可周轉(zhuǎn)裝配式懸挑工字鋼模板支撐架體施工技術(shù)*

金 博,章立昌,許越鑫,王 唯,吳 昊,李萬平,彭海松

(中建三局集團(tuán)有限公司工程總承包公司,湖北 武漢 430064)

0 引言

由于我國尚處于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展階段,大量消耗資源、影響環(huán)境的建筑業(yè),應(yīng)全面實(shí)施綠色施工,承擔(dān)起可持續(xù)發(fā)展的社會責(zé)任。目前建筑屋面、機(jī)房層經(jīng)常設(shè)計(jì)有懸挑花架、懸挑梁板等懸挑結(jié)構(gòu),常規(guī)施工方案為懸挑出工字梁(須在樓層梁板上預(yù)先埋設(shè)U形鋼筋卡環(huán),端部斜拉鋼絲繩作為保險(xiǎn)繩),在工字鋼上搭設(shè)鋼管支撐架體施工。該施工技術(shù)存在以下主要缺陷:①工字鋼設(shè)置所造成的外墻洞口修補(bǔ)麻煩且不利于二次結(jié)構(gòu)施工;②埋于結(jié)構(gòu)混凝土的預(yù)埋U形環(huán)不能周轉(zhuǎn),只有上部螺母和壓板可周轉(zhuǎn)使用,后期裝修階段需割除U形環(huán)和鋼筋拉環(huán),不符合綠色施工理念;③預(yù)埋U形環(huán)需增加措施鋼筋并焊接固定,在澆筑混凝土過程中易偏位和傾斜,增加混凝土澆筑難度;④傳統(tǒng)挑梁在結(jié)構(gòu)陽角、樓梯間等洞口區(qū)域需加長錨固;⑤懸挑架搭拆工作量大,拆除過程中工字鋼抽取安全風(fēng)險(xiǎn)極大。

為解決上述問題,創(chuàng)新采用中建三局工程技術(shù)研究院基于外架搭設(shè)研發(fā)出的可周轉(zhuǎn)裝配式懸挑工字鋼梁作為懸挑結(jié)構(gòu)模板架體的支撐鋼梁。其通過可周轉(zhuǎn)取出的預(yù)埋螺栓與鋼梁連接,實(shí)現(xiàn)免留洞、免切割,準(zhǔn)確定位,便于工序穿插,減少安全風(fēng)險(xiǎn)的目的,并且可周轉(zhuǎn)次數(shù)(理論可周轉(zhuǎn)次數(shù)200次)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)懸挑工字梁,具有巨大經(jīng)濟(jì)效益。

1 工程概況

武漢大學(xué)人民醫(yī)院洪山院區(qū)建設(shè)項(xiàng)目總承包(EPC)工程為新建一所三甲綜合醫(yī)院,總建筑面積276 882.81m2,其中地上建筑面積153 202.81m2,地下建筑面積123 680m2。項(xiàng)目包含門診醫(yī)技樓4層,綜合住院樓11層,醫(yī)療中心住院樓13層,國際轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中心17層,學(xué)術(shù)交流與大數(shù)據(jù)中心3層,住培中心5層,食堂2層,醫(yī)療垃圾暫存間1層。

本工程懸挑屋架結(jié)構(gòu)主要分布在綜合住院樓和醫(yī)療中心住院樓屋架層,高度及梁板尺寸如表1所示,綜合住院樓懸挑梁板區(qū)域如圖1所示。

表1 懸挑屋架結(jié)構(gòu)工況

圖1 綜合住院樓懸挑梁板區(qū)域

2 架體設(shè)計(jì)思路

懸挑屋架結(jié)構(gòu)由于距離地面過高(>50m),若采用落地架高支模搭設(shè):①安全風(fēng)險(xiǎn)大,架體高度過高,容易造成立桿偏移產(chǎn)生重力二階效應(yīng),導(dǎo)致架體失穩(wěn)坍塌;②影響外立面施工且不經(jīng)濟(jì)。若采用傳統(tǒng)懸挑工字鋼作為架體支撐鋼梁,其使用和周轉(zhuǎn)均不方便。

在綜合分析對比后,采用可周轉(zhuǎn)裝配式懸挑工字鋼梁作為支撐鋼梁,增設(shè)斜拉桿成穩(wěn)定三角受力體系,在工字鋼上部搭設(shè)滿堂架,安裝和周轉(zhuǎn)操作安全、簡便,符合醫(yī)院建筑綠色施工要求。以綜合住院樓為例,屋架主要懸挑結(jié)構(gòu)懸挑1 700mm,采用2.5m長I18可周轉(zhuǎn)裝配式懸挑工字鋼,沿邊梁間隔1.2m布置,上拉桿采用φ20鋼筋拉桿(與上層梁φ20鋼筋吊環(huán)連接),在工字鋼上搭設(shè)支撐架體及外掛安全網(wǎng),支撐架體與主體結(jié)構(gòu)設(shè)置鋼管抱柱拉結(jié)及鋼管頂撐拉結(jié),防止傾覆,如圖2,3所示。

