鋼柱與筒架交替支撐式整體鋼平臺(tái)模架體系

馬 未 王小安 秦鵬飛

1. 上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080；2. 上海高大結(jié)構(gòu)建造工藝與裝備工程技術(shù)研究中心 上海 201114

與傳統(tǒng)的整體提升腳手架、液壓爬模等模架形式相比，鋼柱與筒架交替支撐式整體鋼平臺(tái)模架體系在封閉性、安全性、綠色環(huán)保、高效施工和舒適性等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，已在上海浦西白玉蘭廣場(chǎng)、上海靜安大中里、上海國(guó)際航空服務(wù)中心等多個(gè)重大超高層項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好的工程效果[1-3]。

鋼柱與筒架交替式整體鋼平臺(tái)模架體系在工程應(yīng)用時(shí)，需要重點(diǎn)解決匹配工程建造要求的適應(yīng)性設(shè)計(jì)與施工技術(shù)問(wèn)題，而模塊化構(gòu)造是解決上述問(wèn)題的基礎(chǔ)。

本文重點(diǎn)介紹鋼柱與筒架交替支撐式整體鋼平臺(tái)模架體系在武漢恒隆廣場(chǎng)塔樓項(xiàng)目施工中的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)，主要涉及基于模塊化理念的體系設(shè)計(jì)、受力分析及高適應(yīng)施工技術(shù)。

1 工程概況

武漢恒隆廣場(chǎng)項(xiàng)目地處武漢市硚口區(qū)，北靠京漢大道、東至民意四路、西接漢口中心嘉園，位于武漢市商貿(mào)、金融及商業(yè)中心的核心地段。武漢恒隆廣場(chǎng)塔樓地下3層、地上56層，建筑高度278.60 m，主體結(jié)構(gòu)高度275.95 m。

塔樓結(jié)構(gòu)為框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，其核心筒結(jié)構(gòu)由核心筒筒壁、核心筒內(nèi)墻（包括暗柱）、梁和板組成，核心筒筒壁為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。核心筒平面為五邊形，筒體平面尺寸約為35.6 m×19 m，設(shè)有6道內(nèi)墻，將核心筒平面劃分為12格〔圖1（a）〕，核心筒墻體體型在35層發(fā)生較大變化，部分墻體消失，核心筒墻體平面由原來(lái)12格減少至10格〔圖1（b）〕。

圖1 武漢恒隆廣場(chǎng)塔樓核心筒結(jié)構(gòu)體型

核心筒墻體有13個(gè)典型平面（內(nèi)外墻收分），隨著高度的上升，墻體厚度逐漸減小，至35層時(shí)，W1、W2由1 200 mm收分至600 mm，W3由1 300 mm收分至800 mm，W4由1 200 mm收分至700 mm，內(nèi)墻共收分200 mm。

選擇合適的整體鋼平臺(tái)模架形式是實(shí)現(xiàn)核心筒結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)、高效建造的關(guān)鍵。武漢恒隆廣場(chǎng)塔樓核心筒結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，對(duì)模架裝備的適應(yīng)性有較高要求，同時(shí)也給模架裝備的垂直運(yùn)輸帶來(lái)較大困難。該核心筒結(jié)構(gòu)施工難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）核心筒筒壁和內(nèi)墻多次收分，每次收分從100～ 200 mm不等，需要對(duì)外吊腳手架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其滿(mǎn)足墻體收分要求。

2）核心筒結(jié)構(gòu)共56層，超高的高度對(duì)模板形式的選擇、垂直運(yùn)輸能力、施工平臺(tái)安全性和便利性等都有較高要求。

3）核心筒墻體在35層發(fā)生大面積變形，右側(cè)筒體消失，給內(nèi)外吊腳手架設(shè)計(jì)和整體鋼平臺(tái)模架安裝拆除帶來(lái)較大困難。

4）核心筒層高有較大變化，除了4.40 m的標(biāo)準(zhǔn)層高，還有4.50、4.39、4.26、4.55、5.82、4.10 m等多個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)層高，需要對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)層的爬升流程進(jìn)行優(yōu)化，使其滿(mǎn)足層高變化的需求。

