一种新型塔吊高空支模钢平台的研究与应用

刘玉涛

(中天建设集团有限公司,杭州 310005)

0 引 言

大型的会展中心、纪念性建筑以及体育馆中荷载大、跨度大、截面大的混凝土梁,在现场施工过程中,必须采用高支撑模板体系作为施工的支撑结构。高支撑模板体系与已浇筑完毕的混凝土组成临时承载体系共同承担新浇筑混凝土的重量以及施工活荷载。现有的高支撑模板体系在对应独特的建筑结构形式时,总会暴露出某些方面的缺点,针对某些特定结构形式,往往不能满足工程实际需要,这使得一些新型的高空支模体系应运而生。比如,深圳会议展览中心标高45.000 m处的鱼腹式框架悬挑梁,采用落地式格构柱和主体结构间搭设钢桁架梁,并在上铺设工字钢平台的支撑体系[1],河北廊坊市郊隆福寺长明灯塔标高65.950 m处混凝土悬挑梁,采用高空悬挑吊拉型钢平台支承扣件式钢管支模架的支撑体系[2]。国家体育场顶环梁模板工程支撑体系采用钢管扣件式脚手架搭设[3]。本文针对杭州奥体中心顶环梁的施工支模存在的难题[4],通过对比分析当前常用的几种支撑体系,创新性提出并设计出一种塔吊标准节支承高空支模钢平台体系[5]。通过对比分析、理论验算、有限元模拟方法对该支撑体系的适用范围、搭设工艺、设计方法、结构性能及构造等进行一系列研究,并成功应用于工程实践。该项目研究依托2013年度浙江省建设科研和推广项目(自筹)(编号:2013Z078)。

1 工程概况

杭州奥体博览中心主体育场为八万座特级特大型体育建筑,总建筑面积为212 310 m2(地上151 451 m2,地下60 859 m2),地上六层,地下一层,地上有上、中、下三层看台,建筑高度59.4 m (结构高度42.26 m),杭州奥体中心效果图详见图1。主体育场看台为钢筋混凝土框架剪力墙结构,罩棚为空间管桁架+弦支单层网壳钢结构体系。上层看台顶部外边缘设有变截面型钢混凝土环梁,联系上部钢结构罩棚与下部劲性混凝土结构。该劲性混凝土环梁截面尺寸大,形状变化多,标高较高并向外悬挑,悬挑长度约8.5 m,施工所需支模架搭设高度30～36 m,属于超高超重大悬挑结构,看台顶环梁三维模型图详见图2。

图1 杭州奥体中心效果图Fig.1 Renderings of Hangzhou Olympic Sports Center

图2 顶环梁三维模型图Fig.2 3-D model of roof ring-beam

针对该超高超重大悬挑结构存在的高支模难题,根据现场要求搭设速度快、拆卸方便、构成形式灵活、能适应该工程建筑造型、具有较高的承载力和足够的刚度等特点。本文从以下三个方面进行研究论述。

(1) 以杭州奥体中心主体育场工程顶环梁支模体系的实际需要和施工现场为依托,同时参考借鉴其他大型公共建筑空间结构的支模体系形式,进行多种模板支撑体系的方案策划和比较,最终确定采用塔吊标准节支承高空钢平台体系。

(2) 通过有限元软件Midas Gen对该支撑体系进行模拟,研究施工阶段各种工况下支撑体系的受力情况,明确整个支撑体系的传力情况,指导现场施工。

(3) 根据现场实际施工反馈,总结施工流程及要点,并根据施工存在的问题提出优化改进意见,以为后续类似工程提供借鉴。

2 支承方案研究分析

2.1 支架方案的比选与确定

本工程看台顶部环梁截面高度由支座处的2.32 m变化至跨中的1.2 m,梁宽1.3～1.5 m,梁面标高由36.448 m变化至42.468 m,共计78跨,跨度均约为10.5 m。梁截面尺寸大,形状变化多,标高较高并向外悬挑,悬挑长度约8.5 m,如图3、图4所示。

图3 顶环梁示意图(单位:mm)Fig.3 Sketch of roof ring-beam (Unit:mm))

