高空懸挑斜拉模板支撐體系的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張 凱

廣西建工集團(tuán)第三建筑工程有限責(zé)任公司 廣西 柳州 545002

隨著國內(nèi)高層建筑的不斷出現(xiàn)，越來越多的建筑設(shè)計(jì)采用懸挑樓面和屋面，混凝土結(jié)構(gòu)在屋面或一定高度位置向外懸挑，以實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)獨(dú)特的立面效果，增加更多的使用空間。

一般高空懸挑結(jié)構(gòu)施工具有跨度大、高度高、荷載大等特點(diǎn)，對模板支架和腳手架的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提出了更高難度的要求。在綜合考慮安全、進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)性等因素的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合實(shí)際工程，在懸挑式結(jié)構(gòu)模板支撐體系的設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面進(jìn)行了探討。

1 施工部位結(jié)構(gòu)概況

背景工程位于廣西南寧市，框架剪力墻結(jié)構(gòu)，地下3層、地上22層，總建筑面積60 497.18 m2，主樓建筑高度87.49 m。屋面周邊結(jié)構(gòu)挑出形成懸挑屋面，結(jié)構(gòu)懸挑長度2.90 m，懸挑屋面板標(biāo)高87.49 m（圖1），21、22層層高分別為4.60、3.30 m。

2 模板支撐體系及支座選型

2.1 模板支撐體系選型

根據(jù)施工當(dāng)?shù)爻Ｓ玫牟牧项愋图俺Ｓ玫氖┕すに?，確定采用扣件式鋼管腳手架為模板支撐架體，且在支撐架體外側(cè)搭設(shè)雙排腳手架，使其伸出屋面作為施工時(shí)的作業(yè)及臨邊防護(hù)架。

圖1 懸挑構(gòu)件示意

扣件式鋼管腳手架常用的有落地式和懸挑式2種，由于場地狹窄，施工部位離地面高度大，從安全性和經(jīng)濟(jì)性方面考慮，可排除落地式支撐架體，擬選用懸挑式模板支撐體系。

2.2 架體支座選型

懸挑式有懸挑型鋼＋斜拉、懸挑型鋼＋斜撐和貝雷片幾種支座類型（表1）。

表1 懸挑架支座類型比選

從結(jié)構(gòu)可靠度、施工便利性和經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行比較，懸挑型鋼＋斜拉支座的方式可重復(fù)使用，其構(gòu)造簡單且安裝、拆卸方便、施工成本低，雖然需多搭設(shè)1層鋼管支架，但均采用現(xiàn)有周轉(zhuǎn)材料和成熟工藝，增加的成本不多，且其安全性可控。因此最終選擇懸挑型鋼＋斜拉支座的支撐方式。

2.3 型鋼選型

型鋼選用截面對稱、穩(wěn)定性好的工字鋼[1]，工字鋼內(nèi)側(cè)支承于下層樓面上，用工具式卡具固定，懸挑段外端增加斜拉桿卸載。

2.4 斜拉桿選型

通過對比圓鋼、鋼絲繩等不同材料的性能及可靠程度，南寧地區(qū)使用鋼絲繩作為外架懸挑鋼梁斜拉桿的工藝成熟可靠，故選擇鋼絲繩作為斜拉桿。鋼絲繩下端連接工字鋼，鋼絲繩上端固定在上層結(jié)構(gòu)混凝土梁上的預(yù)留拉環(huán)上。

從安全角度考慮，按規(guī)范要求在同一部位設(shè)2根相同的鋼絲繩分別用作工作繩和安全繩，一用一備，提供足夠的安全儲備。

3 受力模型分析與驗(yàn)算

3.1 確定工字鋼的安裝位置

根據(jù)主體結(jié)構(gòu)及上部懸挑屋面結(jié)構(gòu)尺寸，擬定將工字鋼安裝在21層混凝土樓面（標(biāo)高79.59 m），工字鋼長9 m，外側(cè)懸挑段長4 m，內(nèi)側(cè)錨固段長5 m，內(nèi)外分設(shè)U形固定螺栓固定工字鋼。

