簡支轉(zhuǎn)連續(xù)超高大跨非標(biāo)鋼筋桁架樓承板施工技術(shù)*

吳 智，何昌杰，呂基平，陳方杰，李 璐

(1.中建五局第三建設(shè)有限公司，湖南 長沙 410004; 2.中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

1 工程概況

長沙湘江歡樂城冰雪世界項(xiàng)目為一個依托百米深礦坑建造的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)。其主體結(jié)構(gòu)包括3部分：立于坑底的大截面鋼筋混凝土柱及剪力墻豎向支撐；中部主功能區(qū)的16.000m標(biāo)高平臺(離坑底最深處達(dá)60m，采用大截面鋼筋混凝土箱形梁及工字梁)；平臺上部由鋼柱及空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形成鋼結(jié)構(gòu)屋蓋，其上為水樂園。本文重點(diǎn)介紹空間網(wǎng)格屋蓋鋼筋桁架樓承板的施工技術(shù)。

屋蓋由南北徑向主桁架、東西向次桁架相互貫通形成網(wǎng)格體系，環(huán)桁架收邊，共3部分(見圖1)。其中主桁架采用組合桁架體系，貫穿屋蓋結(jié)構(gòu)；次桁架采用單片桁架體系；環(huán)桁架為三角桁架體系，環(huán)抱屋蓋結(jié)構(gòu)。主桁架和次桁架主要由箱形截面組成，環(huán)桁架由圓管截面和箱形截面組成。

圖1 屋蓋空間網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)整體三維示意

本工程屋蓋平臺與16.000m標(biāo)高平臺高差為35m，屋蓋平臺面積約29 000m2，板厚250mm,次梁間距5 800～ 6 000mm。采用目前國內(nèi)最大跨TD9-220型鋼筋桁架樓承板，板寬為600mm(見圖2)，每延米質(zhì)量為20kg/m2，經(jīng)計算，單跨樓承板最大無支撐凈跨為 5 200mm，無法滿足現(xiàn)有樓承板自承跨度施工要求；若按多跨連續(xù)板設(shè)置能滿足本工程跨度需求，但按單塊多跨樓承板設(shè)置其質(zhì)量過大無法搬運(yùn)，且樓承板過長易在加工及運(yùn)輸過程中產(chǎn)生過大變形，損傷樓承板，因此若以單塊單跨樓承板進(jìn)行鋪設(shè)，無論是從樓承板本身保護(hù)還是從工人操作便捷性方面考慮都是合理選擇。但單跨樓承板凈跨大于 5 200mm，在澆筑混凝土?xí)r需對樓承板設(shè)置臨時支撐或采取加強(qiáng)措施保證其跨中撓度滿足施工要求。為此對于鋼筋桁架樓承板跨度超出其常規(guī)最大承載跨度的問題，通過多種鋼筋桁架樓承板加固施工方案比選，確定采用施工簡單、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的超高大跨非標(biāo)鋼筋桁架樓承板施工技術(shù)。

圖2 鋼筋桁架模板大樣

2 鋼筋桁架樓承板加固施工方案對比

2.1 樓承板跨中搭支撐架形式

當(dāng)施工區(qū)域內(nèi)簡支跨度大于其最大承載跨度時，可通過在跨中設(shè)置腳手架支撐來減小其跨距(見圖3)。具體施工流程為：材料轉(zhuǎn)運(yùn)至現(xiàn)場→彈線、定位→擺放掃地桿和立桿并扣緊→安裝橫桿并扣緊→設(shè)置斜撐桿→重復(fù)上述步驟安裝2層及以上腳手架→安裝頂托、支撐樓承板→綁扎防護(hù)及布置擋腳板。

圖3 滿堂架支撐示意

本方案優(yōu)點(diǎn)為：腳手架搭設(shè)工藝簡單，不需要動火動焊；有利于樓層下部支架、管道、線路安裝及涂料施工。但冰雪世界項(xiàng)目屋蓋平臺距離下部16.000m標(biāo)高平臺高度為35m，腳手架搭設(shè)區(qū)域面積29 000m2。 其缺點(diǎn)在于：腳手架支撐體系措施量大，搭設(shè)費(fèi)時、費(fèi)力，不利于保證樓板的施工進(jìn)度；搭設(shè)腳手架支撐占用大量空間，會影響屋蓋桁架鋼結(jié)構(gòu)在平臺上的拼裝，且預(yù)計會產(chǎn)生900萬元以上的措施費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)性較差。

