高空屋面飘板的模板支撑设计与施工
2015-09-17
上海建工五建集团有限公司 上海 200063
1 工程概述
辽宁营口万科海港城1.1期由4栋33层高层住宅组成，框架-剪力墙结构，地下为独立结构层，非贯通连接，屋顶为钢筋混凝土飘板造型，板顶标高99 m，悬挑范围内最大纵向长度32 m，结构外伸长度1.6～2.8 m，飘板厚120 mm，边梁截面200 mm×500 mm（图1）。
图1 外立面效果图
2 施工难点分析
2.1 地处渤海北岸，风荷载取值影响较大
本工程地处辽东半岛南部，毗邻渤海湾，从近40年大风资料的统计结果可见，飘板施工的6月份辽宁沿海偏南大风占主导地位，平均风力达5～6级，且风速越大，海面对大风增强作用越明显，营口地区向岸风增强约2～3 m/s，风荷载取值对飘板支撑架影响较大。
2.2 飘板离地近百米，稳定性和安全性要求较高
飘板支撑架离地高度在95 m左右，向岸风因受到高层建筑阻挡，在迎风面上部约1/3的地方进行分流，大部分向上越过顶部的风因流道变窄，使流速大大增加，对飘板支撑架产生上升翻流作用，风涡流作用将影响支撑架的稳定性和安全性。
2.3 外伸构件荷载较大，施工难度较高
悬挑结构外伸尺寸较大，有边梁和挑梁，故荷载较大；在同层混凝土柱施工阶段，因不能安装连墙件或建筑结构还不能承受脚手架因风荷载产生的水平推力，故脚手架如同悬臂构件，搭设高度越高，稳定性越差[1,2]。
3 施工方案选择
3.1 方案设想
针对本工程屋面飘板位于高空、临海、跨度大、荷载大的特点，结合施工现场实际情况和以往经验，初步考虑了以下几种方案：
1）方案一：将屋面飘板支撑架与最后一悬挑脚手架统一考虑，在28层顶板设置悬挑工字钢，作为共同的施工承载操作面，架体搭设高度达19.2 m；
2）方案二：在屋面飘板区域下层楼板单独设置悬挑工字钢，组成钢平台作为施工承载操作面，架体搭设高度4.2 m；
3）方案三：与建设单位、设计单位协商将屋面钢筋混凝土飘板用钢结构代替。
3.2 方案确定
1）方案一。优点：施工方便，外形统一，避免二次搭拆；缺点：架体搭设高、时间长，且风荷载对其安全性影响较大，材料一次性投入较大。
2）方案二。优点：搭设高度、材料型号、风荷载影响均有降低，且合理安排工期可使三角支撑架周转循环使用到其他单体，降低一次性投入，施工速度快；缺点：需与其他区域悬挑脚手架分开搭设，施工搭拆次数较多。
3）方案三。优点：施工速度快，不需搭拆支撑架体，质量可靠；缺点：重新设计、加工时间长。
本工程地理位置较为特殊，施工过程中风荷载、风涡流对屋面飘板支撑架的影响较大，综合考虑可行性、安全性、节约性等方面，最终选定方案二。
4 飘板支撑架设计
4.1 风荷载取值
施工阶段的大型设施安全风险分析时，可根据工程所在地台风发生频率和实际施工情况来确定基本风速的重现期。本工程施工周期1年，屋面飘板的施工周期仅为2个月，遇到强劲风的概率相对要小得多，根据当地台风统计资料和现场监测数据表明，10年重现期风荷载最大为10级风，以此换算的风压作为基本风压。这与按《建筑结构荷载规范》GB/T 50009—2012的规定，取重现期n=10年对应的风压值0.4 kPa，换算成10 m高度处的10 min内平均风速为25.5 m/s基本一致（图2）。
图2 1971～2008年黄渤海北部沿海大风总站数逐月变化曲线
4.2 构造设计
从第33层顶板（95.6 m标高）开始布置18#工字钢作为悬挑支模承力结构，纵距1.5 m，布置12.6#工字钢作为次梁，钢管立在次梁上；支撑搭设高度3 m，步距1.5 m，外侧单排脚手架搭设高度4.2 m；采用预埋在楼板混凝土内的“Ω”形φ18 mm圆钢固定，局部工字钢下设12.6#槽钢作为支撑斜杆，两端分别与预埋在混凝土内的钢板、工字钢满焊焊接，焊缝高度为8 mm（图3、图4）。
屋面飘板悬挑长度≤0.8 m的采用工字钢悬挑支撑形式；悬挑长度＞0.8 m的采用型钢悬挑、底部架设槽钢斜撑，与挑梁焊接构成悬挑三角架支撑形式；结合4栋单体的结构尺寸，考虑工人焊接可操作性，尽量统一制作可周转使用的三脚架支撑，降低一次性材料的投入。
5 施工方案实施
5.1 脚手板
图3 3#楼悬挑支撑架平面布置示意
图4 构造节点示意
悬挑平台施工时满铺自制钢笆片，与悬挑钢梁焊接；采用圆钢自制钢笆片的理论质量为每片4.5 kg，约为木脚手板的1/4，能有效减轻钢平台自重。
