盘扣式脚手架在双曲面大跨度现浇箱梁支撑体系中的应用
2022-05-27刘辉李文杰徐陈成
刘辉 李文杰 徐陈成
0 引言
脚手架从扣件式钢管脚手架、碗扣式钢管脚手架逐步发展到轮扣式脚手架及盘扣式脚手架,其中盘扣式脚手架以其定型化生产、搭设拆除便捷、安全性能好等特性而得到推广应用,本文以某双曲面大跨度现浇箱梁的支撑系统应用为例,介绍了盘扣式脚手架在实现特殊工艺时的应用方案及注意事项。
1 工程概况
某工程为遗址保护与展示项目,2021 年初开始施工,结构形式为地下一层,建筑面积约4 000m,其中底部约1 000m不设置底板,作为地下遗址展示保护使用。该项目东西方向长度约为75m,南北方向长度约为50m,盖体跨度36m 左右,净空为2.7~7.8m。侧墙采用C35P6 清水混凝土;框架柱主要为1 500mm×1 500mm 矩形和直径600mm 圆形柱,采用C50 清水混凝土;因项目功能需要,顶板主要为双曲面大跨度箱梁形式,梁高2 000mm,梁顶宽2350mm,梁底宽1 200mm,采用C40P6微膨胀混凝土。项目平面布置如图1 所示。
图1 项目平面示意图
2 盘扣式脚手架布设方案
2.1 该工程支架系统的重难点
顶板双曲面箱梁采用盘扣式满堂支架作为其支撑体系,支撑体系的安全性、牢固性及可靠性是工程重点;双曲面箱梁的跨度为36m,梁的起拱高度以及曲面变化如何在支架系统中实现是工程难点。
2.2 支架工况设计
2.2.1 盘扣式支架性能概述
承插型盘扣式支架具有结构简单、合理轻巧、承载力高、稳定性好、安全系数高、容易操作、可快速组装拆卸、节约用工的优点,同时支撑架自锁能力强、无零散扣件、不易丢失且耐用性高、外形美观。
承插型盘扣式钢管支架由立杆、水平杆、斜杆、可调底座及可调托座等构配件构成。根据其用途可分为模板支架和脚手架两类。其结构形式为水平杆和斜杆采用杆端扣接头卡入连接盘,用楔形插销连接,形成结构几何不变体系的钢管支架。
本工程采用的盘扣式脚手架杆件立杆直径为φ60.2mm,壁厚为3.2mm 材质为Q 345;横杆材质为Q235,管径为φ48mm,管壁厚为2.5mm;斜杆材质为Q235,管径为φ42mm,管壁厚为2.5mm,架体连接形式均采用圆盘型扣盘与卡钳型楔销锁紧固定。
2.2.2 满堂支架设计概况
(1)荷载类型
①混凝土自重荷载标准值(代号:①):钢筋混凝土容重:26kN/m。
②模板及支架体系自重荷载标准值(代号:②):木模板面板15mm 竹胶板模板自重荷载标准值:0.12kN/m;钢材容重:γ 钢=78.5kN/m。
③施工人员、材料及施工机具荷载:计算盘扣架立杆荷载时q=1kN/m。(代号:③)。
④振捣混凝土时产生的荷载:水平面板q=2.0kN/m,垂直面板模板q=2.0kN/m(代号:④)。
⑤浇筑混凝土时产生的冲击荷载:q=2.0kN/m(代号:⑤);
(2)荷载组合
(3)双曲面梁盘扣架单根立杆承载力检算
立杆为直径60mm,壁厚3.2mm 的Q345 钢管。双拼Φ48×3mm 钢管横梁受到的支反力即为作用在钢管上的竖向力。考虑立杆的制作缺陷、锈蚀等,计算时钢管直径取为60.0mm,壁厚取为3mm,则截面面积A=5.372cm,立杆的截面回转半径i=2.018cm,立杆截面模量W=7.293cm;立杆材料的强度设计值为f=300MPa。支架整体模型如图2 所示。
图2 支架整体模型(单位:kN)
