高空外挑大直徑鋼筋混凝土斜圓柱施工技術

王偉清,鄭凌遠,鄭熙淳,焦 健,李江添,莫天芳

(1.中建四局第六建設有限公司,安徽 合肥 230000; 2.中建四局水利能源發展有限公司,廣東 廣州 510000; 3.中國建筑第四工程局有限公司,廣東 廣州 510000)

0 引言

隨著現代城市化的不斷發展,建筑造型也日趨多元化、復雜化,越來越多特色鮮明、主題突出的建筑涌現。為實現建筑新穎特異的外觀并滿足其使用功能的需要,建筑結構設計也隨之變得新穎。為能更好地展現高層建筑獨特的立面效果,其結構設計中廣泛應用鋼筋混凝土圓柱、斜柱等,其中不乏采用傾斜外挑柱、大直徑圓柱等。當前,針對高度低、常規直徑、向內傾斜的圓形混凝土柱施工的研究較多,其施工工況相對簡單,相關施工方法可參考傳統常規混凝土柱,施工技術較成熟。針對高空、外挑傾斜、大直徑、圓形鋼筋混凝土柱,施工存在一定難度,該領域也鮮有研究,值得進一步深入探討。

本文以深圳某未來科技城項目為案例,分析該項目高空外挑大直徑鋼筋混凝土斜圓柱施工難點,設計模板支撐體系,研究施工工藝方法,并通過實際應用驗證該模板支撐體系和施工方法的可行性。研究并總結高空外挑大直徑鋼筋混凝土斜圓柱施工關鍵技術,為同類工程施工提供參考。

1 工程概況

深圳某未來科技城項目位于寶安區大鏟灣,占地面積12.6萬m2,總建筑面積83.4萬m2。項目含6棟18～24層高層塔樓,塔樓高度79.85～132.35m,為框架-核心筒結構。塔樓呈下小上大形狀,為實現建筑外觀效果,結構平面尺寸自下而上逐層外擴,外框設計有大量斜圓柱,斜圓柱自地下1M層起步,最高至12層,隨后轉為直柱,共883根斜柱。斜圓柱分布于結構外邊緣,直徑為900～2 100mm, 傾斜角度為1.8°～13.7°,最大水平總位移8 231mm,最大單層位移865mm,柱邊緣距離結構邊緣354～5 117mm。 各樓棟斜圓柱分布如表1所示。

表1 斜圓柱分布統計Table 1 Statistics of inclined-circular column distribution

以1號塔樓為例,斜圓柱平面分布如圖1所示,單層共16根斜圓柱,圖中無填充輪廓為柱起始位置,有填充輪廓為柱終點位置。

圖1 1號塔樓斜圓柱分布平面Fig.1 Inclined-circular column distribution plan of No.1 tower building

高空臨邊斜圓柱無法采用搭設多排傾斜鋼管架將荷載傳遞至樓板面的傳統斜柱支模方式,需創新設計一套安全可靠的模板支撐體系。

斜圓柱數量多、直徑變化多、傾斜角度不一,模板支撐體系需具備較好的通用性。高空外挑大直徑鋼筋混凝土斜圓柱的平面定位、傾斜角度、撓度及圓度控制是重點,需采取相關質量控制關鍵技術措施。

2 斜圓柱模板支撐體系設計

2.1 模板支撐體系設計需求分析

2.1.1基本設計需求

為滿足工程施工需要,模板支撐體系必須有足夠的強度、剛度和穩定性,以便承受新澆筑混凝土自重、側壓力和施工荷載及風荷載,達到模板體系不破壞、不變形、不傾斜和不搖晃,保證各構件形狀、尺寸和位置符合設計要求;設計方案還應考慮施工搭拆方便及確保施工安全。

2.1.2重點功能需求分析

1)高空臨邊斜圓柱支撐體系設計 斜圓柱分布于結構外邊緣,柱高>4.5m,圓柱向外傾斜,傾斜側距離結構邊緣354～5 117mm,多數距離<1 200mm, 導致現場無充足的空間及支撐點,無法采用搭設多排鋼管斜撐柱身的傳統斜柱支模方式。模板支撐體系設計時需選擇合理的受力裝置,解決支撐受力點問題,同時該受力裝置盡量適用于不同傾斜角度的斜柱。

