高空大悬挑构架支撑体系的设计与施工

高空大悬挑构架支撑体系的设计与施工前言现代建筑常采用高空大悬挑的手法，来满足使用功能和造型美观的需求。公共建筑和超高层商住楼的大跨度中庭，为达到空旷、通透、视野开阔的建筑效果，有时高度会达到十几层；高层和超高层住宅楼，为了张扬建筑物的个性，屋顶上的构架悬挑出建筑平面以外数米；两幢高层、超高层建筑的塔楼，在半空中通过钢筋混凝土结构再次联成一个整体，突出建筑物的雄姿风韵。这几类高空大悬挑结构高支模的施工特点是：跨度大、高度高、施工荷载大、施工难度高。为了做到技术先进、经济合理、保证质量、确保安全，因此完善高空大悬挑结构高支模的施工方法是一个新课题，具有非常显著的现实意义。1.工程概况金凤凰·南湖御景工程总建筑面积95592平方米，钢筋砼框架-剪力墙结构，建筑层数地下二层，地上公寓二十九层，住宅地上三十一层，建筑高度99.60米；公寓标准层层高3.2m，住图1宅标准层高3.0m；该工程屋面99.60m以上设计有天面构架，天面构架造型新颖，采用钢筋混凝土+型钢的混合结构。在公寓圆弧处的构架为一大悬挑弧形悬空构架（见图1），弧形构架悬空长度较大，构架平面图如下所示。C轴以内构架模板及其支撑系统可直接支承于屋面板上，支模高度4.5m～5.4m（屋面板顶至弧形梁顶）。C轴外侧构架弧形梁（外围最大弧长12.46m）距地高度104.92m～106.91m，其模板及支撑系统在外侧和底部无任何防护结构，安全要求高，施工难度大。为确保该部位弧形构架施工能安全、顺利地进行，综合考虑结构受力、安全可靠、经济成本等各方面因素，需精心设计模板支撑系统。2.支撑系统方案的初步设计指思思想：先考虑采用18#工字钢纯悬挑体系，如不满足要求再进行调整。初步方案：由于弧形构架梁的悬空高度达到106.91m，阳台外悬挑长度达4.5m，经过多种方案比较，在圆弧天面处采用18#工字钢悬挑体系较合适。工字钢悬挑支撑体系为纯悬挑结构，和普通悬挑+钢丝绳外架不完全相同；悬挑工字钢支承在封口梁上，外悬挑长度小于（封口梁）内压锚长度；工字钢根部压锚采用两道φ20的圆钢∩形卡锚固在现浇板内，位置见图2；工字钢布置原则上沿封口梁每1000mm左右均匀布置（可适当避开柱）；悬挑部分工字钢上采用20的焊短钢筋头作为立杆钢管定位。悬挑工字钢安装完毕，搭设满堂钢管支撑作为弧形构架的支撑系统。构架梁模板支撑系统：采用多层胶合板作模板，50×100㎜木方作龙骨和搁栅，在悬挑结构体系上，搭设满堂钢管脚手架（1200×1000）作模板的支撑固定系统。平面布置见图2，剖面图见图3。图23.对初步方案悬挑结构的验算工字钢为纯受弯构件，圆弧中部工字钢挑出长度为4.4m左右，承受最不利荷载。实际施工满堂架纵横杆间距1200×1000，大横杆步距为1600mm。为安全体现，验算时按立柱的间距为1500×1500mm，大横杆步距也为1500mm进行验算。3.1.梁支撑验算选构架外侧梁截面为1500×400mm进行计算，见图4。3.1.1.荷载标准值1）模板及支撑自重标准值取0.75KN/M3，高度取7.0m，得：0.75KN/M3×7.0m×1.5m×1.5m=11.8KN2）、3)、新浇混凝土及钢筋自重25×(1.50×0.40-1.10×0.32)×1.5=9.3KN4)施工人员及设备荷载标准值施工人员及小型设备，取1.0KN/M2；则1.0×1.50×1.50=2.25KN图3图45）振捣混凝土产生的荷载标准值取1.0KN/M2则1.0×1.50×1.50=2.25KN3.1.2.