逐層外挑高層混凝土結(jié)構(gòu)的施工

蘇 秋 姜 欣 張友杰 郭 春 周承航 吉 劍

中國(guó)建筑第八工程局有限公司總承包公司 上海 201204

型鋼外懸挑防護(hù)腳手架因其安全可靠、周轉(zhuǎn)快、節(jié)省成本、節(jié)約工期等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在高層建筑施工中。采用型鋼外懸挑腳手架作為高層懸挑結(jié)構(gòu)施工的支撐結(jié)構(gòu)和外防護(hù)腳手架則比較少見，將型鋼外懸挑腳手架應(yīng)用于逐層向上懸挑的高層混凝土結(jié)構(gòu)的施工對(duì)型鋼和已澆筑結(jié)構(gòu)的持力要求更高。對(duì)于高層逐層向上懸挑混凝土結(jié)構(gòu)的施工，采用逐層搭設(shè)型鋼外懸挑腳手架作為結(jié)構(gòu)的支撐和外防護(hù)腳手架可以解決施工問題，但不經(jīng)濟(jì)、搭拆煩瑣、影響施工進(jìn)度[1-4]。

本項(xiàng)目采用了型鋼和斜立桿扣件式鋼管支模架組合的支模體系，有效解決了上述問題。但由于型鋼懸挑長(zhǎng)度大（3～5 m）、持力荷載大，需要在型鋼挑梁下方設(shè)置斜支撐措施，并對(duì)懸挑型鋼主梁和連梁的強(qiáng)度、抗剪、撓度和支座反力進(jìn)行驗(yàn)算，還要對(duì)斜鋼管支模架進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算立桿的長(zhǎng)細(xì)比、穩(wěn)定性，扣件的抗滑移及架體抗傾覆，斜鋼管支模架的混凝土支撐梁的強(qiáng)度、撓度及支座反力，面板的強(qiáng)度、撓度及支座反力等。

1 工程概況

A03C-02地塊新建辦公樓工程（圖1）位于上海市浦東新區(qū)世博園區(qū)A地塊。工程地下4層，地上17層，層高4.50～6.35 m不等，屋面結(jié)構(gòu)標(biāo)高78.15 m。工程外立面先收后張，9層至屋面層南側(cè)的混凝土結(jié)構(gòu)均有不同程度懸挑，9層至15層單層懸挑距離約1 m，15層至屋面層單層最大懸挑距離為2.3 m，且每層懸挑距離最大位置均集中在轉(zhuǎn)角處。

圖1 外立面效果圖

2 工程重、難點(diǎn)

1）本工程造型復(fù)雜，外立面先收后張，9層至屋面層為多層連續(xù)大跨度異形懸挑混凝土結(jié)構(gòu)，不利于支撐架體及外圍護(hù)腳手架的垂直搭設(shè)。

2）9層至屋面層的異形懸挑混凝土結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角位置角度較小，不利于腳手架懸挑型鋼的排布。

3）不同樓層不同位置的懸挑距離不一致，且每層懸挑距離最大位置均集中在轉(zhuǎn)角處，單層最大懸挑距離為2.3 m，結(jié)構(gòu)外挑尺寸大，結(jié)構(gòu)施工困難。

4）懸挑混凝土梁的最大截面為700 mm×1 100 mm，且懸挑結(jié)構(gòu)同時(shí)存在封邊梁與幕墻梁，致使懸挑結(jié)構(gòu)局部荷載過大，相應(yīng)地對(duì)支模架承載能力要求高。

5）封邊梁為懸挑結(jié)構(gòu)，且是上一層懸挑工字鋼的主要受力支撐點(diǎn)，需充分考慮結(jié)構(gòu)安全受力。

6）項(xiàng)目施工進(jìn)度安排比較緊張，幕墻龍骨施工需要利用外圍護(hù)腳手架，致使外圍護(hù)腳手架需與結(jié)構(gòu)距離450 mm，不利于安全防護(hù)。

3 支模架設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)思路

9層至屋面層懸挑結(jié)構(gòu)標(biāo)高在37.35～78.15 m之間，若采用落地式滿堂支撐架的支撐體系，由于南立面為先收后張的異形曲面結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致不同部位的支撐架立桿會(huì)坐落于1—7層中不同樓層結(jié)構(gòu)的板面上，致使支撐架的整體穩(wěn)定性差，不滿足安全驗(yàn)算要求。若采用懸挑桁架式支撐，則需耗費(fèi)大量型鋼和勞動(dòng)力，從而會(huì)產(chǎn)生大額的施工措施費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)性較差。

