吳自全 舒云聰 蔡希杰 彭佳勝 趙冰琦

深圳市鵬城建筑集團有限公司 廣東 深圳 518040

1 工程概況

新沙小學拆建教學多功能廳地上4層、地下2層，屋面結(jié)構(gòu)橫截面為標準半圓形，外直徑13.86 m，縱向長17.4 m，無梁樓板，兩側(cè)3.765 m以下板厚為300 mm，以上為230 mm，內(nèi)側(cè)面要求為清水混凝土木條紋飾面，外側(cè)面設(shè)計為有防水和保溫層的噴涂真石漆飾面層（圖1）。

圖1 多功能廳實景

2 重難點分析

2.1 設(shè)計唯一，施工投入相對較大

整個項目只有1棟此種設(shè)計的屋頂結(jié)構(gòu)，體量小，只能一次施工完畢，支模用材料也只能使用一次，不具備周轉(zhuǎn)使用條件。

2.2 半圓形屋面板結(jié)構(gòu)模板及支撐體系傳力復(fù)雜

半圓形屋頂結(jié)構(gòu)兼具直形墻結(jié)構(gòu)、斜屋面結(jié)構(gòu)、平屋面結(jié)構(gòu)特點，采用平面直角坐標系的模板支撐體系傳力復(fù)雜，受力分析難度大，采用極坐標系模板支撐體系傳力明確，但半圓尺寸相對較大，加工制作與安裝半圓形桁架胎架難度大，不可周轉(zhuǎn)使用的材料量大，浪費多，成本高。

2.3 混凝土無法對稱澆筑，支撐結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜

現(xiàn)場只能使用現(xiàn)有的塔吊進行垂直和水平運輸混凝土，且如果兩邊同時澆筑，第1次澆筑量達到40 m3，根據(jù)現(xiàn)場實測澆筑速度，每小時只能澆筑6斗混凝土，因塔吊限載，每斗只能澆筑0.7 m3，加上混凝土攪拌運輸車輛進出場交接時間，對稱澆筑一次需要10 h以上，對清水混凝土澆筑很不利，模板也容易在料斗落灰部位出現(xiàn)水泥漿斑塊，影響清水效果，所以最終決定采用單側(cè)澆筑方式。單側(cè)澆筑對支撐體系整體有一個側(cè)向水平力，而支撐體系在第1次澆筑時側(cè)向抗力能力差，易造成整體偏移，影響結(jié)構(gòu)成形效果，所以需要重點控制側(cè)向位移量。

2.4 清水混凝土施工質(zhì)量控制難度大

設(shè)計內(nèi)側(cè)面為清水木條紋飾面，因結(jié)構(gòu)不能一次澆筑，但模板和鋼筋需要一次性施工到位，若清水飾面模板保護不好、施工縫處理不當，將影響清水混凝土飾面效果。

3 施工方案比選

針對支撐體系復(fù)雜這個難點，考慮4種支撐體系方案，從施工難易和成本高低角度進行對比分析，擇優(yōu)選擇[1-6]，各方案分析如下：

1）方案1。制作多個半圓形桁架胎架，可用鋼結(jié)構(gòu)或木結(jié)構(gòu)制作，直接安放在樓面上，上鋪模板支撐縱向次楞，其他做法類同（圖2）。優(yōu)點是受力清晰、傳力簡單，安裝在樓面上精度高，缺點是制作復(fù)雜、制作精度要求高、材料用量大，而且現(xiàn)場工作面有限，拆除困難，只能使用一次，費用太高。

圖2 方案1

2）方案2。搭設(shè)部分支撐架，如至2/3半徑高度，其余制作拱形桁架胎架，胎架安放在支撐架上，其他做法相同（圖3）。優(yōu)點是相對方案1減少了部分胎架材料，缺點是安裝精度控制難度大，拆除還是很困難，只能使用一次，費用較高。

圖3 方案2

3）方案3。制作全鋼內(nèi)側(cè)半圓形大鋼框模板，模板采用鋼結(jié)構(gòu)梁和立柱進行支撐或腳手架支撐（圖4）。優(yōu)點是大鋼模尺寸加工準確、剛度好、吊裝方便，如果采用鋼結(jié)構(gòu)梁柱進行支撐，支撐牢固，支撐結(jié)構(gòu)受力相對清晰。缺點是結(jié)構(gòu)太重，拆除不方便，且只能使用一次，費用太高。

