一種新型裝配式懸挑輕鋼模架施工平臺體系*

曹萬林，楊兆源，魏海豐，張廣亮，章俊華，殷 飛

(1.北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部，北京 100124； 2.中交第四公路工程局有限公司，北京 100022)

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷推進(jìn)，以工業(yè)化為依托實(shí)現(xiàn)住宅建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展已成為必然趨勢。裝配式綠色節(jié)能住宅建筑的研發(fā)與推廣已經(jīng)成為國家建設(shè)的重大需求[1]。自2017年起，我國出臺了一系列措施推動裝配式綠色節(jié)能住宅的發(fā)展與應(yīng)用[2]。

裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)在多層及中高層住宅工程應(yīng)用中逐漸普及[3]。為保證施工質(zhì)量，構(gòu)件起吊組裝、設(shè)備安裝以及外部裝飾等環(huán)節(jié)，都不可避免的需要施工人員進(jìn)行室外高空作業(yè)[4]。多層及中高層住宅建筑外立面施工難度大，危險性較高。施工過程中通常要搭建腳手架或懸挑施工防護(hù)平臺等，以滿足施工和安全防護(hù)需求[5]。

目前國內(nèi)外應(yīng)用較多的施工作業(yè)外防護(hù)體系主要包括腳手架體系[6-8]、導(dǎo)軌式爬架施工平臺[9-10]、附著式升降平臺[11]以及整體液壓平臺體系[12]等，部分施工平臺如圖1所示?？紤]工程造價因素，住宅建筑中多采用腳手架體系、裝配化附著式升降平臺或?qū)к壥脚兰芷脚_作為施工防護(hù)結(jié)構(gòu)。

圖1 施工作業(yè)平臺

傳統(tǒng)腳手架體系弊端在于：進(jìn)場及施工過程中占用場地面積大，造成資源浪費(fèi)；裝配效率低，施工成本較高；結(jié)構(gòu)可靠性較低，安全事故多發(fā)。裝配附著式升降平臺雖能解決人力及資源問題，但仍存在與傳統(tǒng)腳手架體系相同的弊端。導(dǎo)軌式爬架施工平臺連接節(jié)點(diǎn)相對復(fù)雜、施工難度高，容易造成資源浪費(fèi)且應(yīng)用于民用住宅施工造價也相對高。

為解決上述問題，部分學(xué)者提出了懸挑腳手架支撐結(jié)構(gòu)[13]。楊芳等[14]依托高層住宅工程，對雙排分段式懸挑腳手架體系進(jìn)行了研究，以此為基礎(chǔ)采用懸挑平臺搭設(shè)方式，達(dá)到了縮短工期、提高施工質(zhì)量的效果。李錦通等[15]從工程實(shí)踐出發(fā)，分析了懸挑外腳手架體系存在的裝配工期長、施工過程控制難等問題，開發(fā)了懸挑腳手架體系逆向拆除方案，達(dá)到了縮短工期、節(jié)約成本的目的。馬波[16]對高層建筑施工用懸挑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)懸挑施工平臺體系在工程應(yīng)用中存在懸挑梁變形過大的問題，導(dǎo)致懸挑結(jié)構(gòu)施工時模板變形難以控制，進(jìn)而影響施工質(zhì)量，為此設(shè)計(jì)了型鋼施工平臺，施工平臺變形量得到有效控制。周鴻博等[17]開發(fā)了應(yīng)用于高層懸挑結(jié)構(gòu)施工平臺體系，該平臺結(jié)構(gòu)傳力路徑明確，在工程實(shí)踐中獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。羅曉玲等[18]對超高層懸挑施工平臺腳手架搭設(shè)以及模板支撐技術(shù)進(jìn)行了計(jì)算分析，為懸挑結(jié)構(gòu)的高空支模施工提供了參考。

懸挑腳手架多為型鋼支撐結(jié)構(gòu)形式，主要有下?lián)问?、斜拉式和懸挑梁式，如圖2所示。目前常用的下?lián)问綉姨裟_手架支撐結(jié)構(gòu)中三角架桿件通常采用角鋼或工字鋼，此種構(gòu)件截面弱軸方向抗彎能力弱，構(gòu)件易發(fā)生穩(wěn)定性破壞；同時三角架與附著墻體僅通過單個螺栓連接，易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)平面外轉(zhuǎn)動，穩(wěn)定性較差；且上部腳手架施工平臺與下部懸挑支撐桁架連接節(jié)點(diǎn)安全性差，抗彎剛度較低。而斜拉式和懸挑梁式支撐結(jié)構(gòu)則需要穿過墻體與結(jié)構(gòu)梁或樓板固定，不適用于裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)。