圖2 懸挑屋架支撐架體搭設(shè)剖面

圖3 懸挑屋架支撐架體搭設(shè)示意

3 可周轉(zhuǎn)懸挑工字鋼技術(shù)原理及特點(diǎn)

可周轉(zhuǎn)裝配式懸挑工字鋼根據(jù)承載位置需求分布在混凝土結(jié)構(gòu)上,主要包括可取出預(yù)埋件和外部連接件,如圖4所示。

圖4 附著件示意

1)可取出預(yù)埋件 可取出預(yù)埋件預(yù)埋在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部,由定位部件和可取出螺旋式螺桿組合而成,其中螺桿也可單獨(dú)作為預(yù)埋件使用。

2)外部連接件 外部連接件與可取出預(yù)埋件通過螺栓連接,固定在混凝土結(jié)構(gòu)外側(cè),為直接支承設(shè)備、設(shè)施的承載構(gòu)件。主要形式有鋼支承架、鋼牛腿等。外部荷載(主要為豎向力、彎矩)傳遞至鋼牛腿,鋼牛腿通過連接螺栓將豎向力傳遞至螺桿,螺桿通過桿壁與混凝土擠壓將豎向力傳遞至墻體。鋼牛腿通過上部螺桿受拉、下部面板與混凝土結(jié)構(gòu)表面擠壓,將彎矩及水平力傳遞給螺桿及墻體,螺桿通過周圍混凝土抗剪將拉力傳遞至墻體。最終所有荷載均傳遞至混凝土結(jié)構(gòu),如圖5所示。

圖5 受力原理

附著件使用完成后,外部連接件、可取出預(yù)埋件均拆卸周轉(zhuǎn),循環(huán)使用。相較于傳統(tǒng)埋件與牛腿組成的附著件,應(yīng)用可周轉(zhuǎn)預(yù)埋件懸挑工字鋼承力體系優(yōu)勢為:①安裝速度快,裝配式安裝,無需焊接,安全可靠;②用鋼量小,所有構(gòu)件均可周轉(zhuǎn);③結(jié)構(gòu)不留洞,無滲漏風(fēng)險(xiǎn);④綠色施工,零耗材、零污染等。

4 設(shè)計(jì)計(jì)算及測試

1)計(jì)算內(nèi)容 懸挑梁板結(jié)構(gòu)自重及施工荷載等作用力通過模板支撐架體傳遞至懸挑鋼梁,并且部分荷載由斜拉桿承受,需進(jìn)行鋼梁強(qiáng)度、抗剪、撓度驗(yàn)算,上拉桿強(qiáng)度驗(yàn)算,與拉桿相連的花籃螺栓驗(yàn)算及吊耳板驗(yàn)算,與鋼梁相連的預(yù)埋螺桿部件驗(yàn)算,模板支撐架體驗(yàn)算,驗(yàn)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。懸挑工字鋼主要受力如圖6所示。

圖6 懸挑工字鋼主要受力示意

2)有限元分析計(jì)算 為驗(yàn)證新型懸挑架體系整體受力性能,采用MIDAS Gen 2018進(jìn)行整體建模有限元分析。桿件均采用梁單元,傳統(tǒng)懸挑型鋼與墻體連接采用只壓節(jié)點(diǎn)彈性支撐,新型懸挑型鋼與墻體連接固接。施工荷載和混凝土梁荷載按樓面荷載作用于支撐架體上。計(jì)算結(jié)果選用不同工況最不利包絡(luò)?？芍苻D(zhuǎn)懸挑支撐架計(jì)算結(jié)果如圖7所示,最大應(yīng)力129.34MPa<215MPa,受力滿足要求;對各桿件進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算,桿件最大應(yīng)力比為0.6,安全儲備較高,滿足穩(wěn)定性要求;最大變形2.33mm,發(fā)生在支撐架頂部,變形較小,滿足要求。綜上所述,新型懸挑支撐架體受力滿足要求。

圖7 新型懸挑支撐架計(jì)算模型

3)承載力試驗(yàn)測試 在試驗(yàn)中,新型可周轉(zhuǎn)懸挑工字鋼在有斜拉桿作用下能承受60kN設(shè)計(jì)靜荷載,且有安全余量。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在加載至60kN時,鋼筋混凝土墻體不會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性開裂,同時預(yù)埋螺桿周邊鋼筋受力較小,也不會受到損傷。

5 施工技術(shù)

