高大支模工程轮毂式钢管束柱装配支撑体系设计与施工技术分析

姜超，范永双，马广生，郭远远，孙振标，汪小伟

（中建八局第一建设有限公司，山东 济南 250100）

0 引言

轮毂式钢管束柱装配支撑体系应用与研究项目是某公司2021 年度科学技术开发计划项目之一，它是通过三弧卡子和螺栓将脚手架钢管按照一定的间距环绕回收汽车钢毂紧固而成的圆形柱（简称：束柱），再将若干轮毂钢管束柱用脚手架钢管和扣件组成支撑体系，用于建筑施工的高大模板、钢结构安装临时支架和施工荷载超限时结构支撑体系等，项目完成研究并应用成功。尤其是在复旦大学附属儿科医院安徽儿童医院新建工程中，该技术应用于中庭高大支模工程，效果十分显著。现将其设计和施工技术进行介绍，以供推广应用。

1 高大支模工程轮毂式钢管束柱装配支撑体系设计

1.1 设计依据

国家现行相关规范、标准和轮毂式钢管束柱装配支撑体系研究成果。在轮毂式钢管束柱装配支撑体系研究成果中，项目研究试验是主要依据，如表1 所示。

表1 试验位移量较安全状态数据统计表

1.2 束柱设计

轮毂式钢管束柱根据支撑体系高度4～24m，主要由约束总成、盘型底座总成、承载顶盘总成和脚手架钢管组成。柱高＞6m的用对接扣件将钢管接长，接头应错开≮1m，同一断面范围内接头根数不得＞50%且不相邻。设计如图1 所示。

图1 轮毂式钢管束柱三维示意图

1.3 异形三弧金属卡子设计

异形三弧金属卡子是一种用于汽车钢轮毂与钢管之间连接的材质为Q410-10 的球墨钢铸件，两个为一组合，一个设有M16 螺母内丝，并按照一定的间距焊于汽车钢轮毂上，一个设有直径18mm 通孔，通过5.8 级M16 螺栓将钢管与钢轮毂进行有效连接，形状和尺寸应按照加工图执行。加工图如图2、图3、图4所示。异形三弧金属卡子两只为一组，一只中孔制成M16 内丝，一只中孔制成直径18mm 通孔，如图5 所示。

图2 异形三弧金属卡子正视图

图3 异形三弧金属卡子侧视图

图4 异形三弧金属卡子水平投影图

图5 异形三弧金属卡子组合三维图

1.4 约束总成设计

1.4.1 约束总成的组成和实现方法

约束总成由汽车钢轮毂、异形三弧金属卡子、连接螺栓三部分组成，其实现方法是将异形三弧金属卡子按照一定间距和上下排列围绕汽车钢轮毂焊接而成，如图6、图7、图8、图9所示。

图6 约束总成正视图

图7 约束总成侧视图

图8 约束总成水平投影图

图9 约束总成三维图

1.4.2 钢轮毂与异形三弧金属卡子的焊接

异形三弧金属卡子与钢轮毂应围焊，焊脚尺寸为4mm，焊条材质应为E5016。

1.5 承载顶盘总成设计

承载顶盘总成由承载钢板、约束套管、高度微调螺杆螺母组成。承载钢板为8mm 厚直径钢板或600mm 方形钢板，中心部位设有直径50mm 吊装孔。约束套管为16根直径48mm 长100mm的钢管，按照一定的间距和相应位置焊接在承载钢板上。高度微调螺杆螺母为16根直径40mm 长350mm 的螺杆和相应螺母组合而成，螺杆上端插入约束套管内，螺杆下端插入束柱钢管内。如图10、图11、图12、图13所示。

图10 承载顶盘总成正视图

图11 承载顶盘总成侧视图

图12 承载顶盘总成仰视图

图13 承载顶盘总成三维示意图

1.6 盘型底座总成设计

盘型底座总成由钢板、约束套管组成。钢板为4mm 厚直径钢板或600mm 方形钢板，中心部位设有直径50mm 吊装孔。约束套管为16 根直径40mm 长50mm 的钢管，按照一定的间距和相应位置焊接在钢板上。如图14、图15、图16、图17所示。

