多段不規(guī)則大跨度高空中空結(jié)構(gòu)支撐體系施工技術(shù)

陳 杰 茅 鳴 潘新躍 方美清

寧波建工建樂工程有限公司 浙江 寧波 315020

隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展，建筑技術(shù)的提高，越來越多的超高、大跨度、大體量建筑工程不斷出現(xiàn)。中庭作為一種室內(nèi)型公共空間，不但能給公眾帶來愉快愜意的空間享受，同時也能提升建筑物的格調(diào)，在近現(xiàn)代的建筑設(shè)計中常常被作為一個重要的設(shè)計元素，在各類公共建筑和住宅建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，中庭頂部的混凝土結(jié)構(gòu)具有懸空高度高的特點，特別是高空中空結(jié)構(gòu)的形狀不規(guī)則且局部跨度大，給支模系統(tǒng)的設(shè)計及施工帶來一定難度[1-7]。

1 工程概況

某技術(shù)中心大樓項目地下1層，地上16層，規(guī)劃建筑高度68.95 m。該項目2—7層（高度22.20 m）、7—13層（高度23.40 m）、13層至屋面層（高度18.65 m）共有3段中庭，每段位置均相同，每部分面積約200 m2。該大樓共有3段高空中空結(jié)構(gòu)，形狀不規(guī)則（圖1），跨度不一且3段搭設(shè)高度也不同，其中最大縱向跨度達(dá)30 m，最大搭設(shè)高度達(dá)23.4 m。

圖1 區(qū)域結(jié)構(gòu)示意

2 高空中空結(jié)構(gòu)各類支模架搭設(shè)方案適用性分析

2.1 傳統(tǒng)落地式滿堂支撐體系

使用承插型盤扣式鋼管腳手架搭設(shè)滿堂落地支模架。3段高空中空結(jié)構(gòu)搭設(shè)高度不同，且上段支模架搭設(shè)時，為了結(jié)構(gòu)安全，下段支模架不可拆除，故不僅搭設(shè)高度高、風(fēng)險大，且材料投入量大。經(jīng)測算，所需的費用為：盤扣架材料費128 700元，搭拆人工費33 000元，合計161 700元。搭設(shè)拆除所需工期共11 d。

2.2 貝雷架平臺支撐體系

現(xiàn)場按設(shè)計尺寸拼裝貝雷架，而后吊裝至架設(shè)樓層（利用兩側(cè)樓板作為支座），在貝雷架上鋪設(shè)工字型鋼作為剛性支撐基礎(chǔ)，在其上搭設(shè)模板支模架體系。高空中空結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則，而貝雷架為標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)，故往往會有非標(biāo)架體，需臨時定制加工，過程煩瑣、難度大。經(jīng)測算，所需的費用為：盤扣架材料費21 450元，貝雷架材料費8 150元，工字鋼材料費42 700元，搭拆人工費35 000元，合計107 300元。搭設(shè)拆除工期共7 d。

2.3 工字鋼桁架平臺懸空主梁支撐體系

結(jié)合高空中空結(jié)構(gòu)多段、不規(guī)則和大跨度的特點，提出了工字鋼桁架平臺懸空主梁支撐體系（圖2）。

圖2 工字鋼桁架平臺懸空主梁支撐體系示意

工字鋼主梁與下部斜撐在現(xiàn)場用螺栓連接成整體，通過塔吊吊裝至放置樓層，主梁工字鋼兩端與樓板焊接，下部斜撐與下層樓板處的預(yù)埋件通過螺栓連接；在跨度較大處，可將工字鋼主梁分3段，之間采用高強螺栓連接。故工字鋼桁架平臺懸空主梁支撐體系能很好地適用于多段、不規(guī)則和大跨度的高空中空結(jié)構(gòu)。經(jīng)測算，所需的費用為：盤扣架材料費21 450元，工字鋼材料費16a#為10 200元、20a#為15 860元、22a#為22 200元，人工費28 000元，合計97 710元。搭設(shè)拆除所需工期共7 d。

2.4 最優(yōu)方案選擇

由3個方案的適用性分析對比可得，傳統(tǒng)落地式滿堂支撐體系和貝雷架平臺支撐體系在本工程中的適用性上相對較差，存在諸多缺陷。而工字鋼桁架平臺懸空主梁支撐體系不僅適用性好，而且相同工況下所需施工成本最低，相對工期也較短，優(yōu)勢明顯。

