自承式模板加固施工技術(shù)研究

王新成，黃金坤

(中國十七冶集團(tuán)有限公司，安徽 馬鞍山 232000)

0 前 言

近年來，隨著國家經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國民體育健身已成為新的精神需求，也是我國決勝全面建設(shè)小康社會(huì)的重要支撐。2016年國務(wù)院印發(fā)關(guān)于《全民健身計(jì)劃2016—2020年》的通知。該通知明確了要在全國范圍內(nèi)推進(jìn)體育基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及體育文化宣傳。2019年9月國務(wù)院辦公廳發(fā)布的《關(guān)于促進(jìn)全民健身和體育消費(fèi)推動(dòng)體育產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的意見》鼓勵(lì)各地推進(jìn)公共體育場館建設(shè)。為貫徹國家及黨中央的文件要求和指示精神，一批大型體育場館應(yīng)運(yùn)而生，不僅促進(jìn)了結(jié)構(gòu)形式的創(chuàng)新和發(fā)展，而且對(duì)傳統(tǒng)施工技術(shù)和安全管理提出了巨大挑戰(zhàn)。尤其是大跨度、懸挑以及弧形看臺(tái)結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)研究顯得尤為重要。

看臺(tái)結(jié)構(gòu)從設(shè)計(jì)類型來說，分為兩大類：①裝配式鋼筋混凝土整體看臺(tái)，其主要施工方法為預(yù)制看臺(tái)結(jié)構(gòu)到施工現(xiàn)場，采用重型機(jī)械吊裝，看臺(tái)成型質(zhì)量好，但是吊裝安全隱患較多；②現(xiàn)澆混凝土看臺(tái)結(jié)構(gòu)，通過鋼筋加工安裝、模板支設(shè)、混凝土澆筑等施工工藝完成；傳統(tǒng)施工工藝成熟，但是施工費(fèi)料費(fèi)工費(fèi)時(shí)。對(duì)于本項(xiàng)目涉及的大跨度懸挑弧形看臺(tái)結(jié)構(gòu)，55榀型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的情況各異，施工工藝復(fù)雜。必須開展施工技術(shù)研究，不僅有效地節(jié)省工期和成本，而且達(dá)到安全可靠的質(zhì)量要求，同時(shí)為場館類建筑大跨度懸挑看臺(tái)結(jié)構(gòu)提供先進(jìn)的施工方法。

施工技術(shù)的進(jìn)步是減少安全事故的關(guān)鍵。隨著我國工程建設(shè)規(guī)模越來越大，高支模腳手架安全事故頻發(fā)，施工安全監(jiān)管難度越來越高，工程質(zhì)量安全問題也越來越突出。根據(jù)施工事故分析，坍塌事故是建筑結(jié)構(gòu)施工五大常見事故之一，主要包括現(xiàn)澆混凝土梁、板的模板支撐和腳手架失穩(wěn)倒塌、起重設(shè)備的坍塌等[1-2]。因施工不當(dāng)造成的坍塌事故發(fā)生的主要原因包括：施工前沒有編制切實(shí)可行的施工組織設(shè)計(jì)和專項(xiàng)施工方案，未做具體技術(shù)安全措施交底，特定施工項(xiàng)目未經(jīng)專家評(píng)審論證；腳手架、模板支撐設(shè)計(jì)不合理或計(jì)算失誤[3]；結(jié)構(gòu)支撐連接不牢固，整體安全穩(wěn)定性差、超載或嚴(yán)重偏心荷載，遇外力沖擊或振動(dòng)，不按程序拆除架體等因素造成失穩(wěn)；起重設(shè)備技術(shù)安全性能差，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠，安全防護(hù)裝置不完善，垂直起重機(jī)與建筑物拉結(jié)差，出現(xiàn)超載、碰撞、升降過度或違章操作等原因，造成起重設(shè)備倒塌等。在大型公共建筑中，一些體育場的看臺(tái)或者建筑的特殊造型需要一些斜懸挑結(jié)構(gòu)，在混凝土澆筑過程中，不僅存在巨大的豎向分力作用，還存在非常大的水平分力作用[4-6]。然而，傳統(tǒng)的模板加固方法不僅施工工藝繁瑣，而且由于平臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)對(duì)豎向荷載抵抗能力高，但對(duì)水平推力的抵抗能力非常弱，特別是常規(guī)的腳手架體系基礎(chǔ)形式為浮放，從而導(dǎo)致支撐體系的整體失穩(wěn)，造成施工不安全性和人力物力的巨大消耗[7]。

