落地與懸挑組合式支模體系在高位逐層外懸挑結構施工中的應用*

秦長金,伍 剛,劉飛凡,李佳俊,吳慧林,賈磊柱,李增明

(1. 華南理工大學土木與交通學院,廣東 廣州 510630;2. 中建三局集團有限公司工程總承包公司,湖北 武漢 430070)

1 工程概況

光谷人民醫院項目位于湖北省武漢市東湖高新區,項目總建筑面積約為244 175m2,由4棟12層塔樓及2棟4層裙樓構成,采用框架-剪力墻結構,4棟塔樓呈X形布置,裙樓布置在塔樓間,如圖1所示。該工程外側結構形態復雜,以東側B棟塔樓為例,如圖2所示。從下向上看,塔樓5～6層邊柱缺失,形成C字形懸空空間,6層處形成了長度達7.43m懸挑結構;以6層結構為基準,第7層結構相對于第6層向外懸挑750mm,第8層相對于第7層向外懸挑750mm,以此類推,向上逐層向外懸挑,直至屋面層,最大懸挑長度達5.25m,形成高位逐層外懸挑混凝土結構。同時,在第6,8層結構梁及第6～8層邊柱加設預應力,以保持結構穩定。從結構設計角度實現了獨特倒三角形的外觀造型效果。

圖1 建筑效果Fig.1 Effect of the building

盡管該結構在美觀性和結構穩定性方面表現出色,但其施工過程存在如下難點。

1)6～8層梁板預應力及吊柱預應力采用后張法,張拉前結構無法承擔自重及相關施工荷載,導致支模架承擔荷載極大,傳統懸挑支模體系無法滿足受力要求。

2 方案比選

2.1 方案簡述

1)方案1：落地與懸挑組合式支模體系 該方案采用落地式盤扣支模架支撐6～7層,采用60系列盤扣,確保有足夠承載力;8層及以上采用工字鋼懸挑支撐體系,兩層一懸挑,共懸挑3次,采用I22a及I16搭設懸挑平臺,在平臺上搭設鋼管扣件式滿堂支模架,如圖3所示。

圖3 方案1架體搭設剖面Fig.3 Formwork erection profile of scheme 1

2)方案2：鋼平臺懸挑與工字鋼懸挑組合式支模體系 該方案在3～5層采用I16,I22a,I28a搭設桁架式鋼平臺作為模板支架基礎,鋼平臺上搭設盤扣式滿堂支模架,施工6～9層主體結構;10層及以上主體結構施工則采用方案1中同種工字鋼懸挑支撐體系,兩層一懸挑,共懸挑2次。平臺布置如圖4所示。

圖4 方案2鋼平臺布置剖面Fig.4 Steel platform layout profile of scheme 2

2.2 安全性分析

方案1采用工藝較為成熟的懸挑工字鋼及落地式高支模支撐體系,安全性較高;方案2采用非常規空中鋼桁架平臺,荷載大、高度高、懸挑跨度大,與結構連接復雜,具有一定安全風險。

2.3 經濟性分析

兩種方案在9層及以上搭設方式一致,因此主要比選方案1落地式盤扣支模架+8～9層懸挑式扣件支模架和方案2鋼平臺懸挑盤扣支模架兩部分的綜合費用,如表1,2所示。

表1 方案1綜合費用Table 1 Comprehensive cost of scheme 1

表2 方案2綜合費用Table 2 Comprehensive cost of scheme 2

2.4 可實施性分析

方案1在搭設方面技術成熟,搭設速度快,對工期影響較小;在拆除方面拆除步驟較多,架體體量大,拆除工期較長。方案2在搭設方面安裝難度較大,需要協調專業分包進場施工,工序穿插管理較復雜;在拆除方面架體體量較小,與其他樓層室內作業相對獨立,對現場施工影響較小。綜合對比后,最終選擇方案1進行現場實施。

3 支模體系設計與驗算

3.1 支模體系設計

1)針對6～8層懸挑結構,搭設高度約為31.5m的超高落地式支模架,架體平面尺寸24m×10m,采用60系列盤扣搭設,立桿間距1 200mm×1 200mm,步距1 500mm,梁底調整立桿間距為1 200mm×600mm,該支模架能支撐6～8層結構荷載,如圖5所示。

圖5 超高落地式盤扣支模架剖面Fig.5 Profile of ultra-high landing disk lock formwork

2)在7,9,11層分別設置工字鋼懸挑支模架基礎,懸挑主梁采用I22a,間距1m布置1道,每道工字鋼懸挑主梁設置下撐及上拉鋼絲繩,下撐采用I16,通過焊接連接。每道懸挑工字鋼支撐2層懸挑結構荷載,采用鋼管扣件搭設滿堂支模架,立桿間距1 000mm×1 000mm,步距1 500mm,如圖6所示。

圖6 工字鋼懸挑鋼管扣件支模架剖面Fig.6 Profile of I-steel cantilevered steel pipe fastener formwork

