高空外挑大直徑鋼筋混凝土斜圓柱施工技術(shù)

王偉清,鄭凌遠(yuǎn),鄭熙淳,焦 健,李江添,莫天芳

(1.中建四局第六建設(shè)有限公司,安徽 合肥 230000; 2.中建四局水利能源發(fā)展有限公司,廣東 廣州 510000; 3.中國(guó)建筑第四工程局有限公司,廣東 廣州 510000)

0 引言

隨著現(xiàn)代城市化的不斷發(fā)展,建筑造型也日趨多元化、復(fù)雜化,越來越多特色鮮明、主題突出的建筑涌現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)建筑新穎特異的外觀并滿足其使用功能的需要,建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也隨之變得新穎。為能更好地展現(xiàn)高層建筑獨(dú)特的立面效果,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用鋼筋混凝土圓柱、斜柱等,其中不乏采用傾斜外挑柱、大直徑圓柱等。當(dāng)前,針對(duì)高度低、常規(guī)直徑、向內(nèi)傾斜的圓形混凝土柱施工的研究較多,其施工工況相對(duì)簡(jiǎn)單,相關(guān)施工方法可參考傳統(tǒng)常規(guī)混凝土柱,施工技術(shù)較成熟。針對(duì)高空、外挑傾斜、大直徑、圓形鋼筋混凝土柱,施工存在一定難度,該領(lǐng)域也鮮有研究,值得進(jìn)一步深入探討。

本文以深圳某未來科技城項(xiàng)目為案例,分析該項(xiàng)目高空外挑大直徑鋼筋混凝土斜圓柱施工難點(diǎn),設(shè)計(jì)模板支撐體系,研究施工工藝方法,并通過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證該模板支撐體系和施工方法的可行性。研究并總結(jié)高空外挑大直徑鋼筋混凝土斜圓柱施工關(guān)鍵技術(shù),為同類工程施工提供參考。

1 工程概況

深圳某未來科技城項(xiàng)目位于寶安區(qū)大鏟灣,占地面積12.6萬m2,總建筑面積83.4萬m2。項(xiàng)目含6棟18～24層高層塔樓,塔樓高度79.85～132.35m,為框架-核心筒結(jié)構(gòu)。塔樓呈下小上大形狀,為實(shí)現(xiàn)建筑外觀效果,結(jié)構(gòu)平面尺寸自下而上逐層外擴(kuò),外框設(shè)計(jì)有大量斜圓柱,斜圓柱自地下1M層起步,最高至12層,隨后轉(zhuǎn)為直柱,共883根斜柱。斜圓柱分布于結(jié)構(gòu)外邊緣,直徑為900～2 100mm, 傾斜角度為1.8°～13.7°,最大水平總位移8 231mm,最大單層位移865mm,柱邊緣距離結(jié)構(gòu)邊緣354～5 117mm。 各樓棟斜圓柱分布如表1所示。

表1 斜圓柱分布統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of inclined-circular column distribution

以1號(hào)塔樓為例,斜圓柱平面分布如圖1所示,單層共16根斜圓柱,圖中無填充輪廓為柱起始位置,有填充輪廓為柱終點(diǎn)位置。

圖1 1號(hào)塔樓斜圓柱分布平面Fig.1 Inclined-circular column distribution plan of No.1 tower building

高空臨邊斜圓柱無法采用搭設(shè)多排傾斜鋼管架將荷載傳遞至樓板面的傳統(tǒng)斜柱支模方式,需創(chuàng)新設(shè)計(jì)一套安全可靠的模板支撐體系。

斜圓柱數(shù)量多、直徑變化多、傾斜角度不一,模板支撐體系需具備較好的通用性。高空外挑大直徑鋼筋混凝土斜圓柱的平面定位、傾斜角度、撓度及圓度控制是重點(diǎn),需采取相關(guān)質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)措施。

2 斜圓柱模板支撐體系設(shè)計(jì)

