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        高空懸挑斜拉模板支撐體系的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

        2018-11-09 08:38:34
        建筑施工 2018年7期
        關(guān)鍵詞:架體立桿工字鋼

        張 凱

        廣西建工集團(tuán)第三建筑工程有限責(zé)任公司 廣西 柳州 545002

        隨著國(guó)內(nèi)高層建筑的不斷出現(xiàn),越來(lái)越多的建筑設(shè)計(jì)采用懸挑樓面和屋面,混凝土結(jié)構(gòu)在屋面或一定高度位置向外懸挑,以實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)獨(dú)特的立面效果,增加更多的使用空間。

        一般高空懸挑結(jié)構(gòu)施工具有跨度大、高度高、荷載大等特點(diǎn),對(duì)模板支架和腳手架的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提出了更高難度的要求。在綜合考慮安全、進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)性等因素的基礎(chǔ)上,本文結(jié)合實(shí)際工程,在懸挑式結(jié)構(gòu)模板支撐體系的設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面進(jìn)行了探討。

        1 施工部位結(jié)構(gòu)概況

        背景工程位于廣西南寧市,框架剪力墻結(jié)構(gòu),地下3層、地上22層,總建筑面積60 497.18 m2,主樓建筑高度87.49 m。屋面周邊結(jié)構(gòu)挑出形成懸挑屋面,結(jié)構(gòu)懸挑長(zhǎng)度2.90 m,懸挑屋面板標(biāo)高87.49 m(圖1),21、22層層高分別為4.60、3.30 m。

        2 模板支撐體系及支座選型

        2.1 模板支撐體系選型

        根據(jù)施工當(dāng)?shù)爻S玫牟牧项愋图俺S玫氖┕すに?,確定采用扣件式鋼管腳手架為模板支撐架體,且在支撐架體外側(cè)搭設(shè)雙排腳手架,使其伸出屋面作為施工時(shí)的作業(yè)及臨邊防護(hù)架。

        圖1 懸挑構(gòu)件示意

        扣件式鋼管腳手架常用的有落地式和懸挑式2種,由于場(chǎng)地狹窄,施工部位離地面高度大,從安全性和經(jīng)濟(jì)性方面考慮,可排除落地式支撐架體,擬選用懸挑式模板支撐體系。

        2.2 架體支座選型

        懸挑式有懸挑型鋼+斜拉、懸挑型鋼+斜撐和貝雷片幾種支座類型(表1)。

        表1 懸挑架支座類型比選

        從結(jié)構(gòu)可靠度、施工便利性和經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行比較,懸挑型鋼+斜拉支座的方式可重復(fù)使用,其構(gòu)造簡(jiǎn)單且安裝、拆卸方便、施工成本低,雖然需多搭設(shè)1層鋼管支架,但均采用現(xiàn)有周轉(zhuǎn)材料和成熟工藝,增加的成本不多,且其安全性可控。因此最終選擇懸挑型鋼+斜拉支座的支撐方式。

        2.3 型鋼選型

        型鋼選用截面對(duì)稱、穩(wěn)定性好的工字鋼[1],工字鋼內(nèi)側(cè)支承于下層樓面上,用工具式卡具固定,懸挑段外端增加斜拉桿卸載。

        2.4 斜拉桿選型

        通過(guò)對(duì)比圓鋼、鋼絲繩等不同材料的性能及可靠程度,南寧地區(qū)使用鋼絲繩作為外架懸挑鋼梁斜拉桿的工藝成熟可靠,故選擇鋼絲繩作為斜拉桿。鋼絲繩下端連接工字鋼,鋼絲繩上端固定在上層結(jié)構(gòu)混凝土梁上的預(yù)留拉環(huán)上。

        從安全角度考慮,按規(guī)范要求在同一部位設(shè)2根相同的鋼絲繩分別用作工作繩和安全繩,一用一備,提供足夠的安全儲(chǔ)備。

        3 受力模型分析與驗(yàn)算

        3.1 確定工字鋼的安裝位置

        根據(jù)主體結(jié)構(gòu)及上部懸挑屋面結(jié)構(gòu)尺寸,擬定將工字鋼安裝在21層混凝土樓面(標(biāo)高79.59 m),工字鋼長(zhǎng)9 m,外側(cè)懸挑段長(zhǎng)4 m,內(nèi)側(cè)錨固段長(zhǎng)5 m,內(nèi)外分設(shè)U形固定螺栓固定工字鋼。

