鋼結構鋼筋混凝土懸挑板施工技術

印冬雷（上海建工一建集團有限公司，上海 200120）

0 引 言

鋼結構構件具有制造安裝機械化程度高、低碳、節能、綠色環保、可重復利用等諸多優點，在我國建筑領域的應用越來越廣泛[1-2]。部分建筑結構，如商業辦公樓，一般由鋼柱、鋼梁、鋼斜撐、鋼隅撐等組成基本框架，樓板仍需鋪設鋼筋并進行混凝土澆筑施工，而鋼筋混凝土澆筑施工時常用到的腳手架-模板體系需要經歷架體搭設、架體驗收、混凝土澆筑、混凝土養護、架體拆除等多種工序，且在本樓層鋼筋混凝土達到相應強度后方可進行更高樓層混凝土澆筑施工。另外，對于搭設高度超過50 m的落地腳手架和搭設高度超過20 m的懸挑腳手架均需進行專家論證。因此，在采用腳手架-模板體系進行鋼筋混凝土懸挑板板澆筑施工時，施工工序較繁雜且施工周期較長。本文以上海市浦東新區張江集電港B區3-2信息技術產業平臺項目（以下簡稱“項目”）中，上部鋼結構樓板鋼筋混凝土懸挑板施工過程為案例，概述一種“一體化”施工技術方案，即通過在鋼結構封邊梁上加焊鋼支撐和鍍鋅鋼板底膜、邊摸替代鋼筋混凝土澆筑施工常用的腳手架-模板體系。技術方案實施后，加快了后續工程的施工進度，縮短了工期，對類似工程具有一定的借鑒意義。

1 項目概況

1.1 項目簡介

項目位于上海市浦東新區祖沖之路與張東路交界處，北臨祖沖之路，西靠張東路，東側為集創路，南側為集電路（在建）。項目規劃建設用地面積38 056.2 m2，容積率4.0，總建筑面積約為245 965 m2，其中地上建筑面積約為153 215.2 m2，地下建筑面積約為92 749.8 m2。項目地上共5棟單體（A1～A5），5棟單體共用一個大地下室，地下層數為3層。

1.2 上部結構概況

A1棟上部結構為鋼框架現澆混凝土核心筒結構；A2～A5棟上部結構均為鋼框架結構。上部結構中封邊鋼梁內側樓板均為壓型鋼板和鋼筋混凝土組合樓板，封邊鋼梁外側為鋼筋混凝土懸挑板，懸挑長度為1.15 m，鋼筋混凝土懸挑板厚度為0.25 m，混凝土標號為C30。A1～A5棟第10層鋼筋混凝土懸挑板均為鋸齒形，其他樓層的鋼筋混凝土懸挑板均為矩形。5棟單體上部結構外圍護為斜插式單元板塊幕墻，幕墻板塊通過預埋件安裝于鋼筋混凝土懸挑板上。

A5單體中，相對于第8層及以下樓層板邊緣，第9層樓板邊緣向內收縮，收縮距離介于0.7～14.0 m之間。第10層及以上樓層板則整體向西側偏移，偏移距離達到7.5 m，形成了懸挑結構，如圖1所示。第10層樓板西側懸挑部分壓型鋼板距地下室頂板垂直距離達到45 m，若采用腳手架-模板體系進行鋼筋混凝土懸挑板建筑施工，則需要搭設45 m的滿堂落地腳手架，施工難度大，安全風險高，且A1～A5棟第10層懸挑板邊緣為鋸齒形，距封邊鋼梁外側最大距離僅為0.805 m，難以作為腳手架的支撐結構面。因此，A5單體第10層樓板西側和A1～A5單體第11層樓鋼筋混凝土懸挑板施工難度較大。

圖1 A5樓三維模型圖

2 鋼支撐設計

2.1 鋼支撐設計思路

A1～A5棟上部鋼結構封邊梁為H型鋼梁。設想在封邊梁吊裝之前，首先在H型鋼梁腹板焊接若干道加勁肋，然后將事先焊接好的楔形鋼支撐焊接于加勁肋上，使楔形鋼支撐與H型鋼封邊梁組成一個整體受力結構，如圖2所示。最后整體吊裝于鋼結構中。