方案阶段选取四种方案,依次为扣件式钢管脚手架搭设落地式支撑架、利用环梁型钢吊挂模板(简称吊模法)、重型门架搭设落地式支撑架、落地式格构柱支承钢平台体系。综合对比四种支撑方案的施工成本、安全风险、施工工期等方面的优缺点,最终采用落地式格构柱支承钢平台体系。支模示意图详图5,方案对比情况详表1。

图4 顶环梁沿梁长方向剖面图Fig.4 Section view along beam length of the roof ring-beam

图5 塔吊标准节支承高空支模钢平台支模示意图Fig.5 Sketch of the platform steel system of the high-altitude =formwork supported by the standard section of tower crane

表1 方案对比分析Table 1 Plan comparison

2.2 支架方案设计

1) 基础加固

考虑到现场地下室顶板已经完成,格构柱在地下室内搬运困难,将塔吊标准节支承体系搭设在二层楼板,二层楼板厚200 mm,塔吊标准节支承体系基础周边3 000 mm×3 000 mm范围内楼板局部加厚至500 mm,配筋加强至14@150双层双向。基础下部用钢管支模架加固,加固范围为4 000 mm×4 000 mm,支模架立杆纵横距均为4 00 mm,步距1 500 mm,加固至地下室底板,加固支模架剪刀撑按规范相应要求设置。基础内预埋M30螺栓,与塔吊标准节螺栓孔相连,实际受力中按铰接考虑。

2) 格构柱的选材

采用塔吊标准节作为格构柱基本单元,每个标准节高度为2.8 m,自重为770 kg/节,材质为Q235钢。标准节外框尺寸1 600 mm×1 600 mm,竖向主弦杆截面135 mm×135 mm×10 mm,缀杆截面65 mm×65 mm×5 mm。相邻标准节用8个Q345、M30(10.9级)螺栓连接。塔吊详见图6。

图6 塔吊标准节现场图Fig.6 Actual standard section of tower crane

3) 格构柱钢平台的搭设

格构柱上方设置一个由工字钢I56c焊接的口型支座钢平台,作为主龙骨与格构柱的传力装置,其平面尺寸为1 800 mm×1 630 mm,钢平台与塔吊标准节的四肢中心线重合,支座焊接8根长100 mm的113 mm×113 mm×10 mm套入标准节竖向主弦杆内,防止支座从格构柱顶滑落,钢平台示意详见图7、图8。

图7 钢平台平面布置图(单位:mm)Fig.7 Plan of steel platform (Unit:mm)

图8 钢平台与格构柱的连接Fig.8 Connection between steel platform and latticed column

主龙骨采用工字钢I56c,设置在钢平台上方两侧,两环向I字钢中心距为1 400 mm,呈折线布置,主龙骨断开处,在主龙骨表面设置一块250 mm×400 mm×10 mm的连接钢板,与主龙骨上翼缘表面焊接,主龙骨下翼缘与钢平台表面焊接,详见图9。

次龙骨采用工字钢I12.6,每根次龙骨长2.7 m,间距400 mm,横铺在主龙骨上,次龙骨上部焊有钢筋头,以便支模架钢管立于次龙骨上方,避免滑移,次龙骨与主龙骨间采用焊缝连接。主、次龙骨与钢平台的连接详见图10。

图9 主龙骨断开处连接示意图Fig.9 Connection between main keels

图10 主、次龙骨与钢平台相互连接示意图Fig.10 Interconnection among keels and steel platform

整体格构平台现场制作图详图11。

图11 钢平台现场制作图Fig.11 Actual steel platform

2.3 支架荷载分析

根据ISO 4032:1981 Cranes;Wind Load Assessment 及《塔式起重机设计规范》(GB/T 13752—92)第4.2节,风荷载计算如下:

Fw=CWpwAw

(1)

式中:Fw为作用在塔式起重机上的风荷载;pw为计算风压;CW为风力系数,为1.6;Aw为垂直于风向的迎风面积。

A=ωA1

(2)

式中:A1为结构外形轮廓面积;ω为结构充实率,此处取0.3,得A=16.777 m2。

工作状态:pw=250 Pa,Fw=6.7 kN。

非工作状态:pw=1 100 Pa,Fw=29.5 kN,都为标准值。

顶环梁支模架传递给钢平台的荷载包括竖向静力荷载(自重及施工活荷载)、风荷载(转化为力偶作用于钢平台两侧的主龙骨梁),再考虑塔吊承受的风荷载,以半跨5.25 m为例,塔吊支承钢平台荷载标准值详见图12,以节点力表示。

