一種矩形柱模板附加主龍骨加固施工方法

時明雪，鄭 璐，梁先軍，李育權，何 強

（1、中國建筑第四工程局有限公司 廣州510665；2、中建四局華南建設有限公司 廣州510663；3、湖南交通工程學院 湖南衡陽421000）

0 引言

一般工程施工，采用鋼管作為柱加固的主龍骨。當柱截面尺寸大于600 mm×600 mm時，受到鋼管材料本身的特性限制，模板加固通常需要在柱中設置穿芯螺桿，才能保證澆筑混凝土時，避免爆模情況。目前地下城市為增加建筑容積率，通常采用框架結構或框架-剪力墻結構進行設計，因此大截面結構柱或超大截面結構柱被應用于越來越多工程實例。采用一種能夠安全、快速、保證結構成型質(zhì)量的加固體系，是研究的重點方向。目前已使用的方法有預制木盒加固法［1］、可調(diào)卡箍加固法［2-4］、工字鋼穿孔加固法［5，6］、槽鋼對焊加固法［7，8］、型鋼替換木方作為主次梁法［9］等；為使大截面框架柱能夠達到清水混凝土效果，鄧亮文等人［10］對可采用的相關施工方法進行了分析，目前常用的是可調(diào)卡箍加固和型鋼加固法?？烧{(diào)節(jié)卡箍加固法的優(yōu)點是施工方便，缺點是用量較少時成本高，且柱截面超過1.2 m 以上受限條件較多。而型鋼加固法對型鋼材料進行穿孔破壞，不利于型鋼材料周轉(zhuǎn)，且螺桿必須跟隨型鋼進行設置，相對不便。

本文提出一種大截面柱加固技術，該技術具有節(jié)約材料、保證質(zhì)量、提高工期、利于環(huán)保等優(yōu)點。通過本文提出的加固技術，成功地在廣州市番禺區(qū)某項目進行了應用，產(chǎn)生較高了的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 工程概況

某項目位于廣州市番禺區(qū)，項目總建筑面積約36.85 萬m2，共有5 棟塔樓，塔樓最大建筑高度均為179.07 m。共5 層地下室。本工程為框架剪力墻結構，負5 層～2 層有鋼骨混凝土框支柱，最大框支柱截面為1 500 mm×1 900 mm。

2 工法特點

相較于傳統(tǒng)的加固方式，附加主龍骨的加固施工方法能夠在安全可靠的前提下，通過采用型鋼龍骨，并設置附加主龍骨加固體系（見圖1），優(yōu)化對拉螺桿間距，避免在型鋼材料上進行開孔、焊接等作業(yè)，提高了型鋼的周轉(zhuǎn)利用率。

在保證混凝土成型質(zhì)量的同時，提高整體觀感，優(yōu)化墻體抹灰工程作業(yè)，減少工程濕作業(yè)范圍，利于環(huán)保施工，且實現(xiàn)了較高的經(jīng)濟效益。該加固體系主要技術特點為：

圖1 附加主龍骨加固體系Fig.1 Additional Main Keel Reinforcement System

⑴提高型鋼周轉(zhuǎn)利用率，節(jié)約型材。目前應用較多的是直接對主龍骨進行焊接或穿孔連接，此舉嚴重損壞作為主龍骨的鋼結構，對其直接燒焊等情況所產(chǎn)生的應力損失無法判定。采用附加主龍骨，可以采用將對拉螺桿固定在附加主龍骨上，避免對型鋼開孔或焊接等有損加固做法，同時還可根據(jù)結構受力情況優(yōu)化螺桿間距，真正達到節(jié)材目的。

⑵取材方便，造價低廉。采用型鋼作為加固體系的主龍骨，可就地取材，采用現(xiàn)場常用的槽鋼或工字鋼等型鋼材料，且可循環(huán)利用，節(jié)約資源。

⑶提高模板周轉(zhuǎn)率。采用型鋼等大剛度材料，替代傳統(tǒng)普通鋼管或方通作為主龍骨，進而能夠取消中部穿芯螺桿，避免模板開孔，有效提高模板的周轉(zhuǎn)效率，如圖2所示。

