階梯狀異形斜塔模板支撐體系設(shè)計與應(yīng)用*

張 新,劉天宇

(山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

隨著建筑造型的多樣化發(fā)展,越來越多的異形建筑出現(xiàn)在現(xiàn)代建筑中,其中傾斜式建筑近年來出現(xiàn)愈加頻繁。相較于傳統(tǒng)建筑,傾斜式建筑施工過程中存在一定的水平推力,導(dǎo)致模板支撐體系的設(shè)計難度大大增加。國內(nèi)一些專家、學(xué)者對傾斜建筑施工時的模板支撐體系做了一定研究,羅宗禮等[1]以貴陽花果園辦公樓項目中傾斜角度67°的超厚傾斜剪力墻為例,介紹了增設(shè)斜撐加固的型鋼平臺滿堂架模板施工方法。簡盛恒等[2]介紹了采用定型化成品圓木模板和鋼管斜撐+可調(diào)頂托+木枋+多排支撐腳手架的支撐體系完成了廈門英藍(lán)國際金融中心的施工,該建筑外立面整體傾斜,混凝土框架柱最大傾斜角度為12.5°。朱同然等[3]介紹了針對三峽移民紀(jì)念館工程中總高23m、最大長度40m的大面積超高傾斜墻體,采用了加設(shè)斜撐和斜拉鋼絲繩的木框木膠合板體系。代帥等[4]針對東北師范大學(xué)體育館外部傾斜角度為16.5°造型柱的施工項目,在該造型柱的支撐體系中增加水平和豎向剪刀撐可提高穩(wěn)定性,避免產(chǎn)生大波鼓曲現(xiàn)象。倪喜雨等[5]針對柬埔寨體育場中高度99m的傾斜混凝土結(jié)構(gòu)施工問題,研發(fā)了“木模板+造型木+工字木梁+槽鋼背楞”模板體系有效解決了該結(jié)構(gòu)的支模問題。杜榮軍[6]以國家網(wǎng)球中心中水平傾角42°的斜梁為例,指出傾斜結(jié)構(gòu)模板設(shè)計要確保支撐架可承受足夠的水平荷載。劉玉濤等[7]將現(xiàn)澆混凝土模板作為隔離體對傾斜模板及支架的受力進(jìn)行理論分析,進(jìn)一步對新澆模板側(cè)壓力的規(guī)范公式進(jìn)行了推導(dǎo)驗證。任凱博等[8]通過制作45°,60°,75° 3個角度的傾斜塔柱混凝土構(gòu)件,研究模板側(cè)應(yīng)力分布規(guī)律,得出混凝土模板側(cè)壓力的最大值隨著模板傾斜角度呈負(fù)相關(guān)。馮俊[9]研究了傾斜結(jié)構(gòu)自重傳遞至模板支架的荷載計算方法,并提出傾斜結(jié)構(gòu)自重可按力的分解原則分配的假設(shè),通過柬埔寨體育場項目模板支架的設(shè)計計算對荷載分配的具體方法進(jìn)行了演示。王建華等[10]通過高精度振弦式壓力盒對某橋斜塔現(xiàn)澆混凝土模板側(cè)壓力進(jìn)行監(jiān)測,分析得出目前新澆模板側(cè)壓力的規(guī)范公式計算值與監(jiān)測值相差較大,針對垂直模板側(cè)壓力的計算公式不能簡單適用于傾斜模板側(cè)壓力的計算,尚需進(jìn)一步深入研究。

綜上所述,國內(nèi)傾斜結(jié)構(gòu)模板支撐體系施工中,主要采用設(shè)置斜撐的方法抵擋傾斜結(jié)構(gòu)的水平推力,同時使用基本力學(xué)分解法分析荷載傳遞規(guī)律。傾斜結(jié)構(gòu)采取豎向分段施工時,計算中往往不考慮已澆筑混凝土的凝結(jié)固化對支撐體系的影響。本文以煙臺揚(yáng)帆廣場異形斜塔項目豎向分段施工為研究背景,針對其建筑結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行了方案設(shè)計并將施工中不考慮混凝土凝結(jié)固化后的承載力(最不利情況)與考慮混凝土凝結(jié)固化后的承載力(最有利情況)2種工況進(jìn)行對比分析,采用ANSYS有限元軟件對支撐平臺的力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值模擬,通過分層分步加載方式得到2種工況的力學(xué)性能變化規(guī)律,研究成果可為類似傾斜結(jié)構(gòu)支撐平臺設(shè)計和施工提供參考與借鑒。