1 大型體育場館看臺(tái)結(jié)構(gòu)的案例

1.1 貴陽奧林匹克體育中心主體育館

貴陽奧林匹克體育中心主體育館是可承辦全國綜合性體育賽事和國際單項(xiàng)比賽的甲級(jí)大型體育館，建筑面積8萬m2，最大單跨跨度約120 m。南北看臺(tái)有36根混凝土弧形柱，西看臺(tái)有20根鋼結(jié)構(gòu)Y形柱和10根混凝土Y形柱。由于施工荷載大，僅靠模板體系承擔(dān)施工荷載困難。根據(jù)計(jì)算的弧形柱、Y形柱在混凝土工過程中產(chǎn)生的最大水平推力，模板支撐體系采用落地滿堂腳手架，合理分段施工。為保證弧形柱和Y形柱的施工質(zhì)量和清水混凝土效果，采用定型鋼模板施工，工廠制作、現(xiàn)場拼裝。如圖1所示。

圖1 貴陽奧林匹克體育中心主體育館施工

1.2 西安奧體中心主體育場

西安奧體中心主體育場呈正圓形，半徑165 m，上部采用空間鋼桁架結(jié)構(gòu)，通過V形十字柱與下方看臺(tái)連接。V形勁性鋼柱位于鋼罩棚外圍，柱內(nèi)設(shè)有十字形鋼骨柱，柱的縱筋形式復(fù)雜。在混凝土施工階段，搭設(shè)滿堂腳手架對(duì)模板進(jìn)行支撐。為避免變形過大，混凝土澆筑前在V形十字柱頂板拉設(shè)加固鋼梁，使V形十字柱兩端懸臂段形成整體，以減小自重影響。如圖2所示。

圖2 西安奧體中心主體育場施工

1.3 杭州奧體博覽中心主體育場

杭州奧體博覽中心主體育場是特級(jí)特大型體育建筑，平面投影呈橢圓形，由3層碗狀看臺(tái)和環(huán)形鋼結(jié)構(gòu)罩棚組成。主體育場長軸333 m，短軸280 m，占地面積82 904 m2，地下1層，地上6層，總建筑面積212 310 m2，建筑物高59.4 m，其中混凝土結(jié)構(gòu)高42.26 m。

整個(gè)看臺(tái)結(jié)構(gòu)形式為鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)，主要構(gòu)件為環(huán)梁、V形斜柱和V形梁，如圖3所示?；炷羶?nèi)鋼筋數(shù)量多，排布集中且復(fù)雜，斜柱鋼骨截面形式為十字形和焊接H型。V形斜柱和V形梁均采用傳統(tǒng)的模板支撐體系。勁性混凝土環(huán)梁支撐模架搭設(shè)高度約36 m，采用塔式起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)支承高空支模鋼平臺(tái)體系，有效保證了施工質(zhì)量和施工進(jìn)度。

圖3 杭州奧體博覽中心主體育場

1.4 福州海峽奧體中心體育場

福州海峽奧體中心體育場近似橢圓形，南北長354 m，東西寬310 m。4層混凝土結(jié)構(gòu)形式為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，最高點(diǎn)高30.730 m，有68根V形柱，頂部勁性環(huán)梁為上部鋼結(jié)構(gòu)的支座。由于V形柱施工過程中，斜柱混凝土自重產(chǎn)生的軸壓力和水平推力很大，僅靠模板及其支撐架體難以承受。通過合理劃分施工段，設(shè)置模板支撐體系共同承擔(dān)施工過程荷載。斜柱模板采用傳統(tǒng)加固形式(膠合板+方木次楞+鋼管主楞+方木托梁+對(duì)拉螺桿+PVC套管)，如圖4所示。在模板支撐架體上增設(shè)斜向落地鋼管支撐，同時(shí)在斜柱上設(shè)置三道拉索，將其與先施工的看臺(tái)混凝土結(jié)構(gòu)拉結(jié)，提高架體穩(wěn)定性。