圖2 整體受力結構示意圖

2.2 鋼支撐整體設計

在H型鋼梁上焊接加勁肋，加勁肋厚度為10 mm。采用100 mm×7 mm型號的角鋼焊接成楔形鋼支撐，焊接于加勁肋上，加勁肋底部加焊7 mm厚、150 mm高的連接板，以保證斜向的100 mm×7 mm角鋼與連接板平整接觸。每2 m布置1道楔形鋼支撐和加勁肋。相鄰2道楔形鋼支撐之間布置2道橫檁，橫檁型號為50 mm×5 mm角鋼，橫檁凈距設為0.825 m。楔形鋼支撐和橫檁組成基本承載結構后，需在其上預留外圍護防護安裝構件。最后在上述基本承載結構上鋪設2 mm的U型鍍鋅鋼板作為混凝土澆筑時的底模和邊模。鍍鋅鋼板與上述基本承載結構的連接方式為點焊，其余焊接方式為三面圍焊。相關參數如圖3、圖4所示。

圖3 鋼支撐剖面圖

圖4 鋼支撐平面圖

2.3 傳力分析

最不利工況為懸挑板混凝土澆筑完成至初凝期間，此時混凝土呈現一定的流動性，尚不具備承載自身重力所需的基本強度，混凝土自重視為均布荷載作用于鋼支撐上，由鋼支撐通過加勁肋傳遞至封邊鋼梁。封邊鋼梁處于拉、壓、彎、剪、扭的復雜受力狀態。

2.4 有限元受力分析

鋼筋混凝土懸挑板初凝期間，除需要考慮鋼支撐架體的應力狀態與變形情況外，仍需考慮H型封邊鋼梁的應力狀態與變形情況。H型封邊鋼梁的最大跨度為11.7 m，最小截面尺寸為H700 mm×200 mm×10 mm×16 mm。以下運用有限元理論，采用有限元軟件Abaqus[3-6]進行進一步分析。

鋼支撐和封邊梁均采用Q355B材質的鋼材。鋼材彈性模量介于200～210 GPa，考慮最不利情況，取最小值200 GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3，屈服強度為355 MPa。鋼筋混凝土懸挑板混凝土標號為C30，其密度約為2 360 kg/m3，重力加速度為9.8 N/kg，取值10 N/kg。

承載結構主要受自身重力荷載和懸挑板混凝土的重力荷載作用，鋼筋與封邊梁內測樓板鋼筋通過綁扎搭接，在懸挑板側處于懸空狀態，與鋼支撐并不接觸，無作用力。封邊次梁的跨度為11.7 m，2 m布設1道角鋼，11.7 m長度內布設了6道，第1道角鋼和第6道角鋼距離為10 m。模型中，6道角鋼上混凝土拌合物的總長度亦為10 m，故取10 m長混凝土拌合物的重量作為角鋼所受荷載。

懸挑樓板混凝土類別為C30，其密度約為2 360 kg/m3。適當考慮施工荷載，將懸挑板混凝土的密度增大至2 600 kg/m3。荷載視為作用于100 mm×7 mm水平角鋼上的均布靜力荷載。懸挑部分樓板的質量為10 m×0.25 m×1.15 m×2 600 kg/m3＝7 475 kg。重力加速度取10 N/kg，因此，樓板總重為74.75 kN。

角鋼支撐共有6道，因此每道角鋼支撐所受樓板荷載為74.75 kN/6＝12.46 kN。角鋼支撐中，100 mm×100 mm×7 mm角鋼表面與樓板荷載直接接觸，其長度為1.30 m，寬度為0.10 m，其面積為0.13 m2。因此，每道100 mm×100 mm×7 mm角鋼表面所受面荷載為12.46 kN/0.13 m2＝95.85 kPa。

建模時，考慮懸挑主梁和部分次梁的影響，封邊梁、主梁、次梁之間連接方式為高強螺栓剛性連接，與設計院溝通后可視同焊接連接。懸挑主梁自由端為梁柱節點，其6個自由度均處于約束狀態，模型如圖5所示。單元類型為C3D8R一階線性實體單元。

