超高層住宅建筑懸挑避難層施工工藝研究

趙亞峰 唐中輝 劉傳雄 陳 杭 彭 帥

1 研究背景與工程案例

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人口數(shù)量的增長，部分城市已經(jīng)出現(xiàn)了用地緊張問題，而建設(shè)超高層建筑是解決上述問題的有效措施。在大、中型城市，超高層建筑不僅是社會生產(chǎn)需要和人類生活需求的產(chǎn)物，也是城市快速發(fā)展的象征?！睹裼媒ㄖO(shè)計統(tǒng)一標準》（GB 50352―2019）和《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB 50016—2014）中規(guī)定，建筑高度超過100 m 的民用建筑為超高層建筑，需要設(shè)置避難層[1]。常規(guī)的鋁模+爬架施工工藝僅適用于超高層建筑的主體施工，避難層施工時需要采用其他施工方法。

福建省莆田市城廂區(qū)龍德井片區(qū)危舊房改造項目位于莆田市鳳凰山街道，北至文獻西路，南至南門西路，東臨下磨溪，西靠龍脊山公園和莆田市第一中心醫(yī)院。其中，安置地塊總建筑面積為310119.515 m2，用地面積為52874.690 m2，包括10 棟住宅兼底商、6 棟配電房、1 棟幼兒園和1 個兩層地下停車場以及設(shè)備用房。3 號樓、5 號樓、8 號樓和9 號樓為超高層住宅，每棟樓的16 層、32 層均設(shè)置懸挑避難層，避難層層高為3.1 m。

2 施工重難點

首先，超高層建筑的16 層以及32 層為外凸避難層，使用普通工藝難以施工，需要采用懸挑支撐架，因此對懸挑結(jié)構(gòu)的力學分析至關(guān)重要。其次，工字鋼懸挑鋼梁架分別設(shè)在15 層和31 層，且懸挑結(jié)構(gòu)需在爬架爬升后才能施工，涉及到交叉作業(yè)，需要加強控制爬架與懸挑結(jié)構(gòu)作業(yè)的協(xié)調(diào)性和安全性。最后，避難層懸挑結(jié)構(gòu)復(fù)雜、螺栓連接較多，外部懸挑施工作業(yè)安全風險高，且工藝控制點較多，對管理人員和作業(yè)人員的水平要求較高[2]。

3 方案設(shè)計和力學分析

3.1 方案設(shè)計

項目工程體量大、工期緊張，避難層的樓梯間和陽臺為外凸懸挑結(jié)構(gòu)，且模板支撐體系為梁板分離體系。為解決避難層的施工難點，合理進行工序銜接，經(jīng)過多種方案對比，確定采用承插型盤扣式懸挑支模架體系+雙排扣件式鋼管腳手架進行施工。腳手架方案對比如表1 所示。

表1 腳手架方案對比

3.2 力學分析

強度驗算，在作業(yè)過程中，懸挑平臺主要承受材料自重、人群荷載和風荷載等其他不利荷載[3]。通過對前期荷載數(shù)據(jù)、梁板各項參數(shù)的收集以及懸挑結(jié)構(gòu)錨固點的布設(shè)，得到表2和表3。

表2 梁板參數(shù)表

表3 荷載參數(shù)表

抗彎強度公式：

式中：σmax為最大正應(yīng)力；Mmax為最大彎矩；Wx為主梁截面抵抗矩。

抗剪強度公式：

式中：τmax為最大剪應(yīng)力；V為剪力；S為計算剪應(yīng)力點以上（或以下）截面對x軸的面積矩；Ix為截面慣性矩；b為截面寬度。

根據(jù)荷載標準值和設(shè)計值計算公式，計算主梁上方荷載，帶入式（1）和式（2）進行抗彎和抗剪驗算，繪制彎矩圖和剪力圖分別如圖1 和圖2 所示，經(jīng)過驗算均滿足規(guī)范要求。

圖1 彎矩圖（來源：作者自繪）

圖2 剪力圖（來源：作者自繪）

下?lián)螚U件及懸挑主梁穩(wěn)定性的驗算，下?lián)螚U件采用20a 工字鋼，計算出桿件角度后，依次計算其軸向拉力和桿件長細比。通過查詢《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》（GB 50017―2017）中的軸心受壓穩(wěn)定計算參數(shù)，檢驗下?lián)螚U件的穩(wěn)定性，并通過壓彎構(gòu)件強度計算主梁穩(wěn)定性。經(jīng)過計算，下?lián)螚U件及懸挑主梁的穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求[4]。

4 懸挑結(jié)構(gòu)支撐體系搭設(shè)工藝研究

4.1 固定工字鋼

懸挑式支模架搭設(shè)時應(yīng)做到整體剛度好，焊接焊縫符合要求，主挑梁表面平整，受荷安全，操作空間安全，不變形、不搖晃，懸挑式支模架搭設(shè)流程如圖3 所示。

圖3 懸挑式支模架搭設(shè)流程圖（來源：作者自繪）

在每根工字鋼穿墻處及斜撐支撐點位置預(yù)埋300 mm×300 mm 的木盒，木盒底標高與樓板面標高齊平。在板內(nèi)預(yù)埋3 處固定工字鋼的U 形卡環(huán)，每處2 個Φ20 mm 的圓鋼卡環(huán)，用于平衡工字鋼挑出產(chǎn)生的力矩?？ōh(huán)鋼筋預(yù)埋在混凝土板底部，每側(cè)平直段長度不小于0.6 m。工字鋼穿過卡環(huán)定位好后，用木楔將其固定在卡環(huán)內(nèi)，以防止工字鋼移動[5]。

