高層懸挑轉(zhuǎn)換空間框架結(jié)構(gòu)支撐胎架的設(shè)計(jì)與施工

蘇亞武 王大迎 郭德強(qiáng) 李金生 駱 軍 王朝龍

1.中國建筑第八工程局有限公司廣州分公司 廣州 510665 ；2.總裝備部建設(shè)工程西昌質(zhì)量監(jiān)督站 西昌 615000

1 概述

1.1 工程概況

中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司生產(chǎn)科研綜合基地位于廣州市蘿崗區(qū)科翔路與香山路交界處，本標(biāo)段的總建筑面積為198 531.3 m2，地下室2 層，地上4 棟單體（J1公司總部生產(chǎn)辦公區(qū)大樓、J2電力調(diào)度中心、J4展示會議中心、J5展示會議中心）。本工程建成后為中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司的總部基地，質(zhì)量要求為達(dá)到魯班獎(jiǎng)，社會影響力大。

其中J1公司總部生產(chǎn)辦公區(qū)大樓南側(cè)首層至3層為中空大堂（圖1），4層樓板結(jié)構(gòu)為懸挑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)換層的框支梁為1 400 mm×2 000 mm的高大鋼骨混凝土梁，由于框支梁的懸挑長度達(dá)到13.37 m，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用鋼骨混凝土斜撐使整體4～6層形成空間框架共同受力。

圖1 J1總部大樓首層高大堂效果

1.2 設(shè)計(jì)概況

根據(jù)結(jié)構(gòu)施工圖中對1-A軸～1-D軸與1-1～1-17軸區(qū)域（圖2）首層～6層的結(jié)構(gòu)施工進(jìn)行特殊的說明：

（a）4～6層斜撐結(jié)構(gòu)體系（圖3）需形成空間剛度，并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后（按混凝土澆筑完成后28 d計(jì)算）方可拆除該區(qū)域以下的支撐體系（包括2 層地下室對應(yīng)結(jié)構(gòu)樓板區(qū)域）。

（b）4～6層斜撐結(jié)構(gòu)體系達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方可進(jìn)行6層以上結(jié)構(gòu)施工。

圖2 J1總部大樓懸挑空間鋼骨框架平面示意

圖3 J1總部大樓懸挑空間 鋼骨框架立面示意

2 原方案分析

2.1 原方案材料投入

根據(jù)結(jié)構(gòu)施工圖紙及設(shè)計(jì)工程師的相關(guān)要求，J1總部大樓南側(cè)懸挑轉(zhuǎn)換空間框架區(qū)域需在6層結(jié)構(gòu)樓板達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方可對以下的模板支撐體系進(jìn)行拆除。從現(xiàn)場的施工進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行分析，5層及6層的結(jié)構(gòu)施工工期為15 d，即在6層結(jié)構(gòu)樓板完成混凝土澆筑時(shí)， 層結(jié)構(gòu)混凝土齡期已達(dá)30 d（按正常情況強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求100%）。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范（2010版）》的規(guī)定：混凝土構(gòu)件（跨度大于8 m）強(qiáng)度達(dá)到100%即可進(jìn)行拆模。據(jù)以上分析可得按照設(shè)計(jì)對結(jié)構(gòu)施工的要求需額外投入的模板支撐體系時(shí)間地下1層樓板為192 d，首層樓板為165 d，4層樓板為30 d。

由以上可計(jì)算出由于設(shè)計(jì)對結(jié)構(gòu)施工的特殊要求，擬將額外多投入10 000 m2模板木方，且鋼管支撐體系需額外投入約31 萬元（月租賃費(fèi)按150 元/t計(jì)算）。

2.2 工期分析

（a）本工程建設(shè)體量大，施工周期短，工期壓力大，按合同工期要求2012年11月18日完成底板混凝土的第一方澆筑，2014年6月30日工程竣工交付使用。J1總部大樓的主體結(jié)構(gòu)施工為關(guān)鍵路線的工作，如按設(shè)計(jì)要求6層結(jié)構(gòu)待達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方可進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)施工，則會損失將近28 d的工期，這將會為工程后續(xù)施工帶來較大的影響。

（b）根據(jù)工程總體進(jìn)度計(jì)劃，2014年6月中旬將插入地下室的初裝修及機(jī)電專業(yè)施工，J1總部大樓南側(cè)特殊區(qū)域支撐體系的延遲拆除導(dǎo)致過多的施工分段，不僅影響地下室初裝修及機(jī)電專業(yè)的整體策劃及施工，而且過多的施工接縫將會影響總體工程質(zhì)量。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)施工

