高層建筑大跨度混凝土挑檐模板支撐設(shè)計(jì)與應(yīng)用

穆立春 唐志勃 蘇 鋼

山東德建集團(tuán)有限公司 山東 德州 253003

進(jìn)入21世紀(jì)以后，中國(guó)建筑業(yè)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，各類(lèi)建筑如雨后春筍般在全國(guó)各個(gè)城市矗立起來(lái)。隨著建筑設(shè)計(jì)行業(yè)人員大量的創(chuàng)新和大膽的實(shí)踐，各種設(shè)計(jì)技術(shù)百花齊放，設(shè)計(jì)的建筑也是各具特點(diǎn)。但是，復(fù)雜的造型、高空的大懸挑等設(shè)計(jì)形式也給工程施工帶來(lái)了許多的麻煩。

為通過(guò)獨(dú)特的建筑風(fēng)格和立體的感官效果來(lái)展示自己的企業(yè)文化，有些企業(yè)要求設(shè)計(jì)單位將建筑物向外延伸出較大的懸挑結(jié)構(gòu)造型。這些懸挑結(jié)構(gòu)一般設(shè)置在屋頂，距離地面高度較高，給施工單位的施工帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。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(mǎn)堂腳手架形式[1]。

本文以山東德州市某企業(yè)研發(fā)中心的工程為例，詳細(xì)介紹該高層建筑大跨度混凝土挑檐模板支撐從設(shè)計(jì)到施工全過(guò)程中的技術(shù)難點(diǎn)和控制重點(diǎn)，以期為以后同類(lèi)項(xiàng)目的施工提供借鑒。

1 工程概況

德州市某企業(yè)的研發(fā)中心建筑面積為17 166.70 m2，建筑地上9層，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，在7層頂有一圈懸挑1.7 m的坡形挑檐，在屋頂有一圈懸挑4.2 m的鋼筋混凝土挑檐，挑檐上部另有一段坡屋頂造型，坡面上干掛深灰色鋁單板。7～9層頂標(biāo)高分別為27.90、31.80和37.35 m，剖面如圖1所示。建筑平面呈“凸”字形，懸挑部分出現(xiàn)6個(gè)陽(yáng)角和2個(gè)陰角。

圖1 建筑局部剖面

2 高空大跨度懸挑混凝土結(jié)構(gòu)施工難點(diǎn)

高空大跨度懸挑混凝土結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)階段只需要考慮結(jié)構(gòu)的大指標(biāo)、配筋及裂縫開(kāi)展寬度等技術(shù)要求，對(duì)于懸挑部位的撓度只需在說(shuō)明中注明起拱要求即可。而對(duì)于施工單位而言，則不僅要按設(shè)計(jì)要求起拱，還要考慮模板支撐的設(shè)計(jì)、支撐架體和模板的搭設(shè)、施工安全防護(hù)及高空振搗混凝土帶來(lái)的沖擊作用影響等。這些都是困擾施工人員的技術(shù)難題[2]。

本工程懸挑鋼筋混凝土挑檐具有以下特點(diǎn)：條件復(fù)雜，7層頂有1.7 m的坡形懸挑板，該懸挑板與屋面大跨度挑檐相距9.45 m；所處位置高，建筑室內(nèi)外高差1.05 m，屋頂大跨度挑檐標(biāo)高37.35 m，距離室外地坪38.40 m；懸挑長(zhǎng)度大，挑檐外表面距外排框架柱外表面尺寸達(dá)4.2 m，遠(yuǎn)大于懸挑腳手架規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定；挑檐造型復(fù)雜，挑檐不但有懸挑梁，在距軸線3 m處還有一道連續(xù)梁，而在連續(xù)梁外1.2 m處則為逐級(jí)回縮的封邊掛板，如圖2所示。

圖2 懸挑檐口斷面

高空大跨度懸挑混凝土結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中存在以下幾個(gè)難點(diǎn)：

1）在大跨度懸挑混凝土構(gòu)件施工期間，下部的模板支撐平臺(tái)既要承受模板支撐傳來(lái)的荷載，又要作為工人的安全操作平臺(tái)，還要作為外防護(hù)結(jié)構(gòu)的高空防墜落底部防護(hù)措施。因此，設(shè)計(jì)何種結(jié)構(gòu)形式的懸挑支架既能保證安全、經(jīng)濟(jì)，又能充分利用材料的性能，是首先要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