        工字鋼外端末段下側(cè)設(shè)置繩擋,確保斜拉鋼絲繩固定位置準(zhǔn)確、不發(fā)生位移(圖2)。

        圖2 懸挑斜拉支撐示意

        3.2 確定模板支架立桿軸力

        按普通扣件式鋼管支架計(jì)算模板支撐各立桿傳遞的軸力。計(jì)算時(shí),據(jù)JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》要求除考慮模板、架體、鋼筋及混凝土自重等靜荷載外,還考慮施工人員及設(shè)備、傾倒混凝土?xí)r的沖擊、振搗時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)等活荷載以及風(fēng)荷載等,并對(duì)荷載進(jìn)行組合,最終確定各立桿軸力設(shè)計(jì)值。

        經(jīng)計(jì)算,支承在工字鋼上的各立桿軸力分別為(從內(nèi)到外):5.91、7.12、5.70、3.75、3.30 kN。

        3.3 確定斜拉桿固定位置

        斜拉桿與鋼梁的水平夾角以大于45°為宜[2],本工程斜拉桿水平夾角約為51°,且工作繩和安全繩固定位置基本相近、夾角相同,以保證內(nèi)力、變形一致[3-4]。斜拉桿下端固定點(diǎn)位于工字鋼梁距外端0.7 m(工作繩)、0.5 m(安全繩),上端固定點(diǎn)位于22層樓面(標(biāo)高84.19 m)混凝土梁外側(cè),在混凝土梁上埋設(shè)φ22 mm鋼筋拉環(huán),距樓面分別為0.3 m(工作繩)、0.1 m(安全繩)。

        3.4 確定計(jì)算模型

        模板支架立桿支承于工字鋼梁上,工字鋼擱置于樓面上,內(nèi)側(cè)2個(gè)支點(diǎn),外側(cè)懸挑,梁端用鋼絲繩拉結(jié)于上層結(jié)構(gòu)上。將內(nèi)側(cè)2個(gè)支點(diǎn)和上層鋼筋拉環(huán)支座簡(jiǎn)化為鉸接節(jié)點(diǎn),計(jì)算時(shí)考慮鋼絲繩的彈性變形,僅考慮1道斜拉桿受力。

        經(jīng)計(jì)算,在工作繩(固定點(diǎn)距鋼梁外端0.7 m)受力狀態(tài)下,斜拉桿內(nèi)力、變形較大,鋼梁內(nèi)力相差不大。在工作繩受力的工況下進(jìn)行驗(yàn)算如能滿足,則在僅有安全繩受力的工況下安全系數(shù)更大,計(jì)算結(jié)果偏安全。因此選用工作繩受力時(shí)的計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)算(圖3)。

        圖3 計(jì)算模型示意

        3.5 設(shè)計(jì)驗(yàn)算

        3.5.1 ?材料型號(hào)設(shè)定及力學(xué)參數(shù)取值

        根據(jù)常用材料規(guī)格,假定懸挑鋼梁選用18#工字鋼,選用6×19的φ18 mm的鋼絲繩,對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)算。材料的主要力學(xué)參數(shù)如下:

        18#工字鋼:彈性模量E=206 000 MPa,截面面積A=30.7 cm2,慣性矩I=1 660 cm4,抵抗矩W=185 cm3。

        φ18 mm鋼絲繩:彈性模量E=92 100 MPa[5],截面面積A=254.5 mm2,破斷拉力F=176 kN,安全系數(shù)K=10(據(jù)JGJ 80—2016《建筑施工高處作業(yè)安全技術(shù)規(guī)范》,以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”)。

