屋面挑檐天溝懸挑支架技術(shù)探討

為了解決在斜屋面挑檐天溝的混凝土施工，使用懸挑工字鋼與承插式盤扣架組成支撐體系，根據(jù)斜屋面的位置以及具體參數(shù)確定支撐系統(tǒng)的搭設(shè)方式。經(jīng)過計(jì)算確定出承擔(dān)載荷較大的部位，在澆筑混凝土之前對計(jì)算中承擔(dān)載荷較大的位置進(jìn)行加固，并且在澆筑的過程中采用左右對稱澆筑的方式保證澆筑過程中的安全，確保施工過程中的安全。

支撐架; 挑檐天溝; 施工工藝

TU731.2B

［定稿日期］2023-06-23

［作者簡介］李顏兵（1995—），男，碩士，助理工程師，從事建筑安全與技術(shù)工作。

0 引言

在建筑工程項(xiàng)目中，模板支撐系統(tǒng)在工程項(xiàng)目中地位越來越重要。模板支撐系統(tǒng)不僅能保障施工人員的生命安全，并且需要承擔(dān)混凝土所帶來的載荷。模板支撐系統(tǒng)中最難管控的是施工人員在搭設(shè)架體時存在疏漏，導(dǎo)致支模體系的安全系數(shù)大大降低。所以在前期計(jì)算與施工過程中要對架體的搭設(shè)要進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)督。王永祥等［1］將FAHP法應(yīng)用于超高超重支模架施工風(fēng)險(xiǎn)的識別中，并基于此提出具體的防范措施。張濤［2］利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對實(shí)際工程項(xiàng)目進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)比較，為高支模工程技術(shù)規(guī)范的應(yīng)用研究和實(shí)際施工中風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測提供指導(dǎo)與借鑒。胡凱［3］通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)得到施工過程中水平桿與豎桿的應(yīng)力變化規(guī)律，將理論計(jì)算與監(jiān)測數(shù)據(jù)、有限元分析數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果顯示高支模架考慮節(jié)點(diǎn)半剛性連接方式更符合實(shí)情工況。陳孟等［4］通過對輪扣式節(jié)點(diǎn)和扣件式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)角剛度性能試驗(yàn)對比分析，挖掘輪扣式節(jié)點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)，并對其進(jìn)行改進(jìn)，提高產(chǎn)品性能，確保施工安全，為更好地推廣應(yīng)用新型輪扣式鋼管支模架提供技術(shù)支持。雷寧秋［5］結(jié)合有限元分析結(jié)果與三維BIM數(shù)據(jù)模型，提出兩種不同的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

建筑施工工作環(huán)境復(fù)雜，露天高空作業(yè)繁多，尤其混凝土澆筑過程中，高大模板支撐系統(tǒng)架體高大，受力復(fù)雜，危險(xiǎn)系數(shù)較大，屬于高危工作的行列。根據(jù)設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)，綜合樓12層采用斜屋面挑檐天溝的設(shè)計(jì)，這種在竣工后不僅美觀，并且排水性能明顯提高。但是在施工階段將會面臨很多困難，天溝的懸挑長度長，并且在澆筑過程中混凝土的荷載將會非常大，對模板支撐體系將是極大的考驗(yàn)。本次施工還有如下幾個難點(diǎn)

（1）本工程屋面懸挑天溝，外檐口高度已超過24 m，且寬度達(dá)到2.0～2.1 m，天溝挑檐自重達(dá)到1.2 t/m，屋面挑檐結(jié)構(gòu)如圖1所示。若采用落地式支模架，受場地、經(jīng)濟(jì)效果和安全性等因素約束。

（2）建筑陽臺多，結(jié)構(gòu)外形不規(guī)則，外立面不規(guī)則，陰陽角及線條較多，懸挑主梁布置難度大，且樓面設(shè)計(jì)為裝配箱結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)懸挑只能錨固于肋梁和框架梁上，結(jié)構(gòu)懸挑部位多，受力復(fù)雜，使得架節(jié)點(diǎn)處理較難。細(xì)部構(gòu)造處理裝配箱、勒梁、框架梁和錨環(huán)的結(jié)構(gòu)連接是本分項(xiàng)工程的控制重點(diǎn)。

