劉玉濤

(中天建設(shè)集團有限公司,杭州 310005)

0 引 言

大型的會展中心、紀念性建筑以及體育館中荷載大、跨度大、截面大的混凝土梁,在現(xiàn)場施工過程中,必須采用高支撐模板體系作為施工的支撐結(jié)構(gòu)。高支撐模板體系與已澆筑完畢的混凝土組成臨時承載體系共同承擔新澆筑混凝土的重量以及施工活荷載?，F(xiàn)有的高支撐模板體系在對應(yīng)獨特的建筑結(jié)構(gòu)形式時,總會暴露出某些方面的缺點,針對某些特定結(jié)構(gòu)形式,往往不能滿足工程實際需要,這使得一些新型的高空支模體系應(yīng)運而生。比如,深圳會議展覽中心標高45.000 m處的魚腹式框架懸挑梁,采用落地式格構(gòu)柱和主體結(jié)構(gòu)間搭設(shè)鋼桁架梁,并在上鋪設(shè)工字鋼平臺的支撐體系[1],河北廊坊市郊隆福寺長明燈塔標高65.950 m處混凝土懸挑梁,采用高空懸挑吊拉型鋼平臺支承扣件式鋼管支模架的支撐體系[2]。國家體育場頂環(huán)梁模板工程支撐體系采用鋼管扣件式腳手架搭設(shè)[3]。本文針對杭州奧體中心頂環(huán)梁的施工支模存在的難題[4],通過對比分析當前常用的幾種支撐體系,創(chuàng)新性提出并設(shè)計出一種塔吊標準節(jié)支承高空支模鋼平臺體系[5]。通過對比分析、理論驗算、有限元模擬方法對該支撐體系的適用范圍、搭設(shè)工藝、設(shè)計方法、結(jié)構(gòu)性能及構(gòu)造等進行一系列研究,并成功應(yīng)用于工程實踐。該項目研究依托2013年度浙江省建設(shè)科研和推廣項目(自籌)(編號:2013Z078)。

1 工程概況

杭州奧體博覽中心主體育場為八萬座特級特大型體育建筑,總建筑面積為212 310 m2(地上151 451 m2,地下60 859 m2),地上六層,地下一層,地上有上、中、下三層看臺,建筑高度59.4 m (結(jié)構(gòu)高度42.26 m),杭州奧體中心效果圖詳見圖1。主體育場看臺為鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu),罩棚為空間管桁架+弦支單層網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)體系。上層看臺頂部外邊緣設(shè)有變截面型鋼混凝土環(huán)梁,聯(lián)系上部鋼結(jié)構(gòu)罩棚與下部勁性混凝土結(jié)構(gòu)。該勁性混凝土環(huán)梁截面尺寸大,形狀變化多,標高較高并向外懸挑,懸挑長度約8.5 m,施工所需支模架搭設(shè)高度30～36 m,屬于超高超重大懸挑結(jié)構(gòu),看臺頂環(huán)梁三維模型圖詳見圖2。

圖1 杭州奧體中心效果圖Fig.1 Renderings of Hangzhou Olympic Sports Center

圖2 頂環(huán)梁三維模型圖Fig.2 3-D model of roof ring-beam

針對該超高超重大懸挑結(jié)構(gòu)存在的高支模難題,根據(jù)現(xiàn)場要求搭設(shè)速度快、拆卸方便、構(gòu)成形式靈活、能適應(yīng)該工程建筑造型、具有較高的承載力和足夠的剛度等特點。本文從以下三個方面進行研究論述。

(1) 以杭州奧體中心主體育場工程頂環(huán)梁支模體系的實際需要和施工現(xiàn)場為依托,同時參考借鑒其他大型公共建筑空間結(jié)構(gòu)的支模體系形式,進行多種模板支撐體系的方案策劃和比較,最終確定采用塔吊標準節(jié)支承高空鋼平臺體系。

(2) 通過有限元軟件Midas Gen對該支撐體系進行模擬,研究施工階段各種工況下支撐體系的受力情況,明確整個支撐體系的傳力情況,指導現(xiàn)場施工。

(3) 根據(jù)現(xiàn)場實際施工反饋,總結(jié)施工流程及要點,并根據(jù)施工存在的問題提出優(yōu)化改進意見,以為后續(xù)類似工程提供借鑒。

