高空超限型鋼混凝土梁本體懸掛平臺支模技術(shù)研究

李文盛 張繼承 何磊 徐光

高空超限型鋼混凝土梁本體懸掛平臺支模技術(shù)研究

李文盛1，*張繼承1何磊2徐光2

（1.長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院土木與工程管理系，荊州 434000； 2.湖北省工業(yè)建筑集團安裝工程有限公司，武漢 430056）

高空大跨鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)澆施工難度較大，其模板支撐腳手架的懸空布設(shè)及荷載傳遞是技術(shù)難點。以造粒塔百米高空澆筑大跨型鋼混凝土梁為研究案例，借助結(jié)構(gòu)層中尚未澆筑混凝土的型鋼梁自身較高承載能力，采取懸掛施工平臺支模及分層澆筑技術(shù)，解決高空現(xiàn)澆作業(yè)的施工難題。其安全、經(jīng)濟、易操作、高質(zhì)量等優(yōu)勢在實際施工中得到驗證。

高空現(xiàn)澆施工， 型鋼混凝土梁， 懸掛施工平臺， 混凝土分層澆筑

0 引 言

造粒塔是生產(chǎn)化肥尿素的工業(yè)構(gòu)筑物，生產(chǎn)工藝要求在塔內(nèi)頂部百米高空現(xiàn)澆多層鋼筋混凝土樓板作為設(shè)備層，其施工難點在于模板支撐腳手架工程（下文簡稱支撐架）的搭設(shè)。由于首層離地高度過大（凈高95.0 m），采用落地滿堂架不現(xiàn)實，支撐架的高空布設(shè)成為唯一選擇。傳統(tǒng)高空布設(shè)支撐架的施工方法主要有：①另行搭設(shè)鋼結(jié)構(gòu)桁架梁作為施工層［1］，該方法造價高、高空吊裝拆除困難；②利用整體滑膜剛性平臺作為施工層［1］，該方法工藝復(fù)雜、滑膜設(shè)備租賃周期長、費用高；③張拉鋼絲繩繃床做施工平臺，該方法豎向變形大，施工質(zhì)量難以控制；④采用吊模施工［2］，該方法缺少下層施工作業(yè)平臺，高空作業(yè)風險大、吊點多、施工困難。結(jié)合現(xiàn)場工況，經(jīng)過優(yōu)化和計算，提出借用尚未澆筑的型鋼混凝土梁中的勁性骨架作為受力構(gòu)件，采取“高空超限型鋼混凝土梁本體懸掛平臺支模技術(shù)”，并在實際工程中成功實施。

1 工程概況

湖北中化東方肥料有限公司造粒塔（20萬噸/年）項目，位于湖北省荊州市江陵縣工業(yè)園，其主體工程由方塔（梯井塔）和圓塔（造粒塔）組成，建筑平面、剖面示意見圖1、圖2。其中圓塔為筒體剪力墻結(jié)構(gòu)，總高120.2 m，內(nèi)徑18 m，剪力墻厚250 mm，混凝土等級C35；圓塔內(nèi)標高95.000m以下無樓層，從標高95.000 m開始連續(xù)澆筑6層跨度18 m，寬度6 m的設(shè)備層。由結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙可知（圖3），標高95.000m的首層設(shè)備層（噴淋層）為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其主梁為500 mm×1500 mm型鋼混凝土梁（內(nèi)含型鋼勁性骨架HN1200×300，下文簡稱勁性型鋼）。依據(jù)建辦質(zhì)〔2018〕31號文《危險性較大的分部分項工程安全管理規(guī)定》判定，其混凝土模板支撐工程屬于超過一定規(guī)模的危大工程（搭設(shè)高度8 m及以上，或搭設(shè)跨度18 m及以上，集中線荷載20 kN/m及以上），其支撐架的懸空布設(shè)與荷載傳遞成為施工難點。

圖1　噴淋層建筑平面

圖2　造粒塔建筑剖面

圖3　噴淋層結(jié)構(gòu)平面

2 工法原理

為解決噴淋層結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆施工的支模難題，借助懸索橋原理衍生的“高空超限型鋼混凝土梁本體懸掛平臺支模技術(shù)”，巧妙利用勁性型鋼自身較高的承載力和剛度，通過鋼絲繩吊掛形成模板腳手架的受力平臺兼做施工平臺（標高91.000 m、跨度18 m、寬度9 m），在施工平臺上搭設(shè)支架承托噴淋層的結(jié)構(gòu)模板，施工過程的全部荷載通過鋼絲繩反向傳遞給型鋼梁本體承擔。