工字鋼外端末段下側(cè)設(shè)置繩擋，確保斜拉鋼絲繩固定位置準(zhǔn)確、不發(fā)生位移（圖2）。

圖2 懸挑斜拉支撐示意

3.2 確定模板支架立桿軸力

按普通扣件式鋼管支架計(jì)算模板支撐各立桿傳遞的軸力。計(jì)算時(shí)，據(jù)JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》要求除考慮模板、架體、鋼筋及混凝土自重等靜荷載外，還考慮施工人員及設(shè)備、傾倒混凝土?xí)r的沖擊、振搗時(shí)產(chǎn)生的振動等活荷載以及風(fēng)荷載等，并對荷載進(jìn)行組合，最終確定各立桿軸力設(shè)計(jì)值。

經(jīng)計(jì)算，支承在工字鋼上的各立桿軸力分別為（從內(nèi)到外）：5.91、7.12、5.70、3.75、3.30 kN。

3.3 確定斜拉桿固定位置

斜拉桿與鋼梁的水平夾角以大于45°為宜[2]，本工程斜拉桿水平夾角約為51°，且工作繩和安全繩固定位置基本相近、夾角相同，以保證內(nèi)力、變形一致[3-4]。斜拉桿下端固定點(diǎn)位于工字鋼梁距外端0.7 m（工作繩）、0.5 m（安全繩），上端固定點(diǎn)位于22層樓面（標(biāo)高84.19 m）混凝土梁外側(cè)，在混凝土梁上埋設(shè)φ22 mm鋼筋拉環(huán)，距樓面分別為0.3 m（工作繩）、0.1 m（安全繩）。

3.4 確定計(jì)算模型

模板支架立桿支承于工字鋼梁上，工字鋼擱置于樓面上，內(nèi)側(cè)2個(gè)支點(diǎn)，外側(cè)懸挑，梁端用鋼絲繩拉結(jié)于上層結(jié)構(gòu)上。將內(nèi)側(cè)2個(gè)支點(diǎn)和上層鋼筋拉環(huán)支座簡化為鉸接節(jié)點(diǎn)，計(jì)算時(shí)考慮鋼絲繩的彈性變形，僅考慮1道斜拉桿受力。

經(jīng)計(jì)算，在工作繩（固定點(diǎn)距鋼梁外端0.7 m）受力狀態(tài)下，斜拉桿內(nèi)力、變形較大，鋼梁內(nèi)力相差不大。在工作繩受力的工況下進(jìn)行驗(yàn)算如能滿足，則在僅有安全繩受力的工況下安全系數(shù)更大，計(jì)算結(jié)果偏安全。因此選用工作繩受力時(shí)的計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)算（圖3）。

圖3 計(jì)算模型示意

3.5 設(shè)計(jì)驗(yàn)算

3.5.1 ?材料型號設(shè)定及力學(xué)參數(shù)取值

根據(jù)常用材料規(guī)格，假定懸挑鋼梁選用18#工字鋼，選用6×19的φ18 mm的鋼絲繩，對其進(jìn)行驗(yàn)算。材料的主要力學(xué)參數(shù)如下：

18#工字鋼：彈性模量E＝206 000 MPa，截面面積A＝30.7 cm2，慣性矩I＝1 660 cm4，抵抗矩W＝185 cm3。

φ18 mm鋼絲繩：彈性模量E＝92 100 MPa[5]，截面面積A＝254.5 mm2，破斷拉力F＝176 kN，安全系數(shù)K＝10（據(jù)JGJ 80—2016《建筑施工高處作業(yè)安全技術(shù)規(guī)范》，以下簡稱“規(guī)范”）。

