斜拉大懸挑型鋼架在高支模架中的應用

[摘? 要]：近年來，建筑外立面造型越來越多樣化、新穎化，屋頂外伸懸桃斜向結構不斷增多，這也給主體結構施工帶來了難度。文章通過建立模型分析和力學計算、現(xiàn)場模擬荷載試驗等，選擇懸挑斜拉支撐平臺作為承重體系，確保了施工安全，節(jié)約了成本。

[關鍵詞]：懸挑; 斜拉; 支撐平臺; 高支模; 施工安全

TU731.2B

1 工程概況及方案選擇

某市紀檢監(jiān)察辦案業(yè)務用房工程主體結構陪護樓大屋面上設置有外挑式斜屋面，外挑出寬度為2.8 m，支模架的搭設最大高度為11.3 m，支模架的搭設寬度最大為5.2 m。懸挑架型鋼從11F（36.550 m）樓面開始搭設，主體結構角柱位置懸挑長度最大4.5 m，邊梁位置懸挑長度最大3.8 m。

根據本工程具體情況，由于支撐架搭設高度距地面36.5 m，不能從地面開始搭設落地式支撐架，經多方案分析比較，最終確定在3655 m位置搭設懸挑架，懸挑梁采用16#工字鋼，采用直徑為22 mm、直徑為25 mm（用于角柱）圓鋼拉桿拉結至主體結構梁柱上的施工方案，其平面布置如圖1所示。

2 主要施工要點及注意事項

（1）高支撐加正式搭設前，應按住房和城鄉(xiāng)建設部和省、市關于危大工程安全管理的有關規(guī)定編制高支模安全專項施工方案并經專家論證通過，由企業(yè)技術負責人、總監(jiān)理工程師、建設單位項目負責人審批同意后實施。

（2）高支模架搭設前，公司技術負責人或授權的技術人員應向項目全體管理人員進行安全技術和專項方案交底（一級交底），方案編制人員應向管理人員進行專項安全技術交底（二級交底），施工人員應向全體參加施工的作業(yè)人員進行專項安全技術交底和施工技術交底（三級交底）。

（3）腳手架安裝與拆除人員必須經考核合格并持證上崗，架子工必須戴好安全帽、系好安全帶、穿防滑鞋。用于高支撐架的各種原材料、構配件應有合格證并現(xiàn)場見證抽樣送檢檢測合格才能用于工程中。

（4）采用懸挑梁端部外邊緣處的斜拉桿的下端連接鋼板與懸挑梁在地面事先焊接固定好，然后用塔吊吊運至高空進行現(xiàn)場組拼連接固定，內拉桿則在現(xiàn)場焊接安裝固定的施工方式。

（5）型鋼梁與樓板固定采用18 mm的U形鋼筋錨環(huán)共2道，分別埋設在離懸挑梁尾部200 mm和400 mm處，用100 mm×10 mm（寬×厚）的鋼壓板連接固定，在前端離梁外邊緣100 mm和300 mm處分別埋設18 mm鋼筋錨環(huán)進行固定，鋼拉桿上端用連接鋼板與預埋的22 mm的錨固螺栓固定;錨固螺栓的錨固長度根據計算確定并不少于300 mm;外拉桿選用22 mm的鋼拉桿，轉角處選用25 mm的鋼拉桿，內拉桿選用20 mm的鋼拉桿，轉角處選用22 mm的鋼拉桿。

（6）懸挑支撐架體底部與懸挑結構應連接牢靠，不得滑動或竄動。在16#工字鋼上翼緣距挑梁外邊緣300 mm、1 300 mm、2 250 mm和3 300 mm處分別居中焊接4根長度150 mm左右，22 mm的鋼筋作為立桿內膽，然后將立桿鋼管套在其上，再分別將縱向掃地桿扣在立桿的內側，離懸挑梁不大于20 cm，橫向掃地桿扣在緊靠縱向掃地桿下方的立桿上。在工字鋼下翼緣距混凝土梁外邊緣處焊接L100×10 mm的角鋼（或200 mm長鋼筋），與混凝土梁頂緊，以防止型鋼梁向室內滑動。