2.1 模板支撐體系設(shè)計(jì)需求分析

2.1.1基本設(shè)計(jì)需求

為滿足工程施工需要,模板支撐體系必須有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性,以便承受新澆筑混凝土自重、側(cè)壓力和施工荷載及風(fēng)荷載,達(dá)到模板體系不破壞、不變形、不傾斜和不搖晃,保證各構(gòu)件形狀、尺寸和位置符合設(shè)計(jì)要求;設(shè)計(jì)方案還應(yīng)考慮施工搭拆方便及確保施工安全。

2.1.2重點(diǎn)功能需求分析

1)高空臨邊斜圓柱支撐體系設(shè)計(jì) 斜圓柱分布于結(jié)構(gòu)外邊緣,柱高>4.5m,圓柱向外傾斜,傾斜側(cè)距離結(jié)構(gòu)邊緣354～5 117mm,多數(shù)距離<1 200mm, 導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)無充足的空間及支撐點(diǎn),無法采用搭設(shè)多排鋼管斜撐柱身的傳統(tǒng)斜柱支模方式。模板支撐體系設(shè)計(jì)時(shí)需選擇合理的受力裝置,解決支撐受力點(diǎn)問題,同時(shí)該受力裝置盡量適用于不同傾斜角度的斜柱。

2)柱身撓度及圓度控制 混凝土未終凝前,不同于直圓柱模板只承受均衡的側(cè)壓力,斜圓柱傾斜一側(cè)模板還承受了混凝土自重在傾斜方向的分力,使柱身發(fā)生彎曲撓度變形;此外,模板內(nèi)側(cè)壓力不均衡,傾斜一側(cè)大,與之相反一側(cè)則小,使圓形模板徑向內(nèi)力無法抵消,導(dǎo)致圓度偏差。模板支撐體系設(shè)計(jì)時(shí)需考慮圓形模板軸向與徑向剛度,解決柱身下?lián)献冃闻c圓度偏差問題。

3)斜圓柱加固轉(zhuǎn)換 斜圓柱表面為圓弧狀,為使圓柱模板受力均勻傳遞至支撐體系,需在模板支撐體系設(shè)計(jì)時(shí)考慮圓形模板受力合理轉(zhuǎn)換并傳遞至支撐裝置,同時(shí)該轉(zhuǎn)換裝置盡可能適用于不同直徑圓柱。

2.2 模板支撐體系設(shè)計(jì)

常用的圓柱模板包括鋼模、鋁模、木模、塑料模等,針對(duì)斜圓柱梁柱節(jié)點(diǎn)部位層層變化、柱截面變化、傾斜角度差異的特點(diǎn),圓形木模相較其他材質(zhì)模板在操作便利性、經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性具有顯著優(yōu)勢(shì),故采用定型化圓形木模板,配套鋼帶抱箍,形成斜圓柱模板支撐體系的基礎(chǔ)。

2.2.1可調(diào)斜撐、斜拉受力裝置

根據(jù)柱腳到結(jié)構(gòu)邊緣是否有可用于搭設(shè)支撐的充足距離為劃分原則,以1 500mm為距離臨界值,滿足該距離則采用可調(diào)斜撐受力裝置,否則采用可調(diào)斜拉受力裝置。

可調(diào)斜撐受力裝置由2根不同長(zhǎng)度的可通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)長(zhǎng)度的撐桿組成,頂部與加固轉(zhuǎn)換裝置連接,底部與底座埋件連接(見圖2)。可調(diào)斜拉受力裝置由2根不同長(zhǎng)度的可通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)長(zhǎng)度的拉桿組成,頂部與加固轉(zhuǎn)換裝置連接,底部與底座埋件連接(見圖3)。撐桿(拉桿)與斜柱模板、已澆筑的樓板面形成穩(wěn)定的三角形受力裝置。