3 工字鋼桁架平臺懸空主梁支撐體系可靠性驗證

3.1 理論分析

工字鋼桁架平臺的型鋼主梁采用16a#、20a#工字鋼（跨度較小處采用16a#，跨度較大處采用20a#），兩端端部與樓板采用U形錨固螺栓進(jìn)行錨固；下部斜撐采用22a#工字鋼，工字鋼主梁與下部斜撐、下部斜撐與下層樓板處的預(yù)埋件、多段工字鋼主梁之間的連接均采用8.8級M20高強螺栓。工字鋼桁架平臺上搭設(shè)的支模架選用外徑48 mm、壁厚3.5 mm的鋼管。經(jīng)計算，主梁抗彎、抗剪和撓度，下部斜撐穩(wěn)定性以及高強螺栓抗剪均滿足要求。

3.2 數(shù)值模擬

運用ABAQUS有限元軟件對所研究的工字鋼桁架平臺懸空主梁支撐體系中最不利情況進(jìn)行有限元建模分析（圖3），即主梁采用3段工字鋼拼接的情況。

圖3 工字鋼桁架平臺有限元模型示意

有限元模型數(shù)值模擬云圖結(jié)果顯示，工字鋼桁架平臺最大位移為8.519 mm，最大應(yīng)力為127.0 N/mm2，螺栓最大應(yīng)力為168.5 N/mm2，中跨、邊跨主梁以及下部斜撐的應(yīng)力均未達(dá)到鋼材的極限強度，連接處高強螺栓最大應(yīng)力小于其極限強度，整個模擬過程未出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，與理論計算吻合度較好，滿足要求。

綜上所述，工字鋼桁架平臺在承受上部支模架荷載時，整體結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

4 支撐體系施工工藝

4.1 施工工藝流程

構(gòu)件定型化設(shè)計加工→現(xiàn)場施工準(zhǔn)備→下?lián)螚U下端連接鋼板預(yù)埋→U形錨固螺栓預(yù)埋→工字鋼桁架平臺現(xiàn)場組裝→桁架平臺整體吊裝、安裝→安全防護網(wǎng)設(shè)置→平臺上支模架搭設(shè)、混凝土澆筑→桁架平臺拆除、周轉(zhuǎn)

4.2 構(gòu)件定型化設(shè)計加工

由于懸空結(jié)構(gòu)區(qū)域多為不規(guī)則形狀，各位置處工字鋼主梁和下部斜撐的規(guī)格、型號、長度均不相同。根據(jù)最終審批通過的方案，明確定型化制作的構(gòu)件尺寸和數(shù)量。工字鋼由專業(yè)單位制作，進(jìn)場的構(gòu)件有檢測試驗報告、合格證，并對進(jìn)場材料進(jìn)行驗收。

4.3 施工準(zhǔn)備

多段主梁之間、主梁與下?lián)螚U之間、下?lián)螚U與預(yù)埋鋼板之間均通過高強螺栓連接，在工字鋼拼接、安裝之前，對安裝工人進(jìn)行針對性的高強螺栓施工交底。桁架平臺采用現(xiàn)場拼裝、整體吊裝的方式，在作業(yè)前對現(xiàn)場工字鋼平臺拼裝及實施吊裝的作業(yè)人員，進(jìn)行操作規(guī)范、質(zhì)量要求、注意事項等針對性的相關(guān)培訓(xùn)，在實施前做好安全交底工作。

4.4 下?lián)螚U下端連接鋼板及U形錨固螺栓預(yù)埋

在下?lián)螚U下端支承樓層（5層、11層、15層）結(jié)構(gòu)施工時，待樓板鋼筋綁扎完成后，在下?lián)螚U下端連接處預(yù)埋400 mm×200 mm×10 mm的鋼板（圖4）。

圖4 下?lián)螚U下端預(yù)埋鋼板

在工字鋼主梁擱置層（6層、12層、16層）結(jié)構(gòu)施工時，待梁板模板搭設(shè)完成后，在模板上彈出需搭設(shè)工字鋼主梁的中心線，并標(biāo)出U形錨固螺栓位置，待梁板鋼筋綁扎完成后，安裝U形錨固螺栓（圖5）。

圖5 U形螺栓固定構(gòu)造

4.5 桁架平臺現(xiàn)場組裝及整體吊裝

工字鋼桁架平臺在安裝前，先進(jìn)行拼裝。根據(jù)設(shè)計圖紙要求將各段工字鋼主梁和斜撐按照編號進(jìn)行組裝，主梁與斜撐通過摩擦型高強螺栓進(jìn)行連接，拼裝完成后的每榀工字鋼平臺通過現(xiàn)場塔吊整體吊裝至安裝位置。