根據(jù)武漢恒隆廣場(chǎng)核心筒平面結(jié)構(gòu)形式、墻體收分、層高、體型變化等特點(diǎn)及建造要求，選擇鋼柱與筒架交替支撐式整體鋼平臺(tái)模架用于該塔樓核心筒施工。

2 整體鋼平臺(tái)裝備設(shè)計(jì)

2.1 鋼平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鋼平臺(tái)系統(tǒng)由鋼平臺(tái)框架、蓋板、格柵板和安全圍擋等構(gòu)件組成。本工程采用的鋼平臺(tái)系統(tǒng)平面面積約為947 m2，主梁及次梁均由H型鋼組成，位于同一水平面；格柵板設(shè)置在墻體上方，長(zhǎng)度按照墻體厚度確定；在鋼梁上根據(jù)施工要求鋪設(shè)鋪板，形成操作平臺(tái)，鋪板采用花紋鋼板；在鋼平臺(tái)四周設(shè)置高2 m的圍擋板，形成封閉的操作空間。鋼平臺(tái)外邊緣與核心筒剪力墻內(nèi)壁留有足夠的空間，方便施工人員調(diào)整腳手架和安裝拆卸模板。鋼梁平面布置如圖2所示。

圖2 鋼梁平面布置

2.2 吊腳手架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吊腳手架系統(tǒng)由腳手吊架、樓梯、圍擋板、防墜擋板、走道板、滑移裝置等構(gòu)件組成，通過(guò)螺栓將各構(gòu)件連接成整體。本工程采用的吊腳手架共6層，其中上3層為鋼筋、模板施工區(qū)，下3層為拆模整修區(qū)。為滿(mǎn)足不同區(qū)域施工需要，腳手吊架設(shè)計(jì)為外吊架和內(nèi)吊架，外吊架分為上吊架和下吊架，均為標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件。走道板設(shè)計(jì)為內(nèi)腳手架走道板和外腳手架走道板，均采用標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件。圍擋板、防墜擋板以及樓梯等其他構(gòu)件均為模塊化設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，可根據(jù)吊架間距選擇合適規(guī)格的構(gòu)件通過(guò)螺栓連接拼裝在吊架上。

在設(shè)計(jì)外吊腳手架時(shí)，對(duì)墻體收分的一側(cè)采用可滑移形式，對(duì)不發(fā)生收分的一側(cè)采用固定形式?？苫菩问降耐饽_手架通過(guò)滑移鋼梁與鋼平臺(tái)系統(tǒng)頂部連接，固定形式的外腳手架以螺栓固定于鋼平臺(tái)系統(tǒng)框架梁的底部，整個(gè)外吊腳手架隨鋼平臺(tái)系統(tǒng)同步爬升（圖3）。

內(nèi)吊腳手架共6層，頂層高度為2.05 m，其余5層高度為1.90 m。內(nèi)吊腳手架每個(gè)獨(dú)立的井道內(nèi)設(shè)置1部或2部上下樓梯。內(nèi)吊腳手架由安裝在12個(gè)筒內(nèi)獨(dú)立的構(gòu)架組成，設(shè)有主框架立柱、附墻頂輪以及防傾裝置。

2.3 模板系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本工程采用的核心筒大模板從6層施工時(shí)開(kāi)始使用。模板系統(tǒng)采用5 mm鋼板作為面板，采用雙拼10#槽鋼作為橫向圍檁，平均間距為800 mm，采用6.3#槽鋼作為豎向圍檁，間距不大于300 mm。

圖3 外吊腳手架平面布置

大模板按標(biāo)準(zhǔn)層層高4 400 mm配置，非標(biāo)準(zhǔn)層施工時(shí)上接接高模板。每塊大模板上設(shè)置2個(gè)鋼板吊耳，采用手動(dòng)葫蘆掛在鋼平臺(tái)框架梁的吊點(diǎn)耳板上，以方便模板提升。對(duì)于墻體收分側(cè)模板，在角部按收分模數(shù)及次數(shù)設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)收分條，從而滿(mǎn)足施工需求。