2）由于大跨度懸挑混凝土構(gòu)件位于高空，故應(yīng)優(yōu)先考慮利用已經(jīng)澆筑完成的樓面搭設(shè)懸挑支架。而在建設(shè)過(guò)程中懸挑支架以下沒(méi)有較大的懸挑結(jié)構(gòu)，其外防護(hù)架與建筑物距離較近，高度卻超出懸挑腳支架所在的樓層，這就給懸挑支架的搭設(shè)帶來(lái)了很大的難度。

3）在高空大懸挑混凝土構(gòu)件施工完成并達(dá)到拆模條件時(shí)，懸挑混凝土構(gòu)件在腳手架支撐平臺(tái)上形成了一個(gè)覆蓋物，其下部的支撐架管質(zhì)量輕，可以方便順利地拆除后導(dǎo)入室內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)即可。而對(duì)于懸挑支架而言，其自重大、長(zhǎng)度長(zhǎng)，起重機(jī)的吊鉤無(wú)法靠近懸挑支架的形心位置，拆除難度較大。

3 懸挑支撐平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 懸挑支撐平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)

懸挑支撐平臺(tái)使用時(shí)一般距離室外地面較高，若搭設(shè)落地式滿(mǎn)堂模板支撐架，則架體高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)8 m，屬于超過(guò)一定規(guī)模的危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程，不僅需要進(jìn)行專(zhuān)家論證，而且搭設(shè)過(guò)程會(huì)使用大量的支撐桿件，桿件的接頭較多，可能會(huì)形成較大的偏心，使得豎向支撐桿件的整體穩(wěn)定性很難保證，施工質(zhì)量難以控制，施工安全難以保證。

采用高空懸挑支撐平臺(tái)既可以減少支撐架體豎向桿件的數(shù)量，也可以將支撐架體的高度減小到8 m以?xún)?nèi)，使得豎向桿件不需要拼接，豎向構(gòu)件的穩(wěn)定承載力很容易滿(mǎn)足要求。

3.2 懸挑支撐平臺(tái)的設(shè)計(jì)

為解決高空大懸挑混凝土構(gòu)件的澆筑難題，工程上常采用“高空斜拉型鋼支模平臺(tái)＋滿(mǎn)堂支撐架”的模板支撐體系[2]，本項(xiàng)目若采用該種體系方案，需要從7層樓面按約90 cm間距鋪設(shè)工字鋼，斜拉索一端與挑梁拉結(jié)，另一端與8層外側(cè)框架梁的預(yù)埋件拉結(jié)。

由于建筑外墻設(shè)計(jì)主要為玻璃幕墻，砌體填充量小，外圍框架梁設(shè)計(jì)時(shí)配筋小，挑檐懸挑較大，混凝土構(gòu)件＋架體的質(zhì)量遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)允許荷載，故設(shè)計(jì)單位不同意按此方案進(jìn)行施工。

為便于在搭設(shè)高空大懸挑模板支撐平臺(tái)后，鋼材可以重復(fù)利用，并且減少預(yù)埋件的數(shù)量，經(jīng)建模分析，決定在柱外側(cè)設(shè)置單斜桿下?lián)问饺羌埽鐖D3所示。三角支架梁外挑3.5 m，斜桿前端距水平挑梁前端0.5 m，斜桿及水平挑梁后端固定于柱外側(cè)預(yù)埋件上，三角架高度3.5 m。在陽(yáng)角處，沿柱的兩側(cè)面設(shè)置斜向的三角支架，并通過(guò)拉梁連接成整體。

在距柱外側(cè)面3 m處設(shè)置1道與建筑外圍平行的承重H鋼梁。另設(shè)八字形水平斜撐將三角架上表面與外面承重H鋼梁連接在一起，以增加鋼梁的整體穩(wěn)定性，水平斜撐與承重H鋼梁軸線的夾角為45°，沿直角邊的長(zhǎng)度均為2.5 m。

在水平承重梁與外圍鋼筋混凝土框架梁之間設(shè)置矩形鋼管托梁，托梁長(zhǎng)度除轉(zhuǎn)角處外均為6 m，間距約0.9 m，從外圍鋼筋混凝土框架梁外表面向外伸出4.5 m，向內(nèi)伸出1.5 m，按單跨＋懸挑進(jìn)行設(shè)計(jì)。在陰角與陽(yáng)角處，矩形鋼管采用發(fā)散式布置，最外端的間距約0.9 m，平面布置如圖4所示。水平矩形鋼管托梁上面鋪設(shè)腳手板用以施工人員作業(yè)。水平矩形鋼管等間距沖孔，在支撐立桿對(duì)應(yīng)位置穿螺栓，螺桿長(zhǎng)度高出鋼管表面不小于150 mm，支撐立桿底端套入螺桿，以防止鋼管底部從矩形鋼管托梁上滑出。

