一種新型塔吊高空支模鋼平臺(tái)的研究與應(yīng)用

劉玉濤

(中天建設(shè)集團(tuán)有限公司,杭州 310005)

0 引 言

大型的會(huì)展中心、紀(jì)念性建筑以及體育館中荷載大、跨度大、截面大的混凝土梁,在現(xiàn)場施工過程中,必須采用高支撐模板體系作為施工的支撐結(jié)構(gòu)。高支撐模板體系與已澆筑完畢的混凝土組成臨時(shí)承載體系共同承擔(dān)新澆筑混凝土的重量以及施工活荷載?，F(xiàn)有的高支撐模板體系在對(duì)應(yīng)獨(dú)特的建筑結(jié)構(gòu)形式時(shí),總會(huì)暴露出某些方面的缺點(diǎn),針對(duì)某些特定結(jié)構(gòu)形式,往往不能滿足工程實(shí)際需要,這使得一些新型的高空支模體系應(yīng)運(yùn)而生。比如,深圳會(huì)議展覽中心標(biāo)高45.000 m處的魚腹式框架懸挑梁,采用落地式格構(gòu)柱和主體結(jié)構(gòu)間搭設(shè)鋼桁架梁,并在上鋪設(shè)工字鋼平臺(tái)的支撐體系[1],河北廊坊市郊隆福寺長明燈塔標(biāo)高65.950 m處混凝土懸挑梁,采用高空懸挑吊拉型鋼平臺(tái)支承扣件式鋼管支模架的支撐體系[2]。國家體育場頂環(huán)梁模板工程支撐體系采用鋼管扣件式腳手架搭設(shè)[3]。本文針對(duì)杭州奧體中心頂環(huán)梁的施工支模存在的難題[4],通過對(duì)比分析當(dāng)前常用的幾種支撐體系,創(chuàng)新性提出并設(shè)計(jì)出一種塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)支承高空支模鋼平臺(tái)體系[5]。通過對(duì)比分析、理論驗(yàn)算、有限元模擬方法對(duì)該支撐體系的適用范圍、搭設(shè)工藝、設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)性能及構(gòu)造等進(jìn)行一系列研究,并成功應(yīng)用于工程實(shí)踐。該項(xiàng)目研究依托2013年度浙江省建設(shè)科研和推廣項(xiàng)目(自籌)(編號(hào):2013Z078)。

1 工程概況

杭州奧體博覽中心主體育場為八萬座特級(jí)特大型體育建筑,總建筑面積為212 310 m2(地上151 451 m2,地下60 859 m2),地上六層,地下一層,地上有上、中、下三層看臺(tái),建筑高度59.4 m (結(jié)構(gòu)高度42.26 m),杭州奧體中心效果圖詳見圖1。主體育場看臺(tái)為鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu),罩棚為空間管桁架+弦支單層網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)體系。上層看臺(tái)頂部外邊緣設(shè)有變截面型鋼混凝土環(huán)梁,聯(lián)系上部鋼結(jié)構(gòu)罩棚與下部勁性混凝土結(jié)構(gòu)。該勁性混凝土環(huán)梁截面尺寸大,形狀變化多,標(biāo)高較高并向外懸挑,懸挑長度約8.5 m,施工所需支模架搭設(shè)高度30～36 m,屬于超高超重大懸挑結(jié)構(gòu),看臺(tái)頂環(huán)梁三維模型圖詳見圖2。

圖1 杭州奧體中心效果圖Fig.1 Renderings of Hangzhou Olympic Sports Center

圖2 頂環(huán)梁三維模型圖Fig.2 3-D model of roof ring-beam

針對(duì)該超高超重大懸挑結(jié)構(gòu)存在的高支模難題,根據(jù)現(xiàn)場要求搭設(shè)速度快、拆卸方便、構(gòu)成形式靈活、能適應(yīng)該工程建筑造型、具有較高的承載力和足夠的剛度等特點(diǎn)。本文從以下三個(gè)方面進(jìn)行研究論述。

(1) 以杭州奧體中心主體育場工程頂環(huán)梁支模體系的實(shí)際需要和施工現(xiàn)場為依托,同時(shí)參考借鑒其他大型公共建筑空間結(jié)構(gòu)的支模體系形式,進(jìn)行多種模板支撐體系的方案策劃和比較,最終確定采用塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)支承高空鋼平臺(tái)體系。

(2) 通過有限元軟件Midas Gen對(duì)該支撐體系進(jìn)行模擬,研究施工階段各種工況下支撐體系的受力情況,明確整個(gè)支撐體系的傳力情況,指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

(3) 根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際施工反饋,總結(jié)施工流程及要點(diǎn),并根據(jù)施工存在的問題提出優(yōu)化改進(jìn)意見,以為后續(xù)類似工程提供借鑒。