2.4 工具式鋼柱爬升系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工具式鋼柱爬升系統(tǒng)包括工具式鋼柱、鋼柱底座、上下爬升組件、動(dòng)力系統(tǒng)等。工具式鋼柱是整體鋼平臺(tái)模架爬升時(shí)的導(dǎo)軌，采用標(biāo)準(zhǔn)通用部件；鋼柱底座和上下爬升組件等也均采用標(biāo)準(zhǔn)通用部件[4]。動(dòng)力系統(tǒng)由5臺(tái)液壓泵站、26套液壓頂升油缸和1套集中控制系統(tǒng)組成。

核心筒施工時(shí)根據(jù)結(jié)構(gòu)墻體分布情況，初始設(shè)置26根工具式鋼柱，至35層核心筒發(fā)生體型變形，調(diào)整為25根工具式鋼柱（圖4）。

圖4 工具式鋼柱平面布置

2.5 筒架支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)

筒架支撐系統(tǒng)由安裝在核心筒內(nèi)的豎向支撐裝置、水平限位裝置、支撐底梁和筒架支撐單元等組成。

水平限位裝置和豎向支撐裝置采用標(biāo)準(zhǔn)通用部件；支撐底梁長(zhǎng)度采用不同長(zhǎng)度規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)化鋼梁拼裝而成；筒架支撐單元由4根筒架支撐柱和橫向筒架支撐梁拼裝 而成。

3 受力分析

3.1 模型建立與計(jì)算假定

為了保證整體鋼平臺(tái)模架體系的可靠性和安全性，采用有限元軟件Midas Gen對(duì)整體爬升鋼平臺(tái)模架結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和受力分析。

3.2 工況分析

根據(jù)施工流程，整體爬升鋼平臺(tái)模架結(jié)構(gòu)計(jì)算工況可以分為作業(yè)工況和爬升工況，其中作業(yè)工況可以細(xì)分為鋼筋綁扎施工工況、模板提升施工工況和混凝土澆筑施工工況。根據(jù)不同工況的特點(diǎn)，確定相應(yīng)的荷載和邊界條件，確定最不利荷載組合進(jìn)行受力分析。

3.3 荷載分析

在施工過(guò)程中，各計(jì)算工況考慮的荷載主要有恒荷載、施工活荷載和風(fēng)荷載。

3.3.1 恒荷載分析

恒荷載主要包括模架結(jié)構(gòu)自重G1，可依據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸和材料密度計(jì)算；液壓油缸和工具式鋼柱自重G2，一個(gè)機(jī)位按20 kN取值；電氣操作間及泵站自重G3，每組按9.8 kN取值。

3.3.2 活荷載分析

活荷載主要包括施工活荷載Q1，取1 kN/m2，在內(nèi)、外吊腳手架連續(xù)布置2層，取最不利布置，鋼平臺(tái)系統(tǒng)外圍不允許堆載，按1 kN/m2施加活荷載；鋼大模線(xiàn)荷載Q2，作用于模板兩側(cè)大梁，單側(cè)取值5.3 kN/m，僅出現(xiàn)在模板提升施工工況；鋼筋堆載Q3，按5 kN/m2取值，僅出現(xiàn)在鋼筋綁扎施工工況；核心筒混凝土澆筑活荷載Q4，按 1 kN/m2取值，僅出現(xiàn)在混凝土澆筑施工工況；爬升工況活荷載Q5，爬升狀態(tài)活載僅在爬升工況下整體鋼平臺(tái)模架頂層和底層施加，取0.5 kN/m2。

3.3.3 風(fēng)荷載分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由圖6可知,粉紅噪聲對(duì)算法的影響最小,白噪聲影響最大。從趨勢(shì)上看,算法隨著信噪比的減小,檢測(cè)錯(cuò)誤率逐步上升。當(dāng)信噪比達(dá)到25 dB或更高時(shí),算法在不同環(huán)境下的錯(cuò)誤率可以保證在20%以?xún)?nèi),說(shuō)明算法對(duì)不同噪聲環(huán)境的魯棒性良好。