2 支承方案研究分析

2.1 支架方案的比選與確定

本工程看臺頂部環(huán)梁截面高度由支座處的2.32 m變化至跨中的1.2 m,梁寬1.3～1.5 m,梁面標高由36.448 m變化至42.468 m,共計78跨,跨度均約為10.5 m。梁截面尺寸大,形狀變化多,標高較高并向外懸挑,懸挑長度約8.5 m,如圖3、圖4所示。

圖3 頂環(huán)梁示意圖(單位:mm)Fig.3 Sketch of roof ring-beam (Unit:mm))

方案階段選取四種方案,依次為扣件式鋼管腳手架搭設(shè)落地式支撐架、利用環(huán)梁型鋼吊掛模板(簡稱吊模法)、重型門架搭設(shè)落地式支撐架、落地式格構(gòu)柱支承鋼平臺體系。綜合對比四種支撐方案的施工成本、安全風險、施工工期等方面的優(yōu)缺點,最終采用落地式格構(gòu)柱支承鋼平臺體系。支模示意圖詳圖5,方案對比情況詳表1。

圖4 頂環(huán)梁沿梁長方向剖面圖Fig.4 Section view along beam length of the roof ring-beam

圖5 塔吊標準節(jié)支承高空支模鋼平臺支模示意圖Fig.5 Sketch of the platform steel system of the high-altitude =formwork supported by the standard section of tower crane

表1 方案對比分析Table 1 Plan comparison

2.2 支架方案設(shè)計

1) 基礎(chǔ)加固

考慮到現(xiàn)場地下室頂板已經(jīng)完成,格構(gòu)柱在地下室內(nèi)搬運困難,將塔吊標準節(jié)支承體系搭設(shè)在二層樓板,二層樓板厚200 mm,塔吊標準節(jié)支承體系基礎(chǔ)周邊3 000 mm×3 000 mm范圍內(nèi)樓板局部加厚至500 mm,配筋加強至14@150雙層雙向?；A(chǔ)下部用鋼管支模架加固,加固范圍為4 000 mm×4 000 mm,支模架立桿縱橫距均為4 00 mm,步距1 500 mm,加固至地下室底板,加固支模架剪刀撐按規(guī)范相應(yīng)要求設(shè)置?；A(chǔ)內(nèi)預(yù)埋M30螺栓,與塔吊標準節(jié)螺栓孔相連,實際受力中按鉸接考慮。

2) 格構(gòu)柱的選材

采用塔吊標準節(jié)作為格構(gòu)柱基本單元,每個標準節(jié)高度為2.8 m,自重為770 kg/節(jié),材質(zhì)為Q235鋼。標準節(jié)外框尺寸1 600 mm×1 600 mm,豎向主弦桿截面135 mm×135 mm×10 mm,綴桿截面65 mm×65 mm×5 mm。相鄰標準節(jié)用8個Q345、M30(10.9級)螺栓連接。塔吊詳見圖6。

圖6 塔吊標準節(jié)現(xiàn)場圖Fig.6 Actual standard section of tower crane

3) 格構(gòu)柱鋼平臺的搭設(shè)

格構(gòu)柱上方設(shè)置一個由工字鋼I56c焊接的口型支座鋼平臺,作為主龍骨與格構(gòu)柱的傳力裝置,其平面尺寸為1 800 mm×1 630 mm,鋼平臺與塔吊標準節(jié)的四肢中心線重合,支座焊接8根長100 mm的113 mm×113 mm×10 mm套入標準節(jié)豎向主弦桿內(nèi),防止支座從格構(gòu)柱頂滑落,鋼平臺示意詳見圖7、圖8。

圖7 鋼平臺平面布置圖(單位:mm)Fig.7 Plan of steel platform (Unit:mm)

圖8 鋼平臺與格構(gòu)柱的連接Fig.8 Connection between steel platform and latticed column

主龍骨采用工字鋼I56c,設(shè)置在鋼平臺上方兩側(cè),兩環(huán)向I字鋼中心距為1 400 mm,呈折線布置,主龍骨斷開處,在主龍骨表面設(shè)置一塊250 mm×400 mm×10 mm的連接鋼板,與主龍骨上翼緣表面焊接,主龍骨下翼緣與鋼平臺表面焊接,詳見圖9。

次龍骨采用工字鋼I12.6,每根次龍骨長2.7 m,間距400 mm,橫鋪在主龍骨上,次龍骨上部焊有鋼筋頭,以便支模架鋼管立于次龍骨上方,避免滑移,次龍骨與主龍骨間采用焊縫連接。主、次龍骨與鋼平臺的連接詳見圖10。

