大型體育場(chǎng)館超重斜梁、斜柱構(gòu)件的施工方法

侯海濤 謝元?jiǎng)?/p>

中國建筑第八工程局有限公司廣西分公司 廣西 南寧 530028

隨著中國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，大型體育場(chǎng)館項(xiàng)目正越來越多，造型也更加多樣化。目前的大型體育場(chǎng)館，為滿足建筑設(shè)計(jì)大空間需要，梁及柱截面設(shè)計(jì)越來越大，造型也遠(yuǎn)不是標(biāo)準(zhǔn)矩形柱構(gòu)件。廣東省第15屆省運(yùn)會(huì)主場(chǎng)館中的專業(yè)足球場(chǎng)Y形柱及頂層看臺(tái)斜梁均為大截面超重構(gòu)件，國內(nèi)尚無此類超重斜向構(gòu)件出現(xiàn)，本文根據(jù)構(gòu)件空間布置，進(jìn)行施工方案選型分析，并論述可行性[1-2]。

1 工程概況

柱截面尺寸為1 200 mm×2 000 mm，柱傾斜角度18°；梯形變截面尺寸為（1 200，600）mm×600 mm（底面），（1 200，1 100）mm×100 mm（頂面）；斜梁截面尺寸為1 000 mm×2 000 mm，斜梁傾斜角度31°?？磁_(tái)環(huán)梁尺寸為200 mm×640 mm，看臺(tái)板厚120 mm。外環(huán)箱形梁截面為400 mm×2 000 mm，箱形梁上下板厚120 mm。

外圍箱形梁高度隨看臺(tái)環(huán)向位置不同，標(biāo)高均有差異，最高距離底部支撐面20.5 m（圖1）。

根據(jù)以上構(gòu)件信息及空間布局，在假設(shè)鋼筋混凝土密度為2.4 t/m3的條件下，計(jì)算可得斜柱每米長度范圍內(nèi)向外側(cè)產(chǎn)生的傾覆水平力為16.9 kN。斜梁每米范圍內(nèi)豎向荷載為48 kN。

根據(jù)以上分析，并根據(jù)《危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程安全管理辦法》，上述構(gòu)件中頂層看臺(tái)斜梁屬于超重構(gòu)件，4層以上斜柱支撐已屬于超高支撐構(gòu)件。

圖1 Y形柱及頂層看臺(tái)斜梁的典型剖面

2 支撐選型及構(gòu)架加固方案

由于外圍Y形斜柱及頂層看臺(tái)斜梁難以施工，需先對(duì)該兩處構(gòu)件進(jìn)行選型分析，整體考慮方案可行后再進(jìn)行其他構(gòu)件選型。

2.1 斜柱支撐分析

由于斜柱太重，支撐高度太高，有向外的水平推力，整體選取普通鋼管扣件式支撐架來支撐是比較經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可靠的方式。

為滿足頂部箱形梁20.5 m支撐架搭設(shè)高度需要，根據(jù)JGJ 130—2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》第6.9.7條規(guī)定，在考慮節(jié)省施工成本的情況下，可采取與框架柱剛性連接的方式（抱柱）加固。因此在考慮成本的情況下，支撐架寬度及斜梁跨度范圍內(nèi)立桿排數(shù)會(huì)有適當(dāng)減少，但箱形梁外側(cè)加固用的2排（至少2排）支撐架不得取消。

回頂斜柱的斜桿若考慮落地的話，斜桿長度約66 m，水平搭設(shè)長度達(dá)到63 m，顯然，相比20.5 m高斜柱，該段直接用可落地斜桿回頂?shù)男敝叨炔⒉粚?shí)際，而解決方案便是通過鋼絲繩與樓層內(nèi)部已經(jīng)完成的混凝土構(gòu)件（如框架柱）進(jìn)行拉結(jié)來平衡上部無法落地斜桿傾覆向外產(chǎn)生的水平力。但是，隨著高度增加，能夠用來支撐斜柱向外推力的支撐架立桿排數(shù)越來越少，經(jīng)查閱大量論文，單個(gè)旋轉(zhuǎn)扣件的抗滑力約1 000 N是比較可靠的，經(jīng)計(jì)算，假設(shè)鋼管回頂?shù)呐艛?shù)為2排，那么扣接的鋼管排數(shù)小于8.9個(gè)扣件時(shí)便不再可靠。因此還要想出這個(gè)高度限值以上斜柱構(gòu)件的支撐方案，這8.9個(gè)扣件也決定了斜柱支撐架要向外延伸的排數(shù)。