（3）懸挑工字鋼上采用盤扣支架，模數(shù)固定，保證工字鋼預(yù)埋的精準(zhǔn)度也是本分項(xiàng)工程的控制重點(diǎn)。

1 工程概況

本項(xiàng)目為公辦職業(yè)學(xué)校，總建筑面積約161 601 m2，其中：地上建筑面積約119 490 m2，地下建筑面積42 111 m2，主要包括：教學(xué)樓和實(shí)訓(xùn)樓、報(bào)告廳（2樓）、綜合樓、風(fēng)雨操場（體育館）、學(xué)生食堂及宿舍以及門衛(wèi)室。

本次研究的是綜合樓屋面挑檐天溝混凝土模板懸挑支撐體系（表1、圖1、圖2）。

2 計(jì)算

懸挑鋼筋混凝土天溝+挑檐寬度均為2.0～2.1 m（框架梁邊至檐口外邊）。綜合樓屋面坡角度為10.03°。天溝板厚和側(cè)壁厚均為100 mm，混凝土強(qiáng)度等級為C30，結(jié)構(gòu)使用年限為50年。為保證屋面挑檐和天溝的安全施工，計(jì)劃在屋面層采用懸挑工字鋼梁進(jìn)行挑檐天溝的模板支撐，在拆除挑檐支撐架后利用工字鋼梁搭設(shè)該部位外腳手架。懸挑工字鋼梁采用16#工字鋼平鋪在屋面板上設(shè)置。綜合樓具體參數(shù)設(shè)置如表2所示。

2.1 荷載計(jì)算

結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0，靜荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.2，活荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.4。

（1）挑檐天溝自重（圖3）。

天溝梁及側(cè)板荷載：

N1=（1.1/cos18.73×0.13+0.2×0.85+0.1×0.1）×1.05×25=4.33 kN

N2=（0.3/cos18.73×0.13+0.5×0.1+0.2×0.75+0.1×0.5+0.1×0.2）×1.05×25/2=4.08 kN

N3=（0.1×0.2+0.5×0.1+0.1×0.2）×25×1.05/2=1.18 kN

（2）挑檐天溝下支撐體系重量。

（1.8+1.8+3×2+2.5+3+2.5×3）×4.5+30=131.7 kg/1.05/2=62.7 kg/m2，加其他模板扣件木方，按照90 kg/m2

折算成工字鋼線荷載：0.9 kN/m。

（3）工字鋼梁自重：0.205 kN/m。

（4）施工荷載：2 kN/m2×1.05 m=2.1 kN/m。

合計(jì)靜線荷載值：q=0.9+0.205=1.105 kN/m，施工荷載2.1 kN/m。

施工總線荷載設(shè)計(jì)值=1.05×1.2+2.1×1.4=4.2 kN/m。

懸挑梁上設(shè)置4根立桿，其中3根為受力支撐桿件。

2.2 主梁計(jì)算

主梁荷載標(biāo)準(zhǔn)值：

q′=gk=0.205kN/m

第1排：F′1=F1′/nz=6.73/1=6.73 kN

第2排：F′2=F2′/nz=6/1=6 kN

第3排：F′3=F3′/nz=2.3/1=2.3 kN

荷載設(shè)計(jì)值見圖4。

q=1.3×gk=1.3×0.205=0.267 kN/m

第1排：F1=F1/nz=8.35/1=8.35 kN

第2排：F2=F2/nz=7.42/1=7.42 kN

第3排：F3=F3/nz=2.89/1=2.89 kN

2.2.1 彎曲強(qiáng)度驗(yàn)算

圖5為挑檐天溝工字鋼彎矩示意圖，從圖中可以看出在工字鋼上彎矩變化從錨固點(diǎn)1至工字鋼最外端彎矩的變化為先增大后減小，在錨固點(diǎn)3至錨固點(diǎn)4的位置彎矩升至最大。進(jìn)行驗(yàn)算符合要求。

σmax=Mmax/W=0.876×106/141000=6.215 N/ mm2≤［f］=215 N/mm2

2.2.2 抗剪驗(yàn)算

圖6為綜合樓挑檐天溝工字鋼剪力圖，從圖中可以看出產(chǎn)生最大壓強(qiáng)的位置在斜撐點(diǎn)3附近最大剪切應(yīng)力值為7.762 N/ mm2，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是這個位置離挑檐天溝支撐桿的位置較近導(dǎo)致