圖2 取消穿芯螺桿Fig.2 Cancel the Reinforcement of Core Screw

⑷成型觀感效果好。采用附加主龍骨和型鋼作為主龍骨的加固體系，結構成型面無額外的洞口修補或漏漿，無需修補，整體觀感好，如圖3所示。

圖3 成型觀感效果Fig.3 Shaping Effect

⑸經(jīng)濟效益高。采用附加主龍骨加固體系成型后，因觀感好，可以優(yōu)化掉結構墻體抹灰的施工工藝，減少工程濕作業(yè)施工，在工期、環(huán)保及經(jīng)濟效益上都極其有利。

⑹避免在鋼骨上焊接對拉螺桿，減少鋼結構熱應力損失，不損傷整體結構強度。

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 施工工藝流程

方案編制?方案審批?方案交底?施工準備?彈線定位（柱邊線、50控制線）?鋼筋綁扎、驗收?模板安裝、驗收?澆筑混凝土、監(jiān)測模架變形?成型拆模。

3.2 操作要點

⑴編制施工方案并提供計算書，審批通過后，對工人進行交底并現(xiàn)場指導，確?，F(xiàn)場嚴格按照方案內(nèi)容實施。

⑵彈線定邊線和500 mm控制線，不得設置200 mm控制線，便于后期及時復核模板安裝垂直平整度。

⑶安裝完次龍骨，開始安裝主龍骨。主龍骨采用16#工字鋼安裝，設置間距400 mm，從下往上設置，同時主龍骨豎向間距采用木方支撐（見圖4），起臨時固定作用，防止下落。同時采用鐵絲固定在模板上，保證在附加主龍骨安裝之前，主龍骨的安全穩(wěn)定性。

圖4 短木方支撐做法示意Fig.4 Practice of Short Square Timber Support

⑷主龍骨固定好，開始安裝附加主龍骨，附加龍骨采用φ48×3.0厚鋼管，豎向加固在主龍骨四周，同時對附加主龍骨穿對拉螺桿。對拉螺桿間距不用隨主龍骨間距，在滿足方案要求前提下，可依據(jù)受力情況調(diào)整間距（可按照下密上疏進行調(diào)整），如圖5所示。

圖5 螺桿間距Fig.5 Screw Spacing

⑸加固完成后，設置監(jiān)測傳感器，監(jiān)測附加龍骨在澆筑過程中的傾斜程度；在主龍骨（槽鋼）下部設置位移傳感器，監(jiān)測主龍骨（槽鋼）在混凝土澆筑過程中的位移，制定預警值與報警值范圍。

4 柱模板（支撐不等間距）計算書

4.1 荷載組合

其荷載組合如表1所示，支撐設計如圖6所示。

有效壓頭高度h=G4k/γc=38.403/24=1.6 m

承載能力極限狀態(tài)設計值Smax=0.9max［1.2G4k+1.4Q3k，1.35G4k+1.4×0.7Q3k］ =0.9max ［1.2×38.403+1.4×2，1.35×38.403+1.4×0.7×2］=0.9max［48.884，53.804］=0.9×53.804=48.424kN/m2

Smin=0.9×1.4Q3k=0.9×1.4×2=2.52 kN/m2。

正常使用極限狀態(tài)設計值S'max=G4k=38.403 kN/m2，S'min=0 kN/m2。

圖6 螺桿間距設計Fig.6 Design of Screw Spacing

4.2 面板驗算

現(xiàn)場模板厚度為15 mm，考慮尺寸偏差及周轉(zhuǎn)磨損，厚度按照13 mm 計算。根據(jù)《建筑施工模板安全技術規(guī)范：JGJ 162-2008》，面板截面寬度取單位寬度，即b=1 000 mm。