（7）懸挑架設置在轉角處柱、部分剪力墻、電梯井處梁位置，采用預埋鋼板作為連接節(jié)點，然后將懸挑型鋼焊接在預埋鋼板上，懸挑梁尾端應在2處及以上固定于鋼筋混凝土梁板結構上。如遇剪力墻與磚墻時，為留置懸挑梁，需在剪力墻或磚墻處預留出懸挑梁的位置，可采用預留木盒或包裹雜物的方法，如采用包裹雜物宜采用袋狀物，包裹強度以懸挑梁能取出為標準或轉角處可采用直接澆筑在混凝土中。用于錨固的U形鋼筋拉環(huán)或螺栓應采用冷彎成型。U形鋼筋拉環(huán)、錨固螺栓與型鋼間隙應用鋼楔或硬木楔塞緊。

（8）型鋼懸挑梁由16#工字鋼制作。托架端部用1根22 mm和20 mm（內側）或1根25 mm（轉角處）22 mm（內側）HPB300鋼拉桿連接型鋼懸挑梁，鋼拉桿另一端斜拉到上一樓層預埋螺栓上固定，錨筋數(shù)量、規(guī)格和錨固長度根據計算確定。壓環(huán)如果預埋在樓板部位（預埋環(huán)HPB30018 mm圓鋼），樓板的配筋要加強（4根20 mm，L=600 mm）。立桿豎向傳力采用頂托。

（9）懸挑支撐架體底部與懸挑結構應連接牢靠，不得滑動或竄動。懸挑架底部應用水平網、木腳手板和密目式安全網進行全封閉，防止傷人;架體外側設900 mm高防護欄桿并用密目式安全網全封閉。

（10）支撐架搭設工藝流程和主要技術參數(shù)為：腳手懸挑型鋼梁及外拉桿安設—內斜拉桿安設—縱向掃地桿—立桿—橫向掃地桿—小橫桿—大橫桿（擱柵）—（縱橫向）剪刀撐—連墻件—鋪木腳手板—扎防護欄桿—扎安全網。

根據陪護樓結構特點，在36.55 m位置搭設腳手架，挑架支模架的立桿搭設最高高度為11.3 m，，支模架的搭設寬度不得小于5.2 m。腳手長度最大4.5 m，最小3.3 m。

立桿縱距1 000 mm，立桿橫距分別為1 000 mm和1 050 mm、1 050 mm（由外至內），立桿步距為1 600 mm，立桿頂部自由段長度小于300 mm縱橫向掃地桿離懸挑梁200 mm。除搭設支撐架外，另在其外側搭設寬度為800 mm的施工操作架。

（11）為了確保安全，在正式施工和方案審批通過前，應在底層外墻位置進行實體模擬荷載試驗，試驗通過且驗收合格后再正式加工制作和安裝作業(yè)。

（12）斜拉桿處的承重梁板應經原設計單位進行受力復核，復核通過后才能預埋螺栓，如不能通過，則應對梁板應進行結構加強處理，滿足承載力要求后才能進行后道工序。

（13）混凝土澆筑順序及要點：大屋面混凝土澆筑—43.600 m連系梁和柱子—45.950 m結構柱（WKL-1結構梁下口）—斜屋面梁、板。平面上混凝土澆筑進行對稱澆筑，先澆筑WKL和懸挑梁，然后澆筑板混凝土。

鐵路與公路嚴忠勇： 斜拉大懸挑型鋼架在高支模架中的應用

先澆筑大屋面至43.600 m標高之間的柱子和連系梁，待連系梁強度達到混凝土強度等級的80%以后，腳手的四排支模架和內排的支模板架開始上升搭設，并拉結在連系梁上或“抱柱”拉結在柱上加強;待支模架搭設好后，澆筑43.600 m以上至45.950 m結構柱（WKL-1結構梁下口），待連系梁強度達到混凝土強度等級的80%以后，將腳手支模架拉結在該結構柱上加固，待混凝土強度達到設計強度等級的100%以后才澆筑上部斜屋面梁板的混凝土。混凝土澆筑中應先澆筑里面的混凝土，然后由內至外澆筑，同時做到對稱均勻，嚴格控制混凝土的梁板上堆料高度，梁上堆料高度不超過300 mm，板上堆料高度為板厚。要設專人對支撐架的變形進行實時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常及時處理。