2.2 鋼梁兩側(cè)三角架支撐形式

依據(jù)樓承板設(shè)計跨度不超過5.2m的原則，通過在次梁兩側(cè)設(shè)置三角架支撐來減小大跨距樓承板的實(shí)際受力跨距(見圖4)，從而使得施工滿足要求。

圖4 三角架支撐示意

1)支撐構(gòu)件采用∟70×5，主要包括加強(qiáng)角鋼、懸挑角鋼、斜撐角鋼、水平連接角鋼。

2)加強(qiáng)角鋼的內(nèi)角貼合焊接于鋼桁架(或鋼梁)上，懸挑角鋼焊接于加強(qiáng)角鋼上，斜撐角鋼與懸挑角鋼外伸端焊接，并呈45°向下支承于鋼桁架(或鋼梁)上。

3)相鄰三角架間距為600mm，懸挑端采用水平連接角鋼，不僅增加承載力，而且加強(qiáng)三角架之間的整體性。

具體施工流程為：材料轉(zhuǎn)運(yùn)至屋蓋平臺→焊接加強(qiáng)角鋼→焊接懸挑角鋼→焊接斜撐角鋼→焊接水平連接角鋼→鋪筑樓承板。

三角架支撐的優(yōu)點(diǎn)在于：承載力大，能滿足較大的荷載需求；總體成本較低，施工可操作性強(qiáng)。但其缺點(diǎn)在于：安裝及焊接等高空作業(yè)較多，存在較大風(fēng)險，需加強(qiáng)安全措施；在主體結(jié)構(gòu)上施焊，需征求設(shè)計單位的同意；角鋼數(shù)量及焊接數(shù)量多，施工速度慢，不利于本工程施工進(jìn)度的開展。本方案預(yù)計產(chǎn)生750萬元以上的措施費(fèi)用，成本較大。

2.3 梁面立柱拉結(jié)加固形式

立柱拉結(jié)加固的主要措施如下：

1)采用高度為2m的I16立柱，將其單排豎立焊接在鋼桁架(或鋼梁)中部，縱向間距600mm。

2)采用長約2.4m的φ16鋼絲繩拉結(jié)樓承板上的鋼筋，與鋼筋連接端采用掛鉤和M16-00型花籃螺栓進(jìn)行調(diào)節(jié)，掛鉤在澆筑時直接埋入混凝土中，外露部分后期切割。

3)每個立柱兩側(cè)各布置3根鋼絲繩，拉桿端頭的掛鉤間距為200mm。

4)為加強(qiáng)立柱的穩(wěn)定性，在立柱高1m處采用∟50×3設(shè)置橫向連系(見圖5)。

圖5 立柱拉結(jié)加固示意

主要施工流程為：材料轉(zhuǎn)運(yùn)至屋蓋平臺→彈線、定位→豎立鋼柱并焊接底部→焊接鋼柱頂部連接鋼板→穿掛鋼絲繩→穿掛花籃螺栓和掛鉤→掛鉤與樓承板鋼筋連接→調(diào)節(jié)花籃螺栓控制樓承板高度。

本方案通過鋼絲繩將樓承板跨中部分荷載轉(zhuǎn)移至立柱上，直接由鋼桁架(或鋼梁)來承擔(dān)，有效減少了施工時樓承板跨中的位移。但鋼絲繩及掛鉤等在平面上布置多，可能對混凝土的澆筑及振搗產(chǎn)生一定影響；并且掛鉤與樓承板鋼筋拉結(jié)，在混凝土落差較大或堆載過高時，可能會將鋼筋與鋼板的焊接點(diǎn)拉開，導(dǎo)致鋼板脫落。通過計算，本方案預(yù)計產(chǎn)生700萬元以上的措施費(fèi)用，成本較高。

