超長(zhǎng)懸挑工字鋼擱置橫梁施工技術(shù)

文／孫億海、肖敏威、張晗、伍民和 中國(guó)建筑第五工程局有限公司 湖南長(zhǎng)沙 421000

引言：

隨著國(guó)內(nèi)外城市化的不斷推進(jìn)，房屋建筑工程的發(fā)展的速度也越來(lái)越快，企業(yè)為展示自己的企業(yè)文化，在住宅建筑的外觀設(shè)計(jì)創(chuàng)新程度越來(lái)越大，通過(guò)獨(dú)特的建筑風(fēng)格和立體的視覺(jué)效果，以提高企業(yè)自身的競(jìng)爭(zhēng)力，如在屋面以上的構(gòu)架層延伸出懸挑長(zhǎng)度較大的懸挑結(jié)構(gòu)。這種懸挑結(jié)構(gòu)一般距離地面極高，施工難度極大，確保作業(yè)人員的人身安全是重點(diǎn)。為節(jié)省資金和縮短施工周期，施工單位往往采用懸挑承力支撐體系來(lái)替代以往常規(guī)使用的落地鋼管扣件式滿堂腳手架形式[1]。

1、工程概況及施工重難點(diǎn)

1.1 工程概況

單棟高層住宅建筑面積15979.29 m2，屋面結(jié)構(gòu)高度99m，地上33 層，懸挑結(jié)構(gòu)高度100.5m，為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，10#～15#棟10-13 軸交K-N 軸位置部分女兒墻上部存在懸挑長(zhǎng)度為4.4m 的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1），遠(yuǎn)大于懸挑式腳手架規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，懸挑結(jié)構(gòu)存在挑檐、及兩條梁，挑檐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，懸挑結(jié)構(gòu)兩側(cè)臨空，距地面100.5m，兩側(cè)均需設(shè)置防護(hù)腳手架，33 層存在一塊懸挑長(zhǎng)度為2.9m 的懸挑板，可作為內(nèi)部防護(hù)腳手架搭設(shè)平臺(tái)。

圖1 懸挑結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 施工關(guān)鍵點(diǎn)分析

（1）支模難度高，懸挑結(jié)構(gòu)距地面100.5m，如采用普通扣件式鋼管腳手架施工，支撐體系的整體穩(wěn)定性、高寬比不能滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求；

（2）懸挑結(jié)構(gòu)跨度達(dá)到4.75m，跨度大。由于懸挑結(jié)構(gòu)懸挑長(zhǎng)度為4.4m，如采用懸挑式鋼管腳手架，懸挑工字鋼懸挑長(zhǎng)度超過(guò)5m，懸挑支撐體系的整體穩(wěn)定性、工字鋼的撓度不能滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求；

（3）工期短，根據(jù)總進(jìn)度計(jì)劃，屋面以上結(jié)構(gòu)施工時(shí)間最長(zhǎng)為45 天。如采用大型操作工具平臺(tái)，安裝拆除難度大，要使用大量人力物力資源，大大延長(zhǎng)施工時(shí)間；

（4）33 層懸挑板無(wú)結(jié)構(gòu)梁，樓板設(shè)計(jì)荷載為2.5kN/m2，設(shè)計(jì)荷載值較小，由于工期緊，懸挑板混凝土強(qiáng)度不能在屋面以上懸挑結(jié)構(gòu)施工前達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，經(jīng)驗(yàn)算該板不能作為支撐腳手架搭設(shè)平臺(tái)，僅能搭設(shè)防護(hù)腳手架。

2、施工體系選擇及深化設(shè)計(jì)

2.1 施工體系選擇

為解決屋面以上懸挑結(jié)構(gòu)的施工難題，國(guó)內(nèi)通常采用“高空斜拉型鋼支模平臺(tái)+滿堂支撐架”的模板支撐體系施工[2]，本工程若采取此方案，需使用大型吊裝機(jī)械，增加大量的經(jīng)濟(jì)成本。

若采用滿堂腳手架，架體本身整體和單支立桿穩(wěn)定性很難保證，且作為模板的受力支撐結(jié)構(gòu)架體，加固工作量大，危險(xiǎn)系數(shù)大[3]。