圖2 懸挑腳手架支撐結(jié)構(gòu)

為此，從工程系統(tǒng)的角度，提出了一種新型裝配式懸挑輕鋼模架施工平臺體系，該施工平臺體系由輕鋼模架支撐系統(tǒng)、輕鋼模架與剪力墻連接系統(tǒng)以及模架施工平臺防護(hù)系統(tǒng)裝配而成。研究表明：所提出的施工平臺體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，傳力體系明確，安全圍護(hù)結(jié)構(gòu)牢固可靠；具有施工便捷、受力合理以及可循環(huán)利用等優(yōu)勢，特別適用于裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的建造、設(shè)備安裝以及外墻裝飾等工程。

1 懸挑輕鋼模架施工平臺體系設(shè)計(jì)

懸挑輕鋼模架施工平臺體系如圖3所示。①輕鋼模架支撐系統(tǒng) 該新型施工平臺體系下部的三角輕鋼桁架結(jié)構(gòu)(簡稱“三角架”)為輕鋼模架支撐系統(tǒng)，采用100×100×4方鋼管焊接而成，鋼管采用Q345級鋼材。三角架沿墻面外伸1 200mm，可允許施工人員雙向并排通過。②輕鋼模架與剪力墻連接系統(tǒng) 每個三角架結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)螺栓附墻節(jié)點(diǎn)通過2根M24高強(qiáng)螺栓與墻體相連，形成節(jié)點(diǎn)連接系統(tǒng)。螺栓穿過鋼管螺栓孔與墻體預(yù)留孔通過螺母緊固，從而將三角架與墻體固定；為避免螺栓緊固過程中造成鋼管屈曲，需在鋼管開孔部位焊接螺栓套筒。③模架施工平臺防護(hù)系統(tǒng) 腳手架框架以及施工模板為安全圍護(hù)系統(tǒng)；為方便上部腳手架框架與下部三角架連接，在三角架上預(yù)焊套筒，而后通過螺栓連接方式將內(nèi)外側(cè)豎向腳手架鋼管與下部三角架固定，豎向腳手架鋼管間距按規(guī)范規(guī)定進(jìn)行設(shè)置。④預(yù)制混凝土剪力墻上預(yù)留的螺栓孔后期處理方式 墻體外頁部分可采用特制膠塞配合注漿填充型防水材料進(jìn)行封堵，墻體內(nèi)頁使用微膨脹抗?jié)B性混凝土，可規(guī)避預(yù)留孔洞滲漏以及冷橋風(fēng)險；開洞部位可被外裝飾線條掩蓋，保證后期觀感效果。懸挑輕鋼模架施工平臺體系布置如圖4所示。

圖3 懸挑輕鋼模架施工平臺體系設(shè)計(jì)方案

圖4 懸挑輕鋼模架施工平臺體系布置

2 輕鋼模架支撐系統(tǒng)

輕鋼模架支撐系統(tǒng)主要由三角架構(gòu)成。三角架采用100×100×4方鋼管焊接制成，三角架豎桿高1 500mm，上部高出橫桿頂面150mm，下部在斜桿底邊伸出150mm，三角架橫桿長1 400mm，斜桿長1 690mm。若三角架斜桿長細(xì)比過大或桿端彎矩與壓力過大，極易造成三角架斜桿失穩(wěn)。因此提出局部采用鋼管混凝土構(gòu)造加強(qiáng)措施，即在三角架斜桿中段澆筑局部混凝土，桿件兩端約300mm范圍內(nèi)鋼管保持中空。采用局部鋼管混凝土加強(qiáng)后，在不增加用鋼量及結(jié)構(gòu)自重的前提下，三角架斜桿的穩(wěn)定性得到顯著增強(qiáng)，同時三角架斜桿的防火及耐腐蝕性能得到提高。三角架剖面如圖5所示。

3 模架施工平臺防護(hù)系統(tǒng)