圖9 主龍骨斷開處連接示意圖Fig.9 Connection between main keels

圖10 主、次龍骨與鋼平臺相互連接示意圖Fig.10 Interconnection among keels and steel platform

整體格構(gòu)平臺現(xiàn)場制作圖詳圖11。

圖11 鋼平臺現(xiàn)場制作圖Fig.11 Actual steel platform

2.3 支架荷載分析

根據(jù)ISO 4032:1981 Cranes;Wind Load Assessment 及《塔式起重機設(shè)計規(guī)范》(GB/T 13752—92)第4.2節(jié),風荷載計算如下:

Fw=CWpwAw

(1)

式中:Fw為作用在塔式起重機上的風荷載;pw為計算風壓;CW為風力系數(shù),為1.6;Aw為垂直于風向的迎風面積。

A=ωA1

(2)

式中:A1為結(jié)構(gòu)外形輪廓面積;ω為結(jié)構(gòu)充實率,此處取0.3,得A=16.777 m2。

工作狀態(tài):pw=250 Pa,Fw=6.7 kN。

非工作狀態(tài):pw=1 100 Pa,Fw=29.5 kN,都為標準值。

頂環(huán)梁支模架傳遞給鋼平臺的荷載包括豎向靜力荷載(自重及施工活荷載)、風荷載(轉(zhuǎn)化為力偶作用于鋼平臺兩側(cè)的主龍骨梁),再考慮塔吊承受的風荷載,以半跨5.25 m為例,塔吊支承鋼平臺荷載標準值詳見圖12,以節(jié)點力表示。

圖12 塔吊支承鋼平臺受荷圖Fig.12 Loads applied in steel platform and tower crane

2.4 有限元計算

采用Midas Gen有限元分析軟件,單個塔身可理解為一個空間三維桁架,塔身標準節(jié)之間采用套筒高強度螺栓連接,模型中用剛接進行試模擬,空間腹桿兩端鉸接。建立兩跨模型(5個搭身),整體高度22.96 m。模型底端鉸接,主龍骨之間、主龍骨與鋼平臺都按剛接處理,距格構(gòu)柱底端17.850標高處設(shè)附墻,附墻用剛性桿進行模擬,分析整體模型在活載滿布和活載半布兩種工況下結(jié)構(gòu)第一階穩(wěn)定狀況及構(gòu)件變形、應(yīng)力狀態(tài)。整體有限元模型詳見圖13。

各工況下結(jié)構(gòu)響應(yīng)如圖14～圖21所示:

(1) 活載滿布工況

活載滿布工況:第一階屈曲模態(tài)臨界荷載系數(shù)為58.73,局部失穩(wěn)如圖15所示。主龍骨豎向變形最大值為5.4 mm如圖16所示,構(gòu)件應(yīng)力比最大值為0.66,均滿足規(guī)范[6]要求,如詳圖17所示。

圖13 整體有限元計算模型Fig.13 FE calculation model

圖14 活載滿布受荷簡圖Fig.14 Fully-applied live load

圖15 第一階屈曲模態(tài)Fig.15 First order buckling mode

圖16 豎向變形(單位:mm)Fig.16 Vertical deformation (Unit:mm)

圖17 構(gòu)件應(yīng)力比Fig.17 Stress ratio of the components

圖18 活載半布受荷簡圖Fig.18 Half-applied live load

圖19 第一階屈曲模態(tài)Fig.19 First order buckling mode

圖20 豎向變形(單位:mm)Fig.20 Vertical deformation (Unit:mm)

(2) 活載半布工況

活載半布工況:第一階屈曲模態(tài)臨界荷載系數(shù)為57.70,局部失穩(wěn)如圖18所示。主龍骨豎向變形最大值為4.9 mm如圖19所示,構(gòu)件應(yīng)力比最大值為0.63如圖20所示,均滿足規(guī)范[6]要求。

2.5 施工流程及操作要點

塔吊標準節(jié)支承高空支模鋼平臺體系施工藝流程如圖22所示。

圖21 構(gòu)件應(yīng)力比Fig.21 Stress ratio of components

圖22 支模工藝流程圖Fig.22 Flow chart of form process

格構(gòu)柱若與下部樓層結(jié)構(gòu)碰阻,宜將格構(gòu)柱埋入樓層結(jié)構(gòu)內(nèi)。根據(jù)格構(gòu)柱的布置情況,部分格構(gòu)平臺立柱從六層樓板(+25.50 m)中穿過,為加強立柱的側(cè)向穩(wěn)定性,在樓層結(jié)構(gòu)施工前,在立柱位置預(yù)留孔洞,將立柱的塔吊標準節(jié)澆入六層樓板中,如圖23所示。