2 支承方案研究分析

2.1 支架方案的比選與確定

本工程看臺(tái)頂部環(huán)梁截面高度由支座處的2.32 m變化至跨中的1.2 m,梁寬1.3～1.5 m,梁面標(biāo)高由36.448 m變化至42.468 m,共計(jì)78跨,跨度均約為10.5 m。梁截面尺寸大,形狀變化多,標(biāo)高較高并向外懸挑,懸挑長度約8.5 m,如圖3、圖4所示。

圖3 頂環(huán)梁示意圖(單位:mm)Fig.3 Sketch of roof ring-beam (Unit:mm))

方案階段選取四種方案,依次為扣件式鋼管腳手架搭設(shè)落地式支撐架、利用環(huán)梁型鋼吊掛模板(簡稱吊模法)、重型門架搭設(shè)落地式支撐架、落地式格構(gòu)柱支承鋼平臺(tái)體系。綜合對(duì)比四種支撐方案的施工成本、安全風(fēng)險(xiǎn)、施工工期等方面的優(yōu)缺點(diǎn),最終采用落地式格構(gòu)柱支承鋼平臺(tái)體系。支模示意圖詳圖5,方案對(duì)比情況詳表1。

圖4 頂環(huán)梁沿梁長方向剖面圖Fig.4 Section view along beam length of the roof ring-beam

圖5 塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)支承高空支模鋼平臺(tái)支模示意圖Fig.5 Sketch of the platform steel system of the high-altitude =formwork supported by the standard section of tower crane

表1 方案對(duì)比分析Table 1 Plan comparison

2.2 支架方案設(shè)計(jì)

1) 基礎(chǔ)加固

考慮到現(xiàn)場地下室頂板已經(jīng)完成,格構(gòu)柱在地下室內(nèi)搬運(yùn)困難,將塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)支承體系搭設(shè)在二層樓板,二層樓板厚200 mm,塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)支承體系基礎(chǔ)周邊3 000 mm×3 000 mm范圍內(nèi)樓板局部加厚至500 mm,配筋加強(qiáng)至14@150雙層雙向?；A(chǔ)下部用鋼管支模架加固,加固范圍為4 000 mm×4 000 mm,支模架立桿縱橫距均為4 00 mm,步距1 500 mm,加固至地下室底板,加固支模架剪刀撐按規(guī)范相應(yīng)要求設(shè)置?；A(chǔ)內(nèi)預(yù)埋M30螺栓,與塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)螺栓孔相連,實(shí)際受力中按鉸接考慮。

2) 格構(gòu)柱的選材

采用塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)作為格構(gòu)柱基本單元,每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)高度為2.8 m,自重為770 kg/節(jié),材質(zhì)為Q235鋼。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)外框尺寸1 600 mm×1 600 mm,豎向主弦桿截面135 mm×135 mm×10 mm,綴桿截面65 mm×65 mm×5 mm。相鄰標(biāo)準(zhǔn)節(jié)用8個(gè)Q345、M30(10.9級(jí))螺栓連接。塔吊詳見圖6。

圖6 塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)現(xiàn)場圖Fig.6 Actual standard section of tower crane

3) 格構(gòu)柱鋼平臺(tái)的搭設(shè)

格構(gòu)柱上方設(shè)置一個(gè)由工字鋼I56c焊接的口型支座鋼平臺(tái),作為主龍骨與格構(gòu)柱的傳力裝置,其平面尺寸為1 800 mm×1 630 mm,鋼平臺(tái)與塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的四肢中心線重合,支座焊接8根長100 mm的113 mm×113 mm×10 mm套入標(biāo)準(zhǔn)節(jié)豎向主弦桿內(nèi),防止支座從格構(gòu)柱頂滑落,鋼平臺(tái)示意詳見圖7、圖8。

圖7 鋼平臺(tái)平面布置圖(單位:mm)Fig.7 Plan of steel platform (Unit:mm)

圖8 鋼平臺(tái)與格構(gòu)柱的連接Fig.8 Connection between steel platform and latticed column

主龍骨采用工字鋼I56c,設(shè)置在鋼平臺(tái)上方兩側(cè),兩環(huán)向I字鋼中心距為1 400 mm,呈折線布置,主龍骨斷開處,在主龍骨表面設(shè)置一塊250 mm×400 mm×10 mm的連接鋼板,與主龍骨上翼緣表面焊接,主龍骨下翼緣與鋼平臺(tái)表面焊接,詳見圖9。

次龍骨采用工字鋼I12.6,每根次龍骨長2.7 m,間距400 mm,橫鋪在主龍骨上,次龍骨上部焊有鋼筋頭,以便支模架鋼管立于次龍骨上方,避免滑移,次龍骨與主龍骨間采用焊縫連接。主、次龍骨與鋼平臺(tái)的連接詳見圖10。

