基于支承悬挑桁架结构的免高支模贝雷架平台应用

王 磊

中亿丰建设集团股份有限公司 江苏 苏州 215131

1 工程概况

苏州博物馆西馆地上部分是由10个边长25 m的筒体构成的建筑群，筒体内部不设竖向结构，筒体角部设置厚800 mm剪力墙作为竖向结构，满足展馆所需的大空间。该工程4#筒体，地上3层，为满足建筑效果，在结构东北角，南北方向20.35 m、东西方向10.45 m范围内，2、3层结构悬空，如图1所示。该部位采用支承悬挑桁架结构，钢骨结构如图2所示。

图1 4#筒体整体结构模型

图2 4#筒体钢骨布置模型

4#筒体屋面结构梁主要截面尺寸为600 mm×1 250 mm、750 mm×1 200 mm，屋面结构施工时，需从1层楼面搭设满堂模板支撑架至屋面结构，搭设高度约25 m，同时对应区域的地下1层模板支撑架保留。采用该方式搭设模板支撑架，既增加了钢管的投入量，又影响了二次结构的施工。结合工程情况以及类似施工经验，拟在3层楼面设置免高支模贝雷架平台，从而降低模板支撑架搭设难度，同时为二次结构创造工作面。

2 免高支模贝雷架平台设计

2.1 转换平台方案比选

本项目贝雷架平台跨度大，所承受荷载大，贝雷架搁置端的选择决定了平台的安全、成本，因而需对搁置端的选型进行综合比选，为此，考虑了以下3种方案：

方案1：采用圆管柱作为平台支撑立柱，立柱传力至底板。根据贝雷架的平面布置，采用钢立柱＋搁置主梁作为墙板一侧的支座，由于圆立柱需设置在贝雷架与弦杆节点位置，因此钢立柱无法落在顶板框架梁上，直接落在楼面上，钢立柱位置需逐层加固，传力至底板。

方案2：采用圆管柱作为平台支撑立柱，传力至地下室顶板，顶板设置反梁。与方案1不同之处在于，钢立柱无须传力至底板，避免地下室区域的加固。该方案需在顶板设置贯通的钢筋混凝土反梁，作为钢管柱的基础，待转换平台拆除后破除基础反梁。

方案3：设置牛腿作为贝雷架平台搁置端。与楼面同标高位置，在楼面浇筑前，在剪力墙上预埋埋件，剪力墙模板拆除、达到设计强度后在埋件位置焊接钢牛腿，贝雷架转换平台一端搁置在钢牛腿上，待转换平台拆除后切除钢牛腿。

上述3个方案，其中方案1涉及较多地下室钢管加固回顶，且地下室钢管立柱安装困难；方案2需做现浇反梁，反梁体积大，浇筑、破拆成本较大；方案3最为经济、高效，但由于支承悬挑结构传力形式复杂，需进行结构复核。通过以上3个方案的比较，决定采用方案3，即采用临时牛腿作为贝雷架的搁置端。

2.2 转换平台的设计方案

2.2.1 屋面结构概况

4#筒体屋面为坡屋面，自⑩轴向⑨轴坡度为19.38%，屋面X向梁截面尺寸为600 mm×1 250 mm，Y向梁截面尺寸主要为600 mm×1 250 mm、750 mm×1 200 mm，其中⑩轴线上北侧4根、F 轴线上右侧2根劲性柱为悬挑桁架柱，标高为2层至屋面结构，劲性柱截面尺寸为800 mm×1 200 mm，屋面结构对应劲性柱位置各有1条框架梁。另外，3层楼面洞口净尺寸为19.0 m（X向）×23.7 m（Y向）。

2.2.2 贝雷架转换平台的设置

转换平台跨度越大，贝雷架所受荷载也随之增加，应力、挠度也相应增加，因而贝雷架转换平台沿X向架设，转换平台X向跨度由7片贝雷标准片组成（3.0 m×7＝21.0 m＞跨度19.0 m）。平台左侧搁置在3层结构楼面上，平台右侧搁置点分为2种情况：