本工程從9層至屋面層多層連續(xù)懸挑，9—15層單層懸挑距離約1 m，16、17層最大懸挑距離為2.3 m，屋面層懸挑距離為1 m。針對(duì)此特點(diǎn)，本工程總體施工部署為：9—15層采用斜立桿扣件式鋼管支模架；15層至屋面層采用型鋼懸挑支模架與斜立桿扣件式鋼管支模架組合的支模體系。本文著重介紹16層至屋面層的組合支模設(shè)計(jì)與施工。

3.2 9—15層懸挑結(jié)構(gòu)的支模架設(shè)計(jì)

9—15層單層懸挑距離約1 m，采用如圖2所示的斜立桿扣件式鋼管支模架，結(jié)構(gòu)計(jì)算滿足安全要求，施工簡(jiǎn)便，僅需針對(duì)多層連續(xù)懸挑結(jié)構(gòu)，將外圍護(hù)架體的懸挑工字鋼加長(zhǎng)，并在超過3 m的工字鋼下方設(shè)置斜撐即可。

圖2 梁底斜立桿剖面示意

3.3 16層至屋面層懸挑結(jié)構(gòu)的組合支模設(shè)計(jì)

3.3.1 16層平面組合支模

16層最大懸挑距離為1.5 m，封口梁尺寸為300 mm×800 mm。通過安全計(jì)算，可將懸挑區(qū)分為3個(gè)施工段。對(duì)于懸挑距離小于1 m的混凝土結(jié)構(gòu)采用斜立桿扣件式鋼管支模架即可滿足受力要求；當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)懸的挑距離超過1 m時(shí)，若采用斜立桿扣件式鋼管支模架，由于立桿傾斜角度過大，不能滿足受力計(jì)算，需采用型鋼懸挑支模架形式。

型鋼懸挑主梁采用28a#工字鋼，懸挑長(zhǎng)度2.6～3.1 m，工字鋼縱向間距為1.5 m，懸挑方式為連梁懸挑，連梁采用3根16a#工字鋼，縱向間距為300 mm（視懸挑結(jié)構(gòu)梁下立桿間距而定）；型鋼懸挑主梁下方增設(shè)斜向鋼支撐，鋼斜撐采用22a#工字鋼，支撐件上下固定點(diǎn)水平距離為3 300 mm，垂直距離為4 500 mm；錨固方式采用φ18 mm的U形錨固螺栓。

3.3.2 17屋面層空間立面組合支模

17層結(jié)構(gòu)最大懸挑距離為2.3 m，屋面層結(jié)構(gòu)懸挑距離為1 m。由于屋面懸挑梁的最大截面為700 mm×1 100 mm，且懸挑結(jié)構(gòu)同時(shí)存在封邊梁與幕墻梁，致使懸挑結(jié)構(gòu)局部荷載過大，同時(shí)屋面層支模架的受力點(diǎn)主要為17層的懸挑封邊梁，為保障支模架的安全可靠，故在17層和屋面層采用空間立面組合支模體系。

空間立面組合支模體系主要由3部分組成：第1部分為斜支模體系，斜鋼管底端固定在17層結(jié)構(gòu)板面，頂端與懸挑梁梁底支撐桿通過構(gòu)件固定，斜支模架體沿梁方向間距為900 mm，傾斜角度控制在15°以內(nèi)；第2部分為型鋼懸挑支模體系，懸挑主梁采用28a#工字鋼，位于16層頂板。工字鋼懸挑3～5 m不等，間距為1.5 m，懸挑方式為連梁懸挑，連梁采用16a#工字鋼，縱向間距為1 500、300 mm（視懸挑結(jié)構(gòu)梁下立桿間距而定），連梁上布置承重立桿，作為屋面層懸挑結(jié)構(gòu)主要承重桿件，間距為900 mm。

為了確保工字鋼主梁不因荷載過大發(fā)生撓曲變形，主梁下方適當(dāng)位置需要設(shè)置鋼支撐。支撐方式為下?lián)?，采?2a#工字鋼，支撐工字鋼底端采用封邊梁預(yù)埋焊板，通過焊接方式固定在15層結(jié)構(gòu)上。頂端通過焊接方式與28a#工字鋼主梁固定，焊點(diǎn)位置距懸挑邊2 m且不大于工字鋼主梁懸挑距離的1/3為宜。

懸挑主梁錨固方式采用φ18 mm的U形錨固螺栓。斜支模體系與型鋼懸挑支模體系間隔布置，確保架體整體受力安全可靠；第3部分為型鋼懸挑腳手架外圍護(hù)體系，懸挑腳手架工字鋼布置形式同型鋼懸挑支模體系所述，懸挑腳手架步距為1.8 m，橫距為0.8 m，縱距為1.5 m。懸挑腳手架架體距結(jié)構(gòu)邊400 mm，以保證結(jié)構(gòu)施工及外幕墻龍骨安裝必要操作空間需要。