圖9 主龍骨斷開處連接示意圖Fig.9 Connection between main keels

圖10 主、次龍骨與鋼平臺(tái)相互連接示意圖Fig.10 Interconnection among keels and steel platform

整體格構(gòu)平臺(tái)現(xiàn)場制作圖詳圖11。

圖11 鋼平臺(tái)現(xiàn)場制作圖Fig.11 Actual steel platform

2.3 支架荷載分析

根據(jù)ISO 4032:1981 Cranes;Wind Load Assessment 及《塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 13752—92)第4.2節(jié),風(fēng)荷載計(jì)算如下:

Fw=CWpwAw

(1)

式中:Fw為作用在塔式起重機(jī)上的風(fēng)荷載;pw為計(jì)算風(fēng)壓;CW為風(fēng)力系數(shù),為1.6;Aw為垂直于風(fēng)向的迎風(fēng)面積。

A=ωA1

(2)

式中:A1為結(jié)構(gòu)外形輪廓面積;ω為結(jié)構(gòu)充實(shí)率,此處取0.3,得A=16.777 m2。

工作狀態(tài):pw=250 Pa,Fw=6.7 kN。

非工作狀態(tài):pw=1 100 Pa,Fw=29.5 kN,都為標(biāo)準(zhǔn)值。

頂環(huán)梁支模架傳遞給鋼平臺(tái)的荷載包括豎向靜力荷載(自重及施工活荷載)、風(fēng)荷載(轉(zhuǎn)化為力偶作用于鋼平臺(tái)兩側(cè)的主龍骨梁),再考慮塔吊承受的風(fēng)荷載,以半跨5.25 m為例,塔吊支承鋼平臺(tái)荷載標(biāo)準(zhǔn)值詳見圖12,以節(jié)點(diǎn)力表示。

圖12 塔吊支承鋼平臺(tái)受荷圖Fig.12 Loads applied in steel platform and tower crane

2.4 有限元計(jì)算

采用Midas Gen有限元分析軟件,單個(gè)塔身可理解為一個(gè)空間三維桁架,塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)之間采用套筒高強(qiáng)度螺栓連接,模型中用剛接進(jìn)行試模擬,空間腹桿兩端鉸接。建立兩跨模型(5個(gè)搭身),整體高度22.96 m。模型底端鉸接,主龍骨之間、主龍骨與鋼平臺(tái)都按剛接處理,距格構(gòu)柱底端17.850標(biāo)高處設(shè)附墻,附墻用剛性桿進(jìn)行模擬,分析整體模型在活載滿布和活載半布兩種工況下結(jié)構(gòu)第一階穩(wěn)定狀況及構(gòu)件變形、應(yīng)力狀態(tài)。整體有限元模型詳見圖13。

各工況下結(jié)構(gòu)響應(yīng)如圖14～圖21所示:

(1) 活載滿布工況

活載滿布工況:第一階屈曲模態(tài)臨界荷載系數(shù)為58.73,局部失穩(wěn)如圖15所示。主龍骨豎向變形最大值為5.4 mm如圖16所示,構(gòu)件應(yīng)力比最大值為0.66,均滿足規(guī)范[6]要求,如詳圖17所示。

圖13 整體有限元計(jì)算模型Fig.13 FE calculation model

圖14 活載滿布受荷簡圖Fig.14 Fully-applied live load

圖15 第一階屈曲模態(tài)Fig.15 First order buckling mode

圖16 豎向變形(單位:mm)Fig.16 Vertical deformation (Unit:mm)

圖17 構(gòu)件應(yīng)力比Fig.17 Stress ratio of the components

圖18 活載半布受荷簡圖Fig.18 Half-applied live load

圖19 第一階屈曲模態(tài)Fig.19 First order buckling mode

圖20 豎向變形(單位:mm)Fig.20 Vertical deformation (Unit:mm)

(2) 活載半布工況

活載半布工況:第一階屈曲模態(tài)臨界荷載系數(shù)為57.70,局部失穩(wěn)如圖18所示。主龍骨豎向變形最大值為4.9 mm如圖19所示,構(gòu)件應(yīng)力比最大值為0.63如圖20所示,均滿足規(guī)范[6]要求。

2.5 施工流程及操作要點(diǎn)

塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)支承高空支模鋼平臺(tái)體系施工藝流程如圖22所示。

