吳自全 舒云聰 蔡希杰 彭佳勝 趙冰琦
深圳市鵬城建筑集團(tuán)有限公司 廣東 深圳 518040
新沙小學(xué)拆建教學(xué)多功能廳地上4層、地下2層,屋面結(jié)構(gòu)橫截面為標(biāo)準(zhǔn)半圓形,外直徑13.86 m,縱向長(zhǎng)17.4 m,無(wú)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(jì)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(shí)景
整個(gè)項(xiàng)目只有1棟此種設(shè)計(jì)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。
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(diǎn),采用平面直角坐標(biāo)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(biāo)系模板支撐體系傳力明確,但半圓尺寸相對(duì)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(fèi)多,成本高。
現(xiàn)場(chǎng)只能使用現(xiàn)有的塔吊進(jìn)行垂直和水平運(yùn)輸混凝土,且如果兩邊同時(shí)澆筑,第1次澆筑量達(dá)到40 m3,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)澆筑速度,每小時(shí)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(yùn)輸車輛進(jìn)出場(chǎng)交接時(shí)間,對(duì)稱澆筑一次需要10 h以上,對(duì)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(duì)支撐體系整體有一個(gè)側(cè)向水平力,而支撐體系在第1次澆筑時(shí)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(diǎn)控制側(cè)向位移量。
設(shè)計(jì)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(hù)不好、施工縫處理不當(dāng),將影響清水混凝土飾面效果。
針對(duì)支撐體系復(fù)雜這個(gè)難點(diǎn),考慮4種支撐體系方案,從施工難易和成本高低角度進(jìn)行對(duì)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(gè)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(diǎn)是受力清晰、傳力簡(jiǎn)單,安裝在樓面上精度高,缺點(diǎn)是制作復(fù)雜、制作精度要求高、材料用量大,而且現(xiàn)場(chǎng)工作面有限,拆除困難,只能使用一次,費(fèi)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(diǎn)是相對(duì)方案1減少了部分胎架材料,缺點(diǎn)是安裝精度控制難度大,拆除還是很困難,只能使用一次,費(fèi)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(jìn)行支撐或腳手架支撐(圖4)。優(yōu)點(diǎn)是大鋼模尺寸加工準(zhǔn)確、剛度好、吊裝方便,如果采用鋼結(jié)構(gòu)梁柱進(jìn)行支撐,支撐牢固,支撐結(jié)構(gòu)受力相對(duì)清晰。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)太重,拆除不方便,且只能使用一次,費(fèi)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(diǎn)是材料獲得容易、操作簡(jiǎn)單,除定型半圓形鋼背楞加工制作相對(duì)復(fù)雜以外,其他操作簡(jiǎn)單,拆除相對(duì)方便,一次投入費(fèi)用相對(duì)較少。缺點(diǎn)是支撐體系傳力相對(duì)復(fù)雜、理論分析煩瑣,只能用近似理論進(jìn)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(fèi)少,成本低。
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(jì),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(jiàn)圖6,底部?jī)蓚?cè)不同時(shí)澆筑,中部?jī)蓚?cè)混凝土量相對(duì)較少,對(duì)稱澆筑,頂部一次對(duì)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(qiáng)三段式對(duì)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(jìn)行養(yǎng)護(hù),頂部澆水并覆蓋麻袋養(yǎng)護(hù)。
內(nèi)側(cè)模板拆除時(shí),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(kāi)頂托,卸下工字鋼對(duì)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。
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(jìn)行分析。其中,由于第2~4次混凝土澆筑時(shí)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(duì)安全,這里只對(duì)第1次單側(cè)澆筑混凝土?xí)r的工況進(jìn)行分析。使用PKPM鋼結(jié)構(gòu)二維設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行分析,作為臨時(shí)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(hù),所以也不考慮風(fēng)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(shí)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(jì)有剪刀撐和斜撐,計(jì)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(jì)鋼管偏心受力,未使用頂托部位的立桿按偏心50 mm計(jì)算。
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(jì)算,因配筋相對(duì)較大,按梁結(jié)構(gòu)考慮,即混凝土自重按25.5 kN/m3計(jì),鋼背楞按構(gòu)件每節(jié)上方近似梯形的中線長(zhǎng)度作為混凝土高度來(lái)計(jì)算混凝土自重,中線長(zhǎng)度通過(guò)CAD圖直接量測(cè),結(jié)果見(jiàn)圖8,模板體系自重按單面0.5 kN/m2、雙面1.0 kN/m2計(jì)。第1批混凝土澆筑時(shí),除第3批澆筑區(qū)域外側(cè)模板沒(méi)有支設(shè)外,其他已安裝完畢,恒荷載簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖9。
