逐层外挑高层混凝土结构的施工

2022-09-06张友杰周承航

建筑施工 2022年6期

苏秋姜欣张友杰郭春周承航吉剑

中国建筑第八工程局有限公司总承包公司上海 201204

型钢外悬挑防护脚手架因其安全可靠、周转快、节省成本、节约工期等特点被广泛应用在高层建筑施工中。采用型钢外悬挑脚手架作为高层悬挑结构施工的支撑结构和外防护脚手架则比较少见，将型钢外悬挑脚手架应用于逐层向上悬挑的高层混凝土结构的施工对型钢和已浇筑结构的持力要求更高。对于高层逐层向上悬挑混凝土结构的施工，采用逐层搭设型钢外悬挑脚手架作为结构的支撑和外防护脚手架可以解决施工问题，但不经济、搭拆烦琐、影响施工进度[1-4]。

本项目采用了型钢和斜立杆扣件式钢管支模架组合的支模体系，有效解决了上述问题。但由于型钢悬挑长度大（3～5 m）、持力荷载大，需要在型钢挑梁下方设置斜支撑措施，并对悬挑型钢主梁和连梁的强度、抗剪、挠度和支座反力进行验算，还要对斜钢管支模架进行验算，验算立杆的长细比、稳定性，扣件的抗滑移及架体抗倾覆，斜钢管支模架的混凝土支撑梁的强度、挠度及支座反力，面板的强度、挠度及支座反力等。

1 工程概况

A03C-02地块新建办公楼工程（图1）位于上海市浦东新区世博园区A地块。工程地下4层，地上17层，层高4.50～6.35 m不等，屋面结构标高78.15 m。工程外立面先收后张，9层至屋面层南侧的混凝土结构均有不同程度悬挑，9层至15层单层悬挑距离约1 m，15层至屋面层单层最大悬挑距离为2.3 m，且每层悬挑距离最大位置均集中在转角处。

图1 外立面效果图

2 工程重、难点

1）本工程造型复杂，外立面先收后张，9层至屋面层为多层连续大跨度异形悬挑混凝土结构，不利于支撑架体及外围护脚手架的垂直搭设。

2）9层至屋面层的异形悬挑混凝土结构转角位置角度较小，不利于脚手架悬挑型钢的排布。

3）不同楼层不同位置的悬挑距离不一致，且每层悬挑距离最大位置均集中在转角处，单层最大悬挑距离为2.3 m，结构外挑尺寸大，结构施工困难。

4）悬挑混凝土梁的最大截面为700 mm×1 100 mm，且悬挑结构同时存在封边梁与幕墙梁，致使悬挑结构局部荷载过大，相应地对支模架承载能力要求高。

5）封边梁为悬挑结构，且是上一层悬挑工字钢的主要受力支撑点，需充分考虑结构安全受力。

6）项目施工进度安排比较紧张，幕墙龙骨施工需要利用外围护脚手架，致使外围护脚手架需与结构距离450 mm，不利于安全防护。

3 支模架设计

3.1 总体设计思路

9层至屋面层悬挑结构标高在37.35～78.15 m之间，若采用落地式满堂支撑架的支撑体系，由于南立面为先收后张的异形曲面结构，导致不同部位的支撑架立杆会坐落于1—7层中不同楼层结构的板面上，致使支撑架的整体稳定性差，不满足安全验算要求。若采用悬挑桁架式支撑，则需耗费大量型钢和劳动力，从而会产生大额的施工措施费用，经济性较差。

本工程从9层至屋面层多层连续悬挑，9—15层单层悬挑距离约1 m，16、17层最大悬挑距离为2.3 m，屋面层悬挑距离为1 m。针对此特点，本工程总体施工部署为：9—15层采用斜立杆扣件式钢管支模架；15层至屋面层采用型钢悬挑支模架与斜立杆扣件式钢管支模架组合的支模体系。本文着重介绍16层至屋面层的组合支模设计与施工。

3.2 9—15层悬挑结构的支模架设计

9—15层单层悬挑距离约1 m，采用如图2所示的斜立杆扣件式钢管支模架，结构计算满足安全要求，施工简便，仅需针对多层连续悬挑结构，将外围护架体的悬挑工字钢加长，并在超过3 m的工字钢下方设置斜撑即可。

