超高层住宅建筑悬挑避难层施工工艺研究

赵亚峰 唐中辉 刘传雄 陈 杭 彭 帅

1 研究背景与工程案例

随着社会经济的发展和人口数量的增长，部分城市已经出现了用地紧张问题，而建设超高层建筑是解决上述问题的有效措施。在大、中型城市，超高层建筑不仅是社会生产需要和人类生活需求的产物，也是城市快速发展的象征。《民用建筑设计统一标准》（GB 50352―2019）和《建筑设计防火规范》（GB 50016—2014）中规定，建筑高度超过100 m 的民用建筑为超高层建筑，需要设置避难层[1]。常规的铝模+爬架施工工艺仅适用于超高层建筑的主体施工，避难层施工时需要采用其他施工方法。

福建省莆田市城厢区龙德井片区危旧房改造项目位于莆田市凤凰山街道，北至文献西路，南至南门西路，东临下磨溪，西靠龙脊山公园和莆田市第一中心医院。其中，安置地块总建筑面积为310119.515 m2，用地面积为52874.690 m2，包括10 栋住宅兼底商、6 栋配电房、1 栋幼儿园和1 个两层地下停车场以及设备用房。3 号楼、5 号楼、8 号楼和9 号楼为超高层住宅，每栋楼的16 层、32 层均设置悬挑避难层，避难层层高为3.1 m。

2 施工重难点

首先，超高层建筑的16 层以及32 层为外凸避难层，使用普通工艺难以施工，需要采用悬挑支撑架，因此对悬挑结构的力学分析至关重要。其次，工字钢悬挑钢梁架分别设在15 层和31 层，且悬挑结构需在爬架爬升后才能施工，涉及到交叉作业，需要加强控制爬架与悬挑结构作业的协调性和安全性。最后，避难层悬挑结构复杂、螺栓连接较多，外部悬挑施工作业安全风险高，且工艺控制点较多，对管理人员和作业人员的水平要求较高[2]。

3 方案设计和力学分析

3.1 方案设计

项目工程体量大、工期紧张，避难层的楼梯间和阳台为外凸悬挑结构，且模板支撑体系为梁板分离体系。为解决避难层的施工难点，合理进行工序衔接，经过多种方案对比，确定采用承插型盘扣式悬挑支模架体系+双排扣件式钢管脚手架进行施工。脚手架方案对比如表1 所示。

表1 脚手架方案对比

3.2 力学分析

强度验算，在作业过程中，悬挑平台主要承受材料自重、人群荷载和风荷载等其他不利荷载[3]。通过对前期荷载数据、梁板各项参数的收集以及悬挑结构锚固点的布设，得到表2和表3。

表2 梁板参数表

表3 荷载参数表

抗弯强度公式：

式中：σmax为最大正应力；Mmax为最大弯矩；Wx为主梁截面抵抗矩。

抗剪强度公式：

式中：τmax为最大剪应力；V为剪力；S为计算剪应力点以上（或以下）截面对x轴的面积矩；Ix为截面惯性矩；b为截面宽度。

根据荷载标准值和设计值计算公式，计算主梁上方荷载，带入式（1）和式（2）进行抗弯和抗剪验算，绘制弯矩图和剪力图分别如图1 和图2 所示，经过验算均满足规范要求。

图1 弯矩图（来源：作者自绘）

图2 剪力图（来源：作者自绘）

下撑杆件及悬挑主梁稳定性的验算，下撑杆件采用20a 工字钢，计算出杆件角度后，依次计算其轴向拉力和杆件长细比。通过查询《钢结构设计标准》（GB 50017―2017）中的轴心受压稳定计算参数，检验下撑杆件的稳定性，并通过压弯构件强度计算主梁稳定性。经过计算，下撑杆件及悬挑主梁的稳定性均满足规范要求[4]。

4 悬挑结构支撑体系搭设工艺研究

4.1 固定工字钢

悬挑式支模架搭设时应做到整体刚度好，焊接焊缝符合要求，主挑梁表面平整，受荷安全，操作空间安全，不变形、不摇晃，悬挑式支模架搭设流程如图3 所示。

图3 悬挑式支模架搭设流程图（来源：作者自绘）

在每根工字钢穿墙处及斜撑支撑点位置预埋300 mm×300 mm 的木盒，木盒底标高与楼板面标高齐平。在板内预埋3 处固定工字钢的U 形卡环，每处2 个Φ20 mm 的圆钢卡环，用于平衡工字钢挑出产生的力矩。卡环钢筋预埋在混凝土板底部，每侧平直段长度不小于0.6 m。工字钢穿过卡环定位好后，用木楔将其固定在卡环内，以防止工字钢移动[5]。