圖23 塔吊桿件穿樓板做法Fig.23 Member of tower crane pass through floor

在次龍骨上部搭設(shè)環(huán)梁鋼管支模架。支模架立桿縱橫距1 000 mm,立桿步距1 500 mm,采用頂托形式,詳見圖24。

圖24 上部支模架搭設(shè)Fig.24 Upper support frame above steel platform

利用塔吊標準節(jié)做頂環(huán)梁的支模體系,拆除后對懸挑結(jié)構(gòu)進行檢測,構(gòu)件跨中撓度最大為3 mm,完全滿足施工規(guī)范要求,混凝土無明顯缺陷,各項允許偏差均滿足規(guī)范[7]要求,施工完畢后的混凝土結(jié)構(gòu)如圖25所示。

圖25 施工完畢后的頂環(huán)梁Fig.25 Actual roof ring-beam after construction

3 結(jié) 論

本文以杭州奧體博覽中心主體育場工程為背景,根據(jù)工程看臺頂環(huán)梁所需的支模要求及施工現(xiàn)場條件,并結(jié)合結(jié)構(gòu)特點,對本工程中頂環(huán)梁模板工程采用的支模架體系—塔吊標準節(jié)支承高空支模鋼平臺體系進行了研究,可得以下幾點結(jié)論:

(1) 借鑒其他大型公共建筑空間結(jié)構(gòu)的支模體系形式,進行多種模板支撐體系的方案比較,提出了一種新型支模架體系—塔吊標準節(jié)支承高空支模鋼平臺體系。

(2) 通過理論分析和有限元模擬,采用塔吊標準節(jié)作為支承立柱,塔身結(jié)構(gòu)承載力和各桿件截面能很好的滿足工程需求,在兩種不利工況下有很大的富余量。

(3) 該方案在背景工程中得到成功的實施,該方案工藝簡單,影響安全的因素較少,施工質(zhì)量容易控制,且塔吊標準節(jié)可以重復使用,具有較高的經(jīng)濟效益,可以向類似工程推廣。

參考文獻

[1] 孫謹,翟金永.深圳會議展覽中心高支模施工技術(shù)[J].建筑技術(shù),2005,36(11):814-815.

Sun Jin,Zhai Jinyong.High support form work construction technology for Shenzhen conference and exhibition center project[J].Architecture technology,2005,36(11):814-815.(in Chinese)

[2] 孫新民,劉建崗,劉豐銘,等.高大懸挑結(jié)構(gòu)高支模架體支承鋼平臺施工技術(shù)[J].建筑技術(shù),2015,46(8):690-692.

Sun Xinmin,Liu Jiangang,Liu Fengming,et al.Largecantilevered construction technology of steel platform structure of high formwork support abutment[J].Architecture technology,2015,46(8):690-692.(in Chinese)

[3] 王大愚,趙紅梅,朱同然,等.國家體育場空間頂環(huán)梁施工技術(shù)[J].建筑技術(shù),2009,40(6):501-503.

Wang Dayu,Zhao Hongmei,Zhu Tongran,et al.Construction technique of space top ring beam of National Stadium[J].Architecture Technology,2009,40(6):501-503.(in Chinese)

[4] 李小玥,徐雙全,陳正立,等.杭州奧體中心主體育場工程關(guān)鍵施工技術(shù)[J].施工技術(shù),2016,45(9):41-45.

Li Xiaoyue,Xu Shuangquan,Chen Zhengli,et al.Key construction technology in Hangzhou Olympic Sports Center[J].Construction Technology,2016,45(9):41-45.(in Chinese)

[5] 石開榮,陳前,張原.某灰?guī)焱矀}高支模傘狀型鋼支撐平臺設(shè)計與應(yīng)用施工技術(shù)[J].施工技術(shù),2013,42(2):68-71.

Shi Kairong,Chen Qian,Zhang Yuan.Design and application of umbrella-shaped section steel support platform of an ash bank silo high-formwork[J].Construction Technology,2013,42(2):68-71.(in Chinese)

[6] 中華人民共和國建設(shè)部.GB 50017—2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2003.

Ministry of Construction of the People’s Republic of China.GB 50017—2003 Code for design of steel structures [S].Beijing:China Planning Press,2003.(in Chinese)

[7] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50204—2002 混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

Ministry of Housing and Urban-rural Development of the People’s Republic of China.GB 50204—2002 Code for acceptance of constructional quality of concrete structures[S].Beijing:China Architecture and Building Press,2002.(in Chinese)