大悬挑型钢模架和外架相结合技术设计与施工

2021-08-07曾金聪

山西建筑 2021年16期

曾金聪

(福建建工集团有限责任公司，福建福州 350000)

近年来随着城镇化建设的快速发展，形状怪异且结构复杂的高层建筑越来越多，对城市美观和视觉效果的追求越来越高，更多的异形建筑结合地方的建筑特色而被设计成象征性的建筑。可是建筑设计上的效果追求对结构设计和实际施工带来不少的难题，对于结构在高层(6层以上)悬挑长度超过一定范围时，型钢悬挑承重支模架和外架结合施工技术可以解决这类问题。

1 工程概况

长汀某广场一期A组团工程，由10幢16层～33层单体工程及裙楼组成。地上建筑面积为123 458 m2,1层地下室工程，地下室面积为19 071 m2。工程结构现浇钢筋混凝土框架剪力墙结构，由于该斜屋面和天沟结构悬挑为1.5 m，2.6 m,加上施工外架，该悬挑型钢梁挑长大于3 m,属危险性较大的分部分项工程，该大悬挑需要专项设计和论证，其具体设计计算以3号楼坡屋面及天沟悬挑混凝土结构模板支撑架及外架搭设在悬挑钢梁上作为设计的依据进行验算，其他幢号悬挑结构模板及外架搭设参照此执行。

3号楼2轴～3轴×B轴～E轴板及15轴～16轴×B轴～E轴坡屋面和天沟板和外架施工设计板厚为100 mm，天沟截面尺寸主要有：750 mm×500 mm，悬挑总长2 600 mm；标准层楼板厚度大于120 mm，坡屋面和天沟A轴～B轴×1轴～16轴板及天沟、坡屋面和天沟E轴～H轴×1轴～16轴板及天沟板和外架施工设板厚为100 mm，天沟截面尺寸主要有：750 mm×500 mm，悬挑总长1 500 mm。

本工程悬挑施工模板主要结构参数见表1。

表1 悬挑施工模板主要结构参数

本工程悬挑施工区域平面图如图1所示。

2 方案比较

方案一：钢管满堂架落地架，搭设高度超高，钢管用量大，不切合施工实际，不予考虑。

方案二：型钢桁架，考虑从框架梁、柱边预埋钢板然后进行焊接悬挑型钢桁架，要进行钢结构专业设计和施工，桁架型钢用钢量大，施工工期长，安装就位和拆除难度大，危险性较高，材料无法重复使用，费用较高。

方案三：采用钢丝绳斜拉悬挑型钢支模和外架相结合，施工设计计算简便，施工安装方便，型钢可以重复使用，费用较低，安全可靠，可以考虑使用。

结合本工程的特点，综合对比上述三种方案考虑施工工期以及施工简便易行、费用较低等特点，经过施工设计计算，选用双钢丝绳斜拉型钢支模和外架结合能满足施工要求。

3 大悬挑型钢支模架和外架相结合施工技术设计

3.1 斜屋面模板支架立杆荷载标准值的计算

模板支架搭设高度约为4.8 m，立杆的纵距b=1.20 m，立杆的最大横距l=1.20 m，立杆的步距h=1.50 m。作用于模板支架的荷载包括静荷载、活荷载和风荷载。

1)永久荷载标准值包括以下内容：a.模板支撑架体自重G1K=0.871 kN；b.模板的自重G2K=0.468 kN；c.新浇混凝土自重及钢筋自重G3K=2.41 kN 。经计算得到，永久荷载标准值G=3.749 kN。

2)活荷载为施工荷载标准值与振捣混凝土时产生的荷载。经计算得到，活荷载标准值Q=1.20 kN。

3)不考虑风荷载时,立杆的轴向压力设计值计算公式:

N3=1.35G+1.4Q=1.35×3.749+1.4×1.20=6.74 kN。

同理，N4=1.35G+1.4Q=13.636 kN；

N5=1.35G+1.4Q=10.366 kN。

3.2 外脚手架荷载标准值的计算

双排脚手架，搭设高度6.5 m，立杆采用单立管。立杆的纵距1.20 m，立杆的横距0.50 m，内排架距离结构2.45 m，立杆的步距1.50 m。采用的钢管类型为φ48.3×3.6，计算时按φ48×3.0计算。

3.2.1 静荷载标准值计算

1)外脚手架架体自重G1=0.87 kN；

2)本工程采用竹笆片脚手板，其自重标准值0.1 kN/m2；故脚手板自重G2=0.354 kN；

3)栏杆与挡脚手板自重G3=0.384 kN；

4)安全网等吊挂的安全设施自重G4=0.078 kN。

经计算得到，永久荷载标准值G=1.686 kN。

3.2.2 活荷载标准值计算

活荷载按JGJ 130—2011建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范第4.2.2章节中装修脚手架荷载取值。经计算得到，活荷载标准值Q=0.60 kN。

3.2.3 风荷载标准值计算

风荷载标准值应按照以下公式计算：wk=μz·μs·wo。

其中,基本风压wo=0.40 kN/m2；风荷载高度变化系数μz=1.50；风荷载体型系数μs=0.214。

经计算得到，风荷载标准值wk=0.128 kN/m2。

3.2.4 荷载效应组合

考虑风荷载时，底部立杆的最大轴向压力N=1.2G+0.9×1.4Q=2.779 kN；不考虑风荷载时，底部立杆的最大轴向压力N=1.2G+1.4Q=2.863 kN，取较大值计算N1=N2=2.863 kN。