        3.5.2 ?荷載計(jì)算

        模板支架上部荷載主要包括架體、模板、鋼筋及混凝土自重等靜荷載和施工荷載、混凝土振搗產(chǎn)生的荷載、風(fēng)荷載等活荷載,經(jīng)荷載組合計(jì)算[6],每根立桿傳遞至工字鋼梁上的荷載設(shè)計(jì)值如表2所示。

        表2 荷載設(shè)計(jì)值

        3.5.3 ?內(nèi)力及強(qiáng)度計(jì)算

        經(jīng)結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器計(jì)算,工字鋼最大彎矩Mmax=6.19 kN·m,則有:

        式中:σ——工字鋼正應(yīng)力,MPa;

        Mmax——工字鋼最大彎矩,kN·m;

        W——18#工字鋼截面模量,cm3;

        [f]——鋼材容許強(qiáng)度值,MPa。

        工字鋼抗彎強(qiáng)度滿足要求。經(jīng)計(jì)算,抗剪強(qiáng)度也滿足要求。

        經(jīng)結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器計(jì)算,鋼絲繩軸向拉力T=17.16 kN。

        驗(yàn)算鋼絲繩強(qiáng)度為:

        式中:K——鋼絲繩安全系數(shù);

        F——鋼絲繩破斷拉力,kN;

        T——鋼絲繩軸向拉力,kN。

        鋼絲繩抗拉強(qiáng)度滿足要求。

        3.5.4 ?變形計(jì)算

        經(jīng)結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器計(jì)算,工字鋼最大變形為4.9 mm,最大變形處位于懸挑段最外端。該變形值在允許范圍內(nèi),如在安裝鋼絲繩時(shí)將工字鋼外端略微提起,以抵消施加荷載后的變形,可更好地保證澆筑后的混凝土構(gòu)件尺寸位置準(zhǔn)確。

        3.6 不考慮鋼絲繩彈性變形時(shí)的計(jì)算結(jié)果對(duì)比

        3.6.1 ?計(jì)算結(jié)果

        常規(guī)進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí),常不考慮鋼絲繩的彈性變形,將鋼絲繩與工字鋼梁的連接點(diǎn)簡(jiǎn)化為固定鉸支座。在該簡(jiǎn)化模型下,計(jì)算結(jié)果為:

        內(nèi)力:工字鋼最大彎矩Mmax=6.93kN·m,σ=Mmax/W=37.46 MPa。

        鋼絲繩軸拉力T=17.88 kN,K=F/T=9.84,不滿足要求。

        變形:工字鋼懸挑段末端變形約等于0 mm,基本無(wú)變形。

        3.6.2 ?與實(shí)際工況對(duì)比

        在本例中,如不考慮鋼絲繩的彈性變形,計(jì)算結(jié)果中鋼絲繩軸拉力偏大約5%。對(duì)φ18 mm鋼絲繩進(jìn)行驗(yàn)算時(shí),不滿足規(guī)范安全系數(shù)K≥10的要求,需選擇更大規(guī)格的鋼絲繩才能滿足,與實(shí)際工況偏差較大,未能充分兼顧經(jīng)濟(jì)性。

        4 模板支撐體系搭設(shè)及安全措施

        4.1 固定螺栓及吊環(huán)埋設(shè)

        固定工字鋼的3個(gè)U形螺栓埋設(shè)于21層樓面,其中1個(gè)距外邊0.1 m,另外2個(gè)距結(jié)構(gòu)外邊梁分別為4.6、4.8 m。固定鋼絲繩的拉環(huán)埋設(shè)于上一層(22層)樓面結(jié)構(gòu)邊梁側(cè)面,距樓面分別為0.1 m(安全繩用)、0.3 m(工作繩用)。

        4.2 工字鋼及斜拉鋼絲繩安裝

        根據(jù)模板支架立桿位置、鋼絲繩連接位置等尺寸參數(shù),在工字鋼上焊接短鋼筋作為鋼管立桿定位柱,防止立桿側(cè)滑;在下側(cè)焊接角鋼作繩擋,防止鋼絲繩滑動(dòng),保證連接點(diǎn)位置準(zhǔn)確;在工字鋼與主體結(jié)構(gòu)邊緣部位焊接短槽鋼或工字鋼,防止懸挑工字鋼梁內(nèi)滑。