4.2 設(shè)置下?lián)螚U

懸挑段設(shè)置1 根20a 工字鋼下?lián)螚U，支撐點處用鋼板和螺栓與樓板固定，鋼板為400 mm×300 mm×10 mm，螺栓為8.8 級Φ30 mm，長度50 cm。在15 層和31 層樓面澆筑前預(yù)埋豎向螺栓，預(yù)埋深度為35 cm，外露長度為15 cm，在水平方向預(yù)埋Φ35 mm套管，后期使用螺栓穿墻與鋼板連接固定。斜撐工字鋼兩端根據(jù)支撐角度用氧氣切割成斜面，一端與主梁工字鋼及預(yù)埋板焊接連接，焊縫高度不小于10 mm，焊縫質(zhì)量不應(yīng)低于二級，另一端與樓面預(yù)埋螺栓安裝連接。

4.3 設(shè)置鋼絲繩

鋼絲繩用Φ18 mm 的6×19a 鋼芯鋼絲繩，抗拉強度1550 N/mm2，間距與懸挑主梁保持一致。15 層和31 層剪力墻頂部施工時，在對應(yīng)處預(yù)埋Φ20 mm 圓鋼拉環(huán)用于鋼絲繩錨固，待混凝土達到設(shè)計強度后，用鋼絲繩吊掛住懸挑主梁工字鋼的主節(jié)點。

為確保卸荷效果，鋼絲繩與垂直方向立桿的夾角應(yīng)盡可能小，但不應(yīng)小于45°，且與懸挑工字鋼應(yīng)保持在同一個垂直面上。懸挑段設(shè)1 根鋼絲繩上拉，支撐件距主梁外錨固點的水平距離應(yīng)為2800 mm，上下固定點的垂直距離應(yīng)為3100 mm，上下固定點水平距離應(yīng)為2700 mm。在立桿處的工字鋼上焊接2 根150 mm 的Φ25 mm短鋼筋頭，用于固定立桿。在外側(cè)立桿底部焊接高度為100 mm 的短鋼筋頭，用于鋼絲繩定位。

4.4 設(shè)置連墻件

連墻件的設(shè)置全部采用鋼管拉結(jié)，在15 層和31 層底部的懸挑梁、封檐梁處每隔兩步預(yù)埋鋼管連墻件，連墻件應(yīng)均勻布置，每個拉結(jié)間距不得超過兩步三跨。

4.5 搭設(shè)支模架

在懸挑工字鋼上平放16a 工字鋼作為次梁，主次梁工字鋼應(yīng)滿焊固定，兩端伸出不小于100 mm，防止滑動。次梁安裝好后，按照立桿的布置，在工字鋼上焊接Φ25 mm、長200 mm 的固定鋼筋，鋼筋焊接好后搭設(shè)立桿。其中，樓層面立桿縱橫間距不得大于1200 mm，掃地桿離樓面高200 mm，水平桿步距不得大于1500 mm。模架下方設(shè)置下掛平臺，采用模板進行全封閉，既作為斜撐工字鋼的操作平臺，又能起到安全防護作用[6]。立桿采用直角扣件與支撐架的掃地桿相連接，并加設(shè)防滑扣。下掛平臺的步距1.5 m，縱距為1.2 m，橫距為0.6 m。

4.6 設(shè)置防護架

懸挑層底部需要采用50 mm×50 mm×3 mm 的方鋼和18 mm 厚的模板做全封閉，方鋼間距為300 mm，用鐵絲將方鋼與工字鋼綁扎牢固。外側(cè)防護架體搭設(shè)流程如下：預(yù)埋件設(shè)置―安裝懸挑主梁―懸挑主梁上下支撐桿件設(shè)置―立桿定位點設(shè)置―縱向掃地桿―立桿―橫向掃地桿―橫向水平桿―縱向水平桿（腰桿）―剪刀撐―連墻件―鋪腳手板―扎安全網(wǎng)。

4.7 監(jiān)控和驗收

為了有效避免避難層施工發(fā)生重大安全事故，在架體搭設(shè)和鋼筋安裝、混凝土澆搗前、施工過程中和混凝土終凝前后，監(jiān)測人員必須隨時進行監(jiān)控，重點內(nèi)容為：第1，各桿件位置、連接點是否正常工作，斜撐以及剪刀撐設(shè)置是否合理性，是否滿足施工規(guī)范要求。第2，桿件下方底座是否穩(wěn)固，是否存在懸空。第3，整體懸臂支撐體系是否出現(xiàn)沉降，沉降范圍是否在可控范圍內(nèi)。第4，安全防護措施是否到位，是否存在松動情況。第5，各受力桿件是否存在變形的情況。

在安裝完成后，需根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB 50204―2015）和《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 130—2011）的標準驗收支撐架體，合格后方可投入使用。

5 結(jié)語

本文以莆田市超高層建筑避難層施工為例，從方案設(shè)計、力學分析和施工流程及要點3 個方面分析了懸挑式支撐架的施工工藝，應(yīng)用效果良好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全系數(shù)高，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟和社會效益，具有較高的推廣價值。下一步將繼續(xù)借助具體項目，開展裝配式懸臂支撐架在超高層住宅建筑中的應(yīng)用研究，探索超高層建筑避難層更加高效快捷、安全可靠的施工工藝，以創(chuàng)造更大的社會價值和經(jīng)濟價值。