為降低施工成本，提供安全可靠的作業(yè)環(huán)境，確保項(xiàng)目按期完工，項(xiàng)目決定在懸挑結(jié)構(gòu)兩側(cè)的剪力墻中預(yù)埋工字鋼橫梁，增加工字鋼結(jié)構(gòu)，將懸挑支模架工字鋼擱置在工字鋼橫梁上部，變相縮短懸挑支模架工字鋼懸挑長(zhǎng)度，保證懸挑式腳手架的整體穩(wěn)定性，減小懸挑式腳手架懸挑工字鋼的撓度，以滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，懸挑支模架拆除完成后再割除工字鋼橫梁。

2.2 懸挑支模架及外架體系深化設(shè)計(jì)

如懸挑結(jié)構(gòu)采用懸挑式腳手架施工，懸挑結(jié)構(gòu)懸挑長(zhǎng)度達(dá)到4.4m，外側(cè)需間隔0.3m 搭設(shè)0.85m 寬外腳手架，即懸挑工字鋼懸挑長(zhǎng)度需達(dá)到4.4m+0.3m+0.85m+0.1m =5.65m，要滿足1.25 倍錨固長(zhǎng)度，需12m 長(zhǎng)工字鋼。工字鋼錨固端為電梯機(jī)房和樓梯間，工字鋼拆除難度極大。

為使懸挑式腳手架滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)到縮短懸挑工字鋼懸挑長(zhǎng)度的目的，確保工字鋼橫梁的形變?cè)谝?guī)范標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，項(xiàng)目將懸挑工字鋼及工字鋼橫梁的部分參數(shù)設(shè)定為：懸挑工字鋼間距900mm，懸挑長(zhǎng)度為1400mm；工字鋼橫梁數(shù)量為兩根，兩端錨入兩側(cè)剪力墻400mm。工字鋼搭設(shè)形式見(jiàn)圖2。

圖2 工字鋼橫梁施工圖

2.3 工字鋼受力計(jì)算

2.3.1 工字鋼橫梁受力計(jì)算

懸挑工字鋼間距900mm，共有5 根懸挑工字鋼擱置在工字鋼橫梁上部，懸挑工字鋼向下傳導(dǎo)力經(jīng)計(jì)算得F=10.56kN。工字鋼橫梁受力分析見(jiàn)圖3。

圖3 工字鋼橫梁受力分析圖

工字鋼橫梁的自重取0.335 kN/m，其受力分析過(guò)程如圖4～圖6所示。由圖4～圖6可得，工字鋼懸挑梁的最大彎矩為24.892kN·m，最大剪力為34.535kN，最大撓度為4.975mm，各支座反力為R1=34.535kN，R2=27.47kN。

圖4 彎矩圖(kN·m)

圖5 剪力圖(kN)

圖6 變形圖(mm)

強(qiáng)度：σmax=Mmax/W=34.377×106/237000=145.0 5N/mm2≤[f]=215N/mm2

受彎構(gòu)件整體穩(wěn)定性分析：

其中φb--均勻彎曲的受彎構(gòu)件整體穩(wěn)定系數(shù)：

查表《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50017-2017)得，φb=0.99

由于φb大于0.6，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB500 17-2017)附表C，得到 φb'值為0.79。

Mmax/(φb' Wxf)=34.377×106/(0.785×237×215×103)=0.859 ≤1

3、懸挑支模架及外架體系施工

3.1 工字鋼預(yù)埋件施工

根據(jù)計(jì)算過(guò)程，33 層防護(hù)層施工前，需對(duì)軸10～13交軸K～M 板采取加強(qiáng)措施，結(jié)構(gòu)連板端部加一條300mm×140mm 暗梁配筋底面筋各4 根直徑25 鋼筋，箍筋為四肢箍，直徑8；板底筋、面筋由直徑10 改為直徑14。

樓板澆筑前，首先進(jìn)行U 型錨環(huán)預(yù)埋，U 型錨環(huán)采用HPB300 級(jí)鋼材，直徑20mm，施工作業(yè)人員要按照工字鋼布置圖對(duì)U 型錨環(huán)的位置放線，為防止工字鋼鋪設(shè)時(shí)懸挑工字鋼與斜撐工字鋼上的孔洞錯(cuò)位，U 型錨環(huán)位置偏差需控制在±1cm 之內(nèi)。埋設(shè)過(guò)程中做好外露絲扣保護(hù)。每根工字鋼對(duì)應(yīng)3 個(gè)U 型環(huán)，前端1 個(gè)，后端2 個(gè)。

U 型錨環(huán)預(yù)埋完成后進(jìn)行混凝土澆筑，此時(shí)要安排專人看護(hù)U 型錨環(huán)，防止U 型錨環(huán)移位，導(dǎo)致后期不能安裝工字鋼。