W=bh2/6=1 000×132/6=28 166.667 mm3，I=bh3/12=1 000×133/12=183 083.333 mm4

考慮到工程實際和驗算簡便，不考慮有效壓頭高度對面板的影響。

4.2.1 強度驗算

最不利受力狀態(tài)如圖7 所示，按四等跨連續(xù)梁驗算，計算簡圖如圖7所示。

圖7 模板受力計算簡圖Fig.7 Stress calculation Diagram of Panel

靜 載 線 荷 載q1=0.9×1.35×bG4k=0.9×1.35×1.0×38.403=46.66 kN/m

活載線荷載q2=0.9×1.4 × 0.7×bQ3k=0.9×1.4 ×0.7×1.0×2=1.764 kN/m

Mmax=-0.107q1l2-0.121q2l2=-0.107×46.66×0.192-0.121×1.764×0.192=-0.188 kN·m

σ=Mmax/W=0.188×106/28 166.667=6.675 N/mm2≤［f］=37 N/mm2，滿足要求。

位于歐洲的波羅的海地區(qū)，從上世紀六七十年代開始逐漸重視波羅的海的環(huán)境保護，并逐步構建起海洋環(huán)保領域的區(qū)域合作。經(jīng)過將近半個世紀的發(fā)展，波羅的海地區(qū)在赫爾辛基公約框架下建立起來的環(huán)保合作具有很強的綜合性，機制化程度很高，做出了令人矚目的貢獻，成為世界半閉海地區(qū)海洋合作的典范。

4.2.2 撓度驗算

作用線荷載q'=bS'max=1.0×38.403=38.403 kN/m；計算簡圖如圖8 所示。ν＝0.632q'l4/（100EI）=0.632×38.403×1904/（100×10 584×183 083.333）=0.163 mm≤［ν］=l/400=190/400=0.475 mm，滿足要求。

表1 荷載基本組合Tab.1 Basic Load Combination

圖8 面板撓度驗算計算簡圖Fig.8 Calculation Diagram of Panel Deflection Checking Calculation

4.3 小梁驗算

現(xiàn)場木方截面尺寸為50 mm×100 mm；考慮尺寸偏差及磨損，按照47 mm×95 mm計算。

4.3.1 強度驗算

qmax=lSmax=0.19×48.424=9.201 kN/m

qmin=lSmin=0.19×2.52=0.479 kN/m。

小梁彎矩如圖9所示。Mmax=0.184 kN·m，σ=Mmax/W=0.184×106/67 688=2.718 N/mm2≤［f］=12.87 N/mm2，滿足要求。

圖9 小梁彎矩Fig.9 Beam Bending Moment

q'max=lS'max=0.19×38.403=7.297 kN/m，q'min=lS'min=0.19×0=0 kN/m。

小梁撓度變形如圖10所示。νmax=0.095 mm≤［ν］=l/400=500/400=1.25 mm，滿足要求。

圖10 小梁撓度Fig.10 Deflection of Trabecula

4.3.3 支座反力計算

⑴承載能力極限狀態(tài)

承載能力極限狀態(tài)支座反力剪力如圖11a 所示。R1=3.736 kN，R2=0.586 kN，R3=2.256 kN，R4=1.429 kN，R5=2.723 kN，R6=3.319 kN，R7=3.210 kN，R8=3.165 kN，R9=3.454 kN，R10=2.193 kN，R11=2.104 kN，R12=2.811 kN，R13=1.434 kN。

⑵正常使用極限狀態(tài)

正常使用極限狀態(tài)支座反力剪力如圖11b 所示。

R'1=2.963 kN，R'2=0.465 kN，R'3=1.790 kN，R'4=1.133 kN，R'5=2.160 kN，R'6=2.632 kN，R'7=2.545 kN，R'8=2.511kN，R'9=2.736kN，R'10=1.752kN，R'11=1.627kN；R'12=2.218 kN，R'13=0.881 kN。

