高空大悬挑结构支模体系设计及施工技术研究

2021-05-30

工程技术研究 2021年7期

中国建筑第七工程局有限公司，河南郑州 450000

随着社会的不断发展，建筑使用单位不仅要求建筑具备使用功能，还对建筑的造型、美观、经济等方面提出了越来越高的要求。这促使很多不同类型的建筑结构出现，如高空大悬挑结构，其可以优化建筑外立面的造型，增加建筑的使用面积，同时满足建筑物的美观和经济要求。因为高空大悬挑结构悬挑较长、高度高、施工荷载大且为高空作业，施工难度大、风险高，容易造成安全质量问题，所以施工单位必须对支模体系进行科学选择、合理设计和精心施工，确保施工安全，保证工程质量，做到技术先进、经济合理。

1 工程概况

案例工程为大型商业综合体工程项目，位于四川省成都市。该建筑为框架剪力墙结构，有地下2层、地上13层，总高度为66.8m，建筑层高4.9m，在第6层外立面设有悬挑平台结构，悬挑长度为2.7m，距离地面30.9m。此高空大悬挑结构是施工的重难点。

2 实施方案选择

高空大悬挑结构施工成功与否的关键在于实施方案的选择是否科学合理，这关系到施工的安全、质量、工期和经济效益。因此，在选择实施方案时应充分考虑以下方面：

（1）设计的高空大悬挑结构支模体系应保证安全可靠，具有足够的强度、刚度和稳固性，且造价经济合理。

（2）在保证安全的前提下，有利于高空悬挑结构的质量控制，确保结构浇筑完成后平顺规整、符合强度要求，无开裂、无错台等质量缺陷。

（3）支模体系选型时做到荷载传递明确、构造简便、利于安拆、方便操作，能较好地控制工期，不被拖延。

（4）支模体系设计应尽量做到经济合理，人、材、机的需求量较少，力求节约成本。

文章结合工程结构及现场实际情况对该工程高空大悬挑结构施工进行重难点分析，拟采用以下两种方案进行对比分析，从中选择最优方案进行施工。

2.1 方案一

在地下室顶板上搭设落地式钢管扣件支模架体，搭设高度为30.9m。此方案为传统方法，较为常见，具有构造简单、受力状况清晰，只需常规的钢管、扣件等施工周转材料的优点；缺点是搭设高度太高，属于超过一定规模危险性较大的高支模作业，安全风险较大，也不利于施工质量控制，同时需要大量的劳动力，钢管、扣件周转材料的需求量较大，这样就需投入较多的人工费、材料费，不经济，且高支模搭设施工速度慢，不能节省工期。另外，地下室顶板将承受上部结构和高支模架体较大的荷载，不利于结构安全。

2.2 方案二

在第5层结构底板上用工字钢制作悬挑受力构件，上设斜拉钢丝绳拉接悬挑工字钢或下设斜撑支撑工字钢，然后在悬挑工字钢上搭设钢管扣件式支模架，形成稳定可靠的支模体系完成高空大悬挑结构施工。

2.3 最优方案

根据该工程的实际情况，从满足施工的安全、质量要求，减少工期，节约成本等方面对两个方案进行综合分析对比。方案二的工作量小，用工、用材少，施工较快，成本较低且能够保证安全质量，明显优于方案一，故最终采用方案二。方案二主要优点如下：

（1）利用工字钢的轻便性，将高支模架转变为一般支模体系，减少了大量周转材料的浪费，节约了劳动力和材料，降低了建设成本。

（2）悬挑式工字钢支模架与高支模架相比，降低了安全风险，提高了施工速度。

（3）悬挑式工字钢支模架体系的荷载传递明确、工艺简单、性能稳定可靠、施工质量可控。

3 支模体系设计及施工技术

3.1 力学模型分析及工艺流程

方案二的承荷路径为预埋U型锚环体系→悬挑工字钢体系→模板支架体系→悬挑混凝土结构。以预埋U型锚环体系、悬挑工字钢体系和模板支架体系等为主要设计思路并进行相关验算。

工艺流程：施工准备→预埋U型锚环→安装悬挑工字钢→设置斜拉钢丝绳或斜撑→搭设钢管扣件支模架→铺设悬挑结构模板→绑扎钢筋→浇筑混凝土。

（1）受力计算。根据力学模型对高空悬挑支模体系进行构造分析和受荷计算，验算支模体系的局部与整体稳定性，计算构造细部节点的受荷大小。根据悬挑工字钢支模体系荷载传递特点建立计算模型，通过PKPM计算软件对悬挑支模体系进行整体受力分析，验算工字钢受力和悬挑支模体系的整体稳定性，验算结构板与工字钢锚固段的连接，确定U型锚环规格参数。根据工字钢设置的斜拉钢丝绳或斜撑情况，通过计算工字钢在受荷模型下的内力，以此确定斜拉钢丝绳或斜撑的规格型号参数。