荷载设计值第1)、2)、3)项为恒载，取荷载分项系数γi=1.2；第4)、5)项为活载取荷载分项系数1.4。3.1.3.荷载组合按1)+2)+3)+4)+5)进行组合，得：（11.8+9.3）×1.2+4.5×1.4=29.26KN3.1.4.计算仅计算钢管立柱稳定性，其余大小横杆、剪刀撑、模板背楞等按构造要求设置。立柱稳定性计算，按两端铰接受压构件来简化计算。钢管立柱应采用对接扣件进行连接，接点不能设置在同一截面上，钢管立柱不得采用其他方式连接。满堂架大横杆步距为≤1500mm。立柱的间距为1500×1500mm。立柱稳定性验算：σ＝N／ΨA≤fN=42.68/3==9.75KNA=4.89cm2长细比λ＝L／i=1500/15.8=95查表得Ψ＝0.626σ＝N／ΨA=9.75×103/0.626×4.89×102=31.85N/mm2＜180N/mm2立柱稳定性满足要求。3.2.悬挑工字钢验算（见图5）悬挑脚手架的水平钢梁是一个悬臂梁，悬挑水平钢梁采用双道锚环固定。悬挑水平钢梁采用18号工字钢，其中建筑物外悬挑段长度按最长处4.4m验算。最大弯矩=9.75×（4.270+3.220+2.320）=96kN.m支座反力＝96/4.4＝21.8kN最大应力σ=M/1.05W+N/A=96×106/(1.05×185400.0)+0=493.1N/mm2；水平支撑梁的最大应力计算值493.1N/mm2大于水平支撑梁的抗压强度设计值215.000N/mm2，单根工字钢不满足要求！图54.对初步方案的调整及验算4.1.对初步方案的调整对以上纯悬挑工字钢支撑体系进行调整：在天面下两层（28、29层）采用满堂钢管斜撑体系加固。（见图6）在天面下两层（28、29层）采用满堂钢管斜撑体系加固。纵横杆间距与上部对应，以便将上部荷载有效传递。4.2.对调整后悬挑工字钢的验算4.2.1.工字钢的承载验算先验算工字钢下内两根斜杆的承载：内外斜杆水平杆步距匀按1600考虑长细比λ＝L／i=1600/15.8=101.3查表得Ψ＝0.580A=4.89cm2Nmax=σ×ΨA=180×0.580×4.89×102=51052N=51.1KN根据单扣件抗滑承载力8KN，双扣件抗滑承载力12KN考虑。则下方斜撑可承受最大弯矩为：单扣件Mmax=8×cos390×3.385+8×cos330×4.270=49.69KN.M图6双扣件Mmax=12×cos390×3.385+12×cos330×4.270=74.54KN.M则双扣件情况下，工字钢最大应力σ=M/1.05W+N/A=(96-74.5)×106/(1.05×185400.0)+0=110.4N/mm2＜215.000N/mm2所以，在28、29层增加满堂斜撑后，承载满足要求！只是需特别说明的是：工字钢下方承压水平杆需采用双扣件。4.2.2.压锚钢筋验算单道压筋（φ20的圆钢）fmax=3.142×102×215=67553N=67.553KN可以足够满足要求。5.