3.2 荷載安全驗算

1)工況1 落地式支撐體系搭設完成,6,7層梁板結構澆筑完成,架體承擔6,7層結構荷載及7層施工荷載。

2)工況2 7層懸挑鋼結構搭設完成,8,9層梁板結構澆筑完成,落地式架體承擔6,7層結構荷載及7層懸挑工字鋼和6層下撐工字鋼傳遞至架體的集中荷載。

3)工況3 9層懸挑鋼結構搭設完成,10,11層梁板結構澆筑完成,落地式架體承擔6,7層結構荷載及9層懸挑工字鋼和8層下撐工字鋼傳遞至架體的集中荷載。

4)工況4 11層懸挑鋼結構搭設完成,12層屋面層梁板結構澆筑完成,落地式架體承擔6,7層結構荷載及11層懸挑工字鋼和10層下撐工字鋼傳遞到架體的集中荷載。

各項參數及計算結果如表3所示。

表3 各工況計算參數及荷載值Table 3 Calculation parameters and load values for each condition

對比各工況立桿荷載值可知,落地式架體中工況2,4架體處于最危險狀態?？紤]在工況4時,工字鋼向下傳遞的荷載部分會被結構自身承載力分攤,所以工況2施工完成時應為最危險狀況,梁底立桿承受軸向力設計值為93.857kN。

根據規范JGJ/T 231—2021《建筑施工承插型盤扣式鋼管腳手架安全技術標準》,60.3盤扣架回轉半徑為20.2mm。

立桿計算長度應按式(1)計算：

l0=βHηh

(1)

式中：l0為支架立桿計算長度(m);βH支撐架搭設高度調整系數,依據規范取值1.05;η為立桿計算長度修正系數,h= 1.5m時取值1.05;h為立桿步距。

長細比按式(2)計算：

(2)

式中：λ為長細比;l為支架立桿計算長度;i為回轉半徑,依據規范取值20.2mm。

立桿穩定性按式(3)計算：

(3)

式中：N為立桿軸向力總和(kN);Mw為立桿由風荷載標準值產生的彎矩(kN·m);φ為整體穩定系數;A為立桿截面面積,為571mm2;W為截面模量;f為鋼材抗拉強度設計值。

根據規范GB 50017—2017《鋼結構設計標準》,查詢b類截面,可得φ=0.558,屈服應力fd=Nd/(φA) =(32 446+29 357+32 054)/(0.558×571)=294N/mm2<300N/mm2。

計算未考慮結構自身承受荷載,且每層計算立桿設計值時均疊加計算了施工荷載等活荷載,該體系安全系數較高。

4 支模體系施工

4.1 基礎處理

1)保留地下室支模架。

2)針對樓梯、井道、后澆帶等特殊部位,需提前考慮處理措施。例如,后澆帶兩側設置混凝土構造柱或成品鋼管柱回頂。

4.2 下部落地式架體搭設

1)搭設前先進行立桿位置放線,搭設第1步后邀請監理單位現場驗收,再進行下一步搭設。

2)由于落地式架體搭設高度超過24m,必須在架體內部滿拉斜拉桿,以增強架體穩定性。由于盤扣盤眼數量有限,為達到滿拉斜撐的效果,斜拉桿必須按指定的搭設方式逐層搭設,如圖7所示。

圖7 落地式架體斜撐布置Fig.7 Layout of landing formwork inclined support

3)剪刀撐應按每3～4步一道的搭設方式進行。當架體位于較高位置時,應在操作層下方滿鋪鋼跳板,提高工人作業安全性,并減少墜物風險。

4.3 上部懸挑式架體搭設

1)為保證埋件不偏位,采用螺栓將埋件固定在模板上,確保位置固定,工字鋼下撐與工字鋼主梁水平投影應重合,以達到最佳受力狀態。

2)工字鋼下撐吊運焊接時,首先加強下層架體和斜撐對應部位架體的兩側橫桿,然后拆除影響工字鋼吊裝位置的架體橫桿。焊接時,專業操作人員借用下層架體最外側2排立桿充當作業面,如圖8所示。

圖8 斜撐工字鋼穿立桿情況Fig.8 The situation of inclined support I-beam passing through the vertical pole

3)懸挑架體搭設時,為保證架體具有防護性能,優先使外架單位搭設懸挑工字鋼及最外側2排架體,并進行外立面及底部硬質封閉,為后續作業人員創造安全密閉的作業空間。

4.4 支模架體拆除

支撐架拆除應遵循以下拆模流程：①拆除12層模板架;②拆除11層模板架及工字鋼斜拉繩;③使用乙炔切割工具切開斜撐與工字鋼焊接及斜撐與埋板焊接,并將斜撐工字鋼移至樓層內;④將I22a吊離;⑤拆除10,9層模板架;⑥將I16斜撐吊離;⑦重復以上操作,逐層拆除支撐架;⑧最后拆除落地式盤扣支模架。

合理安排拆除順序可提高施工拆除的安全性和高效性。在拆除過程中,應注意工人安全,采取必要防護措施,并按相關規范和標準進行操作。

5 結語

通過充分利用鋼管、盤扣支模架及較小尺寸工字鋼等材料,有效降低了懸挑結構施工復雜性,節約了施工時間和成本。同時,該體系為懸挑結構施工提供了更高的安全性和穩定性,確保工程可靠性。

1)通過對2個常規方案進行安全性、經濟性和可實施性對比,采用超高落地式盤扣支模架和鋼結構懸挑支模架的組合方案,實現復雜結構高效、安全和經濟實施。

2)借助計算軟件及相關規范,針對落地與懸挑模板支撐體系進行各工況計算和分析,確認了該支撐體系實施的可行性和安全性。

3)在方案實施過程中,發現了復雜結構支撐體系施工時的細部控制要點,并針對這些要點提出了相應處理措施,如斜撐處理、懸挑架處理及硬質封閉處理等。