2.4 樓承板簡支跨轉(zhuǎn)為連續(xù)跨加固形式

通過將鋼筋桁架樓承板設(shè)計為連續(xù)跨布設(shè)，在其支座處產(chǎn)生負(fù)彎矩，從而減小跨中的彎矩與撓度。但考慮到樓承板由人工鋪設(shè)，直接布置多跨樓承板質(zhì)量過大無法施工，因此僅能以單跨樓承板進(jìn)行鋪設(shè)，再通過短鋼筋與桁架樓承板上下弦鋼筋焊接將簡支跨轉(zhuǎn)為連續(xù)跨，從而解決樓承板跨中撓度大、容易下?lián)鲜Х€(wěn)的難題。在支座處增加附加鋼筋解決支座負(fù)彎矩帶來的板面開裂難題(見圖6)。

圖6 簡支跨轉(zhuǎn)連續(xù)跨鋼筋樓承板示意

本方案既能保證超長鋼筋桁架樓承板工人安裝的可操作性和高工效性，又能保證鋼筋桁架樓承板下部免支撐情況下施工荷載加載時作業(yè)人員的安全，有效控制鋼筋桁架樓承板跨中撓度及梁板交界處的開裂，能很好滿足本項(xiàng)目現(xiàn)場施工要求。且本方案的措施費(fèi)用控制在200萬元以內(nèi)。

4種方案的適用性對比如表1所示。樓承板簡支跨轉(zhuǎn)為連續(xù)跨加固形式遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于前3個方案，且經(jīng)濟(jì)合理，施工作業(yè)環(huán)境安全。

表1 加固施工方案對比

3 鋼筋桁架樓承板簡支跨轉(zhuǎn)為連續(xù)跨施工工藝

為解決長沙湘江歡樂城冰雪世界項(xiàng)目中屋蓋鋼筋桁架樓承板板跨過大的問題，通過使用短鋼筋將相鄰簡支跨鋼筋桁架樓承板主筋進(jìn)行焊接，使其轉(zhuǎn)換為連續(xù)跨鋼筋桁架樓承板，有效控制了鋼筋桁架樓承板的跨中撓度，有效保證了施工作業(yè)面及作業(yè)人員安全。具體施工步驟如下。

3.1 鋼筋桁架樓承板鋪設(shè)

樓承板鋪設(shè)前，按圖紙所示的起始位置測出鋪板時的基準(zhǔn)線。對準(zhǔn)基準(zhǔn)線，安裝第1塊板，并依次安裝其他板。樓承板連接采用扣合方式，板與板之間的接縫應(yīng)連接緊密，保證澆筑混凝土?xí)r不漏漿，同時注意排板方向要一致?？玳g收尾處若板寬不足600mm，可將鋼筋桁架樓承板的鍍鋅鋼板沿鋼筋桁架長度方向切割，切割后板上至少有1榀或2榀鋼筋桁架，不得將鋼筋桁架切斷，防止樓承板鍍鋅鋼板與腹桿鋼筋脫離，鋼筋桁架樓承板垂直于鋼梁處，板端部擱置鋼梁上的搭接長度≥100mm。

3.2 板端豎向加強(qiáng)筋與鋼梁焊接

待所有鋼筋桁架樓承板鋪設(shè)完畢后，使用電焊機(jī)將鋼筋桁架樓承板的板端豎向加強(qiáng)筋焊接于鋼梁上部，使鋼筋桁架樓承板傳力到鋼梁上，增強(qiáng)鋼筋桁架剛度，臨時固定鋼筋桁架樓承板，焊縫高度為6mm。

3.3 栓釘焊接固定

栓釘穿透鋼筋桁架樓承板鍍鋅鋼板焊接在鋼梁上，栓釘焊接前應(yīng)對瓷環(huán)進(jìn)行烘焙；栓釘焊接根部焊腳應(yīng)均勻，焊腳立面局部未融合或不足360°應(yīng)進(jìn)行修補(bǔ)；栓釘焊接完成后進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，焊縫和熱影響區(qū)不得有肉眼可見的裂紋。

3.4 短鋼筋將兩相鄰簡支跨主筋相連焊接

鋼筋桁架樓承板栓釘焊接固定后，在相鄰簡支跨樓承板之間使用與樓承板桁架上弦鋼筋、下弦鋼筋等直徑、同等材質(zhì)的短鋼筋搭接焊接，搭接焊長度10d(d為鋼筋直徑)，使簡支跨樓承板連接成連續(xù)跨形成整體板塊，支座處產(chǎn)生負(fù)彎矩增強(qiáng)樓承板受力，跨中撓度變形小。