若考慮回頂?shù)男睏U僅僅用來支撐模板、鋼筋及其他施工荷載的話，那么這些荷載（約8.4 kN），產(chǎn)生的水平推力僅為3.7 kN，也就是說，1.9個(gè)扣件就能抵抗其水平推力（施工過程中，不算混凝土荷載情況）。為滿足該情況，則需如下假設(shè)成立。

假設(shè)頂層看臺(tái)斜梁先行施工，并通過看臺(tái)斜梁用鋼絲繩斜拉斜柱便可抵消斜柱向外的推力。由于斜柱新澆混凝土無法承受構(gòu)件本身的抗彎變形，因此在其背部須再做一支架。即用雙槽鋼組成斜柱底主楞，再在雙槽鋼外背工字鋼來承接鋼絲繩帶來的拉力（圖2）。

圖2 鋼絲繩斜拉斜柱原理

2.2 斜梁支撐分析

2.2.1 一般情況下鋼管豎直搭設(shè)的可行性分析

一般情況下，梁板支撐架支撐桿為豎直搭設(shè)，由于看臺(tái)斜梁特殊性，有一定傾斜角度，若按此常規(guī)方式搭設(shè)將產(chǎn)生支撐架橫桿拉斷、鋼管頂托與立桿之間不在同一垂線產(chǎn)生局部鋼管折斷、斜梁底部模板次楞局部折斷情況。其具體分析大體如下：

假設(shè)支撐架立桿布置1 m一道，梁底設(shè)置4排立桿（圖3）。

根據(jù)圖3所示，該鋼架為129次超靜定結(jié)構(gòu)，按照一般方法難以進(jìn)行計(jì)算分析，但若假設(shè)其節(jié)點(diǎn)均為鉸接點(diǎn)并在各放線一端加入鉸支座后，便可比較容易分析出其斜桿及水平桿受拉力至底部逐漸增加，經(jīng)分析，其斜桿最大拉力值為51 kN，單根鋼管最大受拉力為44.8 kN，雖扣件之間為半剛性連接，但我們?nèi)哉J(rèn)為其不可靠。

圖3 支撐架受力模型

2.2.2 解決方案

將頂層箱形梁在2層樓面放線定位，并以此向1層樓面引線，確定2層樓面支撐架的非拆除區(qū)域。對(duì)箱形梁進(jìn)行支撐架搭設(shè)計(jì)算，并排桿，據(jù)此排桿在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行外圍箱形梁支撐架搭設(shè)，并與相鄰樓層支撐架搭設(shè)同時(shí)施工。待施工至4層樓面時(shí)，在4層樓面根據(jù)斜梁支撐桿位置預(yù)埋短鋼筋，并在Y形斜柱外圍600 mm范圍內(nèi)一同澆筑施工臨時(shí)支撐板。

待4層樓面達(dá)到頂層看臺(tái)支撐架施工條件時(shí)，進(jìn)行支撐架施工，斜梁應(yīng)先完成第1段斜梁施工，并預(yù)埋鋼筋吊環(huán)，同時(shí)斜柱外圍工字鋼進(jìn)行吊裝，第1段斜柱施工時(shí)斜拉鋼絲繩，完成第1段斜柱施工，同樣順序進(jìn)行第2段斜梁施工，并在第2段斜梁位置預(yù)埋對(duì)拉螺桿，最終完成斜柱斜梁段位置后完成整個(gè)構(gòu)件施工。

3 整體施工流程

3.1 整體施工流程

斜柱、梁、樓層外邊線投影投線→立桿排桿→樓層內(nèi)部滿堂架搭設(shè)→樓層外部滿堂架搭設(shè)，同時(shí)進(jìn)行鋼筋工程并復(fù)核校驗(yàn)鋼筋外包尺寸（主要柱箍筋尺寸）→斜柱模板回頂→斜柱模板工程→斜柱模板回頂調(diào)整→斜柱混凝土工程→次層樓面模板工程→……→箱形梁模板工程→箱形梁鋼筋工程→箱形梁吊?！湫瘟夯炷凉こ獭湫瘟喉敯逯巍湫瘟喉敯迥０?、混凝土工程[3-4]

3.2 注意問題

1）滿堂架搭設(shè)不應(yīng)快于樓層內(nèi)支撐架滿堂架搭設(shè)，滿堂架內(nèi)水平桿應(yīng)和樓層內(nèi)支撐架至少2跨形成搭接，樓層施工時(shí)應(yīng)注意鋼管預(yù)埋以讓樓層外處支撐架連墻，增加支撐架整體性。

