含斜墻的核心筒整體鋼平臺模架設(shè)計研究

馬 靜，沈國相

（1.上海建工集團(tuán)股份有限公司，上海 200080；2.上海建工裝備工程有限公司，上海 201114；3.浙江天勤建設(shè)有限公司，浙江 紹興 312046）

1 工程概況

廈門白鷺西塔項目位于廈門市集美區(qū)，項目包括1 棟266m 高的塔樓、宴會廳裙房和4 層商業(yè)裙房，總用地面積為34 172m2。塔樓地上47層，地下3 層，結(jié)構(gòu)形式為鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒，1～3 層設(shè)置鋼板剪力墻，局部墻內(nèi)設(shè)置型鋼，地上標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.2m、4.0m，非標(biāo)準(zhǔn)層層高有3.9m、2.1m、6.0m 等。

塔樓核心筒平面呈正方形，由縱橫內(nèi)墻分隔為六宮格，初始平面尺寸約23.0m×23.0m。27～31 層為斜墻段，核心筒四面外墻同時向內(nèi)斜向收縮，收縮層數(shù)共計4 層，每層層高4.0m，總高度16m（圖1）。南北側(cè)外墻以7°逐步收縮，共收縮2m；東西側(cè)外墻以10°逐步收縮，共收縮2.9m；收縮后核心筒平面尺寸為16.8m×18.6m。

圖1 核心筒剪力墻斜墻圖

2 總體技術(shù)路線

針對塔樓的結(jié)構(gòu)特點，施工時采用分節(jié)拍流水施工，核心筒豎向結(jié)構(gòu)先行，對水平構(gòu)件進(jìn)行甩項，即核心筒豎向結(jié)構(gòu)為第一節(jié)拍，核心筒水平結(jié)構(gòu)緊隨其后，最后進(jìn)行外框鋼結(jié)構(gòu)施工。核心筒采用鋼柱式整體鋼平臺模架進(jìn)行施工，4 層進(jìn)行整體鋼平臺模架安裝；4～27 層按照標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行施工；27～31 層進(jìn)行斜墻施工；斜墻施工完畢進(jìn)入垂直段后繼續(xù)按照標(biāo)準(zhǔn)流程施工至頂層。

考慮到核心筒的整體穩(wěn)定性，27～31 層斜墻施工時同步施工外墻內(nèi)側(cè)梁板（圖2），過斜墻采用整體鋼平臺模架與臨時腳手架共同施工的施工方法。具體技術(shù)路線為：整體鋼平臺模架爬升至27 層，根據(jù)墻體變化特點，對鋼平臺進(jìn)行拆改，拆除外墻內(nèi)側(cè)與斜墻干涉的內(nèi)筒構(gòu)件，為水平樓板施工提供操作空間；改造完成后外墻內(nèi)側(cè)利用水平樓板搭設(shè)臨時腳手架向上施工，外墻外側(cè)27～29 層利用鋼平臺外腳手架向上施工（圖3），29～34 層鋼平臺外腳手架拆除，利用懸錨腳手架向上施工；整體鋼平臺模架與臨時腳手架配合至34 層，待架體底梁完全越過斜墻段后，鋼平臺外腳手架重新安裝封閉，斜墻段施工完畢。

圖2 與斜墻同步施工的水平結(jié)構(gòu)

圖3 斜墻施工典型工況立面示意

結(jié)合核心筒體型隨高度變化的特點及總體施工技術(shù)路線，整體鋼平臺模架共有4 種典型體型。27 層以下為體型一；爬升至27 層為體型二，此時南北側(cè)外墻2m 范圍內(nèi)的內(nèi)筒構(gòu)件拆除，東西側(cè)外墻2.9m 范圍內(nèi)的內(nèi)筒構(gòu)件拆除，鋼平臺頂部鋼梁四周為超大懸挑，部分底梁變?yōu)閱蝹?cè)支撐；爬升至29 層為體型三，此時外腳手架及上部鋼梁拆除；爬升至34 層為體型四，此時整體鋼平臺模架全部越過斜墻段，外腳手架重新安裝就位。

3 模架設(shè)計難點分析

1）本工程核心筒體型復(fù)雜，四面外墻同時向內(nèi)斜向收縮且收縮幅度大，模架設(shè)計時需結(jié)合施工技術(shù)路線綜合考慮主要受力構(gòu)件、頂部爬升立柱、底部牛腿支撐的布置位置。頂部立柱支撐點會隨斜墻收縮逐步內(nèi)移、減少，底部牛腿支撐會隨斜墻收縮變化數(shù)量，因此，在設(shè)計時需合理預(yù)設(shè)支撐點，使整體鋼平臺模架在各工況下均穩(wěn)定可靠的支撐于混凝土結(jié)構(gòu)。