圖11 小梁支座反力Fig.11 Inverse of Beam Support

4.3.4 抗剪驗算

由圖11a 可知，Vmax＝1.896 kN，τ＝3Vmax/（2bh）=3×1.896×103/（2×45×95）=0.665 N/mm2≤［τ］=1.485 N/mm2，滿足要求。

4.4 柱箍驗算

主梁采用16#國標工字鋼計算。相關參數(shù)分別為：柱箍截面面積A=25.15 cm2；柱箍截面慣性矩I=1 130 cm4；柱箍截面抵抗矩W=141 cm3；柱箍抗彎強度設計值［f］=205 N/mm2；柱箍彈性模量E=2.06×105N/mm2；由4.3 節(jié)小梁驗算的“支座反力計算”可知，柱箍取小梁對其反力最大的那道驗算連續(xù)梁中間集中力取小梁最大支座；兩邊集中力取小梁荷載取半后，最大支座反力的一半。

4.4.1 長邊柱箍

取小梁計算中l(wèi)=1 900/（11-1）=190 mm=0.19 m 代入小梁計算中得到：

承載能力極限狀態(tài)：Rmax=ηMax［3.736，0.586，2.256，1.429，2.723，3.319，3.210，3.165，3.454，2.193，2.104，2.811，1.434］=0.6×3.736=2.242 kN

正常使用極限狀態(tài)：R'max=ηMax［2.963，0.465，1.790，1.133，2.160，2.632，2.545，2.511，2.736，1.752，1.627，2.218，0.881］=0.6×2.963=1.778 kN

4.4.2 短邊柱箍

取小梁計算中l(wèi)=1 500/（9-1）=187.5 mm=0.188 m代入小梁計算中得到：

承載能力極限狀態(tài)：Rmax=ηMax［3.697，0.580，2.233，1.414，2.694，3.284，3.176，3.131，3.417，2.170，2.082，2.781，1.419］=0.6×3.697=2.218 kN

正常使用極限狀態(tài)：R'max=ηMax［2.932，0.460，1.771，1.122，2.137，2.604，2.518，2.484，2.707，1.733，1.610，2.195，0.872］=0.6×2.932=1.759 kN

⑴強度驗算

長邊柱箍計算簡圖如圖12a所示，Mmax=7.432 kN·m，σ=Mmax/W=7.432×106/116 800=63.63 N/mm2≤［f］=205 N/mm2，滿足要求。

短邊柱箍計算簡圖如圖12b所示，Mmax=4.995 kN·m，σ=Mmax/W=4.995×106/116 800=42.765 N/mm2≤［f］=205 N/mm2，滿足要求。

圖12 主梁受力計算簡圖Fig.12 Stress Calculation Diagram of Main Beam

⑵支座反力計算

長邊柱箍支座反力：

Rc1=11.21/η=11.21/0.6=18.683 kN

Rc2=11.21/η=11.21/0.6=18.683 kN

短邊柱箍支座反力：

Rd1=8.872/η=8.872/0.6=14.787 kN

Rd2=8.872/η=8.872/0.6=14.787 kN

⑶撓度驗算

長邊柱箍計算變形如圖13a所示，νmax=1.634 mm≤［ν］=l/400=2 276/400=5.69 mm，滿足要求。

短邊柱箍計算變形如圖13b所示，νmax=0.742 mm≤［ν］=l/400=1 876/400=4.69 mm，滿足要求。

圖13 主梁受力變形Fig.13 Deformation of Main Beam

4.5 對拉螺栓驗算

對拉螺桿類型為M16 型號，軸向拉力設計值Ntb=24.5 kN，扣件容許荷載為26 kN，N=Max［Rc1，Rc2，Rd1，Rd2］=18.683 kN≤Ntb=24.5 kN，N=18.683 kN≤26 kN，滿足要求。