由圖4可知，該新型施工平臺的防護(hù)系統(tǒng)與傳統(tǒng)施工平臺圍擋不同，設(shè)計(jì)中將內(nèi)側(cè)腳手架豎桿、外側(cè)腳手架豎桿以及內(nèi)外側(cè)腳手架豎桿連接系桿使用腳手架扣件進(jìn)行連接，形成“門式剛架”結(jié)構(gòu)，并通過腳手架套筒連接節(jié)點(diǎn)與三角架進(jìn)行連接，其平面內(nèi)穩(wěn)定性得到增強(qiáng)。加之腳手架橫向系桿對同層各腳手架“門式剛架”的連接，其平面外穩(wěn)定性得到保障。橫向方鋼管上焊接└5×5支撐，框內(nèi)設(shè)支撐鋼筋并滿鋪模板作為施工平臺系統(tǒng)。同時在方鋼管外端部設(shè)置200mm高擋腳板，外側(cè)刷黃黑相間油漆。內(nèi)側(cè)及外側(cè)腳手架豎桿通過套筒連接方式與輕鋼三角架連接，腳手架豎桿與輕鋼模架支撐系統(tǒng)連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖6所示。

圖6 腳手架套筒連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

外側(cè)腳手架套筒連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如下：在三角架橫桿上焊接外徑為50mm的鋼管接頭，其高度為150mm。在外側(cè)腳手架豎桿底部開螺栓孔，并在螺栓孔位置焊接螺母；鋼管接頭上開設(shè)螺栓可穿過的圓孔，開孔高度及孔徑與外側(cè)腳手架豎桿一致。當(dāng)上部安裝外側(cè)腳手架豎桿時，可將豎桿直接套入預(yù)先焊接好的鋼管接頭，隨后使用螺栓連接外側(cè)腳手架豎桿上焊接的螺母，并穿過接頭鋼管上的圓孔，隨著螺栓擰緊，外側(cè)腳手架豎桿與接頭鋼管外壁緊密接觸，如圖6a所示。內(nèi)側(cè)腳手架套筒連接節(jié)點(diǎn)與外側(cè)節(jié)點(diǎn)類似，將內(nèi)側(cè)豎向腳手架插入三角架豎桿上端的豎孔中，通過豎桿上端焊接的螺母將螺栓擰入，螺栓穿過內(nèi)側(cè)腳手架豎桿的圓孔，隨著螺栓的擰緊，內(nèi)側(cè)腳手架豎桿外壁與三角架豎桿內(nèi)壁緊密接觸，如圖6b所示。該節(jié)點(diǎn)連接形式特點(diǎn)是安全可靠、連接便捷、裝配部件標(biāo)準(zhǔn)化。

4 輕鋼模架與剪力墻連接系統(tǒng)

4.1 上部螺栓附墻節(jié)點(diǎn)

輕鋼模架與剪力墻連接系統(tǒng)由上部螺栓連接附墻節(jié)點(diǎn)、下部螺栓連接附墻節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。上部螺栓連接附墻節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖7所示，螺栓孔布置在三角架橫桿下方100mm處，采用M24 S10.9級高強(qiáng)螺栓。鋼管相應(yīng)位置焊接內(nèi)徑26mm的圓鋼管套筒，焊好后將焊接位置打磨平整，保證墊片與鋼管壁以及鋼管壁與墻體緊密連接。螺栓套筒圓鋼管內(nèi)徑比螺栓桿公稱直徑大2mm，主要考慮施工裝配誤差。通過緊固上部螺栓連接附墻節(jié)點(diǎn)，將輕鋼模架與剪力墻可靠連接在一起，有效地傳遞輕鋼模架的荷載。

圖7 上部螺栓附墻節(jié)點(diǎn)

4.2 下部螺栓附墻節(jié)點(diǎn)

下部螺栓連接附墻節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖8所示，位于三角架斜桿底邊以下50mm處，采用M24 S10.9級高強(qiáng)螺栓。

圖8 下部螺栓附墻節(jié)點(diǎn)

此處與上部螺栓連接節(jié)點(diǎn)不同。鋼管相應(yīng)位置焊接內(nèi)徑29mm的圓鋼管套筒，焊好后將焊接位置打磨平整，保證墊片與鋼管壁以及鋼管壁與墻體緊密連接。螺栓套筒圓鋼管內(nèi)徑比螺栓桿公稱直徑大5mm，主要考慮施工裝配誤差以及上下螺栓連接裝配過程中的易調(diào)節(jié)性。

5 懸挑輕鋼模架施工平臺體系裝配流程

1)工廠預(yù)制懸挑輕鋼模架結(jié)構(gòu)三角架及腳手架。三角架與腳手架數(shù)量均按照2層墻體施工所需數(shù)量預(yù)制，以便施工過程中交替輪換作業(yè)。