1 工程概況

位于煙臺市福山區(qū)海濱路揚(yáng)帆廣場的地上階梯狀異形斜塔,建筑面積約64.11m2,建筑高度達(dá)14.00m,西側(cè)長5.9m,東側(cè)長6.57m,寬10.29m,建筑整體為傾斜曲面造型,傾斜角度為75°,墻厚0.35m,板厚0.15m。根據(jù)高度分為3.75,5.75,9.10,11.45,14.00m 5層,外觀呈現(xiàn)由低到高的3層階梯,內(nèi)側(cè)設(shè)計為圓弧形,可作為滑板場供市民健身娛樂,如圖1所示。

圖1 揚(yáng)帆廣場異形斜塔結(jié)構(gòu)示意

2 模板支撐體系設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

揚(yáng)帆廣場異形斜塔位于煙臺海邊,直面海風(fēng),作為臨海建筑,與內(nèi)陸建筑施工相比受海風(fēng)影響較大。斜塔最大傾斜角度達(dá)75°,屬于典型的大角度傾斜結(jié)構(gòu),因傾斜而產(chǎn)生的水平推力對支撐體系影響較大。支撐體系需搭設(shè)靈活,且可較好地抵抗施工時混凝土產(chǎn)生的水平推力和風(fēng)荷載。結(jié)合斜塔結(jié)構(gòu)特點,支撐體系選擇扣件式鋼管支撐架,具體設(shè)計思路如下。

1)環(huán)狀封閉型支撐體系設(shè)計 為有效抵抗海邊風(fēng)荷載,支撐體系圍繞斜塔設(shè)計成環(huán)狀封閉型。水平桿頂緊已澆筑完成的混凝土結(jié)構(gòu),支撐架四周設(shè)置纜風(fēng)繩。

2)增設(shè)斜向支撐抵抗混凝土的水平推力 斜塔最大傾斜角度達(dá)75°,混凝土澆筑施工時會對模板支撐體系產(chǎn)生水平推力。為減輕水平推力對支撐體系的不利影響,在支撐體系中設(shè)置鋼管斜撐,斜撐通過扣件與支撐架立桿連接,斜撐底部支承于地面。

3)豎向分層、水平分段,合理確定施工順序 斜塔高度為14m,豎向分為5層,內(nèi)部為箱形結(jié)構(gòu)。箱形結(jié)構(gòu)側(cè)墻及水平板支撐架部分荷載須由提前澆筑完成的斜墻承受,采用豎向分層、水平分段的施工順序進(jìn)行施工。施工順序為:①部分斜墻→②部分斜墻→③部分側(cè)墻→④第1道水平板→⑤部分斜墻→⑥部分側(cè)墻→⑦第2道水平板→…→第5道水平板。施工順序如圖2所示。

圖2 揚(yáng)帆廣場異形斜塔施工順序

4)增設(shè)斜拉鋼絲繩作為安全儲備 為減輕模板對支撐體系的水平推力,在斜墻內(nèi)側(cè)模板主梁上安裝斜拉鋼絲繩,防止斜塔內(nèi)側(cè)模板向外擠壓。設(shè)計時不考慮鋼絲繩受力,僅作為安全儲備。

2.2 支撐體系設(shè)計

斜塔支撐體系包含5部分:①斜塔結(jié)構(gòu)外側(cè)的環(huán)狀封閉型支撐架;②鋼管斜撐;③斜拉鋼絲繩;④斜塔箱體內(nèi)部的支撐架;⑤斜塔支撐體系的穩(wěn)定措施。具體設(shè)計如下。