图14 盘型底座总成正视图

图15 盘型底座总成侧视图

图16 盘型底座总成水平投影图

图17 盘型底座总成三维示意图

1.7 “高大模板”工程轮毂式钢管束柱支撑竖向体系设计

本支撑体系适用于高度4～24m 施工荷载15～135kN/m2的模板工程。其轮毂式钢管束柱最大纵横间距和体系设计应按表2执行。

表2 钢管束柱最大间距和竖向支撑体系选用表

1.8 “高大模板”工程轮毂式钢管束柱水平支撑部分设计

1.8.1 水平支撑部分的组成形式

水平支撑部分有角钢桁架式、型钢式、角钢桁架（型钢）与型钢（角钢桁架）混合式和贝雷架（片）。角钢桁架式的每一种形式均由主桁架（主型钢）和次桁架（次型钢）组成。

图18 支撑体系正视图

图19 支撑体系侧视图

图20 支撑体系水平投影图

图21 支撑体系三维示意图

图22 支撑体系正视图

图23 支撑体系侧视图

图24 支撑体系水平投影图

图25 支撑体系三维示意图

图26 支撑体系正视图

图27 支撑体系侧视图

图28 支撑体系水平投影图

图29 支撑体系三维示意图

图30 支撑体系正视图

图31 支撑体系侧视图

图32 支撑体系水平投影图

图33 支撑体系三维示意图

图34 支撑体系正视图

图35 支撑体系侧视图

图36 支撑体系水平投影图

图37 支撑体系三维示意图

图38 支撑体系正视图

图39 支撑体系侧视图

图40 支撑体系水平投影图

图41 支撑体系三维示意图

1.8.2 水平支撑部分构造设计

角钢桁架式应考虑在柱顶的通过性，宜选用下承式桁架，如图42、图43、图44、图45 所示，型钢式水平支撑部分有H 型钢、工字钢和方钢三种形式，如图46、图47、图48、图49 所示。当采用其它形式的水平支撑体系时，其基本形式不变，须按照一般模板工程支撑形式分为主、次梁（龙骨）并计算间距。

图42 角钢桁架式水平支撑部分正视图

图43 角钢桁架式水平支撑部分侧视图

图44 角钢桁架式水平支撑部分水平投影图

图45 角钢桁架式水平支撑部分三维示意图

图46 型钢式水平支撑部分正视图

图47 型钢式水平支撑部分侧视图

图49 型钢式水平支撑部分三维示意图

1.8.3 贝雷架（片）

贝雷架（片）主要用于水平承载部分拼装主梁，应采用检验合格的标准件。水平承载部分次梁的选用可依照第1.8.2 中“次型钢混合式水平支撑部分”设计。

2 高大支模工程轮毂式钢管束柱装配支撑体系施工技术

2.1 “高大模板”工程轮毂式钢管束柱支撑体系施工

2.1.1 工况分析与方案确定

施工前应针对建筑工程设计图和施工总体部署的要求，认真进行工况分析再确定方案。工况分析主要应针对建筑构件的标高、轴线、几何尺寸、重量、施工荷载、周边环境、水平与垂直运输机械选用、拟划分施工流水段等进行分析，通过对工况的分析确定支撑体系的平面布置、体系搭设高度、施工流水段、工期计划、需用材料数量、钢管束柱组装场地、水平运输机械配备、垂直运输机械配备、人力资源配备等，还应对支撑体系持力层进行验算。

2.1.2 荷载计算

应根据工况分析与确定的方案计算荷载。支撑体系的水平承载部分应根据实际工况计算均布荷载或线荷载，支撑体系的竖向支撑部分所承受的荷载应将水平承载部分的均布荷载或线荷载换算成集中荷载。总荷载应包括构件自重、施工活荷载、支撑体系等。当支撑高度在8m 以下时，安全系数应选择1.35，当支撑高度在8m 以上时，安全系数应选择1.5。

2.1.3 支撑体系选用

根据2.1.1 的需求，支撑体系选型应依据第1.7节中相应的内容选定。

2.1.4 钢管束柱组装、吊装安装、体系搭设、模板支设

钢管束柱组装应根据2.1.1 中确定的平面布置、体系搭设高度、施工流水段、工期计划、需用材料数量、钢管束柱组装场地进行。其组装方法步骤如下。

①选场地

场地应平整、坚实、雨季无积水，须充分考虑原材料的堆放用地、组装用地、码放用地和水平运输道路。

堆放用地面积应满足不同长度钢管分类堆放和配件分类堆放的条件，钢管束柱组装用地应满足劳动力配备分组操作和组装长度的需求（应大于组合柱长度的2m），码放用地面积应根据组装进度和吊装进度的需求设定（码放高度不得大于三层），水平运输道路的宽度不得小于4m。

②弹线

按照钢管束柱柱身长度测量出两端点并在场地上标注，将两端点连线并弹出柱身中心线，按照柱身总长度每1m（±0.05m）弹出与柱身中心线垂直的线段（线段长度约为1m）。