圖2 可調(diào)斜撐受力裝置立面Fig.2 Elevation of adjustable inclined supporting device

圖3 可調(diào)斜拉受力裝置立面Fig.3 Elevation of adjustable inclined pulling force device

為提高裝置重復(fù)使用率,撐桿及拉桿的設(shè)計(jì)與鋁模斜撐桿類似,可通用于鋁模加固體系。撐桿(拉桿)螺紋旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)使其長(zhǎng)度具有一定的可調(diào)范圍,旋轉(zhuǎn)螺紋桿可伸長(zhǎng)或縮短。撐桿(拉桿)底端采用螺紋桿與底座鉸接(見圖4),使其可繞斜撐底座旋轉(zhuǎn),可調(diào)整支撐角度以適應(yīng)不同傾角混凝土斜柱。

圖4 可調(diào)撐桿(拉桿)Fig.4 Adjustable supporting rod (pulling rod)

2.2.2加固轉(zhuǎn)換裝置

為使斜撐(拉)裝置與主次楞鋼管具有可靠傳力,解決圓柱?；∶婧奢d轉(zhuǎn)換至平面的難題,設(shè)計(jì)了一種用于斜柱支模的加固轉(zhuǎn)換裝置。加固轉(zhuǎn)換裝置由豎向次楞方通、橫向主楞方通及連接二者的三角楔組成,如圖5所示。該裝置將斜柱傾斜側(cè)荷載集中至主楞方通上,主楞方通與斜撐(拉)裝置相連,將荷載傳遞至已澆筑的混凝土樓板上,從而完成斜柱模板支撐。

圖5 加固輕換裝置Fig.5 Reinforced conversion device

該裝置的豎向次楞方通及橫向主楞方通均由60mm×40mm×3.2mm矩形鋼管雙拼組成,該材料為鋁合金模板體系中常用的支撐背楞。豎向次楞方通直接承擔(dān)圓柱模傾斜方向荷載,在斜柱傾斜一側(cè)設(shè)置3道(傾斜側(cè)中間1道,兩側(cè)各1道)豎向次楞方通,方通一面緊貼模板表面,另一面直接或通過三角楔連接橫向主楞方通,可有效控制圓柱模下?lián)献冃?。橫向主楞方通設(shè)置2道,分別布置在次楞方通中部、上部。

因斜柱直徑隨不同樓棟及樓層變化,為使加固轉(zhuǎn)換裝置可適用于不同直徑的混凝土斜圓柱,三角楔可在一定范圍內(nèi)沿橫向主楞方通滑動(dòng),使和三角楔固定的次楞方通與圓柱模板弧面相切。

2.2.3側(cè)向穩(wěn)固裝置

在垂直圓柱的傾斜方向兩側(cè)各布置1道斜撐裝置和次楞方通,可用于調(diào)節(jié)斜圓柱定位,限制其他方向位移,并可限制圓柱模向兩側(cè)鼓脹變形,控制圓柱圓度。

2.3 模板支撐體系受力分析

比較斜柱角度、圓柱直徑,選用最不利條件下的斜柱支模,進(jìn)行模板支撐體系驗(yàn)算。

將混凝土斜圓柱重力G分解為沿傾斜方向垂直于斜柱柱身的G1和平行于柱身的G2。其中,G1為對(duì)豎向次楞方通的均布荷載合力,經(jīng)三角楔及橫向主楞方通傳遞至可調(diào)斜撐(拉)裝置,對(duì)可調(diào)斜撐(拉)進(jìn)行模型簡(jiǎn)化后計(jì)算支撐體系受力;G2為平行模板方向的分力,根據(jù)流體內(nèi)部壓強(qiáng)特點(diǎn),轉(zhuǎn)換為圓形模板側(cè)壓力,對(duì)圓形模板進(jìn)行側(cè)壓力驗(yàn)算。次楞方通受力模型如圖6 所示。

圖6 次楞方通受力模型Fig.6 Stress model of the secondary corrugated square tube

均布荷載沿次楞→三角楔→主楞→斜撐(拉)裝置方向依次傳遞,并與地錨及2道斜撐(拉)桿提供的支座反力抵消。

2.3.1最不利工況分析

1)次楞方通最不利工況 根據(jù)力學(xué)分解模型可知,斜圓柱直徑越大、傾斜角度越大,則q1越大。選擇1號(hào)塔樓B型斜柱(直徑D=2 100mm,傾斜角度α=7°)為最不利工況進(jìn)行驗(yàn)算。