（14）支撐架搭設完成后應由施工單位組織，經方案編制人、項目技術負責人、企業(yè)技術負責人或授權的技術人員和總監(jiān)理工程師共同驗收合格后才能進行下道工序。

（15）架體主要構造措施：為了滿足高寬比要求及防止架發(fā)生傾覆事故，沿懸挑架周四周的室內模板支撐架保留3 m寬不拆除，屋面屋的花架的模板支撐架也不拆除，以便室內、屋面支撐架與懸挑架連接形成整體架。支撐架在搭設過程中要采取臨時固定措施，連墻件為抱柱連接和與室內架體進行連接，按水平間距按兩步三跨進行設置。豎向剪刀撐和水平剪刀撐設置為加強型。水平剪刀撐共設置3道，分別在豎向剪刀撐的交點平面處、支模架高度中間處和掃地桿處，剪刀撐寬度為4 m，豎向剪刀撐設置在架體外側周邊及內部縱、橫向每隔4跨且不大于5 m，由底至頂連續(xù)設置。豎向剪刀撐斜桿與地面的傾角應為45°～60°，水平剪刀撐與支架縱（橫）向夾角應為45°～60°，剪刀撐的接長搭接長度不少于1 m，用不少于2個旋轉扣件固定，端部扣件蓋板邊緣至桿端距離不小于100 mm。

3 有限元建模分析及構件受力計算

若將其簡化為常見的鉸支座進行多跨連續(xù)梁計算，有可能造成一定誤差。當采用彈性支承連續(xù)梁模型進行計算時，由于本項目彈性支承點的剛度較難獲得，因此采用通用有限元軟件建立⑤～⑥/E～F軸之間包含主體結構梁柱板及施工平臺構件在內的子結構進行有限元仿真計算，因為考慮了主體結構構件，能較好的考慮彈性支承的剛度特性。因此只建立包含H型鋼及拉桿的計算模型。有限元分析采用梁單元模擬主體柱，殼單元模擬主體梁板及H型鋼，桁架單元模擬拉桿，使用了多尺度建模技術。建模中涉及的幾何及材料參數(shù)均與設計圖紙一致。計算中考慮內外側2根拉桿分別作用進行分析，2根拉桿不同時提供支承條件（圖2）。

3.1 計算結果

分析模型中，取最不利構件進行承載力及穩(wěn)定性驗算。荷載除考慮結構構件自重外，分別按照實際工況于懸挑型鋼梁四處荷載作用點位置施加施工過程中產生的集中荷載：（第1排）F1= 13.7 kN ;（第2排）F2=15.8 kN;（第3排）F3=17.0 kN;（第4排）F4=5.6 kN。

3.1.1 只考慮外側拉桿作用

只考慮外側拉桿作用時，我們得知中間位置工字鋼梁懸挑部位變形最大值約為23 mm，拉桿錨固位置處樓板撓度（約4 mm）小于下層工字鋼梁擱置層樓板撓度（約6 mm）。外側拉桿應力（約74 MPa），均小于300 MPa的屈服強度標準值，根據應力換算得到外側拉桿拉力為23.2 kN。

由此可見鋼梁應力最大位置處于邊梁上壓環(huán)支承點處，排除部分單元應力集中情況后，該位置工字鋼梁應力最大值約為200 MPa，小于材料屈服強度標準值235 MPa。

經過計算得到內外兩處壓環(huán)支點反力分別為：內側樓板處壓環(huán)反力最大值為9.8 kN;外側邊梁處壓環(huán)反力最大值為40.0 kN。

3.1.2 只考慮內側拉桿作用

只考慮內側拉桿作用時，從結構整體變形云圖及樓板變形云圖反映出，中間位置工字鋼梁端部變形最大值約為32 mm，拉桿錨固位置處樓板撓度（約6.2 mm）大于下層工字鋼梁擱置層樓板撓度（約5 mm）。從拉桿應力圖反映出外側拉桿應力（約116 MPa），均小于300 MPa的屈服強度標準值，根據應力換算得到內側拉桿拉力為36.5 kN。