2）整體鋼平臺模架隨著斜墻施工變化體型，內(nèi)筒拆改變化為體型二時，作業(yè)工況下東西側(cè)頂部鋼梁懸挑達(dá)6.65m，南北側(cè)頂部鋼梁懸挑達(dá)5.55m，且底部牛腿數(shù)量大幅減少，受力狀態(tài)極其不利。為滿足受力及變形要求，需對頂部鋼梁、底部鋼梁進(jìn)行加固，制定安全可行的加固措施。

3）本工程施工過程中整體鋼平臺模架拆改變形次數(shù)多，且工程位于臺風(fēng)多發(fā)區(qū)域，需結(jié)合加固措施，針對整體鋼平臺模架不同體型狀態(tài)分別建立有限元模型進(jìn)行計算分析，確保模架在不同體型狀態(tài)下施工的安全性。

4 各階段設(shè)計計算要點

整體鋼平臺模架隨核心筒形狀變化不斷調(diào)整，針對本工程整體鋼平臺模架的4 種典型體型，介紹主要的設(shè)計要點和加固措施，并對每種體型均建立有限元模型進(jìn)行受力特性分析。

4.1 荷載及工況分析

整體鋼平臺模架施工中分為作業(yè)工況及爬升工況。整體鋼平臺模架結(jié)構(gòu)的設(shè)計荷載包括恒荷載、施工活荷載、風(fēng)荷載。

1）作業(yè)工況下恒荷載主要為結(jié)構(gòu)自重，活荷載有平臺頂部及內(nèi)外腳手架上的施工荷載、頂部鋼筋等材料堆載、模板荷載、布料機(jī)及施工升降機(jī)的施工荷載，風(fēng)荷載按12 級風(fēng)加載。

2）爬升工況下恒荷載主要為結(jié)構(gòu)自重，活荷載僅有內(nèi)外腳手架上的少量施工荷載，風(fēng)荷載按8 級風(fēng)加載。作業(yè)階段底部牛腿作為模架的支撐點，爬升階段頂部爬升立柱作為模架的支撐點。

4.2 模架體型一

4.2.1 設(shè)計要點

體型一為模架的初始狀態(tài)，此時頂部共設(shè)置25 個爬升立柱支撐點，單點承載力40t；底部共設(shè)置28 個牛腿支撐點，單點承載力60t。頂部平臺堆載區(qū)域設(shè)計荷載＜5kN/m2，內(nèi)外腳手架設(shè)計荷載＜5kN/m2。

4.2.2 計算分析

應(yīng)力比計算結(jié)果如圖4 所示，由此可知，除部分鋼平臺筒架柱底部的應(yīng)力比較大（為0.87 左右)外，大部分構(gòu)件的應(yīng)力比在0.65 以內(nèi)；模架結(jié)構(gòu)豎向變形如圖5 所示，最大變形位于鋼平臺頂部東南角邊緣懸挑位置，變形值為15.6mm；牛腿支撐反力大小分布如圖6 所示，最大支座反力位于模架右下角，為571.6kN；爬升工況中爬升立柱支撐反力大小分布如圖7 所示，最大豎向反力位于模架中部，為368kN；綜上結(jié)果，模架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及變形均滿足規(guī)范和設(shè)計要求。

圖4 模架體型一應(yīng)力比

圖5 模架體型一豎向變形

圖6 模架體型一牛腿反力

圖7 模架體型一爬升立柱支撐反力

4.3 模架體型二

4.3.1 設(shè)計要點

模架變化為體型二時，外墻內(nèi)側(cè)部分內(nèi)筒構(gòu)件及支撐拆除。此時頂部共設(shè)置22 個爬升立柱支撐點；底部牛腿支撐點減少為16 個。頂部平臺堆載區(qū)域變小，內(nèi)筒構(gòu)件拆除部分不能堆載，僅用于人員通行，可堆載區(qū)域設(shè)計荷載不變，內(nèi)外腳手架設(shè)計荷載不變。

4.3.2 加固措施

此工況下四邊頂部鋼梁均為超大懸挑，為減小頂部懸臂鋼梁變形、邊側(cè)內(nèi)筒架柱的應(yīng)力比及變形，在外圈增設(shè)14 根臨時支撐柱支撐懸臂段頂部鋼梁（圖8）。臨時支撐柱底端固定于墻體，柱與柱之間橫向拉結(jié)。

圖8 頂部鋼梁臨時支撐柱平面位置

此工況下底梁斷開，剩余支撐多為單側(cè)支撐，且牛腿支點位置受力較為不利，考慮剩余架體的穩(wěn)定性及安全性，在底梁4 個角部設(shè)置臨時加固裝置（圖9）。加固裝置一端固定于鋼平臺底梁，一端固定于墻體。