τmax=Qmax/（8Izδ）［bh02-（b-δ）h2］=7.762×1000/［88×1602-（88-6）×140.22］（8×11300000×6）=9.173 N/mm2

τmax=9.173 N/mm2≤［τ］=125 N/mm2

2.2.3 撓度驗(yàn)算

圖7為綜合樓挑檐天溝工字鋼變形圖，根據(jù)品茗仿真軟件結(jié)算結(jié)果可以看出在兩個錨固點(diǎn)之間產(chǎn)生的變形結(jié)果是最大的，錨固點(diǎn)2與斜撐點(diǎn)3之間幾乎沒有變形結(jié)果，錨固點(diǎn)3與錨固點(diǎn)4之間產(chǎn)生的形變略小，在現(xiàn)場施工時應(yīng)格外注意錨固點(diǎn)1與錨固點(diǎn)2之間產(chǎn)生的形變結(jié)果。

νmax=0.087 mm≤［ν］=l/400=3550/400=8.875 mm

2.2.4 支座反力計(jì)算

設(shè)計(jì)值：R1=0.368 kN，R2=1.448 kN，R3=11.693 kN，R4=6.687kN

3 施工

3.1 工字鋼錨固螺栓預(yù)埋及鋼管拉桿預(yù)埋

懸挑梁間距應(yīng)按照支模內(nèi)架體立桿縱距相同設(shè)置，相關(guān)的錨固螺栓、預(yù)埋件等應(yīng)提前預(yù)制，現(xiàn)場測量放線進(jìn)行預(yù)埋，并統(tǒng)一標(biāo)高復(fù)核，混凝土澆筑時安排專人進(jìn)行看護(hù)。U型螺栓錨固為：HPB300，20 mm圓鋼，雙螺母；具體做法見圖8。

選料及配料：工字鋼主梁采用16#工字鋼，斜撐采用4根48×3.6 mm鋼管，拉桿采用48 mm鋼管。變形、銹蝕嚴(yán)重的鋼管不得使用；立桿之間必須按步距滿設(shè)雙向水平桿，確保兩方向足夠的設(shè)計(jì)剛度；確保每個扣件和鋼管的質(zhì)量滿足要求，安裝時錨固件與工字鋼側(cè)面、底面和頂面須用木枋塞嚴(yán)。

（1）在鋪設(shè)好的模板上放置壓環(huán)鋼筋。同一軸線要拉線成排成行，錨固螺栓和梁鋼筋綁扎，在每個錨環(huán)中間增加20 mm的螺紋加強(qiáng)鋼筋兩根。

（2）考慮到裝配箱結(jié)構(gòu)勒梁無法實(shí)施錨環(huán)施工，根據(jù)錨固點(diǎn)位置將此處勒梁截面及配筋加強(qiáng)，具體實(shí)施方式及布置如圖9所示。

3.2工字鋼的平面布置

（1）工字鋼材料尺寸應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范要求，根據(jù)平面布置圖結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求，轉(zhuǎn)角處間距不大于1.5 m，固定端長度不應(yīng)小于懸挑長度的1.25倍。

（2）根據(jù)市場工字鋼尺寸合理選用，主梁選用16#工字鋼長度為9 m和6 m，聯(lián)梁采用16#工字鋼，長度為4.5 m、6 m，按布置圖進(jìn)行布置。

3.3轉(zhuǎn)角處加強(qiáng)處理及構(gòu)造

（1）陽角主梁采用16#工字鋼，下部設(shè)置60 mm×60 mm×3 mm方鋼管支撐。支撐上部與工字鋼焊接，支撐下部與主體結(jié)構(gòu)柱上的錨板用焊接方式連接（圖10、圖11）。

陽角處工字鋼采用穿柱埋設(shè)，架體拆除后截?cái)嗦袢胫鶅?nèi)以外部分，工字鋼表面刷2道防銹漆后再進(jìn)行裝飾面施工。

3.4 懸挑工字鋼上支撐架體搭設(shè)