        將工字鋼置于U形螺栓內(nèi)下墊墊板并調(diào)正位置后,用壓板、雙螺帽固定,工字鋼側(cè)面與螺栓間的空隙用硬木楔楔緊,以防止鋼梁側(cè)移(圖4)。

        圖4 工字鋼錨固點(diǎn)構(gòu)造示意

        鋼梁初安裝時(shí),在懸挑段根部處墊厚10 mm木板(收緊鋼絲繩后取出),使梁外端頭預(yù)上撓約20 mm,以抵消鋼絲繩初期變形產(chǎn)生的下?lián)蟍7];用繩卡、卸扣連接鋼絲繩上下兩端,收緊固定,并在架體搭設(shè)、混凝土澆筑過(guò)程中隨時(shí)檢查U形螺栓、螺帽的擰緊程度,保證最終受力時(shí)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的位置尺寸。

        4.3 模板支架搭設(shè)

        鋼梁安裝完畢后,作為模板支架基礎(chǔ)在其上搭設(shè)立桿及其他桿件,內(nèi)外支架作為一個(gè)整體同時(shí)搭設(shè),并與主體結(jié)構(gòu)有效拉結(jié),最后安裝模板、鋼筋。架體掃地桿處必須安裝水平剪刀撐。

        4.4 安全措施

        在模板支架掃地桿處鋪設(shè)腳手板作為作業(yè)面,并在其下掛設(shè)安全網(wǎng)作為安全防護(hù),最外立桿內(nèi)側(cè)掛設(shè)密目立網(wǎng)作為立面防護(hù)。

        對(duì)鋼絲繩與工字鋼接觸部位外套膠管進(jìn)行保護(hù),避免鋼絲繩與鋼梁直接接觸,防止鋼梁切割鋼絲繩。

        5 屋面混凝土澆筑及支撐架體拆除

        5.1 混凝土澆筑

        混凝土澆筑時(shí),先澆筑內(nèi)側(cè)后澆筑外側(cè),對(duì)稱平行推進(jìn)澆筑[8-9],避免出現(xiàn)局部立桿退出工作導(dǎo)致部分立桿內(nèi)力偏大失穩(wěn)的情形,保證架體穩(wěn)定。

        在澆筑過(guò)程中,在立桿下部設(shè)置變形觀測(cè)點(diǎn),同步觀測(cè)變形數(shù)據(jù)并與計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)比對(duì),出現(xiàn)異常時(shí)需及時(shí)檢查分析并處理。

        5.2 支撐架體拆除

        懸挑屋面混凝土達(dá)到齡期強(qiáng)度后才能拆除模板支架。拆除時(shí),可僅拆除混凝土結(jié)構(gòu)模板、楞木、頂托等,保留架體作為臨邊防護(hù)和裝飾作業(yè)架體。待飾面工程全部完成后再拆除全部架體,拆除順序?yàn)椋杭荏w→鋼絲繩→工字鋼。

        6 結(jié)語(yǔ)

        本工程采用搭設(shè)高空懸挑斜拉模板支架的方法,施工操作簡(jiǎn)單、搭拆方便,相關(guān)構(gòu)、配件易于獲取且能二次使用,節(jié)約成本。

        在本文所介紹的方法中,對(duì)懸挑鋼梁可能產(chǎn)生的側(cè)向變形等不穩(wěn)定因素并未考慮,其有可能對(duì)懸挑支撐架產(chǎn)生不利影響,但在施工過(guò)程中如能保證鋼絲繩、鋼梁的位置準(zhǔn)確,并做好支架掃地桿、剪刀撐等構(gòu)造措施,應(yīng)能將施工控制在安全范圍之內(nèi)。

        在進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí),通過(guò)考慮鋼絲繩的彈性變形,從而使計(jì)算模型更接近實(shí)際工況,同時(shí)兼顧了施工的安全性和經(jīng)濟(jì)性,為今后的同類施工提供了一定的指導(dǎo)和可資借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

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