綜合各工字鋼梁應力云圖分析，可見鋼梁應力最大位置處于邊梁上壓環(huán)支承點處，排除部分單元應力集中情況后，該位置工字鋼梁應力最大值約為130 MPa，小于材料屈服強度標準值235 MPa。

經過計算得到內外2處壓環(huán)支點反力分別為：內側樓板處壓環(huán)反力最大值為5.9 kN;外側邊梁處壓環(huán)反力最大值為21.8 kN。

3.2 鋼結構構件驗算

采用三維有限元建模分析獲得了各施工架桿件系統(tǒng)所屬鋼結構構件的變形分布、應力分布以及錨固點反力情況，并且考慮了主體結構樓板及梁柱體系對工字鋼梁剛度貢獻。為了能夠按照GB 50017-2003《鋼結構設計標準》對各施工架桿件體系鋼結構件進行驗算，采用空間鋼結構分析軟件3D3S對3種桿件體系進行梁桿單元建模驗算。

錨筋采用單根20 mm和22 mm的HPB300鋼筋，采用12 mm×100 mm×250 mm鋼板彎折成錨板。

懸挑工字鋼梁采用拉桿作為彈性支撐減小其計算跨度，拉桿與懸挑工字鋼的連接采用連接鋼板，將連接板焊接在懸工字鋼挑上翼緣，焊縫需要進行4面圍焊，焊角尺寸取hf=6 mm。拉桿與混凝土梁柱連接同樣采用連接鋼板，將連接鋼板與在混凝土中預埋的M20 mm和M22 mm螺栓連接，然后用雙螺帽固定。圖3為2處連接鋼板構造大樣。

3.2.1 拉桿連接板一驗算

對內、外側拉桿分別作用下及共同作用下的拉桿內力進行了計算，根據圖所示連接構造大樣驗算連接鋼板能否承擔拉桿傳遞的內力。分別選取計算得到的內側拉桿及外側拉桿拉力最大值進行分析：內側拉桿N=48.7 kN，外側拉桿N=30.7 kN。

3.2.1.1 上部連接鋼板構造驗算

內側拉桿拉力N=48.7 kN大于外側拉桿拉力N=30.7 kN，故計算中選擇內側拉桿進行驗算。保守考慮拉桿與連接鋼板采用兩條焊角尺寸hf=6 mm的角焊縫連接。

按照GB 50017-2017《鋼結構設計標準》驗算拉桿角焊縫：

（1）控制參數(shù)。

連接類型：軸力作用下側面角焊縫連接計算

焊件材料：Q235;焊縫等級：三級

焊縫類型：角焊縫;是否采用引弧板：是

（2）材料強度N/mm2。

焊件抗壓強度：215.0;焊件抗拉強度：215.0

焊件抗彎強度：215.0;焊件抗剪強度：125.0

焊縫抗壓強度：160.0;焊縫抗拉強度：160.0

焊縫抗剪強度：160.0

（3）基本參數(shù)。

焊縫長度L1=100.0 mm;焊縫焊角尺寸hf1=6.0 mm

焊件厚度t=12.0 mm;荷載設計值產生的軸力N=48.7 kN

（4）分析結果。

焊縫有效計算長度Lw=88 mm

焊縫應力σ=65.9 N/mm2≤ffw=160.0 N/mm2）滿足要求。

3.2.1.2 下部連接鋼板構造驗算：

外側拉桿作用分解為水平剪力F1=20.1 kN，豎向拉力F2=23.2 kN;內側拉桿作用分解為水平剪力F1=22.9 kN，豎向拉力F2=43.0 kN。故計算中選擇內側拉桿連接板進行驗算。保守考慮連接鋼板與工字鋼上翼緣采用兩條焊角尺寸hf=6 mm的角焊縫連接。