3 工法步驟

3.1　施工平臺的施工

（1） 吊裝施工平臺的4根主梁（HW294×200@3000），并利用2根頂端固定在塔壁的斜拉鋼絲繩（D14）輔助施工定位及臨時受力（圖4）。

（2） 在施工平臺主梁上面橫向焊接次梁（槽鋼16a@800），垂直次梁滿鋪50 mm厚木墊板，至此在標高91.000 m形成吊橋式施工平臺（圖5）。

圖4　施工平臺

圖5　施工平臺仰視現(xiàn)場圖

3.2　勁性型鋼的吊裝與拼接施工

結(jié)合吊裝能力和施工可行性，在標高94.420 m分3段吊裝勁性型鋼（HN1200×300@6000，見圖6。

圖6　型鋼梁施工示意圖

勁性型鋼兩個邊段的梁端插入塔壁預(yù)留孔內(nèi)并與預(yù)埋鋼板點焊就位，并采用1根頂端固定在塔壁的斜拉鋼絲繩（D14）輔助定位及臨時受力，見圖7。

圖7　型鋼梁分段吊裝

借助91.000 m施工平臺和移動支架完成勁性型鋼的邊段與中段的空中拼接（焊接+高強螺栓連接），確保分段梁連成整體等強的勁性骨架，見圖8。

圖8　型鋼梁拼接

3.3　吊橋式施工平臺的懸掛施工

在勁性型鋼上面橫向鋪設(shè)5根上橫擔梁（HM400×300@3000），每根上橫擔梁懸掛4根鋼絲繩對應(yīng)吊住4根施工平臺主梁（圖9、圖10）。懸掛施工平臺的鋼絲繩吊點共計20個，其中需穿過現(xiàn)澆樓面的10根鋼絲繩采取預(yù)埋PVC套管方式進行保護。

圖9　施工平臺縱向剖面

圖10　施工平臺橫向剖面

3.4　支撐架的搭設(shè)與混凝土的澆筑

（1）在施工平臺上搭設(shè)首層支撐架體系（扣件式鋼管滿堂支架），進行噴淋層（標高94.950 m）的混凝土澆筑。

（2） 待混凝土強度達標后，繼續(xù)搭設(shè)第二層支撐架（第一層支撐架仍需保留），為澆筑第二層（標高99.450 m）做準備（見圖11、圖12，圖11中標高為結(jié)構(gòu)標高，比建筑標高低50 mm）。

圖11　支撐架布設(shè)立面圖

圖12　支撐架布設(shè)現(xiàn)場

（3） 其余樓層施工方法類似，均采用其下層已經(jīng)形成強度的樓層作為本現(xiàn)澆層支撐架的持力層。

4 安全性驗算的幾個關(guān)鍵問題

4.1　型鋼混凝土梁本體懸掛平臺的荷載傳力途徑

荷載傳力途徑如下：現(xiàn)澆層自重—模板支撐架—施工平臺—鋼絲繩—上橫擔梁—勁性型鋼—塔壁剪力墻。

4.2　荷載統(tǒng)計及支撐架安全等級[3]

施工平臺承受的荷載主要包括永久荷載和可變荷載，其中永久荷載包括：①吊橋式施工平臺系統(tǒng)的自重；②模板支架體系自重；③噴淋層新澆混凝土自重和鋼筋自重?？勺兒奢d包括：①施工荷載（按2.0 kN/m2取值）；②施工人員及施工設(shè)備產(chǎn)生的荷載（按1.5 kN/m2取值）；③塔內(nèi)施工，風荷載不考慮。支撐架結(jié)構(gòu)安全等級Ⅰ級，重要性系數(shù)0=1.1。

4.3　鋼絲繩的安全系數(shù)

鋼絲繩負責將吊橋式施工平臺的全部荷載傳遞給上橫擔梁（圖11），是本工程的生命線。綜合國家及行業(yè)現(xiàn)行相關(guān)的技術(shù)規(guī)范和標準［4-6］要求，本工程鋼絲繩材料選用纖維芯鋼絲繩（6×37S+FC），安全系數(shù)設(shè)定為不小于6，安全驗算采用最大施工荷載工況，鋼絲繩具體選用規(guī)格及受力見圖6。

