多段不规则大跨度高空中空结构支撑体系施工技术

陈 杰 茅 鸣 潘新跃 方美清

宁波建工建乐工程有限公司 浙江 宁波 315020

随着建筑业的快速发展，建筑技术的提高，越来越多的超高、大跨度、大体量建筑工程不断出现。中庭作为一种室内型公共空间，不但能给公众带来愉快惬意的空间享受，同时也能提升建筑物的格调，在近现代的建筑设计中常常被作为一个重要的设计元素，在各类公共建筑和住宅建筑中得到了广泛的应用。然而，中庭顶部的混凝土结构具有悬空高度高的特点，特别是高空中空结构的形状不规则且局部跨度大，给支模系统的设计及施工带来一定难度[1-7]。

1 工程概况

某技术中心大楼项目地下1层，地上16层，规划建筑高度68.95 m。该项目2—7层（高度22.20 m）、7—13层（高度23.40 m）、13层至屋面层（高度18.65 m）共有3段中庭，每段位置均相同，每部分面积约200 m2。该大楼共有3段高空中空结构，形状不规则（图1），跨度不一且3段搭设高度也不同，其中最大纵向跨度达30 m，最大搭设高度达23.4 m。

图1 区域结构示意

2 高空中空结构各类支模架搭设方案适用性分析

2.1 传统落地式满堂支撑体系

使用承插型盘扣式钢管脚手架搭设满堂落地支模架。3段高空中空结构搭设高度不同，且上段支模架搭设时，为了结构安全，下段支模架不可拆除，故不仅搭设高度高、风险大，且材料投入量大。经测算，所需的费用为：盘扣架材料费128 700元，搭拆人工费33 000元，合计161 700元。搭设拆除所需工期共11 d。

2.2 贝雷架平台支撑体系

现场按设计尺寸拼装贝雷架，而后吊装至架设楼层（利用两侧楼板作为支座），在贝雷架上铺设工字型钢作为刚性支撑基础，在其上搭设模板支模架体系。高空中空结构形状不规则，而贝雷架为标准模数，故往往会有非标架体，需临时定制加工，过程烦琐、难度大。经测算，所需的费用为：盘扣架材料费21 450元，贝雷架材料费8 150元，工字钢材料费42 700元，搭拆人工费35 000元，合计107 300元。搭设拆除工期共7 d。

2.3 工字钢桁架平台悬空主梁支撑体系

结合高空中空结构多段、不规则和大跨度的特点，提出了工字钢桁架平台悬空主梁支撑体系（图2）。

图2 工字钢桁架平台悬空主梁支撑体系示意

工字钢主梁与下部斜撑在现场用螺栓连接成整体，通过塔吊吊装至放置楼层，主梁工字钢两端与楼板焊接，下部斜撑与下层楼板处的预埋件通过螺栓连接；在跨度较大处，可将工字钢主梁分3段，之间采用高强螺栓连接。故工字钢桁架平台悬空主梁支撑体系能很好地适用于多段、不规则和大跨度的高空中空结构。经测算，所需的费用为：盘扣架材料费21 450元，工字钢材料费16a#为10 200元、20a#为15 860元、22a#为22 200元，人工费28 000元，合计97 710元。搭设拆除所需工期共7 d。

2.4 最优方案选择

由3个方案的适用性分析对比可得，传统落地式满堂支撑体系和贝雷架平台支撑体系在本工程中的适用性上相对较差，存在诸多缺陷。而工字钢桁架平台悬空主梁支撑体系不仅适用性好，而且相同工况下所需施工成本最低，相对工期也较短，优势明显。

3 工字钢桁架平台悬空主梁支撑体系可靠性验证

3.1 理论分析

工字钢桁架平台的型钢主梁采用16a#、20a#工字钢（跨度较小处采用16a#，跨度较大处采用20a#），两端端部与楼板采用U形锚固螺栓进行锚固；下部斜撑采用22a#工字钢，工字钢主梁与下部斜撑、下部斜撑与下层楼板处的预埋件、多段工字钢主梁之间的连接均采用8.8级M20高强螺栓。工字钢桁架平台上搭设的支模架选用外径48 mm、壁厚3.5 mm的钢管。经计算，主梁抗弯、抗剪和挠度，下部斜撑稳定性以及高强螺栓抗剪均满足要求。

3.2 数值模拟

运用ABAQUS有限元软件对所研究的工字钢桁架平台悬空主梁支撑体系中最不利情况进行有限元建模分析（图3），即主梁采用3段工字钢拼接的情况。

图3 工字钢桁架平台有限元模型示意

有限元模型数值模拟云图结果显示，工字钢桁架平台最大位移为8.519 mm，最大应力为127.0 N/mm2，螺栓最大应力为168.5 N/mm2，中跨、边跨主梁以及下部斜撑的应力均未达到钢材的极限强度，连接处高强螺栓最大应力小于其极限强度，整个模拟过程未出现失稳现象，与理论计算吻合度较好，满足要求。

综上所述，工字钢桁架平台在承受上部支模架荷载时，整体结构处于安全状态。

4 支撑体系施工工艺

4.1 施工工艺流程

构件定型化设计加工→现场施工准备→下撑杆下端连接钢板预埋→U形锚固螺栓预埋→工字钢桁架平台现场组装→桁架平台整体吊装、安装→安全防护网设置→平台上支模架搭设、混凝土浇筑→桁架平台拆除、周转