2)柱身撓度及圓度控制 混凝土未終凝前,不同于直圓柱模板只承受均衡的側壓力,斜圓柱傾斜一側模板還承受了混凝土自重在傾斜方向的分力,使柱身發生彎曲撓度變形;此外,模板內側壓力不均衡,傾斜一側大,與之相反一側則小,使圓形模板徑向內力無法抵消,導致圓度偏差。模板支撐體系設計時需考慮圓形模板軸向與徑向剛度,解決柱身下撓變形與圓度偏差問題。

3)斜圓柱加固轉換 斜圓柱表面為圓弧狀,為使圓柱模板受力均勻傳遞至支撐體系,需在模板支撐體系設計時考慮圓形模板受力合理轉換并傳遞至支撐裝置,同時該轉換裝置盡可能適用于不同直徑圓柱。

2.2 模板支撐體系設計

常用的圓柱模板包括鋼模、鋁模、木模、塑料模等,針對斜圓柱梁柱節點部位層層變化、柱截面變化、傾斜角度差異的特點,圓形木模相較其他材質模板在操作便利性、經濟性、適應性具有顯著優勢,故采用定型化圓形木模板,配套鋼帶抱箍,形成斜圓柱模板支撐體系的基礎。

2.2.1可調斜撐、斜拉受力裝置

根據柱腳到結構邊緣是否有可用于搭設支撐的充足距離為劃分原則,以1 500mm為距離臨界值,滿足該距離則采用可調斜撐受力裝置,否則采用可調斜拉受力裝置。

可調斜撐受力裝置由2根不同長度的可通過旋轉調節長度的撐桿組成,頂部與加固轉換裝置連接,底部與底座埋件連接(見圖2)?？烧{斜拉受力裝置由2根不同長度的可通過旋轉調節長度的拉桿組成,頂部與加固轉換裝置連接,底部與底座埋件連接(見圖3)。撐桿(拉桿)與斜柱模板、已澆筑的樓板面形成穩定的三角形受力裝置。

圖2 可調斜撐受力裝置立面Fig.2 Elevation of adjustable inclined supporting device

圖3 可調斜拉受力裝置立面Fig.3 Elevation of adjustable inclined pulling force device

為提高裝置重復使用率,撐桿及拉桿的設計與鋁模斜撐桿類似,可通用于鋁模加固體系。撐桿(拉桿)螺紋旋轉設計使其長度具有一定的可調范圍,旋轉螺紋桿可伸長或縮短。撐桿(拉桿)底端采用螺紋桿與底座鉸接(見圖4),使其可繞斜撐底座旋轉,可調整支撐角度以適應不同傾角混凝土斜柱。

圖4 可調撐桿(拉桿)Fig.4 Adjustable supporting rod (pulling rod)

2.2.2加固轉換裝置

為使斜撐(拉)裝置與主次楞鋼管具有可靠傳力,解決圓柱?；∶婧奢d轉換至平面的難題,設計了一種用于斜柱支模的加固轉換裝置。加固轉換裝置由豎向次楞方通、橫向主楞方通及連接二者的三角楔組成,如圖5所示。該裝置將斜柱傾斜側荷載集中至主楞方通上,主楞方通與斜撐(拉)裝置相連,將荷載傳遞至已澆筑的混凝土樓板上,從而完成斜柱模板支撐。

圖5 加固輕換裝置Fig.5 Reinforced conversion device

該裝置的豎向次楞方通及橫向主楞方通均由60mm×40mm×3.2mm矩形鋼管雙拼組成,該材料為鋁合金模板體系中常用的支撐背楞。豎向次楞方通直接承擔圓柱模傾斜方向荷載,在斜柱傾斜一側設置3道(傾斜側中間1道,兩側各1道)豎向次楞方通,方通一面緊貼模板表面,另一面直接或通過三角楔連接橫向主楞方通,可有效控制圓柱模下撓變形。橫向主楞方通設置2道,分別布置在次楞方通中部、上部。