3.5.2 ?荷載計(jì)算

模板支架上部荷載主要包括架體、模板、鋼筋及混凝土自重等靜荷載和施工荷載、混凝土振搗產(chǎn)生的荷載、風(fēng)荷載等活荷載，經(jīng)荷載組合計(jì)算[6]，每根立桿傳遞至工字鋼梁上的荷載設(shè)計(jì)值如表2所示。

表2 荷載設(shè)計(jì)值

3.5.3 ?內(nèi)力及強(qiáng)度計(jì)算

經(jīng)結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器計(jì)算，工字鋼最大彎矩Mmax＝6.19 kN·m，則有：

式中：σ——工字鋼正應(yīng)力，MPa；

Mmax——工字鋼最大彎矩，kN·m；

W——18#工字鋼截面模量，cm3；

[f]——鋼材容許強(qiáng)度值，MPa。

工字鋼抗彎強(qiáng)度滿足要求。經(jīng)計(jì)算，抗剪強(qiáng)度也滿足要求。

經(jīng)結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器計(jì)算，鋼絲繩軸向拉力T＝17.16 kN。

驗(yàn)算鋼絲繩強(qiáng)度為：

式中：K——鋼絲繩安全系數(shù)；

F——鋼絲繩破斷拉力，kN；

T——鋼絲繩軸向拉力，kN。

鋼絲繩抗拉強(qiáng)度滿足要求。

3.5.4 ?變形計(jì)算

經(jīng)結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器計(jì)算，工字鋼最大變形為4.9 mm，最大變形處位于懸挑段最外端。該變形值在允許范圍內(nèi)，如在安裝鋼絲繩時(shí)將工字鋼外端略微提起，以抵消施加荷載后的變形，可更好地保證澆筑后的混凝土構(gòu)件尺寸位置準(zhǔn)確。

3.6 不考慮鋼絲繩彈性變形時(shí)的計(jì)算結(jié)果對比

3.6.1 ?計(jì)算結(jié)果

常規(guī)進(jìn)行簡化計(jì)算時(shí)，常不考慮鋼絲繩的彈性變形，將鋼絲繩與工字鋼梁的連接點(diǎn)簡化為固定鉸支座。在該簡化模型下，計(jì)算結(jié)果為：

內(nèi)力：工字鋼最大彎矩Mmax=6.93kN·m，σ=Mmax/W=37.46 MPa。

鋼絲繩軸拉力T＝17.88 kN，K=F/T=9.84，不滿足要求。

變形：工字鋼懸挑段末端變形約等于0 mm，基本無變形。

3.6.2 ?與實(shí)際工況對比

在本例中，如不考慮鋼絲繩的彈性變形，計(jì)算結(jié)果中鋼絲繩軸拉力偏大約5%。對φ18 mm鋼絲繩進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)，不滿足規(guī)范安全系數(shù)K≥10的要求，需選擇更大規(guī)格的鋼絲繩才能滿足，與實(shí)際工況偏差較大，未能充分兼顧經(jīng)濟(jì)性。

4 模板支撐體系搭設(shè)及安全措施

4.1 固定螺栓及吊環(huán)埋設(shè)

固定工字鋼的3個(gè)U形螺栓埋設(shè)于21層樓面，其中1個(gè)距外邊0.1 m，另外2個(gè)距結(jié)構(gòu)外邊梁分別為4.6、4.8 m。固定鋼絲繩的拉環(huán)埋設(shè)于上一層（22層）樓面結(jié)構(gòu)邊梁側(cè)面，距樓面分別為0.1 m（安全繩用）、0.3 m（工作繩用）。

4.2 工字鋼及斜拉鋼絲繩安裝

根據(jù)模板支架立桿位置、鋼絲繩連接位置等尺寸參數(shù)，在工字鋼上焊接短鋼筋作為鋼管立桿定位柱，防止立桿側(cè)滑；在下側(cè)焊接角鋼作繩擋，防止鋼絲繩滑動，保證連接點(diǎn)位置準(zhǔn)確；在工字鋼與主體結(jié)構(gòu)邊緣部位焊接短槽鋼或工字鋼，防止懸挑工字鋼梁內(nèi)滑。