風(fēng)荷載wk采用將作用在外吊腳手架上的面荷載折算為作用在吊腳手架鋼梁上的線(xiàn)荷載，風(fēng)荷載取值方法是結(jié)合整體鋼平臺(tái)模架施工階段的控制風(fēng)速取值。

出于施工安全考慮，當(dāng)10 min平均風(fēng)速大于12.0 m/s時(shí)，不應(yīng)對(duì)整體鋼平臺(tái)模架進(jìn)行安裝與拆除操作；當(dāng)10 min平均風(fēng)速大于18.0 m/s時(shí)，整體鋼平臺(tái)模架應(yīng)禁止爬升；當(dāng)10 min平均風(fēng)速大于32.0 m/s時(shí)，應(yīng)撤離模架上的施工人員并停止作業(yè)。相應(yīng)的，出于計(jì)算安全考慮，在進(jìn)行安裝與拆除過(guò)程整體鋼平臺(tái)模架結(jié)構(gòu)及其臨時(shí)支撐體系驗(yàn)算時(shí)，計(jì)算風(fēng)速按14.0 m/s取值，爬升階段的計(jì)算風(fēng)速按20.0 m/s取值，作業(yè)階段的計(jì)算風(fēng)速按36.0 m/s取值[5]。

3.3.4 荷載組合效應(yīng)

作業(yè)工況下，整體鋼平臺(tái)模架由筒架支撐系統(tǒng)支撐，風(fēng)荷載按36.0 m/s風(fēng)速考慮，各個(gè)計(jì)算工況荷載組合按下列公式計(jì)算：

模板提升施工工況：

鋼筋綁扎施工工況：

混凝土澆筑施工工況：

爬升狀態(tài)下，整體鋼平臺(tái)模架依靠工具式鋼柱支撐，風(fēng)荷載按20.0 m/s風(fēng)速考慮，其荷載組合按下列公式計(jì)算：

3.4 計(jì)算結(jié)果

3.4.1 體型轉(zhuǎn)換前的受力狀態(tài)分析

整體鋼平臺(tái)模架在體型轉(zhuǎn)換前，作業(yè)工況下構(gòu)件的應(yīng)力比云圖如圖5所示，除了整體鋼平臺(tái)模架1層角部個(gè)別柱子的應(yīng)力比較大外（為0.74左右），大部分構(gòu)件的應(yīng)力比在0.50以?xún)?nèi)，模架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度儲(chǔ)備足夠，穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。在爬升工況下，構(gòu)件的應(yīng)力比云圖如圖6所示，構(gòu)件的設(shè)計(jì)應(yīng)力比皆在0.51以?xún)?nèi)，說(shuō)明爬升狀態(tài)下結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和保持自身穩(wěn)定的能力。

圖5 作業(yè)工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力比云圖

圖6 爬升工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力比云圖

3.4.2 體型轉(zhuǎn)換后的受力狀態(tài)分析

整體鋼平臺(tái)模架體型轉(zhuǎn)換后，作業(yè)工況下構(gòu)件的應(yīng)力比云圖如圖7所示，應(yīng)力比最大值為0.84，位于整體鋼平臺(tái)模架1層角部工具式鋼柱處，其余構(gòu)件的應(yīng)力比在0.50以?xún)?nèi)。在爬升工況下，構(gòu)件的設(shè)計(jì)應(yīng)力比云圖如圖8所示，構(gòu)件的設(shè)計(jì)應(yīng)力比皆在0.41以?xún)?nèi)，說(shuō)明整體鋼平臺(tái)模架在35層發(fā)生變形后，依然有較高的穩(wěn)定性和安全性。

圖7 作業(yè)工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力比云圖

圖8 爬升工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力比云圖

4 高適應(yīng)性施工技術(shù)

針對(duì)核心筒在35層發(fā)生空中變形的情況，需要在核心筒施工至35層時(shí)對(duì)整體鋼平臺(tái)模架進(jìn)行空中體型轉(zhuǎn)換。為保證轉(zhuǎn)換時(shí)部分內(nèi)吊腳手架順利過(guò)渡為外吊腳手架，在設(shè)計(jì)內(nèi)吊腳手系統(tǒng)時(shí)將W4腹墻外側(cè)的內(nèi)吊手架設(shè)計(jì)為可滑移的形式?？罩修D(zhuǎn)換時(shí)只需拆除原W11腹墻內(nèi)側(cè)的主框架立柱，便可實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外吊腳手架的轉(zhuǎn)換。具體轉(zhuǎn)換過(guò)程為：