（2）参数确定。根据计算结果确定该项目的高空悬挑支模体系的技术参数及规格型号，具体如表1所示。

表1 主要技术参数及规格型号单位：m

3.2 支模体系施工技术

（1）U型锚环体系。U型锚环的宽度根据工字钢规格型号确定，高度则根据工字钢规格型号和预埋结构厚度确定，型锚的两端留设不小于50mm的螺纹开口。U型锚环制作示意图如图1所示。

图1 U型锚环制作示意图

U型锚环根据工字钢布设位置预埋于悬挑结构下层结构板内，锚环安装于板底钢筋下并用1.5m长的2根Φ18mm钢筋压住锚环。悬挑工字钢U型锚环锚固构造如图2所示。前锚位置在建筑物边缘100mm以下，后锚位置在工字钢后端200mm和400mm处。前锚是为了保持工字钢整体稳固，后锚是为了承受荷载。

图2 U型锚环锚固构造图

（2）悬挑工字钢体系。将悬挑工字钢逐根穿进预埋的锚环内，每根工字钢的三个锚位用L63mm×6mm角钢压板与锚环通过螺帽连接，两个后锚环需用至少2个及以上螺帽连接。工字钢与锚环之间的间隙用楔子楔紧，保证悬挑工字钢的稳固。在工字钢悬挑端上根据支模立杆位置焊接厚度不低于10cm的Φ20mm钢筋头，用于限制立杆偏移。如果结构悬挑较长、自重大，仅凭悬挑工字钢不能满足悬挑结构的支模要求。该工程悬挑结构长2.7m，需要采取相应措施增加工字钢的承荷能力，以保证悬挑工字钢体系满足承受荷载要求。可增加工字钢受荷能力的方案主要有以下两种：①在工字钢悬挑端设置斜拉钢丝绳拉接于上部结构，以此增强工字钢的承载能力，此方案如图3所示。②在工字钢悬挑端设置斜撑，以此增强工字钢的承载能力，斜撑可采用工字钢或槽钢，其规格型号和支撑位置根据计算确定，此方案如图4所示。

图3 钢丝绳拉结工字钢示意图

图4 斜撑支撑工字钢示意图

该项目工字钢主梁采用斜撑支撑，其平面布置、侧面布置如图5、图6所示。

图5 工字钢平面布置示意图（单位：mm）

图6 工字钢侧面布置示意图（单位：mm）

（3）模板支架体系。悬挑工字钢体系安装完经验收合格后，开始搭设模板支架体系，搭设顺序如下：对准限位钢筋头立竖杆→搭设扫地杆→搭设水平杆→安装梁、板底大小横杆→调整顶托→安装小楞，铺设梁、板底模板→绑扎梁板钢筋→关梁侧模→验收→浇筑悬挑混凝土结构。

（4）悬挑混凝土结构浇筑。悬挑支模架体系经检查验收合格后方可浇筑混凝土，浇筑前应检查各连接部位相互之间是否连接牢固，如斜撑与钢底座的焊接处、悬挑工字钢与斜撑的焊接处，以及模板支架体系之间的连接是否稳固可靠。在浇筑过程中必须派人旁站观察，如发现异常下沉、松动和变形情况应立即停止施工，待查找出原因并及时妥善处理后才可继续浇筑。混凝土浇筑顺序遵循先浇筑非悬挑部位，再向悬挑端浇筑的原则，使支模架悬挑端缓慢受力，防止倾覆，确保悬挑支模体系安全。

（5）悬挑支模体系拆除。悬挑混凝土结构强度必须达到设计要求100%方可拆除悬挑支模体系，同时应避开异常恶劣天气。并且，拆除支撑体系前应组织安全技术交底。悬挑支模体系拆除时，应在地面设置警示标志和围栏，并设专人管理和看护。悬挑支模体系拆除遵循“后搭的先拆，先搭的后拆”原则，按照自上而下的顺序进行。

4 取得成效

该项目采用悬挑支模体系施工高空大悬挑结构安全可靠，没有发生安全事故且混凝土成型平顺，无开裂、变形现象，成型质量较好。同时，与搭设落地高支模架相比减少了钢管、扣件等周转材料的投入，减少了搭设架体和拆除工序的劳动力投入，也缩短了工期。通过与搭设落地高支模架对比估算，此方案节约成本约9万元，少投入工人约16人，工期节省约10d，综合效益显著。