2)預(yù)制剪力墻板運(yùn)達(dá)施工現(xiàn)場后將其中一套懸挑輕鋼模架支撐平臺安裝至結(jié)構(gòu)1層剪力墻板上，將帶有懸挑支撐平臺的1層剪力墻板安裝到結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，1層預(yù)制剪力墻板無需使用懸挑支撐平臺，由施工人員在地面進(jìn)行裝配即可，如圖9a所示。

圖9 施工裝配流程

3)將另外一套懸挑輕鋼模架支撐平臺安裝至住宅結(jié)構(gòu)的2層剪力墻板上，1層裝配式墻板、樓板安裝完成后，將帶有懸挑支撐平臺的2層墻板吊裝至相應(yīng)位置，施工人員在1層墻體的懸挑支撐平臺上進(jìn)行2層墻板的裝配施工，如圖9b所示。

4)2層墻板施工完成后，拆除1層墻體上的懸挑支撐平臺，并將其安裝到3層墻板上，將帶有懸挑支撐平臺的3層墻板吊裝到相應(yīng)位置，施工人員在2層墻板的施工平臺上安裝3層墻板，如圖9c所示。3層施工完成后將2層施工平臺拆除安裝到4層墻板上。

5)按以上步驟類推，每2層墻板為1個施工周期，頂層施工完成后，將施工平臺拆除存放或投入另外工程使用。

6 技術(shù)特點(diǎn)

提出并研發(fā)的新型裝配式懸挑輕鋼模架施工平臺體系，在傳統(tǒng)下?lián)问綉姨羰┕て脚_基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化與創(chuàng)新，主要技術(shù)特點(diǎn)如下。

1)輕鋼模架支撐系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，傳力路徑明確。相比傳統(tǒng)下?lián)问綉姨羰┕て脚_，該懸挑輕鋼模架施工平臺體系，在受力系統(tǒng)截面形式、節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造以及組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)用等方面實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新與發(fā)展。該體系采用方鋼管作為受力桿件，相比傳統(tǒng)施工平臺中的工字鋼或角鋼桿件截面強(qiáng)度和穩(wěn)定性得到提高，由于方形截面無強(qiáng)弱軸之分，所以桿件平面外以及平面內(nèi)穩(wěn)定性均能得到保障。對于長細(xì)比較大壓彎桿件，創(chuàng)造性地提出了局部鋼管混凝土構(gòu)造，在不增加用鋼量的基礎(chǔ)上有效提升了構(gòu)件穩(wěn)定性、耐久性以及防火性能。

2)模架施工平臺防護(hù)系統(tǒng) 采用腳手架框架體系，其抗側(cè)剛度較高，可以有效避免防護(hù)結(jié)構(gòu)外傾失穩(wěn)。提出并研發(fā)了與輕鋼模架支撐系統(tǒng)連接的腳手架套筒式新型構(gòu)造節(jié)點(diǎn)，采用螺栓緊固的方式，形成兼具銷栓作用和擠壓頂緊作用的獨(dú)特連接構(gòu)造，傳力明確，受力安全，裝配便捷，顯著提升了上部安全防護(hù)系統(tǒng)與下部輕鋼模架支撐系統(tǒng)連接的可靠性。

3)輕鋼模架與剪力墻連接系統(tǒng) 同時在三角架豎桿上布置上、下兩個螺栓附墻節(jié)點(diǎn)，有效解決了受力系統(tǒng)的平面外轉(zhuǎn)動問題。針對方鋼管螺栓緊固時可能產(chǎn)生的局部屈曲，采取了鋼套筒加強(qiáng)構(gòu)造，輕鋼模架與剪力墻連接傳力明確、受力安全、裝配便捷，顯著提升了輕鋼模架支撐系統(tǒng)與剪力墻連接的可靠性。

4)新型裝配式懸挑輕鋼模架施工平臺體系裝配化程度與工業(yè)化水平高，材料易得，成本較低；在實(shí)際工程中采用流水施工方式，占用施工場地少；該新型施工平臺共制作2層，進(jìn)行2層交替流水施工作業(yè)，具有操作靈活以及施工場地占用率低的優(yōu)勢。

7 結(jié)語

提出的新型裝配式懸挑輕鋼模架施工平臺體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡單可靠，較傳統(tǒng)懸挑支撐腳手架施工平臺，其承載能力與穩(wěn)定性均有提高。該施工平臺組裝簡便，裝配化、工業(yè)化程度高，在保證施工質(zhì)量的同時可以提高施工速度；該施工平臺結(jié)構(gòu)部件可循環(huán)利用、多次周轉(zhuǎn)，顯著降低用鋼量，節(jié)約施工成本，在實(shí)際工程中取得了良好的應(yīng)用效果。