2)斜撐(拉)桿最不利工況 采用斜撐方式時(shí),在地錨點(diǎn)位置不變的條件下,q1越大、傾斜角度越大,斜撐桿所受的壓力P1,P2越大,同樣選擇1號(hào)塔樓B型斜柱為斜撐桿最不利工況進(jìn)行驗(yàn)算。采用斜拉方式時(shí),在地錨點(diǎn)位置不變的條件下,q1越大、傾斜角度越大,斜拉桿所受的拉力P1,P2越大,選擇3號(hào)塔樓B型斜柱(直徑D=1 800mm,傾斜角度α=2.7°)作為斜拉桿最不利工況進(jìn)行驗(yàn)算。

2.3.2受力驗(yàn)算

經(jīng)計(jì)算,次楞方通抗剪強(qiáng)度21.70N/mm2、抗彎強(qiáng)度67.39N/mm2、最大撓度1.337mm,均符合要求。斜撐桿最大內(nèi)力為27kN,斜拉桿最大內(nèi)力為6.91kN;最大長(zhǎng)細(xì)比λ=94.3,受壓構(gòu)件穩(wěn)定性N/(φA)=96N/mm2,承載力及穩(wěn)定性均滿足要求。

3 斜圓柱施工

3.1 施工流程

斜圓柱施工總體流程與傳統(tǒng)柱類似,如圖7所示。

圖7 斜圓柱施工工藝流程Fig.7 Construction process flow of inclined-circular column

3.2 施工關(guān)鍵要點(diǎn)

3.2.1鋼筋綁扎

斜圓柱鋼筋籠自身剛度難以抵御自重引起的撓度,易產(chǎn)生變形。為避免變形過大,在綁扎過程中采用臨時(shí)鋼絲繩拉住斜圓柱上部1/3～1/2縱筋(見圖8),鋼絲繩一端環(huán)拉鋼筋籠,一端固定綁扎在已澆筑板面預(yù)埋件上。

圖8 斜拉鋼絲繩臨時(shí)固定主筋示意Fig.8 Temporary fixed main bar by cable-stayed wire rope

鋼筋綁扎過程中,在柱鋼筋籠傾斜側(cè)箍筋上沿柱高每隔一定距離焊接1個(gè)鋼筋定位支架,確保柱箍筋不會(huì)緊貼模板,使保護(hù)層厚度滿足要求。

3.2.2模板支撐體系安裝

先安裝下傾斜弧面模板,再安裝兩側(cè)弧面模板,最后去除吊拉鋼筋的鋼絲繩,安裝上弧面模板,并用鋼帶固定。圓柱模豎向接長(zhǎng)時(shí),其接縫需錯(cuò)開。圓柱模合模并經(jīng)鋼帶固定后安裝斜柱支撐體系,具體如下。

1)安裝可調(diào)斜撐(拉)裝置并與預(yù)埋底座鉸接固定。

2)將2道主楞方通及三角楔組裝,再安裝在中間次楞方通上,隨后與斜撐(拉)裝置連接,形成穩(wěn)定三角形后,陸續(xù)將傾斜側(cè)的剩余2道次楞方通固定在三角楔上。

3)旋轉(zhuǎn)斜撐(拉)桿調(diào)節(jié)中間次楞傾斜角度,并使之與圓柱模表面貼近;滑動(dòng)調(diào)節(jié)三角楔在主楞方通上的位置,使兩側(cè)次楞與圓柱模表面相切貼合。