圖5 有限元模型圖

計算結果如圖6、圖7所示。

圖6 米塞斯應力云圖（單位：MPa）

圖7 位移云圖（單位：m）

混凝土澆筑后，鋼支撐橫檁上出現了較大的位移，鋼支撐與加勁肋連接處出現了較大的應力，而懸挑主梁、次梁、封邊梁所受應力和位移均很小。角鋼支撐最大位移值為1.82 mm，最大應力值184.5 MPa，遠小于Q355B鋼材的屈服強度，處于彈性受力狀態?？梢酝茢?，當懸挑板混凝土強度滿足要求，拆除鋼支撐后，原結構的承載性能不受不利影響。

3 鋼支撐方案實施

3.1 鋼支撐焊接安裝步驟

鋼支撐焊接安裝步驟為：加勁肋焊接→100 mm×7 mm水平角鋼橫撐焊接→100 mm×7 mm角鋼斜撐焊接→50 mm×5 mm角鋼橫撐焊接→2 mm厚鍍鋅鋼板模板焊接。鋼支撐焊接完畢后，加焊若干道豎向50 mm×5 mm角鋼以便于外圍護防護安裝。焊接完畢，焊工應清理焊縫表面的熔渣及兩側的飛濺物，初步檢查焊縫外觀質量。

3.2 鋼支撐焊接安裝質量控制措施

（1）焊接前質量控制：①設計圖紙完整，并仔細了解設計意圖及其細節，發現問題及時與設計人員溝通并取得共識；②嚴格把關鋼材、焊材質量，除審核合格證（質保書）外，還應檢查其材料標記外形尺寸，外觀質量等，并按規定要求做好抽樣復驗以及報驗等工作；③做好焊工培訓與考試工作，使焊工均持證上崗操作；④按規定要求做好焊接工藝評定工作，經評定合格后按此編制指導性的焊接工藝技術文件以及作業指導書等[7-8]；⑤抓好焊接接頭的坡口加工、組對，針對高強度鋼、大厚板還需做好工藝評定，以便確定合適的預熱要求等；另在開焊前做好全員的技術交底工作。

（2）焊接中質量控制：①按規定要求進行焊機的調整；②檢查焊工資格證書；③按要求進行焊前預熱，重點檢查預熱溫度、加熱范圍，做好溫度監控、測量記錄等；④監督與檢查焊工是否嚴格按工藝文件要求進行焊接施工，打底焊時監控好底層焊道的寬度與厚度；⑤監控好道間溫度，上限應小于230 ℃，下限應高于預熱溫度；⑥檢查焊道間的清理，應清除焊渣與飛濺物等；⑦蓋面焊縫時應注意控制好余高以及焊縫表面平滑過渡至母材，如為角焊縫則應注意二焊角差以及焊肉有效厚度等控制；⑧焊接操作應執行多層多道焊，嚴禁寬擺動焊；⑨監控好焊后的保溫緩冷與后熱消氫熱處理，并做好施工記錄等。

（3）焊接后質量控制：焊接完成的焊縫在 24 h后或規定的時間內進行焊縫外觀質量檢查和無損檢測。

（4）焊接變形控制：由于焊接熱輸入引起材料的局部不均勻加熱，使焊縫區熔化，而與熔池毗鄰的高溫區材料熱膨脹又受到周圍材料的限制，產生不均勻的壓縮塑性變形；在冷卻過程中，已經發生壓縮塑性變形的這部分材料（如長焊縫的兩側），又受到周圍條件的制約無法自由收縮，在不同程度上被拉伸；與此同時，熔池凝固，金屬冷卻收縮時也產生相應的收縮拉應力與變形，產生不協調反應，從而導致了焊接應力與變形[9-12]。對于厚板焊接，尤其要注意焊接變形的控制，減小焊接殘余應力的產生。

4 結 語

針對項目中，上部鋼結構部分樓層鋼筋混凝土懸挑板施工遇到的困難，并未采用常用的腳手架-模板體系進行混凝土澆筑施工，而是采用角鋼組成的新的鋼支撐體系技術。結合有限元理論受力分析，采取鋼支撐作為混凝土澆筑施工作業面，并成功地進行了實踐，較大程度地縮短了混凝土澆筑施工周期，加快了幕墻等后續施工過程的進度。