高空超限型钢混凝土梁本体悬挂平台支模技术研究

李文盛 张继承 何磊 徐光

高空超限型钢混凝土梁本体悬挂平台支模技术研究

李文盛1，*张继承1何磊2徐光2

（1.长江大学城市建设学院土木与工程管理系，荆州 434000； 2.湖北省工业建筑集团安装工程有限公司，武汉 430056）

高空大跨钢筋混凝土结构的现浇施工难度较大，其模板支撑脚手架的悬空布设及荷载传递是技术难点。以造粒塔百米高空浇筑大跨型钢混凝土梁为研究案例，借助结构层中尚未浇筑混凝土的型钢梁自身较高承载能力，采取悬挂施工平台支模及分层浇筑技术，解决高空现浇作业的施工难题。其安全、经济、易操作、高质量等优势在实际施工中得到验证。

高空现浇施工， 型钢混凝土梁， 悬挂施工平台， 混凝土分层浇筑

0 引 言

造粒塔是生产化肥尿素的工业构筑物，生产工艺要求在塔内顶部百米高空现浇多层钢筋混凝土楼板作为设备层，其施工难点在于模板支撑脚手架工程（下文简称支撑架）的搭设。由于首层离地高度过大（净高95.0 m），采用落地满堂架不现实，支撑架的高空布设成为唯一选择。传统高空布设支撑架的施工方法主要有：①另行搭设钢结构桁架梁作为施工层［1］，该方法造价高、高空吊装拆除困难；②利用整体滑膜刚性平台作为施工层［1］，该方法工艺复杂、滑膜设备租赁周期长、费用高；③张拉钢丝绳绷床做施工平台，该方法竖向变形大，施工质量难以控制；④采用吊模施工［2］，该方法缺少下层施工作业平台，高空作业风险大、吊点多、施工困难。结合现场工况，经过优化和计算，提出借用尚未浇筑的型钢混凝土梁中的劲性骨架作为受力构件，采取“高空超限型钢混凝土梁本体悬挂平台支模技术”，并在实际工程中成功实施。

1 工程概况

湖北中化东方肥料有限公司造粒塔（20万吨/年）项目，位于湖北省荆州市江陵县工业园，其主体工程由方塔（梯井塔）和圆塔（造粒塔）组成，建筑平面、剖面示意见图1、图2。其中圆塔为筒体剪力墙结构，总高120.2 m，内径18 m，剪力墙厚250 mm，混凝土等级C35；圆塔内标高95.000m以下无楼层，从标高95.000 m开始连续浇筑6层跨度18 m，宽度6 m的设备层。由结构设计图纸可知（图3），标高95.000m的首层设备层（喷淋层）为现浇钢筋混凝土结构，其主梁为500 mm×1500 mm型钢混凝土梁（内含型钢劲性骨架HN1200×300，下文简称劲性型钢）。依据建办质〔2018〕31号文《危险性较大的分部分项工程安全管理规定》判定，其混凝土模板支撑工程属于超过一定规模的危大工程（搭设高度8 m及以上，或搭设跨度18 m及以上，集中线荷载20 kN/m及以上），其支撑架的悬空布设与荷载传递成为施工难点。

图1　喷淋层建筑平面

图2　造粒塔建筑剖面

图3　喷淋层结构平面

2 工法原理

为解决喷淋层结构现浇施工的支模难题，借助悬索桥原理衍生的“高空超限型钢混凝土梁本体悬挂平台支模技术”，巧妙利用劲性型钢自身较高的承载力和刚度，通过钢丝绳吊挂形成模板脚手架的受力平台兼做施工平台（标高91.000 m、跨度18 m、宽度9 m），在施工平台上搭设支架承托喷淋层的结构模板，施工过程的全部荷载通过钢丝绳反向传递给型钢梁本体承担。

3 工法步骤

3.1　施工平台的施工

（1） 吊装施工平台的4根主梁（HW294×200@3000），并利用2根顶端固定在塔壁的斜拉钢丝绳（D14）辅助施工定位及临时受力（图4）。

（2） 在施工平台主梁上面横向焊接次梁（槽钢16a@800），垂直次梁满铺50 mm厚木垫板，至此在标高91.000 m形成吊桥式施工平台（图5）。

图4　施工平台

图5　施工平台仰视现场图

3.2　劲性型钢的吊装与拼接施工

结合吊装能力和施工可行性，在标高94.420 m分3段吊装劲性型钢（HN1200×300@6000，见图6。

图6　型钢梁施工示意图

劲性型钢两个边段的梁端插入塔壁预留孔内并与预埋钢板点焊就位，并采用1根顶端固定在塔壁的斜拉钢丝绳（D14）辅助定位及临时受力，见图7。

图7　型钢梁分段吊装

借助91.000 m施工平台和移动支架完成劲性型钢的边段与中段的空中拼接（焊接+高强螺栓连接），确保分段梁连成整体等强的劲性骨架，见图8。

图8　型钢梁拼接

3.3　吊桥式施工平台的悬挂施工

在劲性型钢上面横向铺设5根上横担梁（HM400×300@3000），每根上横担梁悬挂4根钢丝绳对应吊住4根施工平台主梁（图9、图10）。悬挂施工平台的钢丝绳吊点共计20个，其中需穿过现浇楼面的10根钢丝绳采取预埋PVC套管方式进行保护。