1）拆除6#—8#機(jī)位處液壓油缸的設(shè)備管線(xiàn)，隨后拆除6#—8#液壓油缸和工具式鋼柱。

2）拆除整體鋼平臺(tái)模架頂部的鋼平臺(tái)蓋板和格柵板，然后將外吊腳手架和其上部鋼平臺(tái)框架梁整體吊離。在未拆除部分形成的臨邊處補(bǔ)缺安全圍擋板。

3）進(jìn)行內(nèi)筒部分的拆除，對(duì)內(nèi)筒鋼平臺(tái)框架梁、內(nèi)吊腳手架和底部鋼平臺(tái)框架梁進(jìn)行整體拆除。在整體鋼平臺(tái)模架頂部臨邊和跨墻體空缺處補(bǔ)缺安全圍擋板。

4）整體鋼平臺(tái)模架爬升一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層，對(duì)外吊腳手架4—6層跨墻空缺處進(jìn)行走道板和側(cè)網(wǎng)補(bǔ)缺，隨后完成35層墻體施工。

5）整體鋼平臺(tái)模架爬升一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層，對(duì)外吊腳手架2層、3層跨墻空缺處進(jìn)行走道板和側(cè)網(wǎng)補(bǔ)缺，隨后完成36層墻體施工。

6）整體鋼平臺(tái)模架爬升一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層，對(duì)外吊腳手架1層跨墻空缺處進(jìn)行走道板和側(cè)網(wǎng)補(bǔ)缺，滑移35層外吊腳手架，對(duì)其1—6層走道板和側(cè)網(wǎng)進(jìn)行調(diào)整補(bǔ)缺，至此，整體鋼平臺(tái)模架空中轉(zhuǎn)換完成。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)鋼柱與筒架交替支撐式整體鋼平臺(tái)模架在武漢恒隆廣場(chǎng)塔樓施工中的應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行研究，主要得出如下結(jié)論：

1）該模架體系采用工具式鋼柱和筒架支撐系統(tǒng)交替支撐的方法，能夠有效降低施工成本；模架中大部分構(gòu)件均為標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件，可以重復(fù)利用，進(jìn)一步提高了經(jīng)濟(jì)效益，滿(mǎn)足超高層建筑綠色化、工業(yè)化的發(fā)展需求。

2）整體鋼平臺(tái)模架提供的作業(yè)環(huán)境安全、可靠，能夠通過(guò)自爬升提高施工效率，且施工操作方便，承載能力大，能夠滿(mǎn)足超高層施工的各種復(fù)雜要求。

3）整體鋼平臺(tái)模架通過(guò)模塊組裝的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)適應(yīng)超高層建筑結(jié)構(gòu)體型變化的空中變形要求，因而具有較強(qiáng)的工程適應(yīng)性。

[1] 龔劍,佘遜克,黃玉林.鋼柱筒架交替支撐式液壓爬升整體鋼平臺(tái)模 架技術(shù)[J].建筑施工,2014,36(1):47-50.

[2] 扶新立,李陽(yáng),梁穎元,等.鋼柱筒架交替支撐式整體爬升鋼平臺(tái)模 架裝備技術(shù)研究及應(yīng)用[J].建筑施工,2014,36(4):390-394.

[3] 夏巨偉,黃玉林.鋼柱筒架交替支撐式液壓爬升整體鋼平臺(tái)模架體 系爬升系統(tǒng)的穩(wěn)定分析與設(shè)計(jì)[J].建筑施工,2017,39(10):1533- 1535.

[4] 秦鵬飛,王小安,穆蔭楠,等.鋼梁與筒架交替支撐式整體爬升鋼平 臺(tái)模架的模塊化設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].建筑施工,2018,40(6):919-921.

[5] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.整體爬升鋼平臺(tái)模架技術(shù)標(biāo) 準(zhǔn):JGJ 459—2019[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2019.