1)外部環(huán)狀封閉型支撐架設(shè)計 斜塔外側(cè)支撐架設(shè)計為環(huán)狀封閉型,支撐架立桿圍繞斜塔進(jìn)行布置,通過水平桿連接形成環(huán)狀封閉型架體。立桿間距為750,1 200,1 500mm,靠近斜塔傾斜部分立桿間距較密。水平桿步距1 500mm。外側(cè)架體四周外圍設(shè)置豎向剪刀撐,內(nèi)部縱向設(shè)置1道豎向剪刀撐,橫向每隔3m設(shè)置1道豎向剪刀撐,水平剪刀撐設(shè)置3道。架體四周設(shè)置疏目式豎向安全網(wǎng),水平安全網(wǎng)設(shè)置2道。立桿頂部可調(diào)頂托頂緊側(cè)模上的鋼管主梁,如圖3所示。

圖3 斜塔結(jié)構(gòu)外側(cè)架體設(shè)計

2)鋼管斜撐設(shè)計 為抵抗混凝土澆筑時斜墻產(chǎn)生的水平推力,在斜墻外側(cè)支撐架內(nèi)部設(shè)置45°傾角的鋼管斜撐,斜撐豎向間距750～800mm,水平間距同立桿間距。鋼管斜撐通過扣件與立桿相連,頂部頂緊外側(cè)模板上的主梁鋼管,下部撐在地面持力層上,如圖3所示。

3)斜拉鋼絲繩設(shè)計 為減輕斜墻對支撐體系的水平推力,在斜墻內(nèi)側(cè)模板主梁上布置直徑8mm斜拉鋼絲繩,鋼絲繩沿墻斜向間隔1 200mm、縱向間距3 000mm。結(jié)構(gòu)第1層內(nèi)腔設(shè)置4根,結(jié)構(gòu)第2～4層內(nèi)腔設(shè)置2根,結(jié)構(gòu)第5層內(nèi)腔設(shè)置1根。鋼絲繩通過花籃螺栓收緊,并拉至預(yù)埋于混凝土中的鋼筋拉環(huán)上,如圖4所示。

圖4 斜塔斜拉鋼絲繩設(shè)計

4)箱體內(nèi)部支撐架設(shè)計 箱體內(nèi)部支撐架用來支撐水平板和外側(cè)斜墻。支撐架立桿間距為750mm×750mm,水平桿步距為1 500mm。部分立桿落在已澆筑完成的側(cè)墻外模板上,部分立桿落在已澆筑完成的水平板上。箱體內(nèi)部設(shè)置鋼管斜撐,斜撐頂住斜墻模板上的主梁鋼管,如圖5所示。

圖5 斜塔內(nèi)腔模板設(shè)計

5)架體穩(wěn)定措施設(shè)計 為有效抵抗風(fēng)荷載,穩(wěn)定措施包括2部分。首先采用水平桿頂緊已澆筑完成的斜塔側(cè)墻,然后在架體高度中間部位和頂部分別設(shè)置2層纜風(fēng)繩。纜風(fēng)繩采用直徑8mm斜拉鋼絲繩,每層纜風(fēng)繩設(shè)置4根,位于架體的4個轉(zhuǎn)角部位,鋼絲繩下部與地錨相連,如圖6所示。

圖6 穩(wěn)定措施布置平面

3 異形斜塔模板支撐體系力學(xué)性能分析

3.1 分析方法

采用ANSYS有限元軟件,選擇傾斜位置支撐架體建立計算模型。為研究斜撐落地與不落地對架體力學(xué)性能影響,模型中第1和第2加載段斜撐落地布置,第3～5加載段斜撐不落地。在荷載布置方式上,將東側(cè)斜墻各階段結(jié)構(gòu)荷載分層、分步加載,加載順序按施工階段劃分為5個加載段,同時考慮風(fēng)荷載影響,在水平方向布置風(fēng)荷載,具體階段劃分為:第1～5加載段,標(biāo)高分別為0.000～3.750,3.750～5.750,5.750～9.100,9.100～11.450,11.450～14.000m。