图2 梁底斜立杆剖面示意

3.3 16层至屋面层悬挑结构的组合支模设计

3.3.1 16层平面组合支模

16层最大悬挑距离为1.5 m，封口梁尺寸为300 mm×800 mm。通过安全计算，可将悬挑区分为3个施工段。对于悬挑距离小于1 m的混凝土结构采用斜立杆扣件式钢管支模架即可满足受力要求；当混凝土结构悬的挑距离超过1 m时，若采用斜立杆扣件式钢管支模架，由于立杆倾斜角度过大，不能满足受力计算，需采用型钢悬挑支模架形式。

型钢悬挑主梁采用28a#工字钢，悬挑长度2.6～3.1 m，工字钢纵向间距为1.5 m，悬挑方式为连梁悬挑，连梁采用3根16a#工字钢，纵向间距为300 mm（视悬挑结构梁下立杆间距而定）；型钢悬挑主梁下方增设斜向钢支撑，钢斜撑采用22a#工字钢，支撑件上下固定点水平距离为3 300 mm，垂直距离为4 500 mm；锚固方式采用φ18 mm的U形锚固螺栓。

3.3.2 17屋面层空间立面组合支模

17层结构最大悬挑距离为2.3 m，屋面层结构悬挑距离为1 m。由于屋面悬挑梁的最大截面为700 mm×1 100 mm，且悬挑结构同时存在封边梁与幕墙梁，致使悬挑结构局部荷载过大，同时屋面层支模架的受力点主要为17层的悬挑封边梁，为保障支模架的安全可靠，故在17层和屋面层采用空间立面组合支模体系。

空间立面组合支模体系主要由3部分组成：第1部分为斜支模体系，斜钢管底端固定在17层结构板面，顶端与悬挑梁梁底支撑杆通过构件固定，斜支模架体沿梁方向间距为900 mm，倾斜角度控制在15°以内；第2部分为型钢悬挑支模体系，悬挑主梁采用28a#工字钢，位于16层顶板。工字钢悬挑3～5 m不等，间距为1.5 m，悬挑方式为连梁悬挑，连梁采用16a#工字钢，纵向间距为1 500、300 mm（视悬挑结构梁下立杆间距而定），连梁上布置承重立杆，作为屋面层悬挑结构主要承重杆件，间距为900 mm。

为了确保工字钢主梁不因荷载过大发生挠曲变形，主梁下方适当位置需要设置钢支撑。支撑方式为下撑，采用22a#工字钢，支撑工字钢底端采用封边梁预埋焊板，通过焊接方式固定在15层结构上。顶端通过焊接方式与28a#工字钢主梁固定，焊点位置距悬挑边2 m且不大于工字钢主梁悬挑距离的1/3为宜。

悬挑主梁锚固方式采用φ18 mm的U形锚固螺栓。斜支模体系与型钢悬挑支模体系间隔布置，确保架体整体受力安全可靠；第3部分为型钢悬挑脚手架外围护体系，悬挑脚手架工字钢布置形式同型钢悬挑支模体系所述，悬挑脚手架步距为1.8 m，横距为0.8 m，纵距为1.5 m。悬挑脚手架架体距结构边400 mm，以保证结构施工及外幕墙龙骨安装必要操作空间需要。

为增加空间立面组合支模体系整体稳定性，需采取必要的防倾覆措施。主要有：

1）28a#工字钢悬挑主梁末端及中部适当位置埋设φ18 mm的U形压环，并通过螺栓与压板使工字钢与U形压环可靠连接，工字钢末端压环数量不少于4只，中部压环数量不少于1只，压环间距不大于200 mm为宜。

2）悬挑工字钢主梁在楼层内除采用U形压环进行固定外，还需增设1道水平杆构造，使支撑架非悬挑部分内架与悬挑部分架体形成一个整体，加强架体的整体稳定性。具体做法为在工字钢上口按照内排架立杆间距设置相同道数的水平扫地杆，扫地杆标高与工字钢上口标高相同，即除圆钢外再用扫地杆将工字钢固定在楼板上。

4 安全计算

组合支模架体的计算分为2个部分，第1部分为斜钢管支模架的计算，第2部分为型钢悬挑3～5 m的支模架的计算。

4.1 斜钢管支模架的计算

斜钢管支模架的混凝土梁支撑方式为梁一侧有板，梁底小梁平行梁跨方向。面板验算按简支梁计算，强度、挠度及支座反力均满足要求。

小梁计算按二等跨连续梁计算，得小梁最大荷载为7.575 kN/m，梁底支撑小梁所受最大支座反力依次为1.885、2.841 kN，小梁和主梁的强度、挠度及支座反力均满足要求。立杆的长细比、稳定性，扣件的抗滑移及架体抗倾覆验算均满足要求。