考虑立杆与横杆、斜杆自重的增大系数为1.1,计算出立杆所承受的最大轴力值为Nmax=1.1×36.7=40.4kN。
单根立杆极限承载力根据《建筑施工承插型盘扣式钢管支架安全技术规程》5.3.2 可知,计算公式取=和=′ +2较大值,其中取1.20,′取100cm,k 取0.7,a 取60cm,步距h=150cm。
因此计算长度=184cm,则立杆的长细比为:
查表可得稳定系数φ=0.542。
不考虑风荷载时,立杆的容许承载力为:
其中la 为立杆的纵距(m),h 表示水平杆竖向最大步距(m)
立杆稳定性应满足:
因此立杆的容许承载力为:
3 双曲面大跨度梁支架系统施工
3.1 支架系统稳定性
根据设计计算,双曲面箱梁高2 000mm,梁顶宽2350mm,梁底宽1200mm,梁底主要采用15mm 厚竹胶板,次龙骨采用50mm×100mm 方木,顺梁方向布置,间距为100mm,为保证箱梁的线条造型,主龙骨采用Φ48mm×3.5mm 双拼钢管,垂直梁方向布置,间距为1.2m。梁下采用满堂盘扣式支架,横距0.6m,纵距1.2m,步距1.5m,为保证每片箱梁下方有四根立杆支撑,局部可将横距调整为0.3m。立杆距墙面小于400mm,保证主次龙骨外挑长度小于400mm。箱梁两端各3m 为实心梁段,实心梁段下满堂盘扣支架横距同空心段满堂盘扣支架,纵距0.9m,步距1.5m。
箱梁腹板外侧模板采用15mm 厚竹胶板,背带采用50mm×100mm 方木,顺梁方向布置,间距为100mm,背带外侧采用Φ48mm×3.5mm 双拼钢管,竖向布置,间距0.6m,共布置2 道。模板加固采用Φ16mm 对拉杆,横向间距0.6m,竖向间距0.6m,共布置2 道。箱梁间凹槽部位增加两道扣件式钢管脚手架作为顶板支撑,由地面起,顶至顶板。垂直梁方向间距200mm,顺梁方向间距同满堂盘扣支架,与盘扣架体通过扣件连接。扣件式钢管脚手架横杆竖向间距600mm,与箱梁外侧双拼钢管用扣件连接为整体。若盘扣式脚手架能顶至顶板,则使用盘扣式脚手架代替扣件式脚手架(如图3 所示)。
图3 支架示意图
箱梁间梯形截面封板侧模外侧采用15mm 厚竹胶板,背带采用50mm×100mm 方木,垂直梁方向布置,间距为100mm,背带外侧采用Φ48mm×3.5mm 双拼钢管,竖向布置,间距0.6m,共布置2 道,模板加固采用Φφ16mm 对拉杆,横向间距0.6m,竖向间距0.6m,共布置2 道。内侧模板采用15mm 厚竹胶板+50mm×100mm 方木组合成封闭箱型,内侧模板采用15mm 厚竹胶板+50mm×100mm 方木组合成封闭箱型,箱子次楞使用50mm×100mm 方木,垂直梁方向布置,间距150mm。单榀架体竖向与横向方木支撑间距均为150mm,并用剪刀撑固定。每榀架体间距600mm,架体间附加50mm×100mm 方木剪刀撑固定(如图4 所示)。
图4 双区面箱梁梯形封板处模板支架示意图
3.2 双曲面梁的支架系统曲面控制
3.2.1 双曲面梁的设计曲线
不拘一格,大胆尝试.—种、两种、三种……,出现了许多教师未曾预设的连接方法,其中包括在区间(a,b) 内有单一零点的函数图象(单调或不单调),也有多个零点的函数图象;有用线段连接的(如图4,5等),有用曲线段连接的(如图6,7,8,9等),还有因为没有注意到条件要求而画错的图形(如图7),这有利于纠正部分学生对函数概念理解的偏差.教师用实物投影展示(限于篇幅,文中只给出以下几种连接方法).