圖8 鋼背楞上方混凝土計(jì)算高度值
圖9 恒載作用簡(jiǎn)圖
2)因混凝土作為流體和振搗棒振動(dòng)產(chǎn)生的對(duì)模板兩側(cè)的側(cè)壓力已通過(guò)對(duì)拉螺桿受力抵消,其對(duì)鋼背楞和支撐架體系影響忽略不計(jì),施工活荷載只考慮澆筑部位傾倒混凝土?xí)r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(jī)械落腳點(diǎn),忽略不計(jì)?;钶d只作用在澆筑口部位,標(biāo)準(zhǔn)值為(4+2.5)×0.8=5.2 kN/m。
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(duì)圓弧半徑偏差0.057%和0.040%,可以忽略不計(jì)。
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(jì)滿足各施工工況要求。
為提高鋼背楞安裝精度,支撐搭設(shè)時(shí)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(biāo)高按設(shè)計(jì)尺寸控制好,以保證鋼背楞有3個(gè)定位點(diǎn),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。
工字鋼彎曲由專業(yè)加工廠使用專用機(jī)械加工成形,在地面劃線進(jìn)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(shí)的水平度,見(jiàn)圖10。
圖10 鋼背楞工廠加工
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(kāi)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(biāo)高的水平鋼管上,做法見(jiàn)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(guò)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(guò)大,使用頂托時(shí),其上的水平鋼管已無(wú)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(diǎn)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(jiàn)圖12。
圖11 頂部臨時(shí)架立
圖12 立桿頂水平鋼管架立鋼背楞
底模采用9 mm厚膠合板順?lè)侥緩澢笥描F釘釘在方木上,方木與鋼背楞間使用鐵絲綁扎牢固,做法見(jiàn)圖13。裝飾模板采用杉木制作的條形木紋板,標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)4 m,寬150 mm,厚度15 mm,在使用前澆水濕潤(rùn),含水率不大于15%,縱向接縫按2 m間距錯(cuò)開(kāi),安裝時(shí)從一側(cè)底部沿弧形向另一側(cè)安裝,過(guò)程中通過(guò)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(jiàn)圖14。
圖13 次楞方木與底模安裝
圖14 條形木紋板安裝
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(guò)250 mm,使用雙φ25 mm鋼筋作為主楞,M16高強(qiáng)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?shù)摫忱銖澢蓤A曲線,墻厚通過(guò)螺桿上的膠杯對(duì)撐進(jìn)行控制。
1)鋼筋彎曲。鋼筋直徑最大為20 mm,可直接在現(xiàn)場(chǎng)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(cuò)開(kāi)并綁扎牢固,做法見(jiàn)圖15。
圖15 鋼筋綁扎
2)鋼筋保護(hù)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(jiàn)圖16。
圖16 鋼筋保護(hù)層墊塊
澆筑混凝土前模板用水充分濕潤(rùn),板面垃圾清理干凈?;炷翉囊欢讼蛄硪欢藵仓?,澆筑時(shí)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(dāng)混凝土表面達(dá)到初凝時(shí),及時(shí)噴水保濕養(yǎng)護(hù)。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(chǎng)澆筑混凝土方式見(jiàn)圖17。
圖17 混凝土澆筑
等頂部最后澆筑的混凝土強(qiáng)度達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%后,拆除內(nèi)側(cè)模板及其支撐。為方便人員進(jìn)支撐架內(nèi)操作和倒運(yùn)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(duì)接處螺栓和地面錨固螺栓。鋼背楞長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)影響拆除的,可用氣焊切割成方便人工搬運(yùn)的小段,放置到地面清理出場(chǎng)地,再拆除模板,最后拆除支撐架。
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(shí)操作平臺(tái)。為保證懸挑平臺(tái)的穩(wěn)定性,在已支設(shè)的模板上設(shè)置懸挑端頭臨時(shí)支撐點(diǎn),當(dāng)支模、鋼筋綁扎和澆筑混凝土有影響時(shí),要對(duì)支撐點(diǎn)進(jìn)行移位,確保操作人員安全。安全防護(hù)做法見(jiàn)圖18。
圖18 外立面防護(hù)與操作平臺(tái)
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(dòng)強(qiáng)度。與采用傳統(tǒng)定型大鋼模相比,本工程降低造價(jià)約9萬(wàn)元,降低比例達(dá)50%;現(xiàn)澆圓弧形結(jié)構(gòu)尺寸精確,經(jīng)實(shí)測(cè)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(píng),取得了良好的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。拆除模板后效果見(jiàn)圖19。
圖19 拆除模板后實(shí)物效果
本工程實(shí)例應(yīng)用說(shuō)明,當(dāng)設(shè)計(jì)有拱形現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)時(shí),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(jì)合理,實(shí)施操作簡(jiǎn)單,質(zhì)量和安全有保障,值得類似工程借鑒。