图9　施工平台纵向剖面

图10　施工平台横向剖面

3.4　支撑架的搭设与混凝土的浇筑

（1）在施工平台上搭设首层支撑架体系（扣件式钢管满堂支架），进行喷淋层（标高94.950 m）的混凝土浇筑。

（2） 待混凝土强度达标后，继续搭设第二层支撑架（第一层支撑架仍需保留），为浇筑第二层（标高99.450 m）做准备（见图11、图12，图11中标高为结构标高，比建筑标高低50 mm）。

图11　支撑架布设立面图

图12　支撑架布设现场

（3） 其余楼层施工方法类似，均采用其下层已经形成强度的楼层作为本现浇层支撑架的持力层。

4 安全性验算的几个关键问题

4.1　型钢混凝土梁本体悬挂平台的荷载传力途径

荷载传力途径如下：现浇层自重—模板支撑架—施工平台—钢丝绳—上横担梁—劲性型钢—塔壁剪力墙。

4.2　荷载统计及支撑架安全等级[3]

施工平台承受的荷载主要包括永久荷载和可变荷载，其中永久荷载包括：①吊桥式施工平台系统的自重；②模板支架体系自重；③喷淋层新浇混凝土自重和钢筋自重。可变荷载包括：①施工荷载（按2.0 kN/m2取值）；②施工人员及施工设备产生的荷载（按1.5 kN/m2取值）；③塔内施工，风荷载不考虑。支撑架结构安全等级Ⅰ级，重要性系数0=1.1。

4.3　钢丝绳的安全系数

钢丝绳负责将吊桥式施工平台的全部荷载传递给上横担梁（图11），是本工程的生命线。综合国家及行业现行相关的技术规范和标准［4-6］要求，本工程钢丝绳材料选用纤维芯钢丝绳（6×37S+FC），安全系数设定为不小于6，安全验算采用最大施工荷载工况，钢丝绳具体选用规格及受力见图6。

4.4　型钢混凝土梁的分层浇筑

经计算，若喷淋层楼板的混凝土采用一次浇筑成型，则会引发劲性型钢的侧向失稳破坏［7］，其强度、刚度未得到充分发挥，也无法满足施工期间悬挂施工平台的需求。分析原因主要有三点：①一次浇筑混凝土荷载过大；②劲性型钢的纵向跨度大、截面高宽比大；③现浇混凝土楼面在形成强度之前无法为劲性型钢提供侧向约束。因此，针对性提出型钢混凝土梁的分层浇筑及增设侧向支撑方案。

型钢混凝土梁的截面为500 mm×1 500 mm，现场施工时采取分层浇筑方案，先浇筑700 mm高型钢混凝土梁及全部次梁楼板（见图13阴影部分），间隔5天后再浇筑剩余800 mm高的型钢混凝土梁（见图13虚线部分）。在混凝土分层浇筑施工缝处，埋设水平钢筋网片及竖向插筋，在第一次浇筑完成且终凝前将混凝土结合面凿毛刷浆，确保两次浇筑的有效黏结。分层浇筑相当于荷载的分次施加，有效降低悬挂施工平台的劲性型钢的阶段受力和变形。

图13　型钢混凝土梁分层浇筑及阶段承载力

4.5　劲性型钢的侧向支撑及稳定性

在上横担梁之间增设斜支撑并与劲性型钢的上翼缘焊接组成平面桁架（图14、图15），形成劲性型钢的侧向支撑，大大提高劲性型钢的稳定性（经计算稳定系数由0.25提高到0.71），确保第一次浇筑700 mm高混凝土时型钢梁自身稳定性需要。经过5天养护（混凝土早期强度大于70%），先期浇筑700 mm高混凝土的大梁及楼板对劲性型钢的中性轴以下部分产生包裹约束作用（经计算稳定系数由0.71提高到1.0），进一步满足第二次浇筑800 mm高混凝土的受荷需求。

图14　横担梁与斜支撑组成平面桁架

图15　型钢梁上翼缘桁架施工现场

4.6　支撑架体系的设计与构造

采用吊桥式施工平台作为支撑架的施工作业层，支架高度仅为4 m左右，采用φ48×3.0钢管扣件结合模板木方的普通支撑架体系［8］即可满足安全要求。立杆采用梁板共用体系，立杆间距在梁下加密与板下成倍数关系确保水平杆拉通，大梁侧模对拉螺栓与腹板对焊，立杆顶部自由长度、剪刀撑等构造满足规范要求；平台两侧与塔壁之间拉设双层安全兜网，既防止高空坠物又限制吊桥式平台的侧向移位。