5.2 密目网
钢平台底板满挂安全平网，悬挑支撑架仅在操作层外侧竖向满挂密目网。在台风暴雨时，沿海地区悬挑支撑架可临时拆除密目网，可有效减小台风对外架的侧向稳定的影响。
密目式安全网的系绳强度并非越大越好，因为强度过高的系绳将使超越设计能力后的巨大风荷载（其原因有密目安全网易积灰污染造成挡风面积增大或遇到强风暴等多种情况）仍能通过系绳传递给脚手架的连墙杆，从而给脚手架留下了安全隐患[3,4]。
相反，将密目网的一部分系绳强度有目的地进行降低后，就可以在出现强风、突发性阵风或暴风时，使安全网的系绳受力增大而被拉断，从而与脚手架杆件脱离后形成局部敞开式开口，使密目安全网的挡风面积骤为减小，从而消除了脚手架的安全隐患，所以安装密目网时，下口和东侧2个边的每个环扣应穿入符合规定的纤维绳，上口和西侧2个边的每个环扣应穿入抗拉能力≤0.1 kN的单独系绳，以保证在遇到设计所能抵抗的强大风荷载之前能及时断裂并形成局部敞开式通道。
5.3 连墙件
在屋面结构混凝土浇筑前，由于尚未形成空间结构体系，柱、墙处于悬臂状态，承受水平荷载的能力较弱，不宜采用连墙件使悬挑支撑架与同层柱、墙连接的方法来保证支撑架的稳定，宜采用悬挑支撑架与满堂排架合二为一，通过水平杆连接，采用搭接并形成整体，加大架体宽度，提高架体抗倾覆能力和侧向刚度，保证架体稳定。
5.4 剪刀撑
为了减少风涡流侧向力产生的钢管脚手架平面外变形而导致脚手架整体失稳，悬挑支撑架应全覆盖设置垂直剪刀撑，拐角应设置横向斜撑，中间每隔6跨设置1道斜撑，角度45°～60°，在中间步距设置1道水平剪刀撑，且连墙件对应外立杆设斜向拉杆与结构预埋件连接，以满足抗上升翻流作用的要求。
5.5 悬挑梁
先预埋压环，后布置工字钢，如图6所示。
图6 构造节点示意
在拐角处布置的水平型钢与埋件电焊牢固，焊缝厚度不得小于8 mm，焊缝长度不得小于500 mm。
型钢穿墙若遇暗柱钢筋，可向旁边微移避开，如果避不开，则将碰到的暗柱钢筋割断，在割断的这根钢筋边插入1根长1 400 mm同规格钢筋绑条焊补强。一定要保证这根外挑工字钢主梁在平面上的斜角。
在工字钢翼板上立脚手钢管的部位焊接1根长200 mm的φ22 mm钢筋作为限位钢筋，同时在工字钢内焊接2根φ8 mm钢筋，以加强工字钢抗扭变形。
斜撑底部设置10 mm×200 mm×200 mm钢板埋件，斜撑与钢板焊接，焊缝厚度不得小于8 mm，焊缝长度不得小于500 mm，钢板埋件锚筋与混凝土梁主筋电焊固定，钢板与锚筋采用满焊，焊缝厚度不得小于8 mm（图7）。
图7 构造节点示意
工字钢穿剪力墙采用在墙体模板支设前在墙内预埋150 mm×220 mm×墙厚dmm的木盒，在墙体混凝土浇筑完毕后拆除。
5.6 其他
顶层顶步采用搭接方式，可更好地抵抗侧向风荷载水平力，受力也更合理。
6 安全保障措施
1）悬挑支撑架与结构相邻处，应尽量每步每架设置刚性连墙杆，且与内排架连结成整体，以提高悬挑支撑系统的整体稳定性。
2）在浇筑悬挑结构混凝土时，按先里后外、先中间后两边的顺序进行，不得直接倾倒在悬挑部位边梁内，而应倒在框架边梁的内侧，由人工铲运至悬挑部位，以减小泵送混凝土对悬挑部位的冲击。
3）操作人员不得在悬挑部位集中，由尽量少的人员在悬挑部位进行操作，施工荷载不超过300 kg/m2。
4）在混凝土浇筑过程中，派专人看护支撑系统，密切注意支撑系统的变化，观察支撑有无异常响声、变形，发现异常情况立即通知现场施工人员撤离。
5）安全员对支撑架进行每天检查，如发生变形、松动、断裂情况应及时通知有关人员，采取补救措施。
6）在悬挑支撑架搭设时，下方的地面、楼层等危险区域用钢管设置明显的安全警戒区，设警示牌并由专人看守，严禁非操作人员入内。
7 结语
近年来，屋面悬挑造型在新建高层住宅中的应用越来越多，且悬挑于建筑主体外，通常要设置悬挑支撑架进行钢筋混凝土飘板的浇筑，而风荷载的取值对其设计的影响较大，本文将该地区几十年的大风资料分析与国家荷载规范相应的风荷载进行对比，最终确定风荷载的取值，使支撑架的设计更为安全、合理[5,6]。
通过临海、高空屋面飘板的施工实例，对临海、高空、风荷载较大环境下施工飘板进行了综合分析，重点介绍了支撑架设计的构造加强措施，并考虑了所用材料在其他单体的周转使用性，取得了良好的经济效益，为今后类似工程的实施积累了经验。