1）由于⑩轴线上北侧20.35 m范围内为单梁（局部有柱），该区域的转换平台搁置在⑩轴框架梁上。

2）⑩轴线上南侧为厚800 mm剪力墙结构，该区域转换平台搁置焊接在剪力墙上的钢牛腿上，并通过双拼工字钢来调整贝雷架平台两端的标高。

由于框架梁的位置荷载较大，单榀贝雷架单元应尽量布置在X向框架梁投影位置。但由于⑩轴框架梁上有3根梁上柱（除角柱外），该工况下设置2榀贝雷架，分别布置在柱的两侧，布置时贝雷架应尽可能靠近，同时预留柱的施工作业空间。

待各榀贝雷架搁置完成后，在贝雷架上弦上沿Y向搁置通长的16#工字钢作为模板支撑架立杆的站脚，工字钢间距同立杆间距。根据上述布置原则，贝雷架平台的布置如图3所示，与屋面结构的相对关系如图4所示[1-2]。

图3 贝雷架转换平台平面布置示意

图4 贝雷架平台与屋面结构相对关系

2.2.3 贝雷架平台的设计计算

1）单榀贝雷架的验算。贝雷架单元所承受的荷载包括：梁板混凝土结构自重、模板体系面板及小梁自重、模板支撑架体自重、16#工字钢自重、施工荷载。根据贝雷架平台的布置，自北向南第2榀贝雷架所承担荷载最大，将上述荷载折算到该榀贝雷架上，每片贝雷梁所承受的线荷载为21.73 kN/m。根据贝雷架材料、尺寸参数，采用Midas Gen建立单榀贝雷架有限元模型，其中相邻贝雷片连接按销接考虑，支撑架与贝雷片按弹性连接设置，贝雷架搁置点位置约束Z向位移[3]。将线荷载作用在该榀贝雷架上。根据有限元软件计算分析，21 m跨度的贝雷架在平台自重及所受荷载作用下，跨中挠度为36.98 mm＜L/250＝19 000/400＝47.5 mm，贝雷架内各构件最大应力为284.20 MPa＜310 MPa，杆件应力云图见图5，同时根据软件计算，搁置端单个搁置点的最大反力为236.6 kN。

图5 单榀贝雷架应力云图

根据Midas Gen计算，贝雷架各杆件应力比最大为0.88。根据模型比较分析，应力较大的杆件集中在贝雷架搁置点附近的斜腹杆上，造成该部分杆件应力比偏大的主要原因是搁置点约束了Z向位移，从而造成应力偏大，其他杆件应力比均不超过0.7。

2）钢牛腿验算。根据有限元软件分析，贝雷架单元的单个搁置点的反力为236.6 kN，即作用在单个钢牛腿的集中力为23.66 t，需对钢牛腿的强度、连接焊缝以及埋件进行设计计算。所选用的钢牛腿采用“π”形截面，其中上翼缘厚20 mm，加劲板高度450 mm，材料等级Q235-B，牛腿翼缘和埋件的连接采用对接焊缝（坡口焊）连接，腹板和埋件的连接采用角焊缝连接，焊缝等级均为一级，见图6。埋件埋板尺寸25 mm×440 mm×720 mm，材料等级Q235-B，锚筋采用5排3列HRB400直径22 mm钢筋。根据牛腿所受荷载，牛腿腹板组合应力、腹板焊缝在控制点处的强度、埋件锚筋面积均满足要求。

图6 钢牛腿示意

根据上述贝雷架平台布置、贝雷架单元及牛腿复核，该转换平台满足要求，方案可行。

3 支承悬挑结构的复核

根据贝雷架转换平台的布置，最南侧2榀贝雷架单元采用钢牛腿支座形式，搁置在厚800 mm剪力墙上，其他贝雷架单元均搁置在⑩轴3层结构800 mm×1 500 mm框架梁上，且该梁属于支撑悬挑桁架的一部分。

当贝雷架搁置在3层结构梁时，整个4#筒体属于悬臂桁架结构形式，需对该工况下4#筒体的整体结构进行受力分析，避免因贝雷平台荷载作用在悬臂桁架架构上，从而造成结构破坏。