图12 塔吊支承钢平台受荷图Fig.12 Loads applied in steel platform and tower crane

2.4 有限元计算

采用Midas Gen有限元分析软件,单个塔身可理解为一个空间三维桁架,塔身标准节之间采用套筒高强度螺栓连接,模型中用刚接进行试模拟,空间腹杆两端铰接。建立两跨模型(5个搭身),整体高度22.96 m。模型底端铰接,主龙骨之间、主龙骨与钢平台都按刚接处理,距格构柱底端17.850标高处设附墙,附墙用刚性杆进行模拟,分析整体模型在活载满布和活载半布两种工况下结构第一阶稳定状况及构件变形、应力状态。整体有限元模型详见图13。

各工况下结构响应如图14～图21所示:

(1) 活载满布工况

活载满布工况:第一阶屈曲模态临界荷载系数为58.73,局部失稳如图15所示。主龙骨竖向变形最大值为5.4 mm如图16所示,构件应力比最大值为0.66,均满足规范[6]要求,如详图17所示。

图13 整体有限元计算模型Fig.13 FE calculation model

图14 活载满布受荷简图Fig.14 Fully-applied live load

图15 第一阶屈曲模态Fig.15 First order buckling mode

图16 竖向变形(单位:mm)Fig.16 Vertical deformation (Unit:mm)

图17 构件应力比Fig.17 Stress ratio of the components

图18 活载半布受荷简图Fig.18 Half-applied live load

图19 第一阶屈曲模态Fig.19 First order buckling mode

图20 竖向变形(单位:mm)Fig.20 Vertical deformation (Unit:mm)

(2) 活载半布工况

活载半布工况:第一阶屈曲模态临界荷载系数为57.70,局部失稳如图18所示。主龙骨竖向变形最大值为4.9 mm如图19所示,构件应力比最大值为0.63如图20所示,均满足规范[6]要求。

2.5 施工流程及操作要点

塔吊标准节支承高空支模钢平台体系施工艺流程如图22所示。

图21 构件应力比Fig.21 Stress ratio of components

图22 支模工艺流程图Fig.22 Flow chart of form process

格构柱若与下部楼层结构碰阻,宜将格构柱埋入楼层结构内。根据格构柱的布置情况,部分格构平台立柱从六层楼板(+25.50 m)中穿过,为加强立柱的侧向稳定性,在楼层结构施工前,在立柱位置预留孔洞,将立柱的塔吊标准节浇入六层楼板中,如图23所示。

图23 塔吊杆件穿楼板做法Fig.23 Member of tower crane pass through floor

在次龙骨上部搭设环梁钢管支模架。支模架立杆纵横距1 000 mm,立杆步距1 500 mm,采用顶托形式,详见图24。

图24 上部支模架搭设Fig.24 Upper support frame above steel platform

利用塔吊标准节做顶环梁的支模体系,拆除后对悬挑结构进行检测,构件跨中挠度最大为3 mm,完全满足施工规范要求,混凝土无明显缺陷,各项允许偏差均满足规范[7]要求,施工完毕后的混凝土结构如图25所示。

图25 施工完毕后的顶环梁Fig.25 Actual roof ring-beam after construction

3 结 论

本文以杭州奥体博览中心主体育场工程为背景,根据工程看台顶环梁所需的支模要求及施工现场条件,并结合结构特点,对本工程中顶环梁模板工程采用的支模架体系—塔吊标准节支承高空支模钢平台体系进行了研究,可得以下几点结论:

(1) 借鉴其他大型公共建筑空间结构的支模体系形式,进行多种模板支撑体系的方案比较,提出了一种新型支模架体系—塔吊标准节支承高空支模钢平台体系。

(2) 通过理论分析和有限元模拟,采用塔吊标准节作为支承立柱,塔身结构承载力和各杆件截面能很好的满足工程需求,在两种不利工况下有很大的富余量。

(3) 该方案在背景工程中得到成功的实施,该方案工艺简单,影响安全的因素较少,施工质量容易控制,且塔吊标准节可以重复使用,具有较高的经济效益,可以向类似工程推广。

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