圖4 方案3

4）方案4。只制作模板支撐體系中定型鋼背楞作為模板主楞，其他全部采用傳統(tǒng)支撐架和支模體系（圖5）。優(yōu)點是材料獲得容易、操作簡單，除定型半圓形鋼背楞加工制作相對復(fù)雜以外，其他操作簡單，拆除相對方便，一次投入費用相對較少。缺點是支撐體系傳力相對復(fù)雜、理論分析煩瑣，只能用近似理論進行分析。

圖5 方案4

從施工成本控制以及施工難度角度考慮，選擇方案4比較合理。本方案投入的成本主要集中在定型鋼背楞上，其他都是可周轉(zhuǎn)材料，材料浪費少，成本低。

4 施工方案概述

如前面所述，本屋頂結(jié)構(gòu)兼具3種結(jié)構(gòu)類型，支撐系統(tǒng)分墻和板設(shè)計，考慮結(jié)構(gòu)有變截面影響，混凝土分4次澆筑，澆筑順序見圖6，底部兩側(cè)不同時澆筑，中部兩側(cè)混凝土量相對較少，對稱澆筑，頂部一次對稱澆筑。

圖6 澆筑順序

支撐體系采用φ48 mm×3.2 mm扣件式鋼管腳手架，立桿縱橫間距800 mm，步距不大于1 500 mm，掃地桿250 mm。鋼背楞間距與立桿相同。外側(cè)模板采用915 mm×1 830 mm×16 mm膠合板，內(nèi)側(cè)模底模采用1 215 mm×2 430 mm×9 mm膠合板，面鋪釘清水飾面木紋板，模板次楞采用50 mm×100 mm方木，外側(cè)主楞使用直徑25 mm螺紋鋼，內(nèi)側(cè)面徑向主楞使用定制的半圓形10#工字鋼，縱向主楞使用扣件式雙鋼管。第1～3次澆筑位置采用雙側(cè)支模方式，配置φ14 mm高強三段式對拉螺桿，頂部采用單側(cè)支模方式（圖7）。

圖7 支模示意

混凝土采用插入式振搗棒振搗，雙面支模外側(cè)采用延遲拆模并在模板上澆筑水進行養(yǎng)護，頂部澆水并覆蓋麻袋養(yǎng)護。

內(nèi)側(cè)模板拆除時，先拆除兩側(cè)較低部位的支撐架及模板，中間較高部位先松開頂托，卸下工字鋼對接處螺栓，部分不方便拆除的可直接用氣焊切成小段放到地面，再拆除模板和支撐架。

5 支撐體系受力分析

5.1 受力分析說明及假設(shè)條件

因分4次澆筑混凝土，結(jié)構(gòu)受力需要按4種施工工況進行分析。其中，由于第2～4次混凝土澆筑時已有前面已澆筑混凝土的結(jié)構(gòu)作為支撐體系側(cè)向支撐，且后續(xù)澆筑的樓板厚度變薄，相對安全，這里只對第1次單側(cè)澆筑混凝土時的工況進行分析。使用PKPM鋼結(jié)構(gòu)二維設(shè)計模塊進行分析，作為臨時結(jié)構(gòu)不考慮地震荷載，結(jié)構(gòu)外圍設(shè)置有雙排腳手架掛網(wǎng)防護，所以也不考慮風荷載。所有構(gòu)件均定義為柱結(jié)構(gòu)，取縱向一跨（0.8 m）支撐體系作結(jié)構(gòu)受力分析單元。在建模時需要作以下近似假設(shè)：

1）扣件式鋼管間連接近似為剛性連接，鋼管與鋼背楞、地面間連接為鉸接。

2）支撐設(shè)計有剪刀撐和斜撐，計算不考慮其有利影響，只作為構(gòu)造加固措施。

3）頂托部位與鋼背楞連接區(qū)不計鋼管偏心受力，未使用頂托部位的立桿按偏心50 mm計算。

5.2 荷載取值

1）恒載只考慮混凝土結(jié)構(gòu)和模板體系自重，以鋼背楞結(jié)構(gòu)正上方混凝土結(jié)構(gòu)和模板體系的自重計算，因配筋相對較大，按梁結(jié)構(gòu)考慮，即混凝土自重按25.5 kN/m3計，鋼背楞按構(gòu)件每節(jié)上方近似梯形的中線長度作為混凝土高度來計算混凝土自重，中線長度通過CAD圖直接量測，結(jié)果見圖8，模板體系自重按單面0.5 kN/m2、雙面1.0 kN/m2計。第1批混凝土澆筑時，除第3批澆筑區(qū)域外側(cè)模板沒有支設(shè)外，其他已安裝完畢，恒荷載簡圖見圖9。