4.2 设置下撑杆

悬挑段设置1 根20a 工字钢下撑杆，支撑点处用钢板和螺栓与楼板固定，钢板为400 mm×300 mm×10 mm，螺栓为8.8 级Φ30 mm，长度50 cm。在15 层和31 层楼面浇筑前预埋竖向螺栓，预埋深度为35 cm，外露长度为15 cm，在水平方向预埋Φ35 mm套管，后期使用螺栓穿墙与钢板连接固定。斜撑工字钢两端根据支撑角度用氧气切割成斜面，一端与主梁工字钢及预埋板焊接连接，焊缝高度不小于10 mm，焊缝质量不应低于二级，另一端与楼面预埋螺栓安装连接。

4.3 设置钢丝绳

钢丝绳用Φ18 mm 的6×19a 钢芯钢丝绳，抗拉强度1550 N/mm²，间距与悬挑主梁保持一致。15 层和31 层剪力墙顶部施工时，在对应处预埋Φ20 mm 圆钢拉环用于钢丝绳锚固，待混凝土达到设计强度后，用钢丝绳吊挂住悬挑主梁工字钢的主节点。

为确保卸荷效果，钢丝绳与垂直方向立杆的夹角应尽可能小，但不应小于45°，且与悬挑工字钢应保持在同一个垂直面上。悬挑段设1 根钢丝绳上拉，支撑件距主梁外锚固点的水平距离应为2800 mm，上下固定点的垂直距离应为3100 mm，上下固定点水平距离应为2700 mm。在立杆处的工字钢上焊接2 根150 mm 的Φ25 mm短钢筋头，用于固定立杆。在外侧立杆底部焊接高度为100 mm 的短钢筋头，用于钢丝绳定位。

4.4 设置连墙件

连墙件的设置全部采用钢管拉结，在15 层和31 层底部的悬挑梁、封檐梁处每隔两步预埋钢管连墙件，连墙件应均匀布置，每个拉结间距不得超过两步三跨。

4.5 搭设支模架

在悬挑工字钢上平放16a 工字钢作为次梁，主次梁工字钢应满焊固定，两端伸出不小于100 mm，防止滑动。次梁安装好后，按照立杆的布置，在工字钢上焊接Φ25 mm、长200 mm 的固定钢筋，钢筋焊接好后搭设立杆。其中，楼层面立杆纵横间距不得大于1200 mm，扫地杆离楼面高200 mm，水平杆步距不得大于1500 mm。模架下方设置下挂平台，采用模板进行全封闭，既作为斜撑工字钢的操作平台，又能起到安全防护作用[6]。立杆采用直角扣件与支撑架的扫地杆相连接，并加设防滑扣。下挂平台的步距1.5 m，纵距为1.2 m，横距为0.6 m。

4.6 设置防护架

悬挑层底部需要采用50 mm×50 mm×3 mm 的方钢和18 mm 厚的模板做全封闭，方钢间距为300 mm，用铁丝将方钢与工字钢绑扎牢固。外侧防护架体搭设流程如下：预埋件设置―安装悬挑主梁―悬挑主梁上下支撑杆件设置―立杆定位点设置―纵向扫地杆―立杆―横向扫地杆―横向水平杆―纵向水平杆（腰杆）―剪刀撑―连墙件―铺脚手板―扎安全网。

4.7 监控和验收

为了有效避免避难层施工发生重大安全事故，在架体搭设和钢筋安装、混凝土浇捣前、施工过程中和混凝土终凝前后，监测人员必须随时进行监控，重点内容为：第1，各杆件位置、连接点是否正常工作，斜撑以及剪刀撑设置是否合理性，是否满足施工规范要求。第2，杆件下方底座是否稳固，是否存在悬空。第3，整体悬臂支撑体系是否出现沉降，沉降范围是否在可控范围内。第4，安全防护措施是否到位，是否存在松动情况。第5，各受力杆件是否存在变形的情况。

在安装完成后，需根据《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB 50204―2015）和《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ 130—2011）的标准验收支撑架体，合格后方可投入使用。

5 结语

本文以莆田市超高层建筑避难层施工为例，从方案设计、力学分析和施工流程及要点3 个方面分析了悬挑式支撑架的施工工艺，应用效果良好、结构稳定、安全系数高，创造了良好的经济和社会效益，具有较高的推广价值。下一步将继续借助具体项目，开展装配式悬臂支撑架在超高层住宅建筑中的应用研究，探索超高层建筑避难层更加高效快捷、安全可靠的施工工艺，以创造更大的社会价值和经济价值。