本结构顶板箱梁为双曲面梁,X 向跨度为67.2m,Y 向跨度为36m。X 向1~2 轴为平整段,2~8 轴为变坡段,5~6轴为最高点,顶标高为8.6m。Y 向自A 轴向B 轴11.25m 为变坡段,斜率详见双曲面量X、Y 向标高示意图(图5、图6)。
图5 双曲面梁X 向标高示意图
图6 双曲面梁Y 向标高示意图
3.2.2 支架系统实现设计曲线的难度。
(1)地基的不均匀沉降可能导致箱梁的线形达不到设计要求。
(2)如何加固双曲面梁的支撑体系,保证双曲面梁成型后线型光滑。
3.2.3 现场实际做法
(1)由于遗址大厅、考古大厅两处为考古遗址,没有底板基础,盘扣支架直接坐落在原地表上。且原地面为考古工作后的回填土,地基承载力小。地基的不均匀沉降可能会导致箱梁的线形控制达不到设计要求。为了尽可能消除地基的不均匀沉降,同时保护遗址大厅及考古大厅的考古遗址,首先对140cm 厚的土体进行分层回填。第一层采用30cm 厚细砂回填,用于保护文物,第二层采用100cm 厚砂夹碎石回填,用于增加承重荷载,并用压路机进行夯实。回填后由试验室在支架搭设的范围内对地基承载力进行检测,出具《地基承载力检测报告》。试验数据可得支架搭设范围的地基承载力约为100kPa。再在地基表面硬化C20 混凝土垫层,增加立杆的基础底面积。经过计算得出,当垫层的厚度为25cm 时,地基承载力才能满足盘扣支架的搭设要求。施工垫层混凝土时要注重找平,统一高程,以便于盘扣支架体系的搭设。
(2)双曲面梁的线形控制主要通过调节竖杆顶托的高程来实现。在X 方向上,24 片箱梁通过翼缘板连接形成弧形,各箱梁底板依旧为水平段,可根据双曲面梁X 向标高示意图给出的高程控制线型。在Y 方向上,由于箱梁为平滑曲线,因此各竖杆顶托的高程均不相同。通过建模的方式,得出曲线段各盘扣支架顶托的高程。由于设计图纸要求,大跨梁施工时需预起拱1/250,根据计算得出相应立杆顶托预拱后的标高,调整相应立杆的顶托高度来控制线形。
(3)为保证成型后的混凝土线形效果,消除支架非弹性变形对线形的影响,需对盘扣支架体系采取预压措施,其间要做好堆载和监测工作。在X 方向上,设置5 个监测点,呈对称布置。在Y 方向上,每隔1/4 跨径应布置一个监测断面,共计25 个监测点。安排专员对加载前的各监测点进行监测,得出测量数据H。预压过程持续两天,每天对支架进行两次的监测,分析支架的沉降状况。待沉降稳定后,得出测量数据H。随后对支架体系进行卸载,在卸载6h 后对各监测点数据监测,得出测量数据H。通过数据分析,可得非弹性变形量为H~H,弹性变形量为H~H。根据求得测量数据及设计数据确定合适的预拱度及挠度,从而确定最终预拱度。
(4)盘扣支架拆除后,每两天对各监测点进行沉降监测,整理成沉降观测记录表,收集分析双曲面梁的沉降变化。
4 结语
2021 年9 月,该工程混凝土达到强度,待支架系统拆除后对梁的底部成型效果进行了检查,完全达到了双曲面梁的设计意图,线形平滑美观,彰显匠心工艺。本文围绕盘扣式支架体系在双曲面梁的运用展开分析,总结了双曲面梁线形控制的重难点,针对性地提出了一些切实可行的实操方案,确保双曲面梁工程的施工质量。