圖8 鋼背楞上方混凝土計算高度值

圖9 恒載作用簡圖

2）因混凝土作為流體和振搗棒振動產(chǎn)生的對模板兩側(cè)的側(cè)壓力已通過對拉螺桿受力抵消，其對鋼背楞和支撐架體系影響忽略不計，施工活荷載只考慮澆筑部位傾倒混凝土時產(chǎn)生的施工荷載以及人員和施工設(shè)備荷載，分別取4 kN/m2和2.5 kN/m2，其他部位不具備人員和機械落腳點，忽略不計?；钶d只作用在澆筑口部位，標準值為（4＋2.5）×0.8＝5.2 kN/m。

5.3 計算結(jié)果

1）應(yīng)力比：工字鋼應(yīng)力比最大值為0.34，出現(xiàn)在與底部與樓面接觸的一段，鋼管應(yīng)力比最大值為0.45，為最外側(cè)面立桿第2步架部分。

2）側(cè)向位移：在單側(cè)澆筑混凝土情況下，支撐體系的側(cè)向位移最大值為3.7 mm，另一側(cè)未澆筑混凝土部位產(chǎn)生側(cè)向位移最大值為2.7 mm，相對圓弧半徑偏差0.057%和0.040%，可以忽略不計。

3）支撐體系高寬比為0.5，小于2，穩(wěn)定性滿足要求。鑒于以上分析，支撐體系設(shè)計滿足各施工工況要求。

6 關(guān)鍵技術(shù)實施

6.1 支撐架搭設(shè)

為提高鋼背楞安裝精度，支撐搭設(shè)時在地面放線定位立桿位置，特別是中間排立桿，其位置、垂直度和高度或標高按設(shè)計尺寸控制好，以保證鋼背楞有3個定位點，確保其形狀滿足圓弧形要求。第1道斜撐逐跨設(shè)置，其他斜撐和剪刀撐按每間隔4跨設(shè)置。

6.2 鋼背楞加工

工字鋼彎曲由專業(yè)加工廠使用專用機械加工成形，在地面劃線進行試拼接，確保工字鋼圓半徑偏差不大于10 mm。外側(cè)焊接放置方木用的短角鋼均從最底部按250 mm等間距布置，以保證方木安裝時的水平度，見圖10。

圖10 鋼背楞工廠加工

6.3 鋼背楞安裝

安裝前先在樓面彈好安裝位置控制線，鋼背楞在地面上組裝成半圓形后開始吊裝，先安裝結(jié)構(gòu)兩端部位鋼背楞，底部與樓面采用膨脹螺栓固定，頂部架在已調(diào)整好標高的水平鋼管上，做法見圖11，使用十字扣件扣住鋼管并壓住工字鋼翼緣后，擰緊扣件螺栓，使工字鋼和水平鋼管連接成一體。在安裝其他工字鋼背楞前，先通過拉線調(diào)整各排立桿上水平桿安裝高度，因頂托上的水平桿除中間3排立桿可使用雙鋼管保證頂托不偏心受力外，其他只能安放單根水平桿架立鋼背楞。為保證水平架立鋼管處于頂托中心，也使用十字扣扣住鋼管和頂托板邊緣。處于最外側(cè)2排立桿與鋼背楞水平夾角過大，使用頂托時，其上的水平鋼管已無法固定，只能將水平架立鋼管直接扣接在立桿頂端離主節(jié)點高度不大于250 mm處，以減小立桿頂端因側(cè)向受力造成的彎矩應(yīng)力，做法見圖12。

圖11 頂部臨時架立

圖12 立桿頂水平鋼管架立鋼背楞

6.4 清水條紋板安裝

底模采用9 mm厚膠合板順方木彎曲后用鐵釘釘在方木上，方木與鋼背楞間使用鐵絲綁扎牢固，做法見圖13。裝飾模板采用杉木制作的條形木紋板，標準長4 m，寬150 mm，厚度15 mm，在使用前澆水濕潤，含水率不大于15%，縱向接縫按2 m間距錯開，安裝時從一側(cè)底部沿弧形向另一側(cè)安裝，過程中通過拉線調(diào)整條形木紋板順直度，使用氣釘槍固定，釘間距150 mm，為防止翹曲，接頭氣釘加密，做法見圖14。