將工字鋼置于U形螺栓內(nèi)下墊墊板并調(diào)正位置后，用壓板、雙螺帽固定，工字鋼側(cè)面與螺栓間的空隙用硬木楔楔緊，以防止鋼梁側(cè)移（圖4）。

圖4 工字鋼錨固點(diǎn)構(gòu)造示意

鋼梁初安裝時(shí)，在懸挑段根部處墊厚10 mm木板（收緊鋼絲繩后取出），使梁外端頭預(yù)上撓約20 mm，以抵消鋼絲繩初期變形產(chǎn)生的下?lián)蟍7]；用繩卡、卸扣連接鋼絲繩上下兩端，收緊固定，并在架體搭設(shè)、混凝土澆筑過程中隨時(shí)檢查U形螺栓、螺帽的擰緊程度，保證最終受力時(shí)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的位置尺寸。

4.3 模板支架搭設(shè)

鋼梁安裝完畢后，作為模板支架基礎(chǔ)在其上搭設(shè)立桿及其他桿件，內(nèi)外支架作為一個(gè)整體同時(shí)搭設(shè)，并與主體結(jié)構(gòu)有效拉結(jié)，最后安裝模板、鋼筋。架體掃地桿處必須安裝水平剪刀撐。

4.4 安全措施

在模板支架掃地桿處鋪設(shè)腳手板作為作業(yè)面，并在其下掛設(shè)安全網(wǎng)作為安全防護(hù)，最外立桿內(nèi)側(cè)掛設(shè)密目立網(wǎng)作為立面防護(hù)。

對鋼絲繩與工字鋼接觸部位外套膠管進(jìn)行保護(hù)，避免鋼絲繩與鋼梁直接接觸，防止鋼梁切割鋼絲繩。

5 屋面混凝土澆筑及支撐架體拆除

5.1 混凝土澆筑

混凝土澆筑時(shí)，先澆筑內(nèi)側(cè)后澆筑外側(cè)，對稱平行推進(jìn)澆筑[8-9]，避免出現(xiàn)局部立桿退出工作導(dǎo)致部分立桿內(nèi)力偏大失穩(wěn)的情形，保證架體穩(wěn)定。

在澆筑過程中，在立桿下部設(shè)置變形觀測點(diǎn)，同步觀測變形數(shù)據(jù)并與計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)比對，出現(xiàn)異常時(shí)需及時(shí)檢查分析并處理。

5.2 支撐架體拆除

懸挑屋面混凝土達(dá)到齡期強(qiáng)度后才能拆除模板支架。拆除時(shí)，可僅拆除混凝土結(jié)構(gòu)模板、楞木、頂托等，保留架體作為臨邊防護(hù)和裝飾作業(yè)架體。待飾面工程全部完成后再拆除全部架體，拆除順序?yàn)椋杭荏w→鋼絲繩→工字鋼。

6 結(jié)語

本工程采用搭設(shè)高空懸挑斜拉模板支架的方法，施工操作簡單、搭拆方便，相關(guān)構(gòu)、配件易于獲取且能二次使用，節(jié)約成本。

在本文所介紹的方法中，對懸挑鋼梁可能產(chǎn)生的側(cè)向變形等不穩(wěn)定因素并未考慮，其有可能對懸挑支撐架產(chǎn)生不利影響，但在施工過程中如能保證鋼絲繩、鋼梁的位置準(zhǔn)確，并做好支架掃地桿、剪刀撐等構(gòu)造措施，應(yīng)能將施工控制在安全范圍之內(nèi)。

在進(jìn)行簡化計(jì)算時(shí)，通過考慮鋼絲繩的彈性變形，從而使計(jì)算模型更接近實(shí)際工況，同時(shí)兼顧了施工的安全性和經(jīng)濟(jì)性，為今后的同類施工提供了一定的指導(dǎo)和可資借鑒的經(jīng)驗(yàn)。