5 效益分析

5.1 經(jīng)濟效益

采用超大截面柱無穿芯對拉螺桿加固施工工法的共有8層，和普通穿芯螺桿做法相比，單層相關工序及工期對比情況如表2所示。

從表2 中可知：超大截面柱無穿芯對拉螺桿加固施工工法每層可節(jié)省工期2.5 d，共節(jié)省工期20 d。

⑴采用傳統(tǒng)施工技術，柱每m2施工人工費（含后期塞縫等處理）約70.0元，而采用無穿墻螺桿施工技術柱每m2人工費約51.5 元。由此柱每m2可節(jié)約人工費為70.0-51.5=18.5 元，共節(jié)約18.5×1 230=22 755元。

⑵按節(jié)約工期20 d 所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益：每天管理人員按20 人，平均工資5 000 元/人/月，水電費1.5 萬元/月，設備租憑費按20 萬/月計算，則經(jīng)濟效益為：（20×5 000+15 000+200 000）×20÷30=210 000元。

⑶傳統(tǒng)的柱模板加固為雙鋼管加固，雙鋼管租賃費為130 元/t/月，12 個月起租。16#穿墻螺桿費用為8.5 元/m，每根柱豎直方向10 道柱箍，可周轉(zhuǎn)使用。一次需要投入的費用為：

①雙鋼管：［（2+2.4）×2×16］×3×4=1 843.25 m，重量為1 843.25 m×3.3 kg/m=6 082.7 kg=6.1 t，費用為6.1×130×12=9 516元；

②穿墻螺桿：（5×2×10+6×2.4×10）×3×4=2 928 m，費用為2 928×8.5=24 888元；

故傳統(tǒng)柱加固材料一次投入所需費用為：9 516+24 888=34 404元。

⑷采用型鋼加固柱模板時，16#工字鋼采用其他項目調(diào)撥方式，綜合費用為50 元/m，共設置11 道工字鋼，使用完畢后，可周轉(zhuǎn)使用懸挑外架使用，其成本綜合考慮在懸挑外架內(nèi)，不在此處考慮。16#對拉螺桿費用為8.5元/m，每根柱豎直方向共設置20道對拉螺桿，材料周轉(zhuǎn)使用，一次需要投入的費用為16#對拉螺桿的費用：［（2+2.4）×2×20］×3×4=2 112 m，費用為2 112×8.5=17 952元。

故采用槽鋼加固材料一次投入所需要的費用為17 952元。

⑸采用傳統(tǒng)施工技術柱每m2施工需要木模板材料費用65.5元，可周轉(zhuǎn)5次，不可回收，造價13.1元/m2，PVC套管材料費用約1 元/m2，實際造價為10 元/m2。采用無穿墻螺桿施工技術，木模板材料費用65.5 元，可周轉(zhuǎn)10次，不可回收，實際造價6.55元/m2。每m2節(jié)省材料費用13.1-6.55=6.55元，共節(jié)約材料費用6.55×1 230=8 056.5元。

⑹總經(jīng)濟效益：22 755+210 000+（34 404-17 952）+8 056.5=257 263.5元。

⑺綜合效益：257 263.5÷1 230=209.16元/m2。

5.2 社會效益

超大截面柱無穿芯對拉螺桿加固施工工法推進了綠色環(huán)保、質(zhì)量可靠的矩形柱施工的飛速發(fā)展，促進了大截面柱模板周轉(zhuǎn)次數(shù)明顯增加，節(jié)省了施工過程中模板的損耗，提高了模板的利用率。該方法避免了傳統(tǒng)方法施工后存在的螺桿孔，提高了后期柱混凝土表面的感觀質(zhì)量，能滿足施工綠色、環(huán)保的要求。

表2 本方法與傳統(tǒng)工藝做法工期對比Tab.2 Comparison of Construction Period between this Method and Traditional Process （d）

6 結論

本文提出的一種矩形柱附加主龍骨加固的施工方法，以廣州市番禺區(qū)某項目為依托，通過該加固方法，提高了型鋼周轉(zhuǎn)利用率和整體觀感，減少了工程濕作業(yè)范圍，利于環(huán)保施工，實現(xiàn)了較高的經(jīng)濟效益。