因斜柱直徑隨不同樓棟及樓層變化,為使加固轉換裝置可適用于不同直徑的混凝土斜圓柱,三角楔可在一定范圍內沿橫向主楞方通滑動,使和三角楔固定的次楞方通與圓柱模板弧面相切。

2.2.3側向穩固裝置

在垂直圓柱的傾斜方向兩側各布置1道斜撐裝置和次楞方通,可用于調節斜圓柱定位,限制其他方向位移,并可限制圓柱模向兩側鼓脹變形,控制圓柱圓度。

2.3 模板支撐體系受力分析

比較斜柱角度、圓柱直徑,選用最不利條件下的斜柱支模,進行模板支撐體系驗算。

將混凝土斜圓柱重力G分解為沿傾斜方向垂直于斜柱柱身的G1和平行于柱身的G2。其中,G1為對豎向次楞方通的均布荷載合力,經三角楔及橫向主楞方通傳遞至可調斜撐(拉)裝置,對可調斜撐(拉)進行模型簡化后計算支撐體系受力;G2為平行模板方向的分力,根據流體內部壓強特點,轉換為圓形模板側壓力,對圓形模板進行側壓力驗算。次楞方通受力模型如圖6 所示。

圖6 次楞方通受力模型Fig.6 Stress model of the secondary corrugated square tube

均布荷載沿次楞→三角楔→主楞→斜撐(拉)裝置方向依次傳遞,并與地錨及2道斜撐(拉)桿提供的支座反力抵消。

2.3.1最不利工況分析

1)次楞方通最不利工況 根據力學分解模型可知,斜圓柱直徑越大、傾斜角度越大,則q1越大。選擇1號塔樓B型斜柱(直徑D=2 100mm,傾斜角度α=7°)為最不利工況進行驗算。

2)斜撐(拉)桿最不利工況 采用斜撐方式時,在地錨點位置不變的條件下,q1越大、傾斜角度越大,斜撐桿所受的壓力P1,P2越大,同樣選擇1號塔樓B型斜柱為斜撐桿最不利工況進行驗算。采用斜拉方式時,在地錨點位置不變的條件下,q1越大、傾斜角度越大,斜拉桿所受的拉力P1,P2越大,選擇3號塔樓B型斜柱(直徑D=1 800mm,傾斜角度α=2.7°)作為斜拉桿最不利工況進行驗算。

2.3.2受力驗算

經計算,次楞方通抗剪強度21.70N/mm2、抗彎強度67.39N/mm2、最大撓度1.337mm,均符合要求。斜撐桿最大內力為27kN,斜拉桿最大內力為6.91kN;最大長細比λ=94.3,受壓構件穩定性N/(φA)=96N/mm2,承載力及穩定性均滿足要求。

3 斜圓柱施工

3.1 施工流程

斜圓柱施工總體流程與傳統柱類似,如圖7所示。

圖7 斜圓柱施工工藝流程Fig.7 Construction process flow of inclined-circular column

3.2 施工關鍵要點

3.2.1鋼筋綁扎

斜圓柱鋼筋籠自身剛度難以抵御自重引起的撓度,易產生變形。為避免變形過大,在綁扎過程中采用臨時鋼絲繩拉住斜圓柱上部1/3～1/2縱筋(見圖8),鋼絲繩一端環拉鋼筋籠,一端固定綁扎在已澆筑板面預埋件上。

圖8 斜拉鋼絲繩臨時固定主筋示意Fig.8 Temporary fixed main bar by cable-stayed wire rope

鋼筋綁扎過程中,在柱鋼筋籠傾斜側箍筋上沿柱高每隔一定距離焊接1個鋼筋定位支架,確保柱箍筋不會緊貼模板,使保護層厚度滿足要求。

3.2.2模板支撐體系安裝

先安裝下傾斜弧面模板,再安裝兩側弧面模板,最后去除吊拉鋼筋的鋼絲繩,安裝上弧面模板,并用鋼帶固定。圓柱模豎向接長時,其接縫需錯開。圓柱模合模并經鋼帶固定后安裝斜柱支撐體系,具體如下。