圖3 支撐平臺(tái)三角支架

圖4 平面布置情況

3.3 荷載計(jì)算

懸挑平臺(tái)上搭設(shè)的滿(mǎn)堂支架自重、模板自重、新澆混凝土及鋼筋的自重、施工活荷載、傾倒及振搗混凝土的沖擊力等豎向荷載，通過(guò)立桿傳遞到平臺(tái)矩形鋼管托梁上，水平荷載按10年一遇的基本風(fēng)壓取值，通過(guò)平臺(tái)外圍布設(shè)的安全防護(hù)網(wǎng)傳遞給支撐立桿。

根據(jù)GB 50068—2018《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，荷載組合的效應(yīng)按基本組合進(jìn)行設(shè)計(jì)，荷載組合的分項(xiàng)系數(shù)分別為永久荷載1.3、施工活荷載1.5、風(fēng)荷載1.4。而對(duì)構(gòu)件進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)永久荷載、施工活荷載以及風(fēng)荷載應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)組合效應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，荷載效應(yīng)組合值分項(xiàng)系數(shù)均取1.0。

3.4 構(gòu)件設(shè)計(jì)

在整套懸挑支撐平臺(tái)中，其上部的模板支撐立桿應(yīng)根據(jù)所承受的荷載按軸心受壓構(gòu)件計(jì)算強(qiáng)度和穩(wěn)定。與建筑外圍平行的H鋼梁是懸挑平臺(tái)的主要承重構(gòu)件，選型時(shí)截面高度須小于跨度的1/20，材質(zhì)為Q355B的熱軋國(guó)標(biāo)H型鋼。計(jì)算時(shí)按兩端鉸接的簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)，鋼梁的平面外計(jì)算長(zhǎng)度按由水平支撐分段結(jié)果的最大值取用。

為控制施工過(guò)程中模板的變形，應(yīng)按荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算H鋼梁豎向荷載作用下的撓度，梁的撓度限值按GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的l/250（l為梁長(zhǎng)）進(jìn)行控制。作用在H鋼梁上的豎向荷載均由模板支撐立桿傳遞到H鋼梁上，間距均為900 mm左右，近似按均布荷載布置。

豎向荷載由垂直于H鋼梁上的矩形鋼管進(jìn)行承擔(dān)，其中2/3的荷載傳遞給平行于建筑外圍的H鋼梁，另外1/3直接傳遞給鋼筋混凝土外圍框架梁上，如圖5所示。

圖5 矩形鋼管托梁計(jì)算示意

傳遞到H鋼梁上的荷載，通過(guò)鋼梁端部的連接節(jié)點(diǎn)傳遞到三角支架的水平懸挑梁上，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)將H鋼梁與三角架水平梁連接的節(jié)點(diǎn)位置定在三角架下斜撐與橫梁連接位置的形心處。這時(shí)三角架按靜定結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖6所示。

圖6 三角架計(jì)算示意

3.5 預(yù)埋件設(shè)計(jì)

本工程中的預(yù)埋件共分4類(lèi)，分別為三角架與鋼筋混凝土柱相連接的橫梁連接預(yù)埋件、下斜撐連接預(yù)埋件、外框架梁頂面預(yù)埋件及輔助節(jié)點(diǎn)預(yù)埋件。

在計(jì)算過(guò)程中三角架橫梁只承擔(dān)水平拉力，其與柱連接的預(yù)埋件為受拉預(yù)埋件。三角架下斜撐為受壓桿件，因與水平面有夾角，故其與柱連接的預(yù)埋件既承擔(dān)水平壓力又承擔(dān)豎向剪力，屬于壓剪組合預(yù)埋件。矩形鋼管托梁在外圍框架梁頂面的預(yù)埋件通過(guò)計(jì)算確認(rèn)為受壓預(yù)埋件，輔助節(jié)點(diǎn)預(yù)埋件不受力，僅起增加安全儲(chǔ)備的作用。

為保證施工階段安全，各種預(yù)埋件按所承受的荷載、被連接構(gòu)件截面的大小等因素確定錨板的大小、錨筋的排列，然后依據(jù)GB 50010—2015《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算錨筋總面積，錨筋的長(zhǎng)度按受拉鋼筋在混凝土中的錨固長(zhǎng)度進(jìn)行確定。