5 施工过程监测与成品质量

在施工过程中，对吊桥式施工平台、钢丝绳、劲性型钢等重要受力构件进行跟踪监测表明：

（1） 吊桥式施工平台无明显竖向震颤和侧向晃动；

（2）钢丝绳有绷紧现象，无明显拉伸变形；

（3） 浇筑混凝土时，劲性型钢无侧向变形，无侧向失稳和局部失稳现象；

（4） 型钢混凝土梁的跨中最终累计挠度为20 mm（相当于挠跨比1/900，远小于钢骨混凝土梁挠度限值1/400［9］），混凝土表面光滑顺直、无受力裂缝。

结果证明施工过程安全可靠，成品质量很高（图16—图18）。

图16　造粒塔内部喷淋层仰视图

图17　喷淋层俯视图 

图18　造粒塔外观

6 结 语

造粒塔设备层的现浇施工属于“超高、超跨、超重”的危大工程，悬空支模施工难度高、安全风险大，采用“高空超限型钢混凝土梁本体悬挂平台支模技术”成功破解这一施工难题。项目竣工后，扣除正常施工项，仅对搭设和拆除悬挂施工平台及支撑架进行专项统计：耗时15天、施工费16.8万元。该工法充分利用尚未浇筑混凝土的劲性型钢自身较高承载能力，降低了支撑体系高空搭设的作业难度，节约了人工和材料，缩短了工期，提高了安全性能，成品质量高，收到了良好的经济效益和社会效益，具有较好的推广价值。

［1］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 51138—2015 尿素造粒塔工程施工及质量验收规范［S］.北京：中国计划出版社，2016.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China. GB 51138—2015 Code for construction and quality acceptance of urea prilling tower engineering ［S］.Beijing：China Planning Press，2016.（in Chinese）

［2］肖必建.高空钢混凝土结构连廊吊模施工技术及应用［J］.建筑施工，2014，36（6）：725-726.

Xiao Bijian.Construction technology and application of suspended formwork to overhead steel-concrete structure corridor ［J］.Building Construction，2014，36（6）：725-726.（in Chinese）

［3］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 51210—2016 建筑施工脚手架安全技术统一标准［S］.北京：中国建筑工业出版社，2016.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China.GB 51210—2016 Unified standard for safety of scaffold in construction ［S］.Beijing：China Architecture and Building Press， 2016.（in Chinese）

［4］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 8918—2006 重要用途钢丝绳［S］.北京：中国标准出版社，2006.

General Administration of Quality Supervision， Inspection and Quarantine of the People's Republic of China.GB 8918—2006 Steel wire ropes for important purposes［S］.Beijing：Standards Press of China，2006.（in Chinese）

［5］中华人民共和国交通运输部.JTG/T D65-05—2015 公路悬索桥设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2015.

Ministry of Transport of the People's Republic of China.JTG/T D65-05—2015 Specifications for design of highway suspension bridge［S］.Beijing：China communication press，2015.（in Chinese）

［6］中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 276—2012 建筑施工起重吊装安全技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China.JGJ276—2012 Safety and technical specification for the rigging and lifting work［S］.Beijing： China Architecture and Building Press， 2012.（in Chinese）

［7］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50017—2017 钢结构设计标准［S］.北京：中国建筑工业出版社，2017.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China.GB 50017—2017 Standard for design of steel structures［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2017.（in Chinese）

［8］中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 130—2011 建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2011.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China.JGJ 130—2011 Technical code for safety of steel tubular scaffold with couplers in construction［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2011.（in Chinese）

［9］中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 138—2016 组合结构设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2016.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China.JGJ 138—2016 Code for design of composite structures［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2016.（in Chinese）

Research on Forming Technology of Self-Suspension Platform of High-Place Over-Limit SRC Beams

LIWensheng1，*ZHANGJicheng1HELei2XUGuang2

（1.School of Urban Construction， Yangtze University， Jingzhou 434000， China； 2.Hubei Industrial Building Group Installation Engineering Co.，Ltd.， Wuhan 430056， China）

Cast-in-situ construction of high-place long-span reinforced concrete structure is difficult，among which the suspension layout and load transfer of formwork support scaffolds are technical difficulties. Taking a long-span steel-reinforced concrete beam cast at a height of 100 meters of prilling tower as a case study， the construction problem of cast-in-high-place operation is solved by adopting the technologies of suspension construction platform formwork and layered casting with the help of the high bearing capacity of steel beams in the structural layer which have not yet been poured concrete. Its advantages of safety， economy， easy operation and high quality are verified in actual construction.

cast-in-high-place construction， steel-reinforced concrete beam， suspension construction platform， layered pouring of concrete

2021-03-12

国家自然科学基金资助项目（51778065）

联系作者：中文作者简介:李文盛（1968-），男，硕士研究生，硕士生导师，副教授，主要从事教学、工程设计和施工技术研究工作。E-mail：124765068@qq.com