為增加空間立面組合支模體系整體穩(wěn)定性，需采取必要的防傾覆措施。主要有：

1）28a#工字鋼懸挑主梁末端及中部適當(dāng)位置埋設(shè)φ18 mm的U形壓環(huán)，并通過螺栓與壓板使工字鋼與U形壓環(huán)可靠連接，工字鋼末端壓環(huán)數(shù)量不少于4只，中部壓環(huán)數(shù)量不少于1只，壓環(huán)間距不大于200 mm為宜。

2）懸挑工字鋼主梁在樓層內(nèi)除采用U形壓環(huán)進(jìn)行固定外，還需增設(shè)1道水平桿構(gòu)造，使支撐架非懸挑部分內(nèi)架與懸挑部分架體形成一個(gè)整體，加強(qiáng)架體的整體穩(wěn)定性。具體做法為在工字鋼上口按照內(nèi)排架立桿間距設(shè)置相同道數(shù)的水平掃地桿，掃地桿標(biāo)高與工字鋼上口標(biāo)高相同，即除圓鋼外再用掃地桿將工字鋼固定在樓板上。

4 安全計(jì)算

組合支模架體的計(jì)算分為2個(gè)部分，第1部分為斜鋼管支模架的計(jì)算，第2部分為型鋼懸挑3～5 m的支模架的計(jì)算。

4.1 斜鋼管支模架的計(jì)算

斜鋼管支模架的混凝土梁支撐方式為梁一側(cè)有板，梁底小梁平行梁跨方向。面板驗(yàn)算按簡(jiǎn)支梁計(jì)算，強(qiáng)度、撓度及支座反力均滿足要求。

小梁計(jì)算按二等跨連續(xù)梁計(jì)算，得小梁最大荷載為7.575 kN/m，梁底支撐小梁所受最大支座反力依次為1.885、2.841 kN，小梁和主梁的強(qiáng)度、撓度及支座反力均滿足要求。立桿的長(zhǎng)細(xì)比、穩(wěn)定性，扣件的抗滑移及架體抗傾覆驗(yàn)算均滿足要求。

4.2 型鋼懸挑3～5 m的支模架的計(jì)算

懸挑方式為連梁懸挑，各排立桿傳遞至連梁上集中荷載設(shè)計(jì)最大值為14.3 kN，均布荷載0.246 kN/m，連梁的計(jì)算模型為二等跨連續(xù)梁，連梁的強(qiáng)度驗(yàn)算、抗剪驗(yàn)算、撓度驗(yàn)算和支座反力驗(yàn)算均滿足要求。

各排連梁傳遞至主梁的集中荷載設(shè)計(jì)最大值為34.424 kN，均布荷載0.521 kN/m，主梁的強(qiáng)度驗(yàn)算、抗剪驗(yàn)算、撓度驗(yàn)算和支座反力驗(yàn)算均滿足要求。

下?lián)螚U件采用22a#工字鋼，下?lián)螚U件角度為53.746°，下?lián)螚U件最大軸向力為135.811 kN，長(zhǎng)度為5 580.323 mm，經(jīng)驗(yàn)算軸心受壓穩(wěn)定性結(jié)果滿足要求。

懸挑主梁相關(guān)力學(xué)性能滿足要求。

5 組合支模體系施工

組合支模體系施工工藝流程主要分為6個(gè)部分：預(yù)埋埋件、型鋼組合架預(yù)拼裝、型鋼組合架安裝、型鋼組合架與結(jié)構(gòu)固定、組合模架搭設(shè)、組合模架拆除。

5.1 預(yù)埋埋件

型鋼懸挑支模架與斜立桿扣件式鋼管支模架組合的支模體系施工的關(guān)鍵在于型鋼懸挑主梁平面布置的準(zhǔn)確合理，而型鋼懸挑主梁平面布置的關(guān)鍵在于預(yù)埋U形壓環(huán)和工字鋼斜撐的準(zhǔn)確無誤。因此預(yù)埋U形壓環(huán)和斜撐底部埋板的放線定位工作尤為重要。

首先，需要通過BIM技術(shù)對(duì)整體支模體系進(jìn)行建模，確定懸挑工字鋼主梁及預(yù)埋壓環(huán)、斜撐底部埋板的準(zhǔn)確位置，繪制預(yù)埋壓環(huán)、埋板定位圖紙。

其次，在預(yù)埋層結(jié)構(gòu)層模板施工完成后，利用經(jīng)緯儀在模板上測(cè)放出壓環(huán)、埋板具體位置并完成安裝。值得注意的是埋板與壓環(huán)的埋設(shè)并不在同一結(jié)構(gòu)樓層。

最后，在混凝土澆筑之前對(duì)壓環(huán)、埋板的位置做最后的復(fù)核，確保安裝準(zhǔn)確。

5.2 型鋼組合架預(yù)拼裝

由于型鋼主梁與工字鋼斜撐質(zhì)量較大，高空拼裝操作困難，施工質(zhì)量與安全難以控制，故采用型鋼主梁與工字鋼斜撐地上預(yù)拼裝，整體吊裝的形式完成安裝。