4.2 构件定型化设计加工

由于悬空结构区域多为不规则形状，各位置处工字钢主梁和下部斜撑的规格、型号、长度均不相同。根据最终审批通过的方案，明确定型化制作的构件尺寸和数量。工字钢由专业单位制作，进场的构件有检测试验报告、合格证，并对进场材料进行验收。

4.3 施工准备

多段主梁之间、主梁与下撑杆之间、下撑杆与预埋钢板之间均通过高强螺栓连接，在工字钢拼接、安装之前，对安装工人进行针对性的高强螺栓施工交底。桁架平台采用现场拼装、整体吊装的方式，在作业前对现场工字钢平台拼装及实施吊装的作业人员，进行操作规范、质量要求、注意事项等针对性的相关培训，在实施前做好安全交底工作。

4.4 下撑杆下端连接钢板及U形锚固螺栓预埋

在下撑杆下端支承楼层（5层、11层、15层）结构施工时，待楼板钢筋绑扎完成后，在下撑杆下端连接处预埋400 mm×200 mm×10 mm的钢板（图4）。

图4 下撑杆下端预埋钢板

在工字钢主梁搁置层（6层、12层、16层）结构施工时，待梁板模板搭设完成后，在模板上弹出需搭设工字钢主梁的中心线，并标出U形锚固螺栓位置，待梁板钢筋绑扎完成后，安装U形锚固螺栓（图5）。

图5 U形螺栓固定构造

4.5 桁架平台现场组装及整体吊装

工字钢桁架平台在安装前，先进行拼装。根据设计图纸要求将各段工字钢主梁和斜撑按照编号进行组装，主梁与斜撑通过摩擦型高强螺栓进行连接，拼装完成后的每榀工字钢平台通过现场塔吊整体吊装至安装位置。

高强螺栓均为摩擦型，公称直径为20 mm，螺栓等级为8.8级，拧紧力矩应达到540～650 N·m。螺栓拧紧要求：从锚固端向端部依次拧紧，先初拧，再终拧，初拧力矩为终拧的50%。

4.6 安全防护措施

为确保上部支模架安拆作业的安全性，避免上部抛落物造成高空落物伤人，在工字钢桁架平台搭设层下方设置2层水平安全防护网。

4.7 支模架搭设及混凝土浇筑

按方案在工字钢桁架平台上方搭设支模架及模板，验收合格后浇筑混凝土，现场安排专人监管，浇筑完成后做好养护工作。

4.8 工字钢桁架平台拆除、周转

由于上部结构已施工完成，拆除时无法使用塔吊吊装，通过一种自制的无配重尺寸可调吊装装置（已获国家实用新型专利授权ZL 202121526613.0）完成平台拆除，吊装装置如图6所示。拆除时将桁架平台的下撑杆与主梁在高空中分解，通过该吊装装置将单根工字钢构件依次吊运至底层，人工运输至室外后使用塔吊吊至第2段中庭结构部位周转使用。

图6 自制吊装装置

一段主梁形式和三段主梁形式桁架平台的拆除流程如下所述。

1）一段主梁的工字钢桁架平台拆除流程：搭设自制无配重吊装装置→拆除2根下撑杆与主梁工字钢间的连接螺栓，通过吊装装置吊运至首层→拆除主梁两端的锚固螺栓，将工字钢主梁吊运至首层（图7）。

图7 一段主梁桁架平台拆除过程

2）三段主梁的工字钢桁架平台拆除流程：搭设自制无配重吊装装置→拆除中跨与边跨主梁间的连接螺栓，通过吊装装置将中跨工字钢吊运至首层→拆除下撑杆与边跨主梁间的连接螺栓，将下撑杆吊运至首层→拆除边跨主梁一端的锚固螺栓，将边跨工字钢吊运至首层。

5 施工注意事项

工字钢桁架平台在施工使用过程中，必须定期对工字钢桁架平台进行全方位检查和保养，以确保安全。具体注意事项包括以下几点：

1）工字钢桁架平台质量较大，需要考虑较大的空间进行组装和堆放，同时转运过程中需考虑塔吊或汽车吊的转运能力。

2）工字钢桁架平台整体吊装时，利用两端的缆风绳进行位置调整，由一侧向另一侧逐个依次吊装。

3）平台施工完成后，需进行大荷载水袋预压并实时监测。

4）在高空中空结构施工完成后，在模板支撑体系未拆除的情况下，严禁在结构楼板上堆放材料，以免工字钢桁架平台超荷。

5）施工期间，避免撞击工字钢桁架平台与楼板连接的端部部位。

6）高大模板支撑系统的搭拆人员必须佩戴安全帽、系安全带、穿防滑鞋，安全带的固定端严禁与高大模板支撑系统相连。

6 结语

针对工程实例中多段不规则大跨度高空中空结构的施工，项目部提出采用工字钢桁架平台悬空主梁支撑体系作为高大模板支撑系统的竖向荷载基础。在理论计算和数值模拟保证可靠性的前提下，不仅成功克服了传统落地式满堂支撑体系和贝雷架平台支撑体系在本工程适用性差的难题，而且在相同工况下降低了施工成本，减少了施工工期。

自制吊装装置实现了工字钢桁架平台的便捷拆除，可以在本工程多段高空中空结构中重复利用。相关技术在本项目中取得了不错的社会和经济效益，可为类似工程提供一定的借鉴。