J1總部大樓1-A以南懸挑空間轉(zhuǎn)換框架中的鋼骨混凝土框支梁的型鋼為H1 200 mm×300 mm×25 mm×35 mm，該懸挑構(gòu)件在安裝時(shí)需投入專用臨時(shí)胎架支撐，以利于型鋼安裝時(shí)栓焊施工。

3 方案優(yōu)化及設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化施工方案

根據(jù)對原施工方案的分析，不僅會額外增加工程造價(jià)，而且對工期有較大的影響。項(xiàng)目技術(shù)團(tuán)隊(duì)通過與設(shè)計(jì)工程師的溝通及對結(jié)構(gòu)的傳力分析，并結(jié)合實(shí)際現(xiàn)場施工方案及進(jìn)度，在確保滿足結(jié)構(gòu)撓度要求的前提下，為了能夠按正常拆除腳手架支撐，在4層轉(zhuǎn)換梁處增加鋼管支撐。即在施工第4層時(shí)在4層轉(zhuǎn)換梁及懸挑梁底增加鋼管臨時(shí)支撐，以承受5～6層荷載作用，同時(shí)在施工過程中可以作為懸臂型鋼的臨時(shí)支撐回頂大鋼管尺寸為Φ609 mm，壁厚12 mm，共20 根（其中1-A軸上11 根，1-A軸偏南4 045 mm上9 根），如圖4所示。

3.2 施工過程模擬說明

3.2.1 工況1：澆筑4層混凝土

在4層模板支撐體系搭設(shè)過程中，需同時(shí)插入鋼管胎膜的安裝。胎膜面標(biāo)高需等于4層樓板結(jié)構(gòu)的底標(biāo)高。所以在澆筑4層混凝土?xí)r胎膜僅承受它與樓板接觸面積范圍內(nèi)（1 m×1 m）的樓板荷載，其余梁板結(jié)構(gòu)部位荷載將由模板支撐系統(tǒng)承擔(dān)。

圖4 J1總部大樓懸挑空間鋼管回頂平面布置

由此可得工況1時(shí)結(jié)構(gòu)受力情況為：澆筑4層樓板時(shí)，其施工活荷載（1 kN/m2）及支撐體系的恒載（5 kN/m2）通過鋼管支撐體系傳遞至首層樓板上。

3.2.2 工況2：澆筑5層混凝土

根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃，5層結(jié)構(gòu)的施工時(shí)間為15 d，所以在澆筑5層混凝土?xí)r，4層的模板支撐系統(tǒng)仍然保留。所以5層梁板區(qū)域結(jié)構(gòu)的荷載仍然有支撐體系傳遞至首層樓板上。

由此可得工況2時(shí)結(jié)構(gòu)受力情況為：澆筑5 層樓板時(shí)，施工活荷載（1 kN/m2）及5層的支撐體系恒載（5 kN/m2）作用于4層樓板上，此時(shí)4層樓板支撐體系尚未拆除，荷載通過4 層支撐體系傳遞至首層樓板上。

3.2.3 工況3：澆筑6層混凝土

根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃，6層結(jié)構(gòu)的施工時(shí)間為15 d，所以在澆筑6層混凝土前，4層的樓板結(jié)構(gòu)的混凝土齡期已達(dá)到30 d（達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%），所以根據(jù)規(guī)范對4層的模板支撐系統(tǒng)進(jìn)行拆除。所以6層梁板區(qū)域結(jié)構(gòu)的荷載經(jīng)模板支撐系統(tǒng)傳遞至4層樓板上。

（a）6層澆筑時(shí)的施工荷載（1 kN/m2）及6層的支撐體系恒載（5 kN/m2）作用于5層樓板上。

（b）由于5層混凝土已澆筑15 d，混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%以上，且支撐系統(tǒng)還未拆除，4層承受5層支撐體系荷載（5 kN/m2）及人員活荷載（1 kN/m2）。

3.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)PKPM設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求：

（a）運(yùn)用反算得出4層結(jié)構(gòu)梁并未超限，且計(jì)算配筋小于設(shè)計(jì)配筋；

（b）根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中要求，本工程鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的允許撓度為l/300（=28 mm），由計(jì)算結(jié)構(gòu)可知采用了大直徑鋼管胎架回頂后，J1總部大樓1-A以南懸挑空間轉(zhuǎn)換框架結(jié)構(gòu)最大撓度僅為9.47 mm，滿足設(shè)計(jì)要求（圖5）；

（c）根據(jù)計(jì)算結(jié)果，鋼管最大軸力為1 568 kN，其中位于1-A軸上的大直徑鋼管胎架由于位于地下室相對應(yīng)的柱位上，所以軸力能通過結(jié)構(gòu)柱傳遞到底板上。對于位于1-A軸偏南4 045 mm的大直徑鋼管胎架（共9 根）位于地下室結(jié)構(gòu)板上，鋼管軸力大于結(jié)構(gòu)樓板的承載力，由此需對地下室結(jié)構(gòu)樓板進(jìn)行回頂（采用48.3 mm的鋼管組成的格構(gòu)式支撐架進(jìn)行回頂）。