圖13 次楞方木與底模安裝

圖14 條形木紋板安裝

6.5 模板安裝與加固

半圓兩側(cè)變截面以下范圍按墻體結(jié)構(gòu)采用雙側(cè)支模，外側(cè)采用普通16 mm厚膠合板，方木次楞水平向布置，間距不超過250 mm，使用雙φ25 mm鋼筋作為主楞，M16高強螺桿縱橫向間距500 mm×500 mm。螺桿采用三段式可拆卸帶膠杯頭的螺桿，旋緊螺母后，可彎曲的鋼筋主楞可將模板順鋼背楞彎曲成圓曲線，墻厚通過螺桿上的膠杯對撐進行控制。

6.6 鋼筋綁扎

1）鋼筋彎曲。鋼筋直徑最大為20 mm，可直接在現(xiàn)場順模板人工彎曲成形，墊好塑料墊塊后在弧頂區(qū)域搭接，接頭按25%接頭百分率錯開并綁扎牢固，做法見圖15。

圖15 鋼筋綁扎

2）鋼筋保護層墊塊。采用尊形塑料墊塊，用20#鐵絲與鋼筋綁扎牢固，防止掉落與翻轉(zhuǎn)，做法見圖16。

圖16 鋼筋保護層墊塊

6.7 混凝土澆筑與養(yǎng)護

澆筑混凝土前模板用水充分濕潤，板面垃圾清理干凈。混凝土從一端向另一端澆筑，澆筑時為防止混凝土遺灑，在模板頂部側(cè)面安放擋板，方便混凝土順利入模。采用插入式振搗棒振搗，單側(cè)模板面處由人工使用木抹子收面成形。當混凝土表面達到初凝時，及時噴水保濕養(yǎng)護。施工縫處的混凝土終凝后，用高壓水沖洗接縫處面層浮漿和模板上污染的水泥漿，以保證清水效果?，F(xiàn)場澆筑混凝土方式見圖17。

圖17 混凝土澆筑

6.8 鋼背楞拆除

等頂部最后澆筑的混凝土強度達設(shè)計強度的100%后，拆除內(nèi)側(cè)模板及其支撐。為方便人員進支撐架內(nèi)操作和倒運材料，先拆除并清理最外側(cè)一排立桿，然后從一端向另一端逐根拆除鋼背楞對接處螺栓和地面錨固螺栓。鋼背楞長度過長影響拆除的，可用氣焊切割成方便人工搬運的小段，放置到地面清理出場地，再拆除模板，最后拆除支撐架。

6.9 施工安全措施

由于結(jié)構(gòu)是半圓形，外架直立，其與結(jié)構(gòu)間必須搭設(shè)從外架上懸挑的臨時操作平臺。為保證懸挑平臺的穩(wěn)定性，在已支設(shè)的模板上設(shè)置懸挑端頭臨時支撐點，當支模、鋼筋綁扎和澆筑混凝土有影響時，要對支撐點進行移位，確保操作人員安全。安全防護做法見圖18。

圖18 外立面防護與操作平臺

7 實施效果

采用此方案減少了鋼材的消耗，且拆除方便，減輕了工人勞動強度。與采用傳統(tǒng)定型大鋼模相比，本工程降低造價約9萬元，降低比例達50%；現(xiàn)澆圓弧形結(jié)構(gòu)尺寸精確，經(jīng)實測圓半徑偏差小于10 mm，清水飾面條紋觀感質(zhì)量好，獲得各方一致好評，取得了良好的社會與經(jīng)濟效益。拆除模板后效果見圖19。

圖19 拆除模板后實物效果

8 結(jié)語

本工程實例應(yīng)用說明，當設(shè)計有拱形現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)時，可以只制作與拱形形狀相同的型鋼模板主楞，采用傳統(tǒng)支撐腳手架作為模板支撐架，并采取本文中創(chuàng)新的架體與模板主楞連接方式，從而做到經(jīng)濟合理，實施操作簡單，質(zhì)量和安全有保障，值得類似工程借鑒。