鋼結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土懸挑板施工技術(shù)

印冬雷（上海建工一建集團(tuán)有限公司，上海 200120）

0 引 言

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有制造安裝機(jī)械化程度高、低碳、節(jié)能、綠色環(huán)保、可重復(fù)利用等諸多優(yōu)點(diǎn)，在我國建筑領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛[1-2]。部分建筑結(jié)構(gòu)，如商業(yè)辦公樓，一般由鋼柱、鋼梁、鋼斜撐、鋼隅撐等組成基本框架，樓板仍需鋪設(shè)鋼筋并進(jìn)行混凝土澆筑施工，而鋼筋混凝土澆筑施工時(shí)常用到的腳手架-模板體系需要經(jīng)歷架體搭設(shè)、架體驗(yàn)收、混凝土澆筑、混凝土養(yǎng)護(hù)、架體拆除等多種工序，且在本樓層鋼筋混凝土達(dá)到相應(yīng)強(qiáng)度后方可進(jìn)行更高樓層混凝土澆筑施工。另外，對于搭設(shè)高度超過50 m的落地腳手架和搭設(shè)高度超過20 m的懸挑腳手架均需進(jìn)行專家論證。因此，在采用腳手架-模板體系進(jìn)行鋼筋混凝土懸挑板板澆筑施工時(shí)，施工工序較繁雜且施工周期較長。本文以上海市浦東新區(qū)張江集電港B區(qū)3-2信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)平臺項(xiàng)目（以下簡稱“項(xiàng)目”）中，上部鋼結(jié)構(gòu)樓板鋼筋混凝土懸挑板施工過程為案例，概述一種“一體化”施工技術(shù)方案，即通過在鋼結(jié)構(gòu)封邊梁上加焊鋼支撐和鍍鋅鋼板底膜、邊摸替代鋼筋混凝土澆筑施工常用的腳手架-模板體系。技術(shù)方案實(shí)施后，加快了后續(xù)工程的施工進(jìn)度，縮短了工期，對類似工程具有一定的借鑒意義。

1 項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目簡介

項(xiàng)目位于上海市浦東新區(qū)祖沖之路與張東路交界處，北臨祖沖之路，西靠張東路，東側(cè)為集創(chuàng)路，南側(cè)為集電路（在建）。項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)用地面積38 056.2 m2，容積率4.0，總建筑面積約為245 965 m2，其中地上建筑面積約為153 215.2 m2，地下建筑面積約為92 749.8 m2。項(xiàng)目地上共5棟單體（A1～A5），5棟單體共用一個(gè)大地下室，地下層數(shù)為3層。

1.2 上部結(jié)構(gòu)概況

A1棟上部結(jié)構(gòu)為鋼框架現(xiàn)澆混凝土核心筒結(jié)構(gòu)；A2～A5棟上部結(jié)構(gòu)均為鋼框架結(jié)構(gòu)。上部結(jié)構(gòu)中封邊鋼梁內(nèi)側(cè)樓板均為壓型鋼板和鋼筋混凝土組合樓板，封邊鋼梁外側(cè)為鋼筋混凝土懸挑板，懸挑長度為1.15 m，鋼筋混凝土懸挑板厚度為0.25 m，混凝土標(biāo)號為C30。A1～A5棟第10層鋼筋混凝土懸挑板均為鋸齒形，其他樓層的鋼筋混凝土懸挑板均為矩形。5棟單體上部結(jié)構(gòu)外圍護(hù)為斜插式單元板塊幕墻，幕墻板塊通過預(yù)埋件安裝于鋼筋混凝土懸挑板上。

A5單體中，相對于第8層及以下樓層板邊緣，第9層樓板邊緣向內(nèi)收縮，收縮距離介于0.7～14.0 m之間。第10層及以上樓層板則整體向西側(cè)偏移，偏移距離達(dá)到7.5 m，形成了懸挑結(jié)構(gòu)，如圖1所示。第10層樓板西側(cè)懸挑部分壓型鋼板距地下室頂板垂直距離達(dá)到45 m，若采用腳手架-模板體系進(jìn)行鋼筋混凝土懸挑板建筑施工，則需要搭設(shè)45 m的滿堂落地腳手架，施工難度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高，且A1～A5棟第10層懸挑板邊緣為鋸齒形，距封邊鋼梁外側(cè)最大距離僅為0.805 m，難以作為腳手架的支撐結(jié)構(gòu)面。因此，A5單體第10層樓板西側(cè)和A1～A5單體第11層樓鋼筋混凝土懸挑板施工難度較大。

圖1 A5樓三維模型圖

2 鋼支撐設(shè)計(jì)

2.1 鋼支撐設(shè)計(jì)思路

A1～A5棟上部鋼結(jié)構(gòu)封邊梁為H型鋼梁。設(shè)想在封邊梁吊裝之前，首先在H型鋼梁腹板焊接若干道加勁肋，然后將事先焊接好的楔形鋼支撐焊接于加勁肋上，使楔形鋼支撐與H型鋼封邊梁組成一個(gè)整體受力結(jié)構(gòu)，如圖2所示。最后整體吊裝于鋼結(jié)構(gòu)中。