加載時將模型分為2種工況,工況1為最不利情況,工況2為最有利情況,如表1所示。

表1 支撐體系受力工況

3.2 荷載選取

荷載根據(jù)GB 50666—2011《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》、JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》、JGJ 130—2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》、GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》、GB 50068—2018《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》等相關(guān)規(guī)定取值,具體數(shù)值如表2所示。

表2 荷載取值

荷載組合按下式進(jìn)行計算:

(1)

式中:γ0為結(jié)構(gòu)安全系數(shù);G為永久恒載;Q為可變荷載。

搭設(shè)高度3.75m處荷載,G=5.94kN,Sq=12.62kN; 搭設(shè)高度5.75m處荷載,G=6.22kN,Sq=13.02kN;搭設(shè)高度9.10m處荷載,G=6.69kN,Sq=13.69kN;搭設(shè)高度11.45m處荷載,G=7.01kN,Sq=14.15kN;搭設(shè)高度14.00m處荷載,G=7.37kN,Sq=14.66kN。

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值:

ωk=βz·μz·μ0·ω0

(2)

式中:ωk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值;βz為風(fēng)振系數(shù);μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù);μ0為腳手架風(fēng)荷載體型系數(shù);ω0為基本風(fēng)壓值。

ωk=0.62kN/m2

3.3 模型建立

選取斜塔東側(cè)墻體結(jié)構(gòu)支撐平臺進(jìn)行模型建立及分析,采用ANSYS中beam188單元建立支撐平臺,網(wǎng)格采用映射劃分,模型單元各方向尺寸均為0.20m。采用生死單元法將整個支撐平臺分成5個階段分別加載,對不同階段的架體分步分析,模擬施工時支撐平臺的應(yīng)力和位移變化情況(見圖7)。

圖7 支撐平臺實體模型

3.4 結(jié)果分析

3.4.1應(yīng)力結(jié)果分析

3.4.1.1工況1

通過有限元軟件ANSYS對工況1支撐平臺5種施工階段進(jìn)行模擬,主應(yīng)力如圖8所示。

圖8 工況1支撐平臺主應(yīng)力

工況1的支撐平臺第1～5加載段最大主應(yīng)力分別為78,86,114,124,132MPa,隨著加載段的推進(jìn),各加載段與上一加載段主應(yīng)力相比均有明顯增加,工況1中主應(yīng)力最大值132MPa出現(xiàn)在第5加載段,<205MPa,符合規(guī)范要求。工況1中第1,2加載段最大主應(yīng)力位于最上部斜撐與架體連接處,第3～5加載段最大主應(yīng)力出現(xiàn)在第3層最底部斜撐與架體的連接處,原因是第1,2層為落地式斜撐,斜撐下部支承于地面持力層,荷載可傳遞至地面,第3～5層斜撐只與架體連接,荷載經(jīng)傳遞后,最大值出現(xiàn)在第3層最底部斜撐位置。

3.4.1.2工況2

通過有限元軟件ANSYS對工況2支撐平臺5種加載階段進(jìn)行模擬,主應(yīng)力如圖9所示。

圖9 工況2支撐平臺主應(yīng)力

工況2支撐平臺第1～5加載段最大主應(yīng)力分別為78,83,70,58,46MPa,第1,2加載段的最大主應(yīng)力出現(xiàn)在最上部斜撐與架體連接處,因為斜撐下部直接支承于地面,第3～5部分最大主應(yīng)力出現(xiàn)在各自最下部斜撐處,不考慮已施工完成部分的荷載后,各加載段僅受本層荷載,故最大主應(yīng)力出現(xiàn)在本層最下部斜撐與架體連接處。

工況1與工況2對比分析如下。

1)斜撐顏色與其他部分有明顯差別,說明大部分水平推力由斜撐承受,后經(jīng)斜撐傳遞至地面或架體主體共同承受。

2)第1加載段為起始段,2種工況下主應(yīng)力一致。自第2加載段開始,工況2對應(yīng)施工階段的主應(yīng)力與工況1相比分別降低3.48%,38.59%,53.22%,65.15%,說明考慮已施工完成節(jié)段混凝土結(jié)構(gòu)可承受自重后,支撐體系的應(yīng)力大幅度降低。

