可周转装配式悬挑工字钢模板支撑架体施工技术*

金 博,章立昌,许越鑫,王 唯,吴 昊,李万平,彭海松

(中建三局集团有限公司工程总承包公司,湖北 武汉 430064)

0 引言

由于我国尚处于经济快速发展阶段,大量消耗资源、影响环境的建筑业,应全面实施绿色施工,承担起可持续发展的社会责任。目前建筑屋面、机房层经常设计有悬挑花架、悬挑梁板等悬挑结构,常规施工方案为悬挑出工字梁(须在楼层梁板上预先埋设U形钢筋卡环,端部斜拉钢丝绳作为保险绳),在工字钢上搭设钢管支撑架体施工。该施工技术存在以下主要缺陷:①工字钢设置所造成的外墙洞口修补麻烦且不利于二次结构施工;②埋于结构混凝土的预埋U形环不能周转,只有上部螺母和压板可周转使用,后期装修阶段需割除U形环和钢筋拉环,不符合绿色施工理念;③预埋U形环需增加措施钢筋并焊接固定,在浇筑混凝土过程中易偏位和倾斜,增加混凝土浇筑难度;④传统挑梁在结构阳角、楼梯间等洞口区域需加长锚固;⑤悬挑架搭拆工作量大,拆除过程中工字钢抽取安全风险极大。

为解决上述问题,创新采用中建三局工程技术研究院基于外架搭设研发出的可周转装配式悬挑工字钢梁作为悬挑结构模板架体的支撑钢梁。其通过可周转取出的预埋螺栓与钢梁连接,实现免留洞、免切割,准确定位,便于工序穿插,减少安全风险的目的,并且可周转次数(理论可周转次数200次)远远高于传统悬挑工字梁,具有巨大经济效益。

1 工程概况

武汉大学人民医院洪山院区建设项目总承包(EPC)工程为新建一所三甲综合医院,总建筑面积276 882.81m2,其中地上建筑面积153 202.81m2,地下建筑面积123 680m2。项目包含门诊医技楼4层,综合住院楼11层,医疗中心住院楼13层,国际转化医学中心17层,学术交流与大数据中心3层,住培中心5层,食堂2层,医疗垃圾暂存间1层。

本工程悬挑屋架结构主要分布在综合住院楼和医疗中心住院楼屋架层,高度及梁板尺寸如表1所示,综合住院楼悬挑梁板区域如图1所示。

表1 悬挑屋架结构工况

图1 综合住院楼悬挑梁板区域

2 架体设计思路

悬挑屋架结构由于距离地面过高(>50m),若采用落地架高支模搭设:①安全风险大,架体高度过高,容易造成立杆偏移产生重力二阶效应,导致架体失稳坍塌;②影响外立面施工且不经济。若采用传统悬挑工字钢作为架体支撑钢梁,其使用和周转均不方便。

在综合分析对比后,采用可周转装配式悬挑工字钢梁作为支撑钢梁,增设斜拉杆成稳定三角受力体系,在工字钢上部搭设满堂架,安装和周转操作安全、简便,符合医院建筑绿色施工要求。以综合住院楼为例,屋架主要悬挑结构悬挑1 700mm,采用2.5m长I18可周转装配式悬挑工字钢,沿边梁间隔1.2m布置,上拉杆采用φ20钢筋拉杆(与上层梁φ20钢筋吊环连接),在工字钢上搭设支撑架体及外挂安全网,支撑架体与主体结构设置钢管抱柱拉结及钢管顶撑拉结,防止倾覆,如图2,3所示。

图2 悬挑屋架支撑架体搭设剖面

图3 悬挑屋架支撑架体搭设示意

3 可周转悬挑工字钢技术原理及特点

可周转装配式悬挑工字钢根据承载位置需求分布在混凝土结构上,主要包括可取出预埋件和外部连接件,如图4所示。

图4 附着件示意

1)可取出预埋件 可取出预埋件预埋在混凝土结构内部,由定位部件和可取出螺旋式螺杆组合而成,其中螺杆也可单独作为预埋件使用。

2)外部连接件 外部连接件与可取出预埋件通过螺栓连接,固定在混凝土结构外侧,为直接支承设备、设施的承载构件。主要形式有钢支承架、钢牛腿等。外部荷载(主要为竖向力、弯矩)传递至钢牛腿,钢牛腿通过连接螺栓将竖向力传递至螺杆,螺杆通过杆壁与混凝土挤压将竖向力传递至墙体。钢牛腿通过上部螺杆受拉、下部面板与混凝土结构表面挤压,将弯矩及水平力传递给螺杆及墙体,螺杆通过周围混凝土抗剪将拉力传递至墙体。最终所有荷载均传递至混凝土结构,如图5所示。