4.3.3 計算分析

應(yīng)力比計算結(jié)果如圖10 所示，由計算結(jié)果可知，增設(shè)臨時支撐柱后，所有構(gòu)件的應(yīng)力比均在0.66 以內(nèi)；模架結(jié)構(gòu)豎向變形如圖11 所示，最大變形位于鋼平臺中部，變形值為12.3mm；牛腿支撐及臨時支撐柱反力大小分布如圖12 所示，最大支座反力為359.1kN；爬升立柱支撐反力大小分布如圖13 所示，最大豎向反力位于模架中部，為320.6kN；根據(jù)臨時支撐支反力結(jié)果，對臨時鋼柱進(jìn)行計算分析，應(yīng)力比最大如圖14 所示，為0.47；對底梁加固梁進(jìn)行計算分析，應(yīng)力比最大如圖15 所示，為0.51。

圖10 模架體型一應(yīng)力比

圖11 模架體型一豎向變形

圖12 模架體型一牛腿反力

圖13 模架體型一爬升立柱支撐反力

圖14 臨時支撐柱應(yīng)力比

圖15 底梁加固梁應(yīng)力比

綜上結(jié)果，經(jīng)過拆改后，模架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及變形均滿足規(guī)范和設(shè)計要求，加固措施安全余量充足。

圖9 底部鋼梁加固裝置平面位置

4.4 模架體型三、體型四

4.4.1 設(shè)計要點

鋼平臺架體結(jié)構(gòu)在體型二的基礎(chǔ)上拆除外腳手架及上部鋼梁，變化為體型三，四邊懸挑大幅減小且無下掛腳手架荷載（圖16）；待模架全部越過斜墻段，外腳手架重新安裝后，變化為體型四。體型三、四時模架面積縮小，頂部共設(shè)置16個爬升立柱支撐點，體型三底部共設(shè)置16 個牛腿支撐點，體型四時模架底部已到達(dá)直墻段，外墻位置可以進(jìn)行支撐，啟用底梁四邊提前預(yù)留好的牛腿支撐，此時底部共設(shè)置22 個牛腿支撐點（圖17）；各區(qū)域設(shè)計荷載不變。

圖16 模架體型三立面

圖17 模架體型四牛腿支點

4.4.2 加固措施

體型三時底梁位置還位于斜墻段，此時仍舊在底梁四個角部設(shè)置臨時加固裝置，頂部四邊懸挑已拆除，無須設(shè)置臨時支撐柱。

體型四為整體鋼平臺模架最終變化狀態(tài)，此時頂部及底部支撐均位于直墻段，無須加固。

4.4.3 計算分析

綜合分析，體型三、體型四與體型二相比，減小了懸挑長度、減輕了荷載、增設(shè)了支撐牛腿，計算時均為有利條件。計算結(jié)果顯示，模架結(jié)構(gòu)的豎向變形、主要結(jié)構(gòu)的應(yīng)力比都比較小，強(qiáng)度和穩(wěn)定性余量充足。

5 各工況下施工注意要點

1）應(yīng)按照不同體型狀態(tài)嚴(yán)格控制模架頂部的施工荷載，尤其內(nèi)筒構(gòu)件拆除、四邊超大懸挑的狀態(tài)下，僅有內(nèi)筒支撐的部分可以堆載，其余位置僅限人員通行，防止大懸挑狀態(tài)下模架變形過大。

2）嚴(yán)格按照設(shè)計方案的要求進(jìn)行加固，頂部14 根臨時支撐柱位置預(yù)埋準(zhǔn)確，保證垂直度；底梁四個角部支撐沿斜墻段逐層設(shè)置，施工時提前設(shè)置好埋件，底梁到位后立即進(jìn)行加固，確保實際受力狀態(tài)與計算假定一致。

3）本工程位于臺風(fēng)多發(fā)區(qū)域，臺風(fēng)來臨前需要在模架結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)之間增設(shè)連接以增強(qiáng)整體性，確保模架結(jié)構(gòu)的安全。施工時按照方案，不同體型狀態(tài)下設(shè)計不同的連接件，將模架外腳手架與墻體上下多步拉結(jié)為整體。

6 結(jié)語

以廈門白鷺西塔工程為背景，介紹了變化復(fù)雜的超高核心筒整體鋼平臺模架的設(shè)計及計算。本工程核心筒27～31 層四面外墻同時向內(nèi)斜向收縮且收縮幅度大，整體鋼平臺模架需隨著斜墻施工變化體型，空中拆改次數(shù)多，通過分析不同階段模架的體型特點，充分考慮施工過程中四邊超大懸挑、牛腿單側(cè)支撐等不利工況，對模架的典型體型狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計、加固及計算分析，為項目的實施提供了技術(shù)保障。

目前，本工程核心筒斜墻段已施工完畢，通過實踐表明，斜墻段不利工況下整體鋼平臺模架穩(wěn)定可靠，針對性設(shè)計的加固措施安全有效，可供同類工程借鑒。