大直径钢管柱内虹吸排水管道施工安装技术

1　工程概况

成都天府艺术公园中的图书馆建筑面积约3.04万m ² 、当代艺术馆建筑面积约3.17万m ² ，建筑屋面为大坡度种植屋面，根据排水量计算，图书馆需布置5个虹吸式雨水系统，当代艺术馆需布置9个虹吸雨水系统，共计14个。排水管道采用大直径的 DN250，采用不锈钢材质作为排水管道，排水管道系统的管道长度最短为10m，最长为23m。为防止排水管道分散布置对场馆艺术造型带来的影响，在设计排水管道时将排水管道集成设计在钢管柱内进行布置。

在施工过程中，为方便排水管道吊装及安装，排水管道和钢结构柱采用分段安装，排水管道的分段数量与钢管柱一致，如当代艺术馆HYL–B9系统，排水管道长度为12.4m，排水管道按钢结构柱由下往上划分为4段。

本研究为了描述方便，按施工工艺顺序将排水管道和钢管柱划分成为底段部分、中间段（ n 段）部分、顶段部分，除底段部分外，中间段和顶段部分排水管道在地面完成组装后，均与钢管柱一起吊装。

2　施工安装方法

2.1　施工流程

施工准备→不锈钢排水管道及钢柱设计深化→钢柱、排水管道进场检验→钢柱与柱内排水管道组装→底段钢柱与管道吊装→底段柱内排水管道漏水试验→底段柱内细石混凝土施工→中间段钢柱与管道吊装安装→上下段柱和管道焊接对接→顶段钢柱与管道吊装安装→上下段钢柱和管道焊接对接→管道系统灌水试验→对焊接接口防腐处理→钢柱内与管道间发泡剂填充→钢柱预留洞口处加强与防腐处理。

2.2　施工控制要点

2.2.1　施工准备

施工前准备工作，主要包括以下几方面。

（1）施工场地及施工用电、用水、材料贮放场地等临时设施，能满足安装需要。

（2）已完成材料、施工人员、机具等准备工 作，可保证正常施工。

（3）深化完成虹吸排水管道和钢管柱图纸，钢管柱加工及不锈钢管道进场检验合格；安装前进行检查，外表面应清洁，管内不得有杂物。

（4）管道安装前详细查阅图纸, 了解建筑物的结构构造形式以及各类管道的关系，且应根据施工方案确定与其他工种的配合措施。

（5）安装人员应了解管材、管件的主要物理力学性能和连接技术，安装应尽量做到一次断料、连接成功，安装工人应培训上岗。

（6）安装前发现排水管道纵向轻度弯曲时，应采用手工物理方法进行校直，不得锤击划伤。

2.2.2　施工安装控制要点

（1）设计深化及安装构造。首先深化完成钢管柱与排水管道集成设计，钢管柱和排水管道构造如 图1所示。在钢管柱内部设有加强翼环，用于提高钢管柱承载的稳定性。

   

（a）

   

（b）

图1　钢管柱内排水管道加工构造示意

（a）加工安装构造；（b）A–A截面

为保证不锈钢排水管道在吊装过程中稳定，同时具备水平调节能力，在深化设计时，对于钢管柱提前考虑虹吸排水管道的安装条件，首先完成钢结构柱与排水管道的分段，并在距每截排水管道上下断面不小于500mm处各设置1道水平支撑支架系统，支架系统由成品支撑架和丝杆U形卡、螺母组成，将成品支撑架焊接在钢管柱内侧对应的位置，同时在成品架左右两侧距钢管柱中心145mm位置各开4mm的小孔，利用丝杆U形卡、成品支撑架形成拉压作用，共同支撑排水管道，支架系统各部分均在卷制钢管前加工在钢板对应位置，随钢管卷制一体成型。

为了进一步防止吊装过程中排水管道出现坠落风险，利用钢管柱的加强翼环作为限位条件，在每节钢管柱最上排翼缘对应的排水管道位置焊接防坠钢片，组装后将防坠钢片卡在翼环上，从而有效防止吊装或安装过程中排水管道的坠落风险。

为了便于结构柱和排水管道吊装，每段钢结构柱的柱长划分不超过5m，在钢结构柱的底段和顶段，排水管道采用90°弯头进出结构钢管柱，为此需提前在钢管柱上预留300mm×500mm施工洞口，同时为方便排水管道上下管道的对接焊接，在排水管道焊接对接部位对应的钢管柱位置，开设尺寸为300mm×300mm的施工洞口。

为了保证钢管柱上洞口开设不对连接节点的受力产生不利影响，同时不影响钢管柱整体受力性能，经过计算分析，在构造上应确保施工洞口中心距连接耳板或连接节点的高度不小于500mm。为方便钢管柱的连接，在钢管柱上下端连接部分设有耳板，安装时用于对结构柱上下连接临时固定，为永久连接提供定位条件。

按从下到上的顺序依次进行安装，底段排水管道待底段钢管柱施工完成后再进行吊装安装，中间段和顶段钢管柱与排水管道在施工现场地面上完成组装后，随钢管柱一起吊装安装。

（2）材料及加工质量进场检验。在钢管柱和排水管道进场后，应对排水管道及钢管柱材料、构件加工质量、预留洞口及预留支架位置等进行检测，尤其对钢结构柱焊接的水平支撑架系统、排水管道的防坠垫片位置的准确性进行复核，材料及、件质量和位置预留准确后，对顶段部分和中间段部分的钢结构柱与排水管道在地面完成组装，并与在现场地面完成排水管道进出柱内90°弯头的焊接（结构柱外的管道）。

