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        半圓拱形清水混凝土屋頂結(jié)構(gòu)施工

        2022-07-18 11:32:34吳自全舒云聰蔡希杰彭佳勝趙冰琦
        建筑施工 2022年4期
        關鍵詞:背楞支撐架支撐體系

        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 設計唯一,施工投入相對較大

        整個項目只有1棟此種設計的屋頂結(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:

        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)應力比:工字鋼應力比最大值為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,支撐體系設計滿足各施工工況要求。

        6 關鍵技術實施

        6.1 支撐架搭設

        為提高鋼背楞安裝精度,支撐搭設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道斜撐逐跨設置,其他斜撐和剪刀撐按每間隔4跨設置。

        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?;炷翉囊欢讼蛄硪欢藵仓瑵仓r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。現(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,在已支設的模板上設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

        本工程實例應用說明,當設計有拱形現(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。

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