4.2 型钢悬挑3～5 m的支模架的计算

悬挑方式为连梁悬挑，各排立杆传递至连梁上集中荷载设计最大值为14.3 kN，均布荷载0.246 kN/m，连梁的计算模型为二等跨连续梁，连梁的强度验算、抗剪验算、挠度验算和支座反力验算均满足要求。

各排连梁传递至主梁的集中荷载设计最大值为34.424 kN，均布荷载0.521 kN/m，主梁的强度验算、抗剪验算、挠度验算和支座反力验算均满足要求。

下撑杆件采用22a#工字钢，下撑杆件角度为53.746°，下撑杆件最大轴向力为135.811 kN，长度为5 580.323 mm，经验算轴心受压稳定性结果满足要求。

悬挑主梁相关力学性能满足要求。

5 组合支模体系施工

组合支模体系施工工艺流程主要分为6个部分：预埋埋件、型钢组合架预拼装、型钢组合架安装、型钢组合架与结构固定、组合模架搭设、组合模架拆除。

5.1 预埋埋件

型钢悬挑支模架与斜立杆扣件式钢管支模架组合的支模体系施工的关键在于型钢悬挑主梁平面布置的准确合理，而型钢悬挑主梁平面布置的关键在于预埋U形压环和工字钢斜撑的准确无误。因此预埋U形压环和斜撑底部埋板的放线定位工作尤为重要。

首先，需要通过BIM技术对整体支模体系进行建模，确定悬挑工字钢主梁及预埋压环、斜撑底部埋板的准确位置，绘制预埋压环、埋板定位图纸。

其次，在预埋层结构层模板施工完成后，利用经纬仪在模板上测放出压环、埋板具体位置并完成安装。值得注意的是埋板与压环的埋设并不在同一结构楼层。

最后，在混凝土浇筑之前对压环、埋板的位置做最后的复核，确保安装准确。

5.2 型钢组合架预拼装

由于型钢主梁与工字钢斜撑质量较大，高空拼装操作困难，施工质量与安全难以控制，故采用型钢主梁与工字钢斜撑地上预拼装，整体吊装的形式完成安装。

首先在平整场地上放置胎架，按预先计算好的工字钢长度、角度及焊接位置将斜撑杆件与悬挑工字钢焊接，并在工字钢上写明编号，同时焊接3个吊耳，以便后续的吊装和焊接。

5.3 型钢组合架安装

工字钢利用塔吊进行垂直运输，本工程塔吊为STT293，最大吊重3.0 t，尖端吊重1.8 t。

5.3.1 工况分析

28a#工字钢线质量为43.4 kg/m，悬挑工字钢最长为9 m，质量为390.6 kg，22a#工字钢线质量为33 kg/m，工字钢斜撑最长为5 m，质量为165 kg，拼装完成后总质量为611.7 kg，满足塔吊吊装。

5.3.2 型钢组合架吊装与安装

型钢组合架采用单点吊装，双点调节的方式进行安装。

首先运用钢结构深化建模软件Tekla Structures在组合架制作前分析构件重心位置，制作吊装吊耳用以实现塔吊吊装。在型钢主梁与工字钢斜撑末端制作调节吊耳，用以通过倒链装置调节构件在空中位置，使主梁、工字钢斜撑分别准确地就位于预埋压环、预埋埋板上。吊耳位置如图3所示。

图3 型钢支撑吊耳示意

5.4 型钢组合架与结构固定

型钢组合架就位后，悬挑主梁通过螺栓与预埋U形环进行固定。单只环螺栓数量不少于2个，螺栓拧紧后，丝扣外露部分不少于3扣；工字钢斜撑底端通过焊接形式与结构预埋板焊接，焊接采用现场手工焊的形式，焊缝高度为8 mm。型钢组合架与混凝土结构固定牢固后，在悬挑工字钢主梁上按测量定位的控制线焊接连梁，并在连梁上焊接10 cm高的钢筋，纵向间距为立杆间距900 mm，将钢管套入钢筋头，防止跑位。