4)將調(diào)整完畢的加固轉(zhuǎn)換裝置螺栓擰緊固定;用自攻螺絲或鐵釘將次楞方通釘緊在定型化圓柱模下傾斜弧面。

5)安裝垂直于圓柱傾斜方向兩側(cè)側(cè)向穩(wěn)固裝置。先行將兩側(cè)次楞沿圓柱豎向固定在其表面,再安裝斜撐并與次楞螺栓連接。

3.2.3測(cè)量定位及傾斜度調(diào)校

采用平面控制網(wǎng)量測(cè)斜圓柱底部和頂部外切矩形控制線,并采用全站儀投點(diǎn)圓柱中心以檢查驗(yàn)證控制線的準(zhǔn)確性。

斜圓柱模板與支撐體系固定后,用線墜將斜圓柱上口投影線從樓板引至上口位置,配合側(cè)向穩(wěn)固裝置調(diào)整斜圓柱模板使之左右對(duì)準(zhǔn)上層輪廓。采用激光數(shù)顯傾角測(cè)量?jī)x器吸附在次楞方通上(見圖9),根據(jù)數(shù)值指示調(diào)整斜撐(拉)裝置,使斜圓柱模板傾斜方向?qū)?zhǔn)上層輪廓。

3.2.4安全防護(hù)措施

考慮到樓層下小上大、斜圓柱逐層外挑,懸挑部位支模采用斜撐支模方式,斜撐采用φ48×3.5鋼管,與滿堂盤扣架采用扣件連接。施工時(shí)操作人員臨空作業(yè),危險(xiǎn)性較高,常見的爬架及雙排腳手架不具有可行性。鑒于此,設(shè)計(jì)采用多排鋼管腳手架(見圖10),其隨樓層外擴(kuò)而逐步縮減立桿排數(shù)。

圖10 多排外腳手架搭設(shè)示意Fig.10 Multi-row external scaffold erection

此外,為使斜圓柱模板支撐體系更安全可靠,提高該支撐體系穩(wěn)定性,在2道主楞方通上再安裝2道18號(hào)鋼絲繩,并向內(nèi)拉結(jié)至已澆筑混凝土樓板(見圖11),作為安全保險(xiǎn)措施。

圖11 向內(nèi)拉結(jié)鋼絲繩安全保護(hù)措施Fig.11 Safety protection measures of wire rope drawn inward

3.3 施工實(shí)踐

圓柱模為15mm厚定型化膠合板;主楞和次楞為60mm×40mm×3.2mm雙拼方通;在次楞上1.8,3.6m處各設(shè)置1道主愣方通;垂直傾斜方向兩側(cè)各設(shè)單排2道支撐作為側(cè)向穩(wěn)固裝置,主楞方通上掛2道18號(hào)鋼絲繩內(nèi)拉至樓板面。在傾斜方向設(shè)置3排斜撐受力裝置(見圖12)及2排斜拉受力裝置(見圖13),底部設(shè)置埋件。主、次楞連接部位如圖14所示,斜圓柱成型效果如圖15所示。

圖12 斜撐式模板支撐體系Fig.12 Inclined supporting formwork support system

圖13 斜拉式模板支撐體系Fig.13 Inclined pulling formwork support system

圖14 主、次楞連接部位展示Fig.14 Connecting parts of the primary and secondary corrugation

圖15 斜圓柱成型效果Fig.15 Forming effect of inclined-circular column

4 結(jié)語

本文以某未來科技城項(xiàng)目為案例,分析了高空外挑大直徑鋼筋混凝土斜圓柱施工重難點(diǎn),創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一套斜圓柱模板支撐體系,對(duì)該模板支撐體系進(jìn)行了應(yīng)用分析,并總結(jié)了高空外挑大直徑鋼筋混凝土斜圓柱施工關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)。

研究表明,高空外挑大直徑鋼筋混凝土圓斜柱模板支撐體系安全可靠、方便快捷、質(zhì)量可控,解決了斜柱造型帶來的施工難題,且通用性好,施工效率高;與之相關(guān)的施工關(guān)鍵技術(shù)實(shí)用性好、針對(duì)性強(qiáng),克服了一系列傳統(tǒng)做法出現(xiàn)的缺點(diǎn)。該施工關(guān)鍵技術(shù)為類似斜圓柱施工提供了借鑒,具有實(shí)際推廣意義,值得進(jìn)一步深入研究。