自密實混凝土就可以達到標準鋼筋混凝土管的設(shè)計要求。使用高強度水泥有助于降低構(gòu)件墻體自重、降低工程造價。由于水泥硬度的增加，其延性降低，也限制了其在實際施工中的使用。將高強度砼在灌注鋼筋中產(chǎn)生高強鋼筋混凝土管，因為受鋼筋的約束作用，砼處在三向受力狀態(tài)，因此其延性將大大增強，而其結(jié)構(gòu)的強度也獲得了一定的增強。所以，生產(chǎn)高強鋼筋砼管有著巨大的經(jīng)濟潛力。

3.2 鋼筋混凝土管結(jié)構(gòu)體系抗震性能

在對使用于鋼筋混凝土井內(nèi)和鋼筋混凝土井內(nèi)的框架結(jié)構(gòu)，開展了抗震性能的比較實驗研究；并在理論上分析對比了兩個構(gòu)件的空氣動力特性，得到了鋼筋砼管中鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的整體抗震性能顯著高于鋼筋砼管框架架構(gòu)的實驗結(jié)果。但目前對于鋼筋砼管結(jié)構(gòu)抗震特性的研究，大多仍然集中在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方面，而對鋼筋砼管結(jié)構(gòu)整體構(gòu)件的抗震特性的研究，還不夠多。在鋼筋砼管結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時，對使用于鋼筋砼管梁以及鋼筋混凝土井內(nèi)的結(jié)構(gòu)構(gòu)架，其整體構(gòu)件抗震等級也可根據(jù)鋼筋砼管構(gòu)件的等級分類；對采用鋼柱或鋼筋－砼復合柱，在鋼筋混凝土井道內(nèi)的結(jié)構(gòu)框架，可按現(xiàn)有國標標準《建筑抗震設(shè)計標準》GB50011和現(xiàn)有技術(shù)標準《高級住宅砌體施工技術(shù)管理規(guī)程》JGJ99的規(guī)定使用。

3.3 鋼筋混凝土管施工

鋼筋混凝土管結(jié)構(gòu)適用作各種柱子，結(jié)構(gòu)相當復雜，因此應(yīng)該針對工程特性，根據(jù)制作廠的設(shè)計要求編寫并制作工藝流程。制造工序中應(yīng)該包含：制造過程所依據(jù)的規(guī)范、制作廠的質(zhì)量保證規(guī)定、對成品的質(zhì)量保證規(guī)定以及工廠為確保成品滿足規(guī)定的生產(chǎn)條件及所制定的安全措施。加工工序中還應(yīng)該包含：制造場所的空間布局，生產(chǎn)所用的機械加工、焊接裝置和加工裝備以及檢驗裝置，焊接件設(shè)計和檢測的人員資格證明文件，以及各種檢驗項目表，制造時間預算表和運輸方案表等。而鋼筋構(gòu)件和制造單元也應(yīng)該在必要時，對結(jié)構(gòu)較復雜的構(gòu)件開展工藝測試。主要考慮到復雜結(jié)構(gòu)的加工工藝參數(shù)需要先在工藝測試中獲得，如對加工、安裝、連接的變形限制，尺寸精度的限制，必須經(jīng)過測試，才能得出合適的加工工藝參數(shù)，并用于指導復雜結(jié)構(gòu)的大批量生產(chǎn)，以提高復雜結(jié)構(gòu)制造品質(zhì)。這么做有助于避免材料浪費，避免不安全隱患。為確保結(jié)構(gòu)正常澆筑和構(gòu)件安全，先澆注鋼筋直徑內(nèi)的砼宜在鋼結(jié)構(gòu)安裝和檢驗合格后實施，是考慮到先行澆注砼會使結(jié)構(gòu)的調(diào)整工作進行困難，以致無法調(diào)整[5]。

鋼筋混凝土管構(gòu)件的建筑施工中也有幾個問題不容忽視。在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接結(jié)構(gòu)方面，為可以發(fā)揮鋼筋混凝土管的強度，鋼筋混凝土管的接頭結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡可能地使連接應(yīng)力安全地傳導到核心混凝土上。常通過墻頂蓋板、墻腳底板和層間隔板、穿心樓板等來完成。當然前提一定是要確保管道混凝土的密實，做好這一步當然也是相當不易的。橫艙壁的上、下柱之間的銜接也是相當復雜的，特別是對小口徑管道，尤其不方便施工。穿心板的制作也很困難，同時也容易阻礙管道砼的澆灌與振搗。澆筑砼前必須把管道異物、積水清理完畢；管道砼的施工必須在鋼結(jié)構(gòu)施工完成并檢驗合格后實施。鋼筋內(nèi)砼的施工方法，宜選用泵送頂升工程澆筑法、管道輸送方式、手工逐段砼澆注法等，也可選用高位拋落的免點法。鋼筋內(nèi)砼施工前，應(yīng)按照設(shè)計規(guī)定完成砼結(jié)合比設(shè)計工作和必要的混凝土工藝檢驗工作，并在此基礎(chǔ)上提出混凝土工藝設(shè)計和各種工程技術(shù)對策。砼的配合比，除要符合質(zhì)量指標之外，還應(yīng)重視砼坍落量的問題。砼配合比應(yīng)按照砼的性能推算，并經(jīng)過測試后確認。對于泵送頂升的澆筑方法，砼的配合比尚需符合可泵性條件。鋼筋直徑內(nèi)砼澆筑方法，應(yīng)連續(xù)完成，需留施工縫，將管端密封，避免雨水、油污和雜質(zhì)等掉入。

每次澆筑砼前（包括施工縫），都應(yīng)先澆筑一段厚為100～200mm的與混凝土級別一致的混凝土攪拌砂漿，以防對自由落下的混凝土骨材形成彈跳現(xiàn)象。當砼澆筑至鋼筋直徑頂端時，可將砼稍加溢出中斷管后再將已預留排水孔的層間橫隔板或封頂層緊壓于將管端，接著再通過點焊加固，待砼強度到達設(shè)計值的百分之五十后，再將橫隔板或封頂層按要求予以補焊，也可將砼澆筑至略小于管端的地方，待砼強度超過設(shè)計值的百分之五十后再用同樣級別的水泥砂漿添于管端，并按以上方式將橫隔板或封頂層再一次性封焊完畢。鋼筋砼管構(gòu)件室內(nèi)砼澆筑質(zhì)量應(yīng)當通過超聲波進行檢驗?；炷两Y(jié)構(gòu)中不密實的部分，宜采取局部鉆孔壓漿技術(shù)法加以補強，或直接將鉆孔補焊封固。

4 結(jié)語

鋼筋混凝土管是一類具備承載力高、塑性和韌性好、節(jié)約建筑材料及便于施工等優(yōu)點的新型組合建筑材料，伴隨著科技特別是建筑材料理論和施工技術(shù)水平的提高，更多的新型建筑材料和高強耐候建筑用鋼種的涌現(xiàn)，鋼筋混凝土管結(jié)構(gòu)將會被更加廣泛地運用于工業(yè)與民用建筑等工程建設(shè)中，從而產(chǎn)生良好的經(jīng)濟技術(shù)效益。