按照驗算連接板側面角焊縫：GB 50017-2017《鋼結構設計標準》：

（1）控制參數(shù)。

連接類型：軸力、剪力共同作用下的T形連接（角焊縫）：t2=12 mm

焊件材料：Q235;焊縫等級：三級

焊縫類型：角焊縫;是否采用引弧板：是

（2）材料強度N/mm2。

焊件抗壓強度：215.0;焊件抗拉強度：215.0

焊件抗彎強度：215.0;焊件抗剪強度：125.0

焊縫抗壓強度：160.0;焊縫抗拉強度：160.0

焊縫抗剪強度：160.0

（3）基本參數(shù)。

焊件一厚度t1=12.0 mm;焊件二厚度t2=12.0 mm

焊件二寬度h=100.0 mm;焊縫焊角尺寸hf=6.0 mm

荷載設計值產生的軸力N=43.0 kN

荷載設計值產生的剪力V=22.9 kN

（4）分析結果。

焊縫計算長度lw=100.0 mm

正面角焊縫強度設計值增大系數(shù)βf=1.22

①頂部A點分析結果。

軸力產生的應力σ：41.538 N/mm2

剪力產生的應力τ：26.988 N/mm2

焊縫計算應力=49.5 N/mm2≤ffw=160.0 N/mm2

②底部B點分析結果。

軸力產生的應力σ：41.538 N/mm2

剪力產生的應力τ：26.988 N/mm2

焊縫計算應力=49.5 N/mm2≤ffw=160.0 N/mm2 滿足要求。

3.2.2 拉桿連接板二驗算

對內、外側拉桿分別作用下及共同作用下的拉桿內力進行了計算，根據圖所示連接構造大樣驗算連接鋼板能否承擔拉桿傳遞的內力。分別選取計算得到的內側拉桿及外側拉桿拉力最大值進行分析：內側拉桿N=18 kN，外側拉桿N=39.7 kN。

3.2.2.1 上部連接鋼板構造驗算

外側拉桿拉力N=39.7 kN大于內側拉桿拉力N=18 kN，故計算中選擇外側拉桿進行驗算。保守考慮拉桿與連接鋼板采用兩條焊角尺寸hf=6mm的角焊縫連接。

按照GB 50017-2017《鋼結構設計標準》驗算拉桿角焊縫：

（1）控制參數(shù)。

連接類型：軸力作用下側面角焊縫連接計算

焊件材料：Q235;焊縫等級：三級

焊縫類型：角焊縫;是否采用引弧板：是

（2）材料強度（N/mm2）。

焊件抗壓強度：215.0;焊件抗拉強度：215.0

焊件抗彎強度：215.0;焊件抗剪強度：125.0

焊縫抗壓強度：160.0;焊縫抗拉強度：160.0

焊縫抗剪強度：160.0

（3）基本參數(shù)。

焊縫長度L1=100.0 mm;焊縫焊角尺寸hf1=6.0 mm

焊件厚度t=12.0 mm

荷載設計值產生的軸力N=39.7 kN

（4）分析結果。

焊縫有效計算長度Lw=88 mm

焊縫應力σ=53.7 N/mm2≤ffw=160.0 N/mm2滿足要求。

3.2.2.2 下部連接鋼板構造驗算：

外側拉桿作用分解為水平剪力F1=25.0 kN，豎向拉力F2=30.9 kN;內側拉桿作用分解為水平剪力F1=7.9 kN，豎向拉力F2=16.2 kN。故計算中選擇外側拉桿連接板進行驗算。保守考慮連接鋼板與工字鋼上翼緣采用兩條焊角尺寸hf=6 mm的角焊縫連接。

按照GB 50017-2017《鋼結構設計標準》驗算連接板側面角焊縫：

（1）控制參數(shù)。

連接類型：軸力、剪力共同作用下的T形連接（角焊縫）：t2=12 mm

焊件材料：Q235;焊縫等級：三級

焊縫類型：角焊縫;是否采用引弧板：是

（2）材料強度N/mm2。

焊件抗壓強度：215.0;焊件抗拉強度：215.0

焊件抗彎強度：215.0;焊件抗剪強度：125.0

焊縫抗壓強度：160.0;焊縫抗拉強度：160.0

焊縫抗剪強度：160.0

（3）基本參數(shù)。

焊件一厚度t1=12.0 mm;焊件二厚度t2=12.0 mm

焊件二寬度h=100.0 mm;焊縫焊角尺寸hf =6.0 mm

荷載設計值產生的軸力N=30.9 kN

荷載設計值產生的剪力V=25.0 kN

（4）分析結果。

焊縫計算長度lw=100.0 mm;