4.4　型鋼混凝土梁的分層澆筑

經(jīng)計算，若噴淋層樓板的混凝土采用一次澆筑成型，則會引發(fā)勁性型鋼的側(cè)向失穩(wěn)破壞［7］，其強度、剛度未得到充分發(fā)揮，也無法滿足施工期間懸掛施工平臺的需求。分析原因主要有三點：①一次澆筑混凝土荷載過大；②勁性型鋼的縱向跨度大、截面高寬比大；③現(xiàn)澆混凝土樓面在形成強度之前無法為勁性型鋼提供側(cè)向約束。因此，針對性提出型鋼混凝土梁的分層澆筑及增設(shè)側(cè)向支撐方案。

型鋼混凝土梁的截面為500 mm×1 500 mm，現(xiàn)場施工時采取分層澆筑方案，先澆筑700 mm高型鋼混凝土梁及全部次梁樓板（見圖13陰影部分），間隔5天后再澆筑剩余800 mm高的型鋼混凝土梁（見圖13虛線部分）。在混凝土分層澆筑施工縫處，埋設(shè)水平鋼筋網(wǎng)片及豎向插筋，在第一次澆筑完成且終凝前將混凝土結(jié)合面鑿毛刷漿，確保兩次澆筑的有效黏結(jié)。分層澆筑相當于荷載的分次施加，有效降低懸掛施工平臺的勁性型鋼的階段受力和變形。

圖13　型鋼混凝土梁分層澆筑及階段承載力

4.5　勁性型鋼的側(cè)向支撐及穩(wěn)定性

在上橫擔梁之間增設(shè)斜支撐并與勁性型鋼的上翼緣焊接組成平面桁架（圖14、圖15），形成勁性型鋼的側(cè)向支撐，大大提高勁性型鋼的穩(wěn)定性（經(jīng)計算穩(wěn)定系數(shù)由0.25提高到0.71），確保第一次澆筑700 mm高混凝土?xí)r型鋼梁自身穩(wěn)定性需要。經(jīng)過5天養(yǎng)護（混凝土早期強度大于70%），先期澆筑700 mm高混凝土的大梁及樓板對勁性型鋼的中性軸以下部分產(chǎn)生包裹約束作用（經(jīng)計算穩(wěn)定系數(shù)由0.71提高到1.0），進一步滿足第二次澆筑800 mm高混凝土的受荷需求。

圖14　橫擔梁與斜支撐組成平面桁架

圖15　型鋼梁上翼緣桁架施工現(xiàn)場

4.6　支撐架體系的設(shè)計與構(gòu)造

采用吊橋式施工平臺作為支撐架的施工作業(yè)層，支架高度僅為4 m左右，采用φ48×3.0鋼管扣件結(jié)合模板木方的普通支撐架體系［8］即可滿足安全要求。立桿采用梁板共用體系，立桿間距在梁下加密與板下成倍數(shù)關(guān)系確保水平桿拉通，大梁側(cè)模對拉螺栓與腹板對焊，立桿頂部自由長度、剪刀撐等構(gòu)造滿足規(guī)范要求；平臺兩側(cè)與塔壁之間拉設(shè)雙層安全兜網(wǎng)，既防止高空墜物又限制吊橋式平臺的側(cè)向移位。

5 施工過程監(jiān)測與成品質(zhì)量

在施工過程中，對吊橋式施工平臺、鋼絲繩、勁性型鋼等重要受力構(gòu)件進行跟蹤監(jiān)測表明：

（1） 吊橋式施工平臺無明顯豎向震顫和側(cè)向晃動；

（2）鋼絲繩有繃緊現(xiàn)象，無明顯拉伸變形；

（3） 澆筑混凝土?xí)r，勁性型鋼無側(cè)向變形，無側(cè)向失穩(wěn)和局部失穩(wěn)現(xiàn)象；

（4） 型鋼混凝土梁的跨中最終累計撓度為20 mm（相當于撓跨比1/900，遠小于鋼骨混凝土梁撓度限值1/400［9］），混凝土表面光滑順直、無受力裂縫。

結(jié)果證明施工過程安全可靠，成品質(zhì)量很高（圖16—圖18）。

圖16　造粒塔內(nèi)部噴淋層仰視圖

圖17　噴淋層俯視圖?