圖4 福州海峽奧體中心體育場施工

1.5 日本大阪鋼巴足球場

日本大阪鋼巴足球場建筑面積24 000 m2，可容納4萬名觀眾。6層主體結(jié)構(gòu)的梁與基礎(chǔ)均采用預(yù)制混凝土構(gòu)件建造，支撐柱采用現(xiàn)場模板澆筑，地上建筑部分預(yù)制率達(dá)到了80%，如圖5所示。大阪鋼巴足球場從開始施工到竣工，僅用了22個(gè)月的時(shí)間，達(dá)到了工期縮短、成本節(jié)省的目標(biāo)。但是這種施工方法對(duì)起吊設(shè)備要求較高。

圖5 日本大阪鋼巴足球場施工

1.6 日本東京奧林匹克體育場

日本東京奧林匹克體育場總面積194 000 m2，可容納6.8萬名觀眾，采用建筑與建造公司組隊(duì)承建。結(jié)構(gòu)方案大量使用了預(yù)制混凝土裝配件，3層看臺(tái)主體結(jié)構(gòu)應(yīng)用型鋼混凝土預(yù)制構(gòu)件(SRC)，施工效率高，對(duì)起吊設(shè)備要求較高。如圖6所示。

圖6 日本東京奧林匹克體育場

1.7 柬埔寨國家體育場

柬埔寨國家體育場項(xiàng)目懸挑斜柱結(jié)構(gòu)具有傾角大、懸挑大、受力大的特點(diǎn)，給混凝土施工帶來較大挑戰(zhàn)。采用部分滿堂腳手架+掛架+鋼管支撐的施工方案，在保證安全的前提下加快施工效率，降低措施費(fèi)用，提高支撐體系周轉(zhuǎn)率，達(dá)到降本增效的目的，實(shí)現(xiàn)工程預(yù)期目標(biāo)。如圖7所示。

圖7 柬埔寨國家體育場施工

2 現(xiàn)有模板加固體系存在的問題

2.1 傳統(tǒng)對(duì)拉螺栓加固體系

傳統(tǒng)對(duì)拉螺栓加固體系由鋼管架桿、扣件、對(duì)拉螺栓、穿墻套管、山型卡、螺帽等組成。其中對(duì)拉螺栓用于模板之間的拉結(jié)，承受混凝土的側(cè)壓力等橫向荷載，確保內(nèi)外側(cè)模板的間距能滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也是模板及其支撐結(jié)構(gòu)的支點(diǎn)。該體系材料損耗費(fèi)高，扣件、架桿、絲桿以及山型卡易變形影響周轉(zhuǎn)使用，間接提高加固費(fèi)用。如圖8所示。

圖8 傳統(tǒng)鋼管扣件體系

2.2 方圓扣加固體系

方圓扣是一種可調(diào)節(jié)式方柱模板加固件，由方圓扣模具、斜鐵固定件兩種部件組成，突破了傳統(tǒng)模板加固方式耗材多、施工繁瑣的現(xiàn)狀，滿足了高效率、高質(zhì)量的施工要求，如圖9所示。

圖9 方圓扣加固體系

方圓扣產(chǎn)品存在單一性，方圓扣多為定尺加工成品，能滿足建筑施工中大部分尺寸的模板加固，但對(duì)超大截面構(gòu)件及異形柱、小尺寸構(gòu)件不能滿足施工要求。

綜上所述，傳統(tǒng)對(duì)拉螺栓加固體系耗材多、施工繁瑣，部件易變形影響周轉(zhuǎn)使用。方圓扣為定尺加工成品，對(duì)超大截面構(gòu)件及異形柱、小尺寸構(gòu)件不能滿足施工要求。