懸挑工字鋼布置結(jié)合挑檐支撐架、外防護(hù)架進(jìn)行設(shè)計(jì)。為保證天溝挑檐施工安全支模架搭設(shè)時最外排立桿高度高于操作面1.5 m，作為防護(hù)欄桿使用。先樹立桿，在扎縱橫向水平桿、斜桿。

最外側(cè)為外防護(hù)架架，內(nèi)側(cè)立桿需距離屋面挑檐250 mm，預(yù)留出操作空間。模板支撐體系腳手架和外防護(hù)架需同時搭設(shè)，并進(jìn)行可靠連接。根據(jù)本項(xiàng)目已評審?fù)ㄟ^的模板支撐專項(xiàng)施工方案及懸挑鋼平臺使用要求對屋面挑檐內(nèi)支撐架進(jìn)行搭設(shè)，架體底部須焊接25 mm鋼筋頭，長度150 mm，防止內(nèi)架立桿側(cè)滑。

下?lián)螚U體系連接做法：下?lián)渭捎霉ぷ咒摰撞客ㄩL設(shè)置鋼管，下?lián)螚U件上端與置于屋頂層梁上預(yù)埋的連墻鋼管水平桿鎖扣，同時與設(shè)置在工字鋼下部的水平通長鋼管鎖扣，下部與下層架體水平桿鎖扣，也可以有效防止工字鋼發(fā)生側(cè)翻。支撐下部用12 mm厚覆面膠合板做硬質(zhì)防護(hù)（圖12）。

3.5 挑檐天溝模板支撐加固

采用12 mm厚木模板，盤扣式腳手架支撐加固，立桿沿梁方向縱距按工字鋼布置間距1.2 m，步距1.5 m。橫向間距邊梁起600 mm、900 mm、600 mm、600 mm的間距依次起立桿，同時要求內(nèi)外錨固點(diǎn)間的立桿放置在工字鋼上施加反力，增加懸挑工字鋼的整體穩(wěn)定性（圖13）。

3.6 斜屋面混凝土澆筑

本項(xiàng)目斜屋面坡度超過20°，混凝土澆筑采用塔吊輔助澆筑，澆筑順序必須嚴(yán)格控制，不得集中堆放，應(yīng)分次分層澆筑?；炷翝仓葷仓舆_(dá)到強(qiáng)度的75%后，再以屋脊為分界線兩側(cè)同時進(jìn)行，開始點(diǎn)從工字鋼根部位置先逐漸向屋脊靠近，先將工字鋼根部區(qū)域混凝土澆筑完畢后再澆筑懸挑部位。

混凝土澆筑過程中，派專人檢查懸挑鋼梁及底部支撐構(gòu)件的受力情況，發(fā)現(xiàn)下沉、松動、變形和水平位移情況應(yīng)及時解決，澆筑順序如圖14、圖15所示。

4 結(jié)束語

隨著科技的發(fā)展，城鎮(zhèn)化的速度增加的同時，保證建設(shè)項(xiàng)目的安全將作為安全管理人員的工作重點(diǎn)。綜合樓使用的挑檐天溝支架技術(shù)對屋面進(jìn)行支撐，現(xiàn)已完成了支撐任務(wù)。挑檐天溝的設(shè)計(jì)方式不僅美觀還可以有效地排水并且更換屋頂?shù)耐咂臃奖恪?/p>

參考文獻(xiàn)

［1］ 王永祥，張濤，王靜怡，等.基于FAHP法的超高超重支模架施工風(fēng)險(xiǎn)識別及防范研究［J］.建筑施工，2020，42（7）：1326-1329+1347.

［2］ 張濤. 超高超重支模架技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較及施工風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)［D］.南昌：華東交通大學(xué)，2020.

［3］ 胡凱. 大跨度折線拱結(jié)構(gòu)的高支模架受力分析與應(yīng)用［D］.湘潭：湘潭大學(xué)，2020.

［4］ 陳孟，閆相明，趙瑞，等.新型輪扣式與扣件式鋼管支模架節(jié)點(diǎn)性能對比研究［J］.施工技術(shù)，2019，48（8）：60-65.

［5］ 雷寧秋. 扣件式鋼管高支模架體系整體穩(wěn)定性分析［D］.湘潭：湘潭大學(xué)，2018.