高強螺栓均為摩擦型，公稱直徑為20 mm，螺栓等級為8.8級，擰緊力矩應(yīng)達(dá)到540～650 N·m。螺栓擰緊要求：從錨固端向端部依次擰緊，先初擰，再終擰，初擰力矩為終擰的50%。

4.6 安全防護措施

為確保上部支模架安拆作業(yè)的安全性，避免上部拋落物造成高空落物傷人，在工字鋼桁架平臺搭設(shè)層下方設(shè)置2層水平安全防護網(wǎng)。

4.7 支模架搭設(shè)及混凝土澆筑

按方案在工字鋼桁架平臺上方搭設(shè)支模架及模板，驗收合格后澆筑混凝土，現(xiàn)場安排專人監(jiān)管，澆筑完成后做好養(yǎng)護工作。

4.8 工字鋼桁架平臺拆除、周轉(zhuǎn)

由于上部結(jié)構(gòu)已施工完成，拆除時無法使用塔吊吊裝，通過一種自制的無配重尺寸可調(diào)吊裝裝置（已獲國家實用新型專利授權(quán)ZL 202121526613.0）完成平臺拆除，吊裝裝置如圖6所示。拆除時將桁架平臺的下?lián)螚U與主梁在高空中分解，通過該吊裝裝置將單根工字鋼構(gòu)件依次吊運至底層，人工運輸至室外后使用塔吊吊至第2段中庭結(jié)構(gòu)部位周轉(zhuǎn)使用。

圖6 自制吊裝裝置

一段主梁形式和三段主梁形式桁架平臺的拆除流程如下所述。

1）一段主梁的工字鋼桁架平臺拆除流程：搭設(shè)自制無配重吊裝裝置→拆除2根下?lián)螚U與主梁工字鋼間的連接螺栓，通過吊裝裝置吊運至首層→拆除主梁兩端的錨固螺栓，將工字鋼主梁吊運至首層（圖7）。

圖7 一段主梁桁架平臺拆除過程

2）三段主梁的工字鋼桁架平臺拆除流程：搭設(shè)自制無配重吊裝裝置→拆除中跨與邊跨主梁間的連接螺栓，通過吊裝裝置將中跨工字鋼吊運至首層→拆除下?lián)螚U與邊跨主梁間的連接螺栓，將下?lián)螚U吊運至首層→拆除邊跨主梁一端的錨固螺栓，將邊跨工字鋼吊運至首層。

5 施工注意事項

工字鋼桁架平臺在施工使用過程中，必須定期對工字鋼桁架平臺進(jìn)行全方位檢查和保養(yǎng)，以確保安全。具體注意事項包括以下幾點：

1）工字鋼桁架平臺質(zhì)量較大，需要考慮較大的空間進(jìn)行組裝和堆放，同時轉(zhuǎn)運過程中需考慮塔吊或汽車吊的轉(zhuǎn)運能力。

2）工字鋼桁架平臺整體吊裝時，利用兩端的纜風(fēng)繩進(jìn)行位置調(diào)整，由一側(cè)向另一側(cè)逐個依次吊裝。

3）平臺施工完成后，需進(jìn)行大荷載水袋預(yù)壓并實時監(jiān)測。

4）在高空中空結(jié)構(gòu)施工完成后，在模板支撐體系未拆除的情況下，嚴(yán)禁在結(jié)構(gòu)樓板上堆放材料，以免工字鋼桁架平臺超荷。

5）施工期間，避免撞擊工字鋼桁架平臺與樓板連接的端部部位。

6）高大模板支撐系統(tǒng)的搭拆人員必須佩戴安全帽、系安全帶、穿防滑鞋，安全帶的固定端嚴(yán)禁與高大模板支撐系統(tǒng)相連。

6 結(jié)語

針對工程實例中多段不規(guī)則大跨度高空中空結(jié)構(gòu)的施工，項目部提出采用工字鋼桁架平臺懸空主梁支撐體系作為高大模板支撐系統(tǒng)的豎向荷載基礎(chǔ)。在理論計算和數(shù)值模擬保證可靠性的前提下，不僅成功克服了傳統(tǒng)落地式滿堂支撐體系和貝雷架平臺支撐體系在本工程適用性差的難題，而且在相同工況下降低了施工成本，減少了施工工期。

自制吊裝裝置實現(xiàn)了工字鋼桁架平臺的便捷拆除，可以在本工程多段高空中空結(jié)構(gòu)中重復(fù)利用。相關(guān)技術(shù)在本項目中取得了不錯的社會和經(jīng)濟效益，可為類似工程提供一定的借鑒。