当结构施工至3层楼面，无贝雷单元荷载作用时，悬臂桁架结构因自重作用，端部下挠9.84 mm，结构内钢骨最大应力为40.96 MPa。

将贝雷架平台所受支座反力作用在悬臂桁架上，在该工况下对结构进行复核。

根据计算分析，贝雷架平台荷载作用下，结构端部下挠15.9 mm，如图7所示，小于设计所要求的端部起拱50 mm的要求。结构内钢骨最大应力为61.96 MPa，如图8所示，钢骨应力满足材料性能要求。

图7 4#筒体在荷载作用下的结构变形

图8 4#筒体在荷载作用下的钢骨应力云图

对⑩轴3层劲性梁裂缝进行验算，该劲性梁型钢为H1 100 mm×250 mm×25 mm×45 mm，在贝雷架平台荷载作用下，该劲性梁正截面受弯承载力、斜截面受剪承载力满足要求，最大裂缝宽度0.053 mm，满足要求。

通过上述对3层结构完成，贝雷架转换平台荷载作用工况下的支撑悬挑桁架结构复核，表明在屋面混凝土浇筑过程中，裂缝、变形等均未超过设计要求，结构安全可靠。

综上，该基于支撑悬挑桁架结构的免高支模平台在设计、施工上可行。

4 平台的加载过程模拟与实测分析

贝雷架平台作为市政工程常用构件，嫁接房建工程中较为少见，缺少相关施工经验。市政工程贝雷架平台所受荷载通过均布的搁置梁进行传递，荷载相对均匀，与房建工程中荷载作用值相对离散有所不同。因此在实施过程中，采用Midas Gen有限元软件模拟转换平台加载过程，反映平台变形、应力变化的理论值，与实际所测得的数值进行比较，积累相关施工经验[4-11]。

结合4#筒贝雷架平台的平面布置，现场实施时，在最南侧一榀贝雷架设置了2个位移监测点、3个应力监测点。

位移监测点分别位于贝雷架单元跨中1/4处、跨中1/2处，位移监测点均布置在下弦位置。应力监测点布置在牛腿搁置点处斜腹杆、贝雷架单元跨中上弦及下弦位置。

同时，平台的加载分为以下工况：平台搭设完成，工字钢搁置完成；模板支撑排架搭设完成，现浇面铺设完成；屋面梁板钢筋绑扎完成；屋面梁板混凝土浇筑完成。根据上述加载工况，得到模拟分析结果与实测结果如图9所示。

图9 加载过程贝雷架变形值对比

根据模拟值与实测值的对比分析，发现在模板排架搭设完成时（工况2），与Midas模拟值相比，贝雷架单元整体下沉约30 mm，通过观察分析，造成平台整体下沉的原因为楼面、边梁平整度存在问题，导致部分贝雷架下弦未完全与搁置楼面接触，存在脱空现象，在模板支撑架自重作用下，架体与搁置面的缝隙被压实，从而使架体整体下沉。同时，现场安排作业人员，将贝雷架平台与搁置面之间的间隙采用钢板填塞密实。另外，施工各阶段，实测的杆件应力值普遍比模拟值小12%～15%。

通过模拟值与实测值的对比，从屋面钢筋绑扎至混凝土浇筑完成，平台的变形均未超过模拟值，表明平台安全可靠。

5 结语

通过对已有施工方法的分析，提出钢牛腿＋贝雷架转换平台的形式，降低搭设高度，成功完成支承悬挑桁架的屋面结构的施工，并得出如下结论。

1）目前，贝雷架相关规范、标准主要为交通行业制定的JT/T 728—2008《装配式公路钢桥制造》、《装配式公路钢桥使用手册》等相关标准，上述规范中选择的贝雷架跨度、组合形式主要通过桁架所受弯矩、剪力所确定。由于该部分规范主要针对钢桥所编制，其荷载考虑到车辆启动、刹车时的荷载动力系数，因而缺少对民用建筑荷载布置的针对性。

2）本工程借助目前较为先进的有限元分析软件，将贝雷架所受具体荷载折算成线荷载进行分析，计算分析更为精确，从而将市政常用的贝雷架高效、经济地嫁接到房建工程中来。