3)落地式斜撐直接將荷載傳遞至地面持力層,斜撐為主要受力構(gòu)件,支撐架其他桿件應(yīng)力較小。非落地式斜撐先將荷載傳遞至與自身交接的立桿,立桿再將荷載傳遞至架體主體,使大部分桿件都受到荷載作用,且荷載累積導(dǎo)致應(yīng)力較高。

3.4.2水平位移結(jié)果分析

通過有限元軟件ANSYS對支撐平臺位移進(jìn)行模擬,選取2種情況下最大水平位移云圖,如圖10所示。

圖10 支撐平臺水平位移

2種情況下最大位移均出現(xiàn)在第5加載段,這是由于隨著結(jié)構(gòu)的層數(shù)和高度增加,支撐體系的水平位移也逐漸增大。工況1支撐平臺最大水平位移值為-2.429mm,位于支撐架第2層與第3層連接處,原因為1,2層斜撐直接支承于地面,第3～5層斜撐只與架體連接,所以最大位移累積至此處。工況2支撐平臺最大水平位移值為-1.239mm,位于第5層斜撐上部,相比于工況1降低48.99%,因已澆筑結(jié)構(gòu)混凝土產(chǎn)生強(qiáng)度后不再對架體產(chǎn)生側(cè)壓力,故工況2最大水平位移較小。

4 關(guān)鍵施工要點

4.1 施工順序選擇

針對傾斜式建筑,施工順序直接影響建筑施工的難易程度與安全性。揚(yáng)帆廣場異形斜塔屬于箱形結(jié)構(gòu)建筑,結(jié)構(gòu)中存在大角度傾斜墻體,故將其分段施工,施工時使斜墻始終領(lǐng)先同高度其他部分1個階段,讓斜墻提前達(dá)到足夠強(qiáng)度以承受其他截面結(jié)構(gòu)荷載。

4.2 支撐架布設(shè)要點

搭設(shè)支撐架時,考慮到斜塔上部為階梯狀,故將支撐架布置為環(huán)狀封閉型結(jié)構(gòu),包圍住斜塔。架體中布置斜撐抵抗混凝土水平推力,將斜撐與鄰近架體立桿進(jìn)行扣接,增強(qiáng)支撐架整體性。內(nèi)側(cè)模板主梁上布置斜拉鋼絲繩,減輕模板對支撐體系的水平推力。為抵抗風(fēng)荷載,水平桿頂緊已澆筑完成的斜塔側(cè)墻,架體高度中間部位和頂部分別設(shè)置2層纜風(fēng)繩。

4.3 混凝土澆筑

混凝土澆筑時按施工階段分段澆筑,先澆筑墻體,再對水平板進(jìn)行澆筑,澆筑時斜墻須始終領(lǐng)先同層其他結(jié)構(gòu)1個階段,按此先墻后板的澆筑方式依次順序澆筑。

5 結(jié)語

通過煙臺揚(yáng)帆廣場階梯狀異形斜塔模板支撐體系的設(shè)計及實踐應(yīng)用,得到以下結(jié)論。

1)傾斜式結(jié)構(gòu)在混凝土澆筑過程中會產(chǎn)生水平推力,模板支撐體系設(shè)計中,斜撐承受大部分水平推力,落地式斜撐與非落地式斜撐相比具有更好的穩(wěn)定性和承載力,但需投入更多架體搭設(shè)材料。

2)模板支撐體系設(shè)計成封閉井字形結(jié)構(gòu),封閉型支撐架整體性好,可大幅度提高支撐體系的穩(wěn)定性。

3)在最有利情況、最不利情況2種不同工況中,加載及計算結(jié)果均過于理想化,實際情況應(yīng)處于二者之間。適當(dāng)延長節(jié)段間的混凝土澆筑時間,可有效降低支撐架體應(yīng)力和變形。

4)施工過程中設(shè)置斜拉鋼絲繩,降低了模板對支撐體系的水平推力,由于架體自身承載力已足夠承受結(jié)構(gòu)荷載,故可將鋼絲繩作為安全儲備。