图5 受力原理

附着件使用完成后,外部连接件、可取出预埋件均拆卸周转,循环使用。相较于传统埋件与牛腿组成的附着件,应用可周转预埋件悬挑工字钢承力体系优势为:①安装速度快,装配式安装,无需焊接,安全可靠;②用钢量小,所有构件均可周转;③结构不留洞,无渗漏风险;④绿色施工,零耗材、零污染等。

4 设计计算及测试

1)计算内容 悬挑梁板结构自重及施工荷载等作用力通过模板支撑架体传递至悬挑钢梁,并且部分荷载由斜拉杆承受,需进行钢梁强度、抗剪、挠度验算,上拉杆强度验算,与拉杆相连的花篮螺栓验算及吊耳板验算,与钢梁相连的预埋螺杆部件验算,模板支撑架体验算,验算结果均满足规范要求。悬挑工字钢主要受力如图6所示。

图6 悬挑工字钢主要受力示意

2)有限元分析计算 为验证新型悬挑架体系整体受力性能,采用MIDAS Gen 2018进行整体建模有限元分析。杆件均采用梁单元,传统悬挑型钢与墙体连接采用只压节点弹性支撑,新型悬挑型钢与墙体连接固接。施工荷载和混凝土梁荷载按楼面荷载作用于支撑架体上。计算结果选用不同工况最不利包络。可周转悬挑支撑架计算结果如图7所示,最大应力129.34MPa<215MPa,受力满足要求;对各杆件进行稳定性验算,杆件最大应力比为0.6,安全储备较高,满足稳定性要求;最大变形2.33mm,发生在支撑架顶部,变形较小,满足要求。综上所述,新型悬挑支撑架体受力满足要求。

图7 新型悬挑支撑架计算模型

3)承载力试验测试 在试验中,新型可周转悬挑工字钢在有斜拉杆作用下能承受60kN设计静荷载,且有安全余量。通过试验发现,在加载至60kN时,钢筋混凝土墙体不会出现结构性开裂,同时预埋螺杆周边钢筋受力较小,也不会受到损伤。

5 施工技术

5.1 工艺流程

可周转装配式悬挑工字钢模板支撑架体安装工艺流程为:预埋件组装与包裹→定位放线→钢筋绑扎→预埋件安装→模板加固→混凝土浇筑→拆模、养护→螺母拆除及预埋质量检测→连接件安装(悬挑梁就位)→架体搭设→模板铺设、钢筋绑扎。悬挑工字钢现场安装如图8所示。

图8 悬挑工字钢现场安装

5.2 操作要点

1)预埋件组装与包裹 首先将定位板和4根预埋螺杆利用锁紧螺母锁紧;将黄油均匀涂抹于螺杆表面,并用保鲜膜或热缩膜缠裹保护。

2)预埋埋件 待外框架梁钢筋绑扎完成后,梁侧模板封模前,进行埋件预埋:定位放线→螺杆定位板组装→定位板就位→定位板定位复核→定位板与钢筋点焊固定→梁侧模板封模。

3)组合工字钢挑梁安装 待混凝土浇筑后达到可上人强度时,拆除外框架梁侧模板,清除螺母表层混凝土,使每个定位板螺母均能露出混凝土表面。

4)预埋件安装 ①测量定位:通过定位板中心水平坐标和竖向坐标定位每个埋件(螺杆定位板组装件)准确预埋位置;②预埋安装:将预埋件安装至预定位置,通过增加限位筋将预埋件卡住固定好,限位筋与钢筋点焊固定,再利用扎丝将埋件捆绑固定。

5)螺母拆除及预埋质量检测 ①表面清理:待混凝土浇筑后达到设计强度时,进行外框架梁侧模板拆除,清除螺母表层混凝土,使每个定位板锁紧螺母均能露出混凝土表面;②螺母拆除:采用专用电动扳手拆除锁紧螺母。③预埋质量检测:拆模后对预埋件混凝土密实度、浇筑质量、预埋件外观质量和尺寸偏差进行检测,如表2所示。