然而，對(duì)于大尺寸斜懸向構(gòu)件，上述兩種模板加固體系均需設(shè)置大量的斜向撐桿才能減小混凝土澆筑、成形過程中的水平推力。而由于斜懸挑構(gòu)件高度和懸挑長度均較大，因此加固成本高。

3 自承式模板加固施工技術(shù)

3.1 自承式模板加固技術(shù)原理

該體系利用型鋼翼緣上的抗剪連接件支承鋼套管體，以及鋼套管體支承的模板加固體系，將斜向構(gòu)件在混凝土澆搗過程中會(huì)出現(xiàn)水平分力傳遞到型鋼骨架上。由鋼套管體上的內(nèi)定位板定位鋼套管體，由外定位板定位膠模板。再利用鋼套管體內(nèi)的圓鋼支撐橫向套箍和豎向套箍，連接節(jié)點(diǎn)均采用普通螺栓連接，整體骨架能夠完全約束膠模板。實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場支模便利，可周轉(zhuǎn)使用，避免出現(xiàn)滿堂撐體系的失穩(wěn)問題。

3.2 自承式模板加固體系設(shè)計(jì)

經(jīng)過對(duì)斜懸挑型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中構(gòu)件截面尺寸的分析，發(fā)現(xiàn)大部分型鋼和混凝土截面形式一致。所設(shè)計(jì)的自承式模板加固體系可以通過調(diào)節(jié)應(yīng)用于不同構(gòu)件。具體組件如下。

1)定位鋼套管(Φ32×2.5)，內(nèi)穿兩端帶螺紋的圓鋼(Φ20)，以螺母固定膠合木模板(15 mm)，如圖10所示。

圖10 定位鋼套管

2)橫向套箍為C14b槽鋼桿件以普通螺栓M20緊固，900 mm一道；橫向套箍之間設(shè)置多道豎桿，以螺栓M20固定豎桿槽鋼與橫向槽鋼套箍，如圖11所示。

圖11 自承式模板

3.3 自承式模板加固施工技術(shù)應(yīng)用

滁州市奧體中心工程，體育場土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在大量Y形鋼骨柱，鋼骨柱規(guī)格數(shù)量多，且為斜向構(gòu)件，對(duì)鋼筋工程和模板支設(shè)帶來較大的施工難度，對(duì)項(xiàng)目施工技術(shù)力量提出了較高的要求。體育場東、西看臺(tái)土建結(jié)構(gòu)外側(cè)設(shè)計(jì)有43根Y形鋼骨柱，外側(cè)為斜柱，截面尺寸均為1 000 mm×1 400 mm；斜柱最低底標(biāo)高為10.75 m，最高底標(biāo)高為14.95 m；最低頂標(biāo)高為23.36 m，最高頂標(biāo)高為33.59 m；斜柱內(nèi)含鋼骨尺寸為H1000×400×30×30 mm，材質(zhì)為Q345B級(jí)鋼，局部為Q390B級(jí)鋼；斜柱傾斜角度最小55.49°，最大70.92°；斜柱分叉處存在向外傾斜的框架梁，截面尺寸為500 mm×900 mm。自承式模板加固施工技術(shù)在本項(xiàng)目得以使用，為施工的安全性提供了保證，降低了工程成本、提升了施工效率，取得較好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。如圖12所示。

圖12 自承式模板加固施工技術(shù)的應(yīng)用

4 結(jié) 語

1)對(duì)于大尺寸斜懸向構(gòu)件，傳統(tǒng)對(duì)拉螺栓加固體系和方圓扣加固體系均需設(shè)置大量的斜向撐桿才能減小混凝土澆筑、成形過程中的水平推力，從而增加了工程造價(jià)。因此，自承式模板加固施工技術(shù)的應(yīng)用對(duì)減少工程的造價(jià)具有顯著效果。

2)自承式模板加固施工技術(shù)不僅能夠有效抵擋大型混凝土結(jié)構(gòu)澆筑過程中產(chǎn)生的豎向分力作用，而且能夠抵擋水平分力的作用，避免鋼管支撐體系的失穩(wěn)問題，實(shí)現(xiàn)支模便利，可循環(huán)利用的綠色環(huán)保理念。

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