3.2 預(yù)埋工字鋼橫梁

屋面樓板澆筑前，在工字鋼橫梁預(yù)埋位置兩端預(yù)埋工字鋼橫梁固定U 型錨環(huán)。屋面樓板澆筑完成后，安裝兩根工字鋼橫梁，工字鋼安裝需要塔吊配合施工，塔吊吊運(yùn)工字鋼時(shí)下部要設(shè)置警戒區(qū)，并安排專人旁站警戒，作業(yè)人員要做好安全防護(hù)措施，穿防滑鞋，系安全帶。再安裝橫梁兩端剪力墻模板，模板高度500mm，澆筑混凝土，將工字鋼橫梁兩端澆筑在混凝土中。

3.3 懸挑腳手架體系搭設(shè)

工字鋼安裝需要塔吊配合施工，塔吊吊運(yùn)工字鋼時(shí)下部要設(shè)置警戒區(qū)，采用兩點(diǎn)起吊的方式進(jìn)行吊運(yùn)，并安排專人旁站警戒，作業(yè)人員要做好安全防護(hù)措施，穿防滑鞋，系安全帶。

工字鋼安裝好后，地錨頂部固定錨片及螺栓，鋼梁與地錨之間的空隙塞滿木方、楔塊以固定工字鋼。立桿處工字鋼上焊高150mm 的φ25 短鋼筋頭2 根固定立桿底部，同樣外側(cè)立桿底部焊高100 短鋼筋頭用于鋼絲繩定位。

立桿及水平桿搭設(shè)完后，架體剪刀撐構(gòu)造布置及其他構(gòu)件設(shè)置嚴(yán)格按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求布置。

為防止懸挑工字鋼在工字鋼橫梁上部出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，工字鋼橫梁與懸挑工字鋼之間采用焊接的方式連接牢固，接縫處兩側(cè)另加兩根φ25 短鋼筋焊接。

由于懸挑結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)寬比過(guò)大，懸挑支模架的抗傾覆性不足。懸挑支模架距結(jié)構(gòu)邊線的距離過(guò)遠(yuǎn)，單獨(dú)設(shè)置支模架連墻件的作用不大，故支模架搭設(shè)時(shí)與內(nèi)側(cè)的防護(hù)腳手架連接在一起，增強(qiáng)支模架的抗傾覆能力。施工時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，需要調(diào)整的部位應(yīng)提前與技術(shù)部溝通[4]。

3.4 懸挑結(jié)構(gòu)施工及懸挑腳手架體系拆除

懸挑混凝土結(jié)構(gòu)澆筑時(shí)，需安排專人在支模架下部測(cè)量支撐結(jié)構(gòu)形變值，變形按高度的0.1%進(jìn)行控制，預(yù)警值為2cm，垂直度按高度的0.3%進(jìn)行控制，預(yù)警值為5cm，當(dāng)達(dá)到預(yù)警值時(shí)應(yīng)停止使用，采取應(yīng)急措施，并組織相關(guān)人員研究處理，在確保安全的情況下對(duì)支撐系統(tǒng)進(jìn)行加固。

混凝土澆筑完成后，懸挑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值的100%，進(jìn)行模板和腳手架的拆除施工。

工字鋼拆除按照先搭后拆后搭先拆順序依次對(duì)各焊接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行乙炔氣割，化整為零，留兩根工字鋼橫梁后拆，先拆擱置在其上部的懸挑工字鋼，再由塔式起重機(jī)運(yùn)至地面，最后拆除剩下兩根懸挑鋼梁[5]。拆除時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況，先將工字鋼使用鋼絲繩捆綁后掛在塔吊吊鉤上面，再設(shè)置一根風(fēng)浪繩捆綁后，配合塔吊指揮將工字鋼一步步拆除。

結(jié)語(yǔ)：

本文通過(guò)郴州寧邦廣場(chǎng)項(xiàng)目實(shí)際案例，對(duì)在高空大懸挑結(jié)構(gòu)施工的施工方案選擇進(jìn)行了專門的研究，在保證安全、經(jīng)濟(jì)的前提下，對(duì)懸挑結(jié)構(gòu)的支撐防護(hù)體系進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，項(xiàng)目部根據(jù)此方案實(shí)施后取得了良好的效果，順利完成了支撐和模板支設(shè)、混凝土澆筑及模板和支撐拆除等工作，符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，施工過(guò)程中無(wú)發(fā)生任何質(zhì)量、安全事故，可為同類高空大懸挑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程施工提供參考。