表2 预埋件安装允许偏差

6)连接件安装(悬挑梁就位) ①悬挑梁吊装就位:每根组合工字钢挑梁重约32kg,由2名安装工人进行安装,其中1人站在下层外架上抬组合工字钢使背板螺口对准预埋螺杆,再由1名工人负责连接螺栓安装,安装过程中采用水平尺对工字钢平整度进行校正;②连接螺栓安装:悬挑梁吊装就位后,通过连接螺栓将连接件固定在预埋件上(连接螺栓预紧力矩要求达50～60N·m),并对连接件底部抄平(误差控制在±2mm以内)。连接螺栓作为工字钢与预埋件连接主要部件,应保证传力可靠,安装时必须配套防松垫片一起使用。安装时,应控制拧紧力矩(控制在60N·m以内),避免因预紧力造成对初期混凝土的破坏。每根可周转装配式悬挑工字钢搭配2根上拉杆,上拉杆可作为直接受力杆件计算,采用φ20 Q235B钢筋。上拉杆一端通过螺栓固定在工字钢端头,另一端固定在上层结构梁或楼板上预埋拉环上。固定上拉杆的预埋螺杆拉环埋设位置与固定工字钢的预埋螺杆在同一垂直面上,露出混凝土面的预埋螺杆应尽量沿钢拉杆方向,以利于上拉杆受力可靠。阳角工字钢采用2根φ20钢拉杆上拉,确保工字钢安全稳定。

7)支撑架体搭设 悬挑模板支撑架体采用扣件式钢管架搭设,模板厚度15mm,木方尺寸50mm×100mm。悬挑工字钢主要间距为1 200mm,局部由于空间限制,间距按≤1 200mm原则调整(如综合住院楼局部为550mm及900mm等间距),模板支撑架体立杆横向间距随工字钢布置,立杆纵向间距主要为 450, 900,1 010mm等,步距主要为1 500mm,部分为830mm及1 200mm等。做好架体防倾覆措施,架体与结构采用3种连接方式:钢管抱柱拉结、预埋短钢管拉结、钢管顶撑拉结,连接杆应呈水平设置,严禁外高内低上斜连接。搭设流程为:铺设垫板→摆放扫地杆→逐根竖起立杆、随即与扫地杆扣紧→安装扫地横向水平杆并与立杆或扫地杆扣紧→安装第1步纵向水平杆(与各立杆扣紧)→安装第1步横向水平杆→安装第2步纵向水平杆→安装第2步横向水平杆→安装第3步纵向水平杆和横向水平杆→安装连接杆→接长立杆→加设剪刀撑→铺设脚手板→在作业面搭设拦腰杆和踢脚板→挂安全网。

8)支撑架体拆除 架体拆除按先上后下,先外后里,从一端走向另一端的顺序进行。通长水平杆和剪刀撑等必须在脚手架拆卸到相关位置时方可拆除。对于可周转悬挑工字钢采用吊篮+塔式起重机辅助拆除,构件拆除顺序为:安全网→挡脚板(或侧挡板)→脚手板→扶手(栏杆)→剪刀撑(随每步脚手架拆除)→大横杆→小横杆→立柱→连接杆→斜拉杆及防倾覆杆件→悬挑工字钢。可周转悬挑工字钢拆除流程为:松开固定连接螺栓→拆除连接件→拆除定位板及预埋螺杆。

5.3 安全措施

1)可周转悬挑工字钢安装、使用、拆除应在专业技术人员指导下进行,配置固定专业班组,组织建立具有针对性的管理小组。

2)可周转悬挑工字钢安装前应检查墙体预埋件附近混凝土施工质量,如有缺陷,应采取措施修补。

3)可周转悬挑工字钢附近应有明显安全标志,防止碰撞、拉挂等损害。

4)可周转悬挑工字钢拆除时应有保险绳等防坠措施,所在墙体不得立面、空间同时进行施工作业,并做好兜底措施,防止小混凝土碎块、小器具等散落。

5.4 注意事项

1)可取出预埋件组装时应注意:①预埋螺杆与定位板组装时应连接牢靠,不应有缝隙,以免混凝土浆流入缝隙中,影响锁紧螺母拆除;②黄油应涂抹均匀,厚度应适中,一般为螺杆表面均匀覆盖一层油膜为宜;③包裹时,保鲜膜或热缩膜宜为3～5层,尤其应注意螺纹部位,包裹后应保持原有螺纹深度和轮廓。

2)埋件预埋定位时应注意:①钢筋绑扎时提前定位放线,钢筋应避开预埋螺杆位置。可取出预埋件安装到位,采用定位钢筋将预埋件卡住固定,保证定位板竖直、水平。②预埋件安装质量检查:预埋件质量检测主要包括加工质量检测和拆模后的质量检测,加工质量检测主要检查其产品合格证、材质证明及检测报告等;拆模后的质量检测包括对埋件部位的混凝土检测和埋件位置检测。

6 结语

本文首次将可周转悬挑工字钢体系应用在模板支撑架体施工中,实现了所有构件均可周转使用,符合绿色施工理念,有效解决了穿墙工字钢影响室内装修等工序穿插的难题,降低外墙漏水隐患,从而达到整体工程工期缩短的效果,且工序上的减少使该体系更经济有效,为类似工程提供参考。