圖5 4 層梁彈性撓度示意（半幅）

4 現(xiàn)場施工[1-9]

4.1 重點(diǎn)與難點(diǎn)

（a）由于大鋼管胎架位于模板結(jié)構(gòu)支撐體系中，并且二者的工作變形并不協(xié)調(diào)，所以為減少胎架與模板支撐體系的互相影響，在確保胎架的強(qiáng)度及穩(wěn)定性的前提下選擇了609 mm大直徑獨(dú)立鋼管作為胎架。對于獨(dú)立安裝高度為13.65 m的大直徑鋼管胎架，確保獨(dú)立胎架的安裝垂直度將是本施工的重點(diǎn)，避免由于安裝偏差而產(chǎn)生的二階附加應(yīng)力。

（b）在大直徑鋼管胎架進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，將進(jìn)行胎架的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，密切關(guān)注胎架的受力情況并分析數(shù)據(jù)是否符合PKPM的模擬計(jì)算。

（c）大鋼管胎架卸荷時(shí)結(jié)構(gòu)會存在彈性范圍的內(nèi)力重分布，因此大直徑鋼管胎架的卸荷也將是本施工的重點(diǎn)。

4.2 支撐胎架安裝要點(diǎn)

4.2.1 測量定位

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，大直徑鋼管胎架直接支承在地下室頂部結(jié)構(gòu)上，上部荷載通過結(jié)構(gòu)柱或者格構(gòu)式支撐架傳遞至地下室底板上。所以鋼管胎架的定位需要精確，避免引起其他構(gòu)件的額外受力。

4.2.2 大直徑鋼管胎架連接

大直徑鋼管胎架采用6 m標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，調(diào)整標(biāo)高用的活動(dòng)節(jié)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際測量凈空數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，確保胎架長度滿足要求。胎架節(jié)間采用大六角螺栓進(jìn)行連接，且螺栓的擰緊度需均勻。

4.2.3 上下端部做法

由于大直徑鋼管胎架的直徑為609 mm，為減少接觸面混凝土局部壓力，在大直徑鋼管胎架上下端部采用25#工字鋼拼接成1 000 mm×600 mm的承壓面，增大受力面積。

4.2.4 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測

為能密切監(jiān)測胎架的工作受力情況，在受力較大且重要的部位采用應(yīng)變片進(jìn)行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)分析胎架在施工過程中的應(yīng)力應(yīng)變情況，并與設(shè)計(jì)方案進(jìn)行校核。

4.3 支撐胎架拆除要點(diǎn)

4.3.1 胎架卸荷施工

主體結(jié)構(gòu)施工過程中大直徑鋼管受力后會產(chǎn)生彈性壓縮，當(dāng)工況滿足設(shè)計(jì)方案后，可進(jìn)行胎架拆除。由于鋼管胎架已承受荷載并產(chǎn)生了彈性壓縮，所以在它拆卸前需進(jìn)行卸荷。本施工方案對比了千斤頂、砂箱等卸荷方案后，考慮了施工周期較長，操作面小、承載力要求較高等要求后，采用了砂箱卸荷的方式。為優(yōu)化卸荷過程中結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布，鋼管胎架采用對稱卸荷。

4.3.2 大直徑鋼管胎架拆除

根據(jù)設(shè)計(jì)方案胎架拆除需待6 層結(jié)構(gòu)樓板達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后才可進(jìn)行拆卸，所以在4 層支撐架拆除時(shí)需預(yù)留局部拆卸操作平臺。由于操作空間的限制，胎架將采用預(yù)埋在4層結(jié)構(gòu)樓板底部的吊鉤和電動(dòng)葫蘆配合進(jìn)行拆除。

5 結(jié)語

大直徑鋼管胎架較常使用于鋼結(jié)構(gòu)臨時(shí)支撐，在本工程中成功運(yùn)用于懸挑轉(zhuǎn)換空間框架結(jié)構(gòu)的回頂施工（根據(jù)現(xiàn)場施工進(jìn)度已有8 根鋼管成功進(jìn)入工作狀態(tài)），使結(jié)構(gòu)施工既滿足了設(shè)計(jì)工程師對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的特殊要求，同時(shí)節(jié)省了工程造價(jià)。在國內(nèi)強(qiáng)勁的商業(yè)地產(chǎn)發(fā)展的情況下，越來越多的大空間建筑受到青睞，本工程的回頂胎架設(shè)計(jì)思路及施工方法能為大跨度空間轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)施工提供較好的施工經(jīng)驗(yàn)。