③放置约束总成

将钢管束柱所需约束总成全部按照线段竖向放置并对准中心位置放置稳固。

④固定钢管

按照约束总成上异形金属三弧卡子的位置将每两根钢管为一组用螺栓拧紧，力矩控制在130N/m 左右，将柱身边滚动边安装钢管，依次全部安装完毕。

⑤安放盘型底座总成

当柱身安装完毕，先将盘型底座总成安装在柱身一端作为下端，并临时固定。

⑥钢管束柱吊装及体系搭设

钢管束柱吊装及体系搭设应同时进行。长度＜8m 的束柱可用不低于10kN升力的旋转臂叉车插运和竖向放置；长度≥8m 的束柱，应用大型垂直运输机械吊装。体系的搭设应按照下列顺序进行。

a.竖向支撑体系吊装搭设一，当束柱高＜8m时，每吊装就位一根束柱应将斜撑、水平拉杆安装完毕再脱钩。相邻束柱吊装就位后应与第一根束柱连接水平拉杆并安装完斜撑再脱钩，以此类推。在安装斜撑、水平拉杆的同时应吊垂直。束柱间距≥5m 时，束柱与束柱之间可设置一根立管，用于防止水平拉杆下挠。

b.竖向支撑体系吊装搭设二，当8m≤束柱高＜12m 时，每吊装就位一根束柱应将斜撑、水平拉杆与已完成结构柱连接牢固后再脱钩。相邻束柱吊装就位后待与第一根束柱连接水平拉杆、安装斜撑与已完成结构柱连接牢固后再脱钩，以此类推。在安装斜撑、水平拉杆和与已完成结构柱连接的同时应吊垂直。束柱间距≥5m 时，束柱与束柱之间可设置一根立管，用于防止水平拉杆下挠。水平拉杆和与已完成结构柱连接杆可先连接上、中、下三点后再补装其它连接杆，补连接杆应遵循先自下而上的原则。

c.竖向支撑体系吊装搭设三，当12m≤束柱高＜24m 时，应呈梯级吊装搭设，如图50、图51、图52 所示。连接方法同b。呈梯级吊装搭设时应至少两排束柱为呈踏步状，其搭设顺序应先吊装搭设Ⅰ段，依次吊装搭设Ⅱ、Ⅲ段或Ⅳ段。当完成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段或Ⅳ后，再呈梯级自低向高吊装搭设至所需高度。梯级吊装搭设每节高度不宜大于12m。

图50 第Ⅰ梯级段吊装搭设三维示意图

图51 第Ⅱ梯级段吊装搭设三维示意图

图52 第Ⅲ或Ⅳ梯级段吊装搭设三维示意图

d.梯级吊装搭设竖向支撑体系束柱增高和调整，当采用梯级吊装搭设，第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段或Ⅳ段柱身接长时，若遇钢管长度有误差，可松动异形金属三弧卡子调整钢管长度，调整完毕拧紧螺栓。当多根钢管长度有误差时，应逐一调整，严禁同时松动相邻2 根以上钢管调整长度。竖向支撑体系增高时，每增高一步其约束杆、水平拉结杆、斜撑或剪刀撑应同步搭设，严禁将束柱单独增高。

e.竖向支撑体系吊装搭设完毕再安装承载顶盘总成，并按设计标高微调准确。

f.吊装水平支撑体系(角钢桁架、型钢、贝雷片)应根据选择的连接方式不同，当通过螺栓与承载顶盘总成钢板连接时，数量不得少于4根M14螺栓，次龙骨与角钢桁架、型钢、贝雷片应牢固。

g.模板支设。模板支设应在竖向支撑体系和水平支撑体系完成后进行，支设方法同一般模板支设方法相同。

2.1.5 模板及支撑体系拆除

模板及支撑体系拆除应按照下列步骤进行。

①先向下微调承载顶盘总成将模板拆除。

②拆除承载顶盘总成。

③拆除单元束柱。从一端将即将拆除的束柱用绳子先固定在相邻束柱上，然后将水平拉接杆与已完成结构柱连接杆、剪刀撑、斜撑拆除，用滑轮或倒链缓缓将束柱向无障碍方放平，水平运出。当空间不足时，可将较长的束柱解成若干段放平或直接将束柱解体。以此类推，直至全部完成。

④运储。当拆除的束柱需要再次周转时，应用机械运至指定地点，重复使用；当无需周转时，应将束柱全部解体，并将钢管、约束总成、承载顶盘总成、盘型底座、异形金属三弧卡子、钢管扣件、螺栓分类运储。入库前应将约束总成上所焊接的异形金属三弧卡子丝牙部分、扣件螺杆等做防腐润滑保护。

⑤束柱吊装时，吊点应设置在上端1/4 处，钢丝绳应采用捆绑式，严禁从束柱横向穿过钢丝绳起吊。

⑥当作为预应力构件等有卸载规定的支撑体系时，其拆除的顺序还应符合卸载的程序需求。

3 结语

高大支模工程轮毂式钢管束柱装配支撑体系的设计与施工综合技术，在复旦大学附属儿科医院安徽医院工程应用表明，其安全可靠、适用广泛、经济性较好、节材环保。安全性和可靠性体现在体系结构合理、承载力大以及可将部分立体高空作业在平面完成组装，适用广泛体现在可用以高大支模工程，经济性较好体现在可机械化施工、降低劳动强度、提高工作效率，节材环保体现在可利用再生物资和拓展市场现有物资利用空间和效率，具有很好的推广和应用前景。