圖2 整體受力結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 鋼支撐整體設(shè)計(jì)

在H型鋼梁上焊接加勁肋，加勁肋厚度為10 mm。采用100 mm×7 mm型號的角鋼焊接成楔形鋼支撐，焊接于加勁肋上，加勁肋底部加焊7 mm厚、150 mm高的連接板，以保證斜向的100 mm×7 mm角鋼與連接板平整接觸。每2 m布置1道楔形鋼支撐和加勁肋。相鄰2道楔形鋼支撐之間布置2道橫檁，橫檁型號為50 mm×5 mm角鋼，橫檁凈距設(shè)為0.825 m。楔形鋼支撐和橫檁組成基本承載結(jié)構(gòu)后，需在其上預(yù)留外圍護(hù)防護(hù)安裝構(gòu)件。最后在上述基本承載結(jié)構(gòu)上鋪設(shè)2 mm的U型鍍鋅鋼板作為混凝土澆筑時(shí)的底模和邊模。鍍鋅鋼板與上述基本承載結(jié)構(gòu)的連接方式為點(diǎn)焊，其余焊接方式為三面圍焊。相關(guān)參數(shù)如圖3、圖4所示。

圖3 鋼支撐剖面圖

圖4 鋼支撐平面圖

2.3 傳力分析

最不利工況為懸挑板混凝土澆筑完成至初凝期間，此時(shí)混凝土呈現(xiàn)一定的流動性，尚不具備承載自身重力所需的基本強(qiáng)度，混凝土自重視為均布荷載作用于鋼支撐上，由鋼支撐通過加勁肋傳遞至封邊鋼梁。封邊鋼梁處于拉、壓、彎、剪、扭的復(fù)雜受力狀態(tài)。

2.4 有限元受力分析

鋼筋混凝土懸挑板初凝期間，除需要考慮鋼支撐架體的應(yīng)力狀態(tài)與變形情況外，仍需考慮H型封邊鋼梁的應(yīng)力狀態(tài)與變形情況。H型封邊鋼梁的最大跨度為11.7 m，最小截面尺寸為H700 mm×200 mm×10 mm×16 mm。以下運(yùn)用有限元理論，采用有限元軟件Abaqus[3-6]進(jìn)行進(jìn)一步分析。

鋼支撐和封邊梁均采用Q355B材質(zhì)的鋼材。鋼材彈性模量介于200～210 GPa，考慮最不利情況，取最小值200 GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3，屈服強(qiáng)度為355 MPa。鋼筋混凝土懸挑板混凝土標(biāo)號為C30，其密度約為2 360 kg/m3，重力加速度為9.8 N/kg，取值10 N/kg。

承載結(jié)構(gòu)主要受自身重力荷載和懸挑板混凝土的重力荷載作用，鋼筋與封邊梁內(nèi)測樓板鋼筋通過綁扎搭接，在懸挑板側(cè)處于懸空狀態(tài)，與鋼支撐并不接觸，無作用力。封邊次梁的跨度為11.7 m，2 m布設(shè)1道角鋼，11.7 m長度內(nèi)布設(shè)了6道，第1道角鋼和第6道角鋼距離為10 m。模型中，6道角鋼上混凝土拌合物的總長度亦為10 m，故取10 m長混凝土拌合物的重量作為角鋼所受荷載。

懸挑樓板混凝土類別為C30，其密度約為2 360 kg/m3。適當(dāng)考慮施工荷載，將懸挑板混凝土的密度增大至2 600 kg/m3。荷載視為作用于100 mm×7 mm水平角鋼上的均布靜力荷載。懸挑部分樓板的質(zhì)量為10 m×0.25 m×1.15 m×2 600 kg/m3＝7 475 kg。重力加速度取10 N/kg，因此，樓板總重為74.75 kN。

角鋼支撐共有6道，因此每道角鋼支撐所受樓板荷載為74.75 kN/6＝12.46 kN。角鋼支撐中，100 mm×100 mm×7 mm角鋼表面與樓板荷載直接接觸，其長度為1.30 m，寬度為0.10 m，其面積為0.13 m2。因此，每道100 mm×100 mm×7 mm角鋼表面所受面荷載為12.46 kN/0.13 m2＝95.85 kPa。

建模時(shí)，考慮懸挑主梁和部分次梁的影響，封邊梁、主梁、次梁之間連接方式為高強(qiáng)螺栓剛性連接，與設(shè)計(jì)院溝通后可視同焊接連接。懸挑主梁自由端為梁柱節(jié)點(diǎn)，其6個(gè)自由度均處于約束狀態(tài)，模型如圖5所示。單元類型為C3D8R一階線性實(shí)體單元。

圖5 有限元模型圖

計(jì)算結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 米塞斯應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖7 位移云圖（單位：m）