正面角焊縫強度設計值增大系數(shù)βf=1.22

①頂部A點分析結果：

軸力產生的應力σ：29.849 N/mm2

剪力產生的應力τ：29.463 N/mm2

焊縫計算應力=41.9 N/mm2≤ffw=160.0 N/mm2

②底部B點分析結果：

軸力產生的應力σ：29.849 N/mm2

剪力產生的應力τ：29.463 N/mm2

焊縫計算應力=41.9 N/mm2≤ffw=160.0 N/mm2滿足要求。

4 鋼結構施工平臺構造加強措施

由于施工中，沿主體結構周長設置的懸挑鋼梁均自成體系，為保證施工安全可靠，每榀獨立的桿件工字鋼梁間應設置構造加強措施增強平臺的整體性，具體構造方式如圖4、圖5所示，采用18 mm 的鋼筋于鋼梁平面內設置柔性剪刀支撐，鋼筋采用焊接方式與工字鋼梁腹板焊接。桿件9體系采用1道柔性剪刀支撐（焊接點對應拉桿設置處），因為桿件4及桿件5體系位于主體結構轉角位置，故采用2道剪刀支撐加強（焊接點對應拉桿設置處及鋼梁端部）。懸挑梁平面布置圖明確了2種不同加強構造的設置范圍（圖6）。

5 結論

對本工程采用懸挑施工平臺進行了三維有限元分析及內力驗算得出相關結論：

（1）三維子結構計算分析表明懸挑鋼結構施工平臺本身強度滿足要求，鋼梁懸挑端部變形達到了32 mm，施工中應對變形較大位置進行監(jiān)測，保證施工過程安全可靠。

（2）桿件9體系的工字鋼梁在主體結構內部設置了2處壓環(huán)鋼筋，計算結果表明外側壓環(huán)位置反力大于內側壓環(huán)反力，內外側錨固點均應設置2道壓環(huán)，并應在施工過程中隨時調緊木楔。

（3）桿件9體系的拉桿錨固節(jié)點經計算可采用6根16 mm 的錨筋，錨板采用12 mm×350 mm×150 mm鋼板，錨筋錨固深度需達到490 mm，由于該錨固點位于主體結構邊梁，當無法滿足錨固長度要求時，應采用其他有效錨固措施。

（4）桿件4和桿件5體系的鋼梁端部錨固節(jié)點經計算可采用錨筋采用6根16 mm 的錨筋，錨板采用12 mm×250 mm×200 mm鋼板，錨筋錨固深度需達到490 mm。

（5）桿件4和桿件5體系的拉桿端部錨固節(jié)點經計算，可采用錨筋采用6根16 mm 的錨筋，錨板采用12 mm×350 mm×150 mm鋼板，錨筋錨固深度需達到490 mm。由于該錨固點位于主體結構邊梁，當無法滿足錨固長度要求時，應采用其他有效錨固措施。

（6）桿件9體系的拉桿端部錨固節(jié)點反力會對主體結構邊梁產生雙向彎矩、剪力及扭轉效應，需根據本報告計算結果提取相關反力請原設計單位對主體結構構件進行復核。

（7）桿件9體系室內壓環(huán)錨固端會對主體結構樓板及邊梁產生荷載效應，需根據本報告計算結果提取相關反力請原設計單位對主體結構構件進行復核。

（8）由于施工中，沿主體結構周邊設置的懸挑鋼梁均自成體系，要求相互間設置構造措施保證施工平臺的整體性，具體構造方式參見前述內容。

（9）經計算分析，該方案結構桿和鋼結構受力及變形滿足規(guī)范要求，結構構造符合要求，采用本方案能滿足施工安全要求，是可行的。

6 結束語

該高支撐架搭設嚴格按方案和標準規(guī)范進行施工，并進行了嚴格的檢查驗收，合格后才進行了懸挑梁板砼澆筑，經現(xiàn)場實際變形監(jiān)測和施工結果表明，本懸挑支撐架變形在設計允許范圍內，結構安全可靠，沒有發(fā)生大的水平位移和沉降，確保了工程質量和施工安全。