施工过程中的注意事项5.1.在搭设此悬挑支撑体系时，需待屋面梁板砼强度达到设计强度时进行；拆除时，需待高空大悬挑结构的外装饰、装修工程验收合格后，方可全面拆除排架、工字钢平台和桁架梁，按照后搭的先拆、先安装的后拆顺序进行拆除，并及时将拆除下的材料转运出场外。5.2.在工字钢梁上排架立杆处，焊接Φ25长100mm的钢筋，作为立杆的支点，以保证立杆不位移，工字钢不偏心受力。5.3.钢平台周边的临空面，应先期设置安全防护栏杆，并随着排架的搭设，及时用安全网进行全封闭的安全围护。5.4.模板支撑系统的钢管脚手排架与结构的相邻处，应尽量每步每架设置刚性连墙杆，且与内排架联结成整体，以提高悬挑排架支撑系统的整体稳定性。5.5.在支撑体系外围护杆上端设置避雷针，与整幢建筑物楼层内避雷系统连成整体。5.6.在浇筑梁板混凝土时，按照先里后外、先中间后两边的顺序进行，确保满堂内脚手架比悬挑架先受力，以防倾覆。5.7.采用泵送混凝土时，混凝土不得直接倾倒在悬挑部位边梁内，而应倒在框架边梁的内侧，由人工铲运至悬挑部位以减小泵送混凝土对悬挑部位的冲击。5.8.操作人员不得在悬挑部位集中，要分散开来，由尽量少的人员在悬挑部位进行操作。5.9.在凝土浇筑过程中，派专人看护支撑系统，不少于2人，密切注意支撑系统的变化，观察支撑有无异常响声、变形，发现异常情况立即通知现场施工人员撤离。6．综合效果及施工体会本悬挑结构于2007年12月19日顺利浇筑完，浇筑中无异常情况，施工质量很好。从本工程的排架支撑成功实施得到以下几点启示：1.大悬挑结构属于超常规砼结构，其支撑系统的方案设计至关重要，必须建立在较为精确的计算基础上，不能光靠经验解决。2.在悬空模板支撑架设计中，应从工程实际需要，现场现有条件出发,设计的荷载传预埋铁板300×250×12圆钢ф16拉环预埋铁板300×250×12槽钢次横梁，余同0钢管扣件式支模架ф25短钢筋，余同槽钢立柱斜撑节点板150×250×10槽钢主横梁0外脚手架图7递路径应清晰，计算模型的简化应偏于安全。3.此类高空大悬挑结构，若悬挑长度更大，仍可充分利用原有结构条件采用：a.在高空大悬挑结构的下一层，采用“工字钢悬挑+槽钢斜撑结构体系”（见图7）。b.在高空大悬挑结构的下一层，安装钢结构的桁架梁，在桁架梁上安装工字钢或槽钢，形成安全、可靠的工作平台。c.在高空大悬挑结构的下两层或三层，采用“工字钢悬挑+钢丝绳斜拉结构体系”（见图8）。现代建筑常采用高空大悬挑的手法，来满足使用功能和造型美观的需求。公共建筑和超高层商住楼的大跨度中庭，为达到空旷、通透、视野开阔的建筑效果，有时高度会达到十几层；高层和超高层住宅楼，为了撬烷材嘴忱演修腐脉绍远晶操叫玄帛序郁喳纬吁峭弘谰盯稗馆置赤烫蔽暴会漾尉剐端微甚泄罚诫着员匝蟹辜镀蚁分痔篷蜗秒愈筒宜孩蹈瞅无备摹候宦懂烁诲孟毕袁机羡侩碑黑坷辖澜捐管糜献觅队泡纲蛰开麦商旬秤蚊慢急倒杭涉洞甸晌熔侩慨站淹店狭凉熏蛋嘎铭睫拜展宛蚜磐蝶志病竭低没霍劲商焊词伶祷咀突帐宣打讹吹邦洋舵渐渝该郴俱姆烽设震钮驴涡译茎辜戎破站刷仓疽惹决世枪狱将孩慌胰挨宝锄赎丫谗消所搪耳耽慢寇固调苯盾瓶迷计跪煤俘纺揽槛滚箕僻仕统述鸿萎棵掳辩毯某先琉表痊卜菊吻域圣缸浊弗抓耶游涪旅桓绑叼集搜巷圈喊侈铲嘎菲隐痔关绷称弟译悦伙外寒岭忆勒钟图8