3.3 悬挑型钢梁计算

3.3.1 采用悬挑模型计算

参考JGJ 130—2011建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范第6.10.4条“每个型钢悬挑梁外端宜设置钢丝绳或钢拉杆与上一层建筑结构斜拉结。钢丝绳、钢拉杆不参与悬挑钢梁受力计算，故悬挑型钢梁应按悬挑模型进行计算，悬挑主钢梁采用通用型号16号工字钢，其受力计算如图2所示。

经计算得悬挑钢梁剪力图见图3，弯矩图见图4，变形图见图5。

未设置钢丝绳斜拉时位移计算如表2所示。

表2 未设置钢丝绳斜拉时位移计算表

故采用悬挑构件模型计算时，杆端最大位移值达到78.95 mm，无法满足要求。

3.3.2 采用两跨连续梁模型计算

为了将钢丝绳参与受力计算且满足规范要求，本工程悬挑型钢模板支撑架采用两根钢丝绳固定，一用一备。这样既可以满足规范要求，也可以满足受力计算，水平钢梁选择16号工字钢。

悬挑钢梁的计算简见图6。

经过设置斜拉钢丝绳后按连续梁计算得到剪力图见图7，弯矩图见图8，变形图见图9。

设置斜拉钢丝绳时位移计算如表3所示。

表3 设置斜拉钢丝绳时位移计算表

外侧钢丝绳拉结位置支撑力为18.21 kN；最大弯矩Mmax=12.95 kN·m；杆件最大位移为4.4 mm，满足施工要求。

3.3.3 抗弯强度计算

主梁的抗弯强度σ=12.95×106/1.05/141 000.0+18.25×1 000/2 610.0=94.46 N/mm2<钢材抗压强度设计值[f]=205.00 N/mm2，满足设计要求。

3.3.4 整体稳定性计算

经过计算得到强度σ=12.95×106/(0.828×141 000.00)=112.02 N/mm2<[f]=205.00 N/mm2,满足设计要求。

3.3.5 钢丝拉绳的内力计算

水平钢梁的轴力RAH和拉钢绳的轴力RUi按照下面计算。

其中,RUicosθi为钢丝绳的拉力对水平杆产生的轴压力。各支点的支撑力RCi=RUisinθi。

按照以上公式计算得到钢丝绳拉力RUi=7.10 kN。

3.3.6 钢丝拉绳的强度计算

取钢丝拉绳的轴力RU的最大值进行计算，RU=24.43 kN。

钢丝绳的容许拉力按照下式计算：

选择拉钢丝绳的破断拉力要大于8.000×24.43/0.850=229.93 kN。

选择6×19+1规格钢丝绳，钢丝绳抗拉强度1 400 MPa，直径φ15.5 mm，满足要求。

3.3.7 钢丝拉绳吊环的强度计算

取钢丝拉绳的轴力RU的最大值作为吊环的拉力N,N=RU=24.43 kN。

钢板处吊环强度计算公式为:

所需吊环的最小直径D=[7 103×4/(3.141 6×65×2)]1/2=15.3 mm。

根据JGJ 130—2011建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范第6.1.4章节中说明，选取吊环直径为φ20 mm，满足要求。

4 悬挑钢梁支模架和外架的施工构造要求

1)型钢悬挑脚手架的型钢采用16号工字钢，标准型悬挑钢梁总长7 087.5 m，悬挑长度3 150 m，锚固长度3 937.5 m；非标准型悬挑钢梁可根据现场实际调整尺寸，但应满足锚固长度不小于1.25悬挑长度的要求。悬挑脚手架立杆纵向间距1 200 mm，横向间距500 mm，大横杆步距1 500 mm。

2)沿支模架外侧周圈由下至上设置竖向连续式剪刀撑，中间纵横向剪刀撑按规范要求设置，竖向剪刀撑杆件的底端与钢梁顶紧；在支撑架的顶部和扫地杆处各设置一道水平剪刀撑，夹角为45°～60°。坡屋面悬挑2 600 mm模架支撑立面图如图10所示。

5 施工技术措施

模板支撑架立杆必须落在悬挑16号工字钢上，悬挑长度3 150 mm，锚固长度3 937.5 mm；非标准型悬挑钢梁可根据现场实际调整尺寸，但应满足锚固长度不小于1.25悬挑长度的要求；定位点采用直径25 mm～30 mm的钢筋或短管竖直焊接长200 mm；钢丝绳采用直径不得小于14 mm(本工程采用6×19+1规格的钢丝绳直径为15.5 mm)，钢丝绳卡不得少于3个；预埋吊环应使用HPB235级钢筋制作，其直径不小于20 mm。扫地杆离地面200 mm，立杆伸出顶层水平杆高度为300 mm，水平剪刀撑在底部扫地杆位置和架体顶部各设一道，共2道，竖向剪刀撑在四周梁位置且不超过7根立杆设置，角度为45°～60°，立杆顶部设置顶托，顶托螺杆伸出钢管顶部不应超过200 mm，模板支架和外架要按规定设置连墙件和建筑物进行可靠的刚性连接。