圖18　造粒塔外觀

6 結(jié) 語

造粒塔設(shè)備層的現(xiàn)澆施工屬于“超高、超跨、超重”的危大工程，懸空支模施工難度高、安全風險大，采用“高空超限型鋼混凝土梁本體懸掛平臺支模技術(shù)”成功破解這一施工難題。項目竣工后，扣除正常施工項，僅對搭設(shè)和拆除懸掛施工平臺及支撐架進行專項統(tǒng)計：耗時15天、施工費16.8萬元。該工法充分利用尚未澆筑混凝土的勁性型鋼自身較高承載能力，降低了支撐體系高空搭設(shè)的作業(yè)難度，節(jié)約了人工和材料，縮短了工期，提高了安全性能，成品質(zhì)量高，收到了良好的經(jīng)濟效益和社會效益，具有較好的推廣價值。

［1］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 51138—2015 尿素造粒塔工程施工及質(zhì)量驗收規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2016.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China. GB 51138—2015 Code for construction and quality acceptance of urea prilling tower engineering ［S］.Beijing：China Planning Press，2016.（in Chinese）

［2］肖必建.高空鋼混凝土結(jié)構(gòu)連廊吊模施工技術(shù)及應(yīng)用［J］.建筑施工，2014，36（6）：725-726.

Xiao Bijian.Construction technology and application of suspended formwork to overhead steel-concrete structure corridor ［J］.Building Construction，2014，36（6）：725-726.（in Chinese）

［3］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 51210—2016 建筑施工腳手架安全技術(shù)統(tǒng)一標準［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China.GB 51210—2016 Unified standard for safety of scaffold in construction ［S］.Beijing：China Architecture and Building Press， 2016.（in Chinese）

［4］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 8918—2006 重要用途鋼絲繩［S］.北京：中國標準出版社，2006.

General Administration of Quality Supervision， Inspection and Quarantine of the People's Republic of China.GB 8918—2006 Steel wire ropes for important purposes［S］.Beijing：Standards Press of China，2006.（in Chinese）

［5］中華人民共和國交通運輸部.JTG/T D65-05—2015 公路懸索橋設(shè)計規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2015.

Ministry of Transport of the People's Republic of China.JTG/T D65-05—2015 Specifications for design of highway suspension bridge［S］.Beijing：China communication press，2015.（in Chinese）

［6］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ 276—2012 建筑施工起重吊裝安全技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China.JGJ276—2012 Safety and technical specification for the rigging and lifting work［S］.Beijing： China Architecture and Building Press， 2012.（in Chinese）

［7］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50017—2017 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2017.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China.GB 50017—2017 Standard for design of steel structures［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2017.（in Chinese）

［8］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ 130—2011 建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China.JGJ 130—2011 Technical code for safety of steel tubular scaffold with couplers in construction［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2011.（in Chinese）

［9］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ 138—2016 組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China.JGJ 138—2016 Code for design of composite structures［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2016.（in Chinese）

Research on Forming Technology of Self-Suspension Platform of High-Place Over-Limit SRC Beams

LIWensheng1，*ZHANGJicheng1HELei2XUGuang2

（1.School of Urban Construction， Yangtze University， Jingzhou 434000， China； 2.Hubei Industrial Building Group Installation Engineering Co.，Ltd.， Wuhan 430056， China）

Cast-in-situ construction of high-place long-span reinforced concrete structure is difficult，among which the suspension layout and load transfer of formwork support scaffolds are technical difficulties. Taking a long-span steel-reinforced concrete beam cast at a height of 100 meters of prilling tower as a case study， the construction problem of cast-in-high-place operation is solved by adopting the technologies of suspension construction platform formwork and layered casting with the help of the high bearing capacity of steel beams in the structural layer which have not yet been poured concrete. Its advantages of safety， economy， easy operation and high quality are verified in actual construction.

cast-in-high-place construction， steel-reinforced concrete beam， suspension construction platform， layered pouring of concrete

2021-03-12

國家自然科學(xué)基金資助項目（51778065）

聯(lián)系作者：中文作者簡介:李文盛（1968-），男，碩士研究生，碩士生導(dǎo)師，副教授，主要從事教學(xué)、工程設(shè)計和施工技術(shù)研究工作。E-mail：124765068@qq.com