圖21 構(gòu)件應(yīng)力比Fig.21 Stress ratio of components

圖22 支模工藝流程圖Fig.22 Flow chart of form process

格構(gòu)柱若與下部樓層結(jié)構(gòu)碰阻,宜將格構(gòu)柱埋入樓層結(jié)構(gòu)內(nèi)。根據(jù)格構(gòu)柱的布置情況,部分格構(gòu)平臺(tái)立柱從六層樓板(+25.50 m)中穿過,為加強(qiáng)立柱的側(cè)向穩(wěn)定性,在樓層結(jié)構(gòu)施工前,在立柱位置預(yù)留孔洞,將立柱的塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)澆入六層樓板中,如圖23所示。

圖23 塔吊桿件穿樓板做法Fig.23 Member of tower crane pass through floor

在次龍骨上部搭設(shè)環(huán)梁鋼管支模架。支模架立桿縱橫距1 000 mm,立桿步距1 500 mm,采用頂托形式,詳見圖24。

圖24 上部支模架搭設(shè)Fig.24 Upper support frame above steel platform

利用塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)做頂環(huán)梁的支模體系,拆除后對(duì)懸挑結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測,構(gòu)件跨中撓度最大為3 mm,完全滿足施工規(guī)范要求,混凝土無明顯缺陷,各項(xiàng)允許偏差均滿足規(guī)范[7]要求,施工完畢后的混凝土結(jié)構(gòu)如圖25所示。

圖25 施工完畢后的頂環(huán)梁Fig.25 Actual roof ring-beam after construction

3 結(jié) 論

本文以杭州奧體博覽中心主體育場工程為背景,根據(jù)工程看臺(tái)頂環(huán)梁所需的支模要求及施工現(xiàn)場條件,并結(jié)合結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對(duì)本工程中頂環(huán)梁模板工程采用的支模架體系—塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)支承高空支模鋼平臺(tái)體系進(jìn)行了研究,可得以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1) 借鑒其他大型公共建筑空間結(jié)構(gòu)的支模體系形式,進(jìn)行多種模板支撐體系的方案比較,提出了一種新型支模架體系—塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)支承高空支模鋼平臺(tái)體系。

(2) 通過理論分析和有限元模擬,采用塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)作為支承立柱,塔身結(jié)構(gòu)承載力和各桿件截面能很好的滿足工程需求,在兩種不利工況下有很大的富余量。

(3) 該方案在背景工程中得到成功的實(shí)施,該方案工藝簡單,影響安全的因素較少,施工質(zhì)量容易控制,且塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)可以重復(fù)使用,具有較高的經(jīng)濟(jì)效益,可以向類似工程推廣。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫謹(jǐn),翟金永.深圳會(huì)議展覽中心高支模施工技術(shù)[J].建筑技術(shù),2005,36(11):814-815.

Sun Jin,Zhai Jinyong.High support form work construction technology for Shenzhen conference and exhibition center project[J].Architecture technology,2005,36(11):814-815.(in Chinese)

[2] 孫新民,劉建崗,劉豐銘,等.高大懸挑結(jié)構(gòu)高支模架體支承鋼平臺(tái)施工技術(shù)[J].建筑技術(shù),2015,46(8):690-692.

Sun Xinmin,Liu Jiangang,Liu Fengming,et al.Largecantilevered construction technology of steel platform structure of high formwork support abutment[J].Architecture technology,2015,46(8):690-692.(in Chinese)

[3] 王大愚,趙紅梅,朱同然,等.國家體育場空間頂環(huán)梁施工技術(shù)[J].建筑技術(shù),2009,40(6):501-503.

Wang Dayu,Zhao Hongmei,Zhu Tongran,et al.Construction technique of space top ring beam of National Stadium[J].Architecture Technology,2009,40(6):501-503.(in Chinese)

[4] 李小玥,徐雙全,陳正立,等.杭州奧體中心主體育場工程關(guān)鍵施工技術(shù)[J].施工技術(shù),2016,45(9):41-45.

Li Xiaoyue,Xu Shuangquan,Chen Zhengli,et al.Key construction technology in Hangzhou Olympic Sports Center[J].Construction Technology,2016,45(9):41-45.(in Chinese)

[5] 石開榮,陳前,張?jiān)?某灰?guī)焱矀}高支模傘狀型鋼支撐平臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用施工技術(shù)[J].施工技術(shù),2013,42(2):68-71.

Shi Kairong,Chen Qian,Zhang Yuan.Design and application of umbrella-shaped section steel support platform of an ash bank silo high-formwork[J].Construction Technology,2013,42(2):68-71.(in Chinese)

[6] 中華人民共和國建設(shè)部.GB 50017—2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2003.

Ministry of Construction of the People’s Republic of China.GB 50017—2003 Code for design of steel structures [S].Beijing:China Planning Press,2003.(in Chinese)

[7] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50204—2002 混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

Ministry of Housing and Urban-rural Development of the People’s Republic of China.GB 50204—2002 Code for acceptance of constructional quality of concrete structures[S].Beijing:China Architecture and Building Press,2002.(in Chinese)