3.5 布結(jié)構(gòu)板通長鋼筋

待鋼筋桁架樓承板鋪設(shè)一定面積連接固定之后，按照設(shè)計圖紙要求開始綁扎結(jié)構(gòu)板垂直桁架方向通長鋼筋，平行桁架方向通長鋼筋采用綁扎搭接，形成雙層雙向樓承板結(jié)構(gòu)，以防止鋼筋桁架側(cè)向失穩(wěn)。

3.6 布板支座附加鋼筋

板支座附加鋼筋底筋與通長鋼筋底筋一起綁扎。附加鋼筋面筋在通長鋼筋面筋綁扎完成后開始布設(shè)，與垂直于鋼梁方向通長鋼筋面筋隔一布一，采用扎絲綁扎。確保支座兩側(cè)的鋼筋桁架樓承板形成整體受力，防止鋼筋桁架樓承板簡支跨轉(zhuǎn)為連續(xù)跨后支座處負(fù)彎矩帶來板面開裂。

3.7 檢查驗(yàn)收

待所有樓板鋼筋及制作鋼筋綁扎完成后形成如圖6所示結(jié)構(gòu)，針對各構(gòu)(配)件進(jìn)行檢查，對位置、加固方式、緊固方式等進(jìn)行檢查驗(yàn)收。鋼筋桁架樓承板驗(yàn)收合格后再進(jìn)行樓板混凝土澆筑，在澆筑混凝土?xí)r，不得直接對準(zhǔn)樓承板進(jìn)行沖擊，應(yīng)從支座處進(jìn)行鋪放然后向四周攤開。

4 鋼筋桁架樓承板施工階段驗(yàn)算

4.1 單跨簡支板模型施工階段驗(yàn)算

當(dāng)直接布置鋼筋桁架樓承板不采取相應(yīng)加固措施時，可通過單跨簡支板的計算模型對其進(jìn)行撓度驗(yàn)算。以最短跨5.8m跨度的鋼筋桁架樓承板為例進(jìn)行驗(yàn)算。

5.8m單跨簡支板參數(shù)為：計算跨度L0為 5 800mm，樓板厚度h為250mm，計算寬度b為200mm，鋼筋彈性模量Es為 200 000MPa，混凝土容重γ為25kN/m3，截面慣性矩I0為4 260 700mm4。

根據(jù)CECS 273∶2010《組合樓板設(shè)計與施工規(guī)范》計算如下。

施工階段桁架撓度：

工況1：f1=25.072mm

工況2：f2=24.596mm

施工結(jié)束后：f=25.072mm

撓度最大值：

根據(jù)《組合樓板設(shè)計與施工規(guī)范》，撓度限值取fmax與20mm中較小值，即撓度限值為20mm。最大撓度25.072mm，大于撓度限值，不滿足規(guī)范要求。

4.2 多跨連續(xù)板模型施工階段驗(yàn)算

通過短鋼筋與桁架樓承板上下弦鋼筋焊接將簡支跨轉(zhuǎn)為連續(xù)跨，在支座處產(chǎn)生負(fù)彎矩，減小跨中彎矩與撓度，從而解決單跨簡支情況下?lián)隙冗^大的問題。以下為本項(xiàng)目最大跨6m跨度連續(xù)板模型驗(yàn)算過程(計算跨度L0=6 000mm)。

施工階段桁架撓度：

工況1：f1=11.489mm

工況2：f2=11.802mm

施工結(jié)束后：f=11.802mm

撓度最大值：

撓度限值取fmax與20mm中較小值，即撓度限值為20mm。f1，f2,f均小于20mm，所以撓度滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

簡支跨轉(zhuǎn)連續(xù)跨鋼筋桁架樓承板施工技術(shù)成功應(yīng)用于長沙湘江歡樂城冰雪世界項(xiàng)目，克服了非標(biāo)超重鋼筋桁架樓承板采用人工搬運(yùn)施工難以就位難題；解決了非標(biāo)超長鋼筋桁架樓承板簡支跨跨中撓度過大難題。該技術(shù)施工方便，操作簡單，安全可靠，提高效率，降低材耗，縮短工期，為超高大跨非標(biāo)現(xiàn)澆混凝土鋼筋桁架樓承板免支撐施工提供了現(xiàn)實(shí)案例。