（3）底段钢管柱与排水管道安装。底段排水管道由设计标高位置出户（从钢管柱中伸出），底段钢管柱连接耳板距排水管道出口中心距不少于2m，满足构造需求，构造细节如图2所示。

图2　底段柱与管道集成构造示意

首先对底段钢管柱进行吊装就位，然后对底段柱内直排水管道进行吊装。吊装底段直排水管道时，管道逐次穿过钢管柱内侧预留的支撑架，并利用管道上的不锈钢防坠片卡在钢管柱的加强翼缘上，防止安装过程中排水管道坠落，就位时可利用预留的支撑架系统，调整排水管道中心位置，确定就位准确后，先利用支撑架系统对管道进行固定，再利用预留的出口孔洞完成弯头管道与柱内管道焊接对接。

底段柱的排水管道安装完成后，首先应对底段部分进行灌水试验，闭水采用满灌，静置30min后，检查液面没下降，用不锈钢专用橡胶防腐胶带对排水管道焊口位置进行包裹缠绕。完成后再对底段钢管柱预留洞口进行补强封堵，然后再采用细石混凝土填充本段钢管柱与管道之间的缝隙。

在细石混凝土浇筑前，首先应检查排水管道是否固定牢固，在钢管柱上端面，利用方木支设排水管道，防止管道移动跑位，浇筑时应格外注意控制管道位置。细石混凝土的填充，使钢管柱形成了钢管混凝土组合结构，极大地提高了钢管柱的承载能力、刚度和抵抗屈曲失稳的能力，且在不锈钢钢管接触部位形成碱环境，以起到防腐作用。此外，混凝土填充实现了对管道接口的包裹保护作用，进一步降低了接口漏水的发生概率。

（4）中间段钢管柱与排水管道安装。吊装前，在地面上利用钢管预留的支撑架系统将排水管道固定，吊装过程中防止排水管道左右晃动，同时利用防坠片卡在钢管柱加强翼环上，避免吊装过程管道出现坠落。中间段钢管柱与排水管道组成构造如图3所示。

   

（a）

   

（b）

图3　中间柱与管道集成构造示意

（a）加工安装构造；（b）A–A 钢柱临时耳板连接

中间段就位安装时，首先就位安装钢结构柱，然后进行排水管道就位安装。钢结构柱就位准确后，首先利用上下钢管柱的耳板对钢结构柱临时连接固定，再对上下段钢管柱完成永久焊接；然后将用于固定排水管道支架系统的螺母松动，对排水管道进行调直处理，并完成与下部排水管道对中就位，再重新拧紧支架上的螺栓，对支架进行固定，最后利用钢管柱上预留的施工洞口，在柱内完成排水管道的对接焊接。按照上述步骤，从下向上依次完成所有中间段钢管柱与排水管道的对接连接施工。

（5）顶段钢管结构柱与排水管道安装。顶段钢管结构柱与排水管道同样先在地面完成组装，然后吊装。吊装与中段基本一致。在顶段直段排水管道部分安装完成后，利用钢管柱上预留的300mm×500mm洞口，将排水管道出口部分的弯管与钢结构内部管道焊接连接，完成钢结构和柱内排水管道的对接安装 工作。

（6）排水管道系统闭水试验和防腐处理。在完成钢管柱与虹吸排水管道系统安装后，进行排水管道灌水试验，注水完成后应观察不少于30min，在确定液面无变化、无下降后，再对不锈钢排水管道与钢结构柱进行防腐处理。

首先采用专用的橡胶胶带对管道焊接部位进行包裹，并进行管道防腐和防静电处理。然后，在各方隐蔽验收合格后，用B1级阻燃发泡剂填充钢管柱与管道之间缝隙。发泡剂的填充一方面可加强固定排水管道，对排水管段起到稳定支撑的作用；另一方面可防止空气对排水管道的氧化，有效防止排水管道与钢管柱之间形成电位差，导致管道电化学腐蚀。其次，发泡剂的填充也可显著降低管道内排水时产生的噪声影响，提高场馆的使用性能。发泡剂从下向上分段依次填充，填充至预留洞口后，先进行钢管柱外洞口补强封闭，然后周转上一洞口进行填充，直至填充密实。最后对钢管柱的外表面进行防腐处理，完成施工工作。B1阻燃发泡剂填充防腐降噪如图4所示。

   

图4　B1阻燃发泡剂填充防腐降噪

3　结束语

通过对大直径钢管柱内虹吸排水管道施工安装技术研究应用，形成如下结论。

（1）提出利用钢管柱内空间布置不锈钢排水管道，解决了大型场馆整体设计艺术效果与排水管道分散布置的矛盾，同时扩大了场馆建筑的使用空间。

（2）钢管柱加工深化设计时，将排水管道支架系统、预留孔洞等一体考虑，并随钢管柱加工一体完成。吊装时可利用支架系统对排水管道进行临时固定，防止管道施工吊装过程中晃动。安装时可利用支架系统进行调节就位，同时通过排水管道上防坠钢片设计降低防坠风险，实现钢结构柱与管道吊装安装稳定平稳。

（3）排水管道材质选用不锈钢316L，提高对酸性物质的抗防腐性能，并通过在钢管柱与排水管道之间填充细石混凝土和B1阻燃发泡剂，进一步提高防腐能力，保证排水管道建筑结构设计使用年限和寿命。同时发泡剂的填充，显著降低了排水管道因排水负压产生的噪声影响，提高了场馆运营的使用品质功能，可为同类工程防腐处理提供良好的借鉴。