5.1 工藝流程

可周轉(zhuǎn)裝配式懸挑工字鋼模板支撐架體安裝工藝流程為:預(yù)埋件組裝與包裹→定位放線→鋼筋綁扎→預(yù)埋件安裝→模板加固→混凝土澆筑→拆模、養(yǎng)護(hù)→螺母拆除及預(yù)埋質(zhì)量檢測→連接件安裝(懸挑梁就位)→架體搭設(shè)→模板鋪設(shè)、鋼筋綁扎。懸挑工字鋼現(xiàn)場安裝如圖8所示。

圖8 懸挑工字鋼現(xiàn)場安裝

5.2 操作要點(diǎn)

1)預(yù)埋件組裝與包裹 首先將定位板和4根預(yù)埋螺桿利用鎖緊螺母鎖緊;將黃油均勻涂抹于螺桿表面,并用保鮮膜或熱縮膜纏裹保護(hù)。

2)預(yù)埋埋件 待外框架梁鋼筋綁扎完成后,梁側(cè)模板封模前,進(jìn)行埋件預(yù)埋:定位放線→螺桿定位板組裝→定位板就位→定位板定位復(fù)核→定位板與鋼筋點(diǎn)焊固定→梁側(cè)模板封模。

3)組合工字鋼挑梁安裝 待混凝土澆筑后達(dá)到可上人強(qiáng)度時,拆除外框架梁側(cè)模板,清除螺母表層混凝土,使每個定位板螺母均能露出混凝土表面。

4)預(yù)埋件安裝 ①測量定位:通過定位板中心水平坐標(biāo)和豎向坐標(biāo)定位每個埋件(螺桿定位板組裝件)準(zhǔn)確預(yù)埋位置;②預(yù)埋安裝:將預(yù)埋件安裝至預(yù)定位置,通過增加限位筋將預(yù)埋件卡住固定好,限位筋與鋼筋點(diǎn)焊固定,再利用扎絲將埋件捆綁固定。

5)螺母拆除及預(yù)埋質(zhì)量檢測 ①表面清理:待混凝土澆筑后達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時,進(jìn)行外框架梁側(cè)模板拆除,清除螺母表層混凝土,使每個定位板鎖緊螺母均能露出混凝土表面;②螺母拆除:采用專用電動扳手拆除鎖緊螺母。③預(yù)埋質(zhì)量檢測:拆模后對預(yù)埋件混凝土密實(shí)度、澆筑質(zhì)量、預(yù)埋件外觀質(zhì)量和尺寸偏差進(jìn)行檢測,如表2所示。

表2 預(yù)埋件安裝允許偏差

6)連接件安裝(懸挑梁就位) ①懸挑梁吊裝就位:每根組合工字鋼挑梁重約32kg,由2名安裝工人進(jìn)行安裝,其中1人站在下層外架上抬組合工字鋼使背板螺口對準(zhǔn)預(yù)埋螺桿,再由1名工人負(fù)責(zé)連接螺栓安裝,安裝過程中采用水平尺對工字鋼平整度進(jìn)行校正;②連接螺栓安裝:懸挑梁吊裝就位后,通過連接螺栓將連接件固定在預(yù)埋件上(連接螺栓預(yù)緊力矩要求達(dá)50～60N·m),并對連接件底部抄平(誤差控制在±2mm以內(nèi))。連接螺栓作為工字鋼與預(yù)埋件連接主要部件,應(yīng)保證傳力可靠,安裝時必須配套防松墊片一起使用。安裝時,應(yīng)控制擰緊力矩(控制在60N·m以內(nèi)),避免因預(yù)緊力造成對初期混凝土的破壞。每根可周轉(zhuǎn)裝配式懸挑工字鋼搭配2根上拉桿,上拉桿可作為直接受力桿件計(jì)算,采用φ20 Q235B鋼筋。上拉桿一端通過螺栓固定在工字鋼端頭,另一端固定在上層結(jié)構(gòu)梁或樓板上預(yù)埋拉環(huán)上。固定上拉桿的預(yù)埋螺桿拉環(huán)埋設(shè)位置與固定工字鋼的預(yù)埋螺桿在同一垂直面上,露出混凝土面的預(yù)埋螺桿應(yīng)盡量沿鋼拉桿方向,以利于上拉桿受力可靠。陽角工字鋼采用2根φ20鋼拉桿上拉,確保工字鋼安全穩(wěn)定。