預(yù)埋件設(shè)計(jì)與制作時(shí)應(yīng)避免錨筋與構(gòu)件柱筋相碰，同時(shí)要充分考慮實(shí)際施工過(guò)程中可能導(dǎo)致的預(yù)埋件偏移量，對(duì)錨板尺寸進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，避免平臺(tái)安裝時(shí)無(wú)法與預(yù)埋件對(duì)位連接。

4 懸挑支撐平臺(tái)施工

4.1 平臺(tái)搭設(shè)

在平臺(tái)施工前，先對(duì)預(yù)埋件的尺寸位置進(jìn)行檢驗(yàn)，再對(duì)預(yù)埋件所在樓層的混凝土強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行檢查，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)方可進(jìn)行平臺(tái)的安裝。為盡量減少因荷載作用而造成的三角支架的端部下垂，三角架根據(jù)計(jì)算進(jìn)行預(yù)起拱，起拱值通過(guò)計(jì)算確定。為防止安裝過(guò)程中的位置偏差，在預(yù)埋件及三角架的斷面上均提前彈出中心線，安裝時(shí)將中心線對(duì)齊后方可進(jìn)行焊接連接。

平臺(tái)的三角架及鋼梁選用強(qiáng)度較高的Q355鋼，質(zhì)量較輕，均可用塔吊進(jìn)行吊裝。為便于后期的拆除，鋼梁與三角架橫梁、水平斜撐與鋼梁以及三角架橫梁之間均采用螺栓連接，如圖7所示。矩形鋼管托梁與鋼梁采用的螺栓連接節(jié)點(diǎn)形式如圖8所示。矩形鋼管托梁端部的輔助節(jié)點(diǎn)采用U形螺栓穿過(guò)鋼筋混凝土樓板連接，鋼管與U形螺栓之間用木楔塞緊。

圖7 平臺(tái)布置大樣

圖8 鋼管托梁與鋼梁連接大樣

4.2 支撐架體施工

當(dāng)模板支撐平臺(tái)安裝完畢并通過(guò)驗(yàn)收后，方可在其上搭設(shè)支撐架體。支撐架體以及外搭設(shè)應(yīng)編制專(zhuān)項(xiàng)施工方案[3]，架體采用扣件式鋼管支撐架，鋼管為φ48 mm×3.5 mm，立桿間距約0.9 m，水平桿步距1.2 m，沿縱橫向連續(xù)設(shè)置剪刀撐[4]。立桿頂端設(shè)置可調(diào)U形支托，其螺紋伸出鋼管頂部不大于0.2 m，且安裝時(shí)應(yīng)保證上下同心。在可調(diào)支托底部的立柱頂端沿縱橫2個(gè)方向均設(shè)置1道水平拉桿，在距立桿底部0.2 m處沿縱橫方向均設(shè)置掃地桿。

4.3 模板施工

本工程懸挑部分梁截面并不大，而且外部有多層折角，因此選擇厚度為18 mm、尺寸為1.22 m×2.44 m的木膠合板作為梁、板的模板。為提高模板的周轉(zhuǎn)次數(shù)，模板的排板、拼縫及對(duì)拉螺栓孔位置和排列應(yīng)提前進(jìn)行設(shè)計(jì)[5]。

模板施工時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：模板的安裝應(yīng)保證構(gòu)件各部分的形狀、尺寸和相互位置正確；模板及楞木的尺寸及間距應(yīng)具有足夠的承載能力、剛度和穩(wěn)定性；混凝土澆筑前，要把模板與混凝土接觸面清理干凈，并涂刷脫模劑，脫模劑不能影響結(jié)構(gòu)性能和后續(xù)工程的施工[6]。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以德州市某企業(yè)研發(fā)中心的屋頂大跨度現(xiàn)澆鋼筋混凝土挑檐為案例，對(duì)在模板施工過(guò)程中遇到的問(wèn)題進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的研究。在保證安全、經(jīng)濟(jì)的前提下，對(duì)支撐平臺(tái)各構(gòu)件進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，并對(duì)支撐平臺(tái)施工提出相應(yīng)的要求。項(xiàng)目部根據(jù)此方案實(shí)施后取得了良好的效果，順利完成了模板支設(shè)、混凝土澆筑及模板和支撐拆除等工作，可為同類(lèi)高空大懸挑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程施工提供參考。