2）在Y柱模板施工前，應(yīng)將其回頂?shù)男睏U先與滿堂架進(jìn)行固定，斜桿回頂固定應(yīng)盡量用旋轉(zhuǎn)扣件固定在立桿上，若無法滿足可將接頭位置固定在橫桿上。

3）由于架體搭設(shè)高度較高，故施工過程中應(yīng)做好水平防護(hù)。

4）梁板滿堂架搭設(shè)完成及托梁搭設(shè)完成后拉線復(fù)核其平整度及標(biāo)高，復(fù)測(cè)無誤后進(jìn)行方條及模板安裝。

5）斜柱和斜梁混凝土澆筑時(shí)避免對(duì)模板直沖，最好由底模板流入構(gòu)件，并按常規(guī)方式振搗。

4 頂層看臺(tái)斜梁、Y形斜柱施工方案

專業(yè)足球場(chǎng)頂層看臺(tái)斜梁為超重梁，斜柱存在向外傾覆水平力，該處施工順序較為復(fù)雜，具體如下（圖4）：看臺(tái)斜梁定位→第1段看臺(tái)斜梁支撐架施工→第1段看臺(tái)斜梁鋼筋模板工程→第1段斜柱鋼絲繩在看臺(tái)斜梁預(yù)埋鋼筋→第1段看臺(tái)斜梁混凝土工程→第1段斜柱模板及鋼筋工程施工→第1段斜柱工字鋼吊裝→第1段斜柱工字鋼用鋼絲繩斜拉→固定工字鋼及鋼絲繩短鋼筋焊接→斜拉鋼絲繩拉緊固定→第2段看臺(tái)斜梁支撐架施工→第2段看臺(tái)斜梁模板及鋼筋工程施工→第2段斜柱鋼絲繩在看臺(tái)斜梁預(yù)埋鋼筋、斜柱斜梁交叉部位對(duì)拉螺桿預(yù)埋→第2段斜柱模板及鋼筋工程施工→第2段鋼絲繩斜拉及固定→第2段斜柱混凝土工程→斜柱斜梁交叉位置鋼筋工程→斜柱斜梁交叉位置模板工程→斜柱斜梁交叉位置混凝土工程。

圖4 斜梁、斜柱施工順序示意

4.1 第1段斜梁施工

模板安裝完成后及頂層看臺(tái)斜梁支撐樓板混凝土澆筑前就要對(duì)頂層看臺(tái)斜梁進(jìn)行平面定位，根據(jù)看臺(tái)斜梁支撐要求進(jìn)行支撐桿定位，支撐板鋼筋工程施工的同時(shí)進(jìn)行支撐桿下短鋼筋的預(yù)埋。再對(duì)內(nèi)部短柱進(jìn)行混凝土澆筑，樓板混凝土澆筑完成24 h后，在樓層面對(duì)斜梁等構(gòu)件進(jìn)行放線定位，進(jìn)行梁支撐桿搭設(shè)。由于支撐架水平桿不能與周圍支撐架水平桿進(jìn)行連接，因此應(yīng)在斜梁支撐架外斜拉鋼絲繩或制作斜撐（圖5）。斜梁底模板施工完成后完成鋼絲繩吊環(huán)預(yù)埋，最后進(jìn)行鋼筋工程、梁側(cè)模板封閉、混凝土工程。

圖5 第1段斜梁施工示意

4.2 第1段斜柱施工

第1段斜柱的施工高度約為4.84 m，外圍箱形梁支撐架施工至第1段斜柱施工高度時(shí)先進(jìn)行回頂斜桿固定，然后吊裝工字鋼。工字鋼吊裝時(shí)應(yīng)注意其吊裝角度與斜柱角度大致相同，吊點(diǎn)位置設(shè)置在1/4工字鋼跨度，吊裝就位后先使其底部就位，然后通過預(yù)先在工字鋼上打好的孔與滿堂腳手架采用鋼絲繩綁牢，確認(rèn)安全后松開吊繩（圖6）。

圖6 第1段斜柱工字鋼吊裝示意

在斜柱寬度范圍內(nèi)增加斜桿用以回頂斜柱木方，同時(shí)進(jìn)行底模施工。底模施工完成后調(diào)整斜柱底模角度。鋼筋工程施工時(shí)以斜柱底模為支撐，由于斜柱縱向鋼筋直徑較大，需用二級(jí)或一級(jí)直螺紋套筒對(duì)縱向鋼筋進(jìn)行連接。鋼筋工程施工完成后進(jìn)行另外3面模板拼裝及加固。最后通過工字鋼底頂托調(diào)整工字鋼角度，張拉鋼絲繩，拆除木方下及工字鋼下頂托（圖7）。