混凝土澆筑后，鋼支撐橫檁上出現(xiàn)了較大的位移，鋼支撐與加勁肋連接處出現(xiàn)了較大的應(yīng)力，而懸挑主梁、次梁、封邊梁所受應(yīng)力和位移均很小。角鋼支撐最大位移值為1.82 mm，最大應(yīng)力值184.5 MPa，遠(yuǎn)小于Q355B鋼材的屈服強(qiáng)度，處于彈性受力狀態(tài)。可以推斷，當(dāng)懸挑板混凝土強(qiáng)度滿足要求，拆除鋼支撐后，原結(jié)構(gòu)的承載性能不受不利影響。

3 鋼支撐方案實(shí)施

3.1 鋼支撐焊接安裝步驟

鋼支撐焊接安裝步驟為：加勁肋焊接→100 mm×7 mm水平角鋼橫撐焊接→100 mm×7 mm角鋼斜撐焊接→50 mm×5 mm角鋼橫撐焊接→2 mm厚鍍鋅鋼板模板焊接。鋼支撐焊接完畢后，加焊若干道豎向50 mm×5 mm角鋼以便于外圍護(hù)防護(hù)安裝。焊接完畢，焊工應(yīng)清理焊縫表面的熔渣及兩側(cè)的飛濺物，初步檢查焊縫外觀質(zhì)量。

3.2 鋼支撐焊接安裝質(zhì)量控制措施

（1）焊接前質(zhì)量控制：①設(shè)計(jì)圖紙完整，并仔細(xì)了解設(shè)計(jì)意圖及其細(xì)節(jié)，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)與設(shè)計(jì)人員溝通并取得共識；②嚴(yán)格把關(guān)鋼材、焊材質(zhì)量，除審核合格證（質(zhì)保書）外，還應(yīng)檢查其材料標(biāo)記外形尺寸，外觀質(zhì)量等，并按規(guī)定要求做好抽樣復(fù)驗(yàn)以及報(bào)驗(yàn)等工作；③做好焊工培訓(xùn)與考試工作，使焊工均持證上崗操作；④按規(guī)定要求做好焊接工藝評定工作，經(jīng)評定合格后按此編制指導(dǎo)性的焊接工藝技術(shù)文件以及作業(yè)指導(dǎo)書等[7-8]；⑤抓好焊接接頭的坡口加工、組對，針對高強(qiáng)度鋼、大厚板還需做好工藝評定，以便確定合適的預(yù)熱要求等；另在開焊前做好全員的技術(shù)交底工作。

（2）焊接中質(zhì)量控制：①按規(guī)定要求進(jìn)行焊機(jī)的調(diào)整；②檢查焊工資格證書；③按要求進(jìn)行焊前預(yù)熱，重點(diǎn)檢查預(yù)熱溫度、加熱范圍，做好溫度監(jiān)控、測量記錄等；④監(jiān)督與檢查焊工是否嚴(yán)格按工藝文件要求進(jìn)行焊接施工，打底焊時(shí)監(jiān)控好底層焊道的寬度與厚度；⑤監(jiān)控好道間溫度，上限應(yīng)小于230 ℃，下限應(yīng)高于預(yù)熱溫度；⑥檢查焊道間的清理，應(yīng)清除焊渣與飛濺物等；⑦蓋面焊縫時(shí)應(yīng)注意控制好余高以及焊縫表面平滑過渡至母材，如為角焊縫則應(yīng)注意二焊角差以及焊肉有效厚度等控制；⑧焊接操作應(yīng)執(zhí)行多層多道焊，嚴(yán)禁寬擺動焊；⑨監(jiān)控好焊后的保溫緩冷與后熱消氫熱處理，并做好施工記錄等。

（3）焊接后質(zhì)量控制：焊接完成的焊縫在 24 h后或規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行焊縫外觀質(zhì)量檢查和無損檢測。

（4）焊接變形控制：由于焊接熱輸入引起材料的局部不均勻加熱，使焊縫區(qū)熔化，而與熔池毗鄰的高溫區(qū)材料熱膨脹又受到周圍材料的限制，產(chǎn)生不均勻的壓縮塑性變形；在冷卻過程中，已經(jīng)發(fā)生壓縮塑性變形的這部分材料（如長焊縫的兩側(cè)），又受到周圍條件的制約無法自由收縮，在不同程度上被拉伸；與此同時(shí)，熔池凝固，金屬冷卻收縮時(shí)也產(chǎn)生相應(yīng)的收縮拉應(yīng)力與變形，產(chǎn)生不協(xié)調(diào)反應(yīng)，從而導(dǎo)致了焊接應(yīng)力與變形[9-12]。對于厚板焊接，尤其要注意焊接變形的控制，減小焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。

4 結(jié) 語

針對項(xiàng)目中，上部鋼結(jié)構(gòu)部分樓層鋼筋混凝土懸挑板施工遇到的困難，并未采用常用的腳手架-模板體系進(jìn)行混凝土澆筑施工，而是采用角鋼組成的新的鋼支撐體系技術(shù)。結(jié)合有限元理論受力分析，采取鋼支撐作為混凝土澆筑施工作業(yè)面，并成功地進(jìn)行了實(shí)踐，較大程度地縮短了混凝土澆筑施工周期，加快了幕墻等后續(xù)施工過程的進(jìn)度。