1)安裝可調斜撐(拉)裝置并與預埋底座鉸接固定。

2)將2道主楞方通及三角楔組裝,再安裝在中間次楞方通上,隨后與斜撐(拉)裝置連接,形成穩定三角形后,陸續將傾斜側的剩余2道次楞方通固定在三角楔上。

3)旋轉斜撐(拉)桿調節中間次楞傾斜角度,并使之與圓柱模表面貼近;滑動調節三角楔在主楞方通上的位置,使兩側次楞與圓柱模表面相切貼合。

4)將調整完畢的加固轉換裝置螺栓擰緊固定;用自攻螺絲或鐵釘將次楞方通釘緊在定型化圓柱模下傾斜弧面。

5)安裝垂直于圓柱傾斜方向兩側側向穩固裝置。先行將兩側次楞沿圓柱豎向固定在其表面,再安裝斜撐并與次楞螺栓連接。

3.2.3測量定位及傾斜度調校

采用平面控制網量測斜圓柱底部和頂部外切矩形控制線,并采用全站儀投點圓柱中心以檢查驗證控制線的準確性。

斜圓柱模板與支撐體系固定后,用線墜將斜圓柱上口投影線從樓板引至上口位置,配合側向穩固裝置調整斜圓柱模板使之左右對準上層輪廓。采用激光數顯傾角測量儀器吸附在次楞方通上(見圖9),根據數值指示調整斜撐(拉)裝置,使斜圓柱模板傾斜方向對準上層輪廓。

3.2.4安全防護措施

考慮到樓層下小上大、斜圓柱逐層外挑,懸挑部位支模采用斜撐支模方式,斜撐采用φ48×3.5鋼管,與滿堂盤扣架采用扣件連接。施工時操作人員臨空作業,危險性較高,常見的爬架及雙排腳手架不具有可行性。鑒于此,設計采用多排鋼管腳手架(見圖10),其隨樓層外擴而逐步縮減立桿排數。

圖10 多排外腳手架搭設示意Fig.10 Multi-row external scaffold erection

此外,為使斜圓柱模板支撐體系更安全可靠,提高該支撐體系穩定性,在2道主楞方通上再安裝2道18號鋼絲繩,并向內拉結至已澆筑混凝土樓板(見圖11),作為安全保險措施。

圖11 向內拉結鋼絲繩安全保護措施Fig.11 Safety protection measures of wire rope drawn inward

3.3 施工實踐

圓柱模為15mm厚定型化膠合板;主楞和次楞為60mm×40mm×3.2mm雙拼方通;在次楞上1.8,3.6m處各設置1道主愣方通;垂直傾斜方向兩側各設單排2道支撐作為側向穩固裝置,主楞方通上掛2道18號鋼絲繩內拉至樓板面。在傾斜方向設置3排斜撐受力裝置(見圖12)及2排斜拉受力裝置(見圖13),底部設置埋件。主、次楞連接部位如圖14所示,斜圓柱成型效果如圖15所示。

圖12 斜撐式模板支撐體系Fig.12 Inclined supporting formwork support system

圖13 斜拉式模板支撐體系Fig.13 Inclined pulling formwork support system

圖14 主、次楞連接部位展示Fig.14 Connecting parts of the primary and secondary corrugation

圖15 斜圓柱成型效果Fig.15 Forming effect of inclined-circular column

4 結語

本文以某未來科技城項目為案例,分析了高空外挑大直徑鋼筋混凝土斜圓柱施工重難點,創新設計了一套斜圓柱模板支撐體系,對該模板支撐體系進行了應用分析,并總結了高空外挑大直徑鋼筋混凝土斜圓柱施工關鍵技術要點。

研究表明,高空外挑大直徑鋼筋混凝土圓斜柱模板支撐體系安全可靠、方便快捷、質量可控,解決了斜柱造型帶來的施工難題,且通用性好,施工效率高;與之相關的施工關鍵技術實用性好、針對性強,克服了一系列傳統做法出現的缺點。該施工關鍵技術為類似斜圓柱施工提供了借鑒,具有實際推廣意義,值得進一步深入研究。