4.3 第2段斜梁施工

第2段斜梁施工前拆除第1段斜柱側(cè)模及頂模。根據(jù)斜梁位置搭設(shè)第2段斜梁支撐架，支撐架落至斜柱面且每道立桿下增加2道斜桿，斜桿距斜柱面分別為200 mm和400 mm。立桿搭設(shè)一定范圍后部分看臺(tái)斜梁立桿無法落至斜柱面，對(duì)該種立桿使其與看臺(tái)斜梁面傾斜?？磁_(tái)斜梁頂需預(yù)埋3排M16對(duì)拉螺桿，埋入深度不小于600 mm，對(duì)拉螺桿總長度不小于5 500 mm，每排對(duì)拉螺桿6根，共計(jì)埋設(shè)18根（圖8）。

圖7 第1段斜柱施工示意

圖8 第2段斜梁施工示意

4.4 第2段斜柱施工

第2段斜柱施工與第1段斜柱相同。

4.5 梁柱交叉段施工

該處鋼筋工程施工前，將預(yù)埋的對(duì)拉螺桿進(jìn)行調(diào)整，鋼筋工程施工完成后再對(duì)對(duì)拉螺桿位置進(jìn)行1次調(diào)整，確保能與模板開孔孔位對(duì)應(yīng)，該處柱部分長邊共設(shè)置4道水平雙鋼管主梁，每道設(shè)置5處M16對(duì)拉螺桿，短邊設(shè)置10#槽鋼，中間利用預(yù)埋的對(duì)拉螺桿固定，兩側(cè)不再另加對(duì)拉螺桿（圖9）。該處混凝土施工時(shí)務(wù)必控制澆筑速度不得超過3 m3/h。

5 方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題

1）由于看臺(tái)斜梁下支撐架支撐桿傾斜，很難與周圍滿堂架用水平桿連成整體。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，看臺(tái)斜梁與支撐板最高達(dá)9 m，而支撐桿所形成的架體寬僅1.2 m，高寬比達(dá)到7.5，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出規(guī)范要求，但建筑模板安全技術(shù)規(guī)程同時(shí)又給出了處理意見，即“應(yīng)與主體結(jié)構(gòu)采用抱柱等形式的剛性連接，當(dāng)無法滿足時(shí)可采取斜拉鋼絲繩等柔性限制措施”。因此在方案設(shè)計(jì)計(jì)算此構(gòu)件支撐架時(shí)應(yīng)考慮其左右傾覆情況，為保證支撐桿穩(wěn)定性，計(jì)算時(shí)選取的高寬比參數(shù)應(yīng)加大，以增加長細(xì)比。雖然左右兩側(cè)斜拉鋼絲繩可滿足規(guī)范給出的建議，但鋼絲繩畢竟會(huì)存在柔性變形，由于構(gòu)件較重，一旦兩側(cè)變形不能很好限制，其中一根支撐桿失穩(wěn)將有極大可能產(chǎn)生整體傾覆現(xiàn)象，因此除采用鋼絲繩等柔性斜拉限制外，還應(yīng)在不同方向設(shè)置水平鋼管與周圍滿堂架連接[5]。

圖9 梁柱交叉段施工示意

2）本文論述方案雖然提及斜梁支撐斜桿下有預(yù)埋的短鋼筋限制其滑動(dòng)，但由于無法提供計(jì)算依據(jù)，為確保施工過程的可靠性，故還應(yīng)在架體兩側(cè)單獨(dú)設(shè)置剪刀撐以增加架體穩(wěn)定。

3）本文之所以采用普通的施工工藝、材料就能夠使超重斜梁、斜柱得以實(shí)現(xiàn)，主要取決于斜梁、斜柱交替施工，采用支撐斜桿支撐斜梁，通過斜梁斜拉鋼絲繩以阻止斜柱向外傾覆。上述原理仍有較為重要的問題需要注意，即在斜梁里預(yù)埋的鋼筋吊環(huán)，混凝土到底可以為其提供多少的握裹力來抵抗鋼絲繩的斜向拉力，除了盡可能在混凝土中增加預(yù)埋鋼筋長度外，還需要查閱大量資料以佐證其可靠性。