7)支撐架體搭設(shè) 懸挑模板支撐架體采用扣件式鋼管架搭設(shè),模板厚度15mm,木方尺寸50mm×100mm。懸挑工字鋼主要間距為1 200mm,局部由于空間限制,間距按≤1 200mm原則調(diào)整(如綜合住院樓局部為550mm及900mm等間距),模板支撐架體立桿橫向間距隨工字鋼布置,立桿縱向間距主要為 450, 900,1 010mm等,步距主要為1 500mm,部分為830mm及1 200mm等。做好架體防傾覆措施,架體與結(jié)構(gòu)采用3種連接方式:鋼管抱柱拉結(jié)、預(yù)埋短鋼管拉結(jié)、鋼管頂撐拉結(jié),連接桿應(yīng)呈水平設(shè)置,嚴(yán)禁外高內(nèi)低上斜連接。搭設(shè)流程為:鋪設(shè)墊板→擺放掃地桿→逐根豎起立桿、隨即與掃地桿扣緊→安裝掃地橫向水平桿并與立桿或掃地桿扣緊→安裝第1步縱向水平桿(與各立桿扣緊)→安裝第1步橫向水平桿→安裝第2步縱向水平桿→安裝第2步橫向水平桿→安裝第3步縱向水平桿和橫向水平桿→安裝連接桿→接長立桿→加設(shè)剪刀撐→鋪設(shè)腳手板→在作業(yè)面搭設(shè)攔腰桿和踢腳板→掛安全網(wǎng)。

8)支撐架體拆除 架體拆除按先上后下,先外后里,從一端走向另一端的順序進(jìn)行。通長水平桿和剪刀撐等必須在腳手架拆卸到相關(guān)位置時方可拆除。對于可周轉(zhuǎn)懸挑工字鋼采用吊籃+塔式起重機(jī)輔助拆除,構(gòu)件拆除順序?yàn)?安全網(wǎng)→擋腳板(或側(cè)擋板)→腳手板→扶手(欄桿)→剪刀撐(隨每步腳手架拆除)→大橫桿→小橫桿→立柱→連接桿→斜拉桿及防傾覆桿件→懸挑工字鋼?？芍苻D(zhuǎn)懸挑工字鋼拆除流程為:松開固定連接螺栓→拆除連接件→拆除定位板及預(yù)埋螺桿。

5.3 安全措施

1)可周轉(zhuǎn)懸挑工字鋼安裝、使用、拆除應(yīng)在專業(yè)技術(shù)人員指導(dǎo)下進(jìn)行,配置固定專業(yè)班組,組織建立具有針對性的管理小組。

2)可周轉(zhuǎn)懸挑工字鋼安裝前應(yīng)檢查墻體預(yù)埋件附近混凝土施工質(zhì)量,如有缺陷,應(yīng)采取措施修補(bǔ)。

3)可周轉(zhuǎn)懸挑工字鋼附近應(yīng)有明顯安全標(biāo)志,防止碰撞、拉掛等損害。

4)可周轉(zhuǎn)懸挑工字鋼拆除時應(yīng)有保險(xiǎn)繩等防墜措施,所在墻體不得立面、空間同時進(jìn)行施工作業(yè),并做好兜底措施,防止小混凝土碎塊、小器具等散落。

5.4 注意事項(xiàng)

1)可取出預(yù)埋件組裝時應(yīng)注意:①預(yù)埋螺桿與定位板組裝時應(yīng)連接牢靠,不應(yīng)有縫隙,以免混凝土漿流入縫隙中,影響鎖緊螺母拆除;②黃油應(yīng)涂抹均勻,厚度應(yīng)適中,一般為螺桿表面均勻覆蓋一層油膜為宜;③包裹時,保鮮膜或熱縮膜宜為3～5層,尤其應(yīng)注意螺紋部位,包裹后應(yīng)保持原有螺紋深度和輪廓。

2)埋件預(yù)埋定位時應(yīng)注意:①鋼筋綁扎時提前定位放線,鋼筋應(yīng)避開預(yù)埋螺桿位置?？扇〕鲱A(yù)埋件安裝到位,采用定位鋼筋將預(yù)埋件卡住固定,保證定位板豎直、水平。②預(yù)埋件安裝質(zhì)量檢查:預(yù)埋件質(zhì)量檢測主要包括加工質(zhì)量檢測和拆模后的質(zhì)量檢測,加工質(zhì)量檢測主要檢查其產(chǎn)品合格證、材質(zhì)證明及檢測報(bào)告等;拆模后的質(zhì)量檢測包括對埋件部位的混凝土檢測和埋件位置檢測。

6 結(jié)語

本文首次將可周轉(zhuǎn)懸挑工字鋼體系應(yīng)用在模板支撐架體施工中,實(shí)現(xiàn)了所有構(gòu)件均可周轉(zhuǎn)使用,符合綠色施工理念,有效解決了穿墻工字鋼影響室內(nèi)裝修等工序穿插的難題,降低外墻漏水隱患,從而達(dá)到整體工程工期縮短的效果,且工序上的減少使該體系更經(jīng)濟(jì)有效,為類似工程提供參考。