首先在平整場(chǎng)地上放置胎架，按預(yù)先計(jì)算好的工字鋼長(zhǎng)度、角度及焊接位置將斜撐桿件與懸挑工字鋼焊接，并在工字鋼上寫明編號(hào)，同時(shí)焊接3個(gè)吊耳，以便后續(xù)的吊裝和焊接。

5.3 型鋼組合架安裝

工字鋼利用塔吊進(jìn)行垂直運(yùn)輸，本工程塔吊為STT293，最大吊重3.0 t，尖端吊重1.8 t。

5.3.1 工況分析

28a#工字鋼線質(zhì)量為43.4 kg/m，懸挑工字鋼最長(zhǎng)為9 m，質(zhì)量為390.6 kg，22a#工字鋼線質(zhì)量為33 kg/m，工字鋼斜撐最長(zhǎng)為5 m，質(zhì)量為165 kg，拼裝完成后總質(zhì)量為611.7 kg，滿足塔吊吊裝。

5.3.2 型鋼組合架吊裝與安裝

型鋼組合架采用單點(diǎn)吊裝，雙點(diǎn)調(diào)節(jié)的方式進(jìn)行安裝。

首先運(yùn)用鋼結(jié)構(gòu)深化建模軟件Tekla Structures在組合架制作前分析構(gòu)件重心位置，制作吊裝吊耳用以實(shí)現(xiàn)塔吊吊裝。在型鋼主梁與工字鋼斜撐末端制作調(diào)節(jié)吊耳，用以通過倒鏈裝置調(diào)節(jié)構(gòu)件在空中位置，使主梁、工字鋼斜撐分別準(zhǔn)確地就位于預(yù)埋壓環(huán)、預(yù)埋埋板上。吊耳位置如圖3所示。

圖3 型鋼支撐吊耳示意

5.4 型鋼組合架與結(jié)構(gòu)固定

型鋼組合架就位后，懸挑主梁通過螺栓與預(yù)埋U形環(huán)進(jìn)行固定。單只環(huán)螺栓數(shù)量不少于2個(gè)，螺栓擰緊后，絲扣外露部分不少于3扣；工字鋼斜撐底端通過焊接形式與結(jié)構(gòu)預(yù)埋板焊接，焊接采用現(xiàn)場(chǎng)手工焊的形式，焊縫高度為8 mm。型鋼組合架與混凝土結(jié)構(gòu)固定牢固后，在懸挑工字鋼主梁上按測(cè)量定位的控制線焊接連梁，并在連梁上焊接10 cm高的鋼筋，縱向間距為立桿間距900 mm，將鋼管套入鋼筋頭，防止跑位。

5.5 組合模架搭設(shè)

結(jié)構(gòu)懸挑部分腳手架在連梁上搭設(shè)，將架體立桿穩(wěn)固套接在10 cm鋼筋上，必要時(shí)立桿底部可與鋼連梁點(diǎn)焊。非懸挑部分與懸挑部分承重支模架水平桿拉通，以保證腳手架的整體性和穩(wěn)定性，立桿搭設(shè)時(shí)應(yīng)垂直穩(wěn)立，采用斜撐、拋撐頂撐，底部采用橫撐相互連接。

5.6 組合模架拆除

鋼管腳手架的拆除應(yīng)遵循先搭后拆，后搭先拆，先拆非承重部分、后拆承重部分的總體原則。型鋼組合架拆除作業(yè)前需拆除預(yù)埋壓環(huán)、工字鋼橫梁等其他臨時(shí)措施。首先將塔吊掛鉤拴住吊耳1，其次使用倒鏈分別將吊耳2及吊耳3拴住并固定，割除斜撐底部，最后將懸挑整體起吊，完成拆除作業(yè)。

6 結(jié)語

高層的逐層向上外挑混凝土結(jié)構(gòu)的施工，施工難度大，安全要求高。施工中采用工字鋼作為懸挑結(jié)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)，再利用斜立桿扣件式鋼管支模架，二者的結(jié)合使用，確保了案例工程9層至屋面層的懸挑混凝土結(jié)構(gòu)均一次澆筑成形，保證了結(jié)構(gòu)施工安全和外防護(hù)施工安全，保證了施工質(zhì)量。

該支模體系在多層連續(xù)懸挑混凝土結(jié)構(gòu)施工上，較傳統(tǒng)的懸挑混凝土結(jié)構(gòu)支模體系具有經(jīng)濟(jì)節(jié)約、施工便利、安全可靠的優(yōu)勢(shì)，為多層連續(xù)懸挑混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工提供了一種借鑒。