落地与悬挑组合式支模体系在高位逐层外悬挑结构施工中的应用*

秦长金,伍 刚,刘飞凡,李佳俊,吴慧林,贾磊柱,李增明

(1. 华南理工大学土木与交通学院,广东 广州 510630;2. 中建三局集团有限公司工程总承包公司,湖北 武汉 430070)

1 工程概况

光谷人民医院项目位于湖北省武汉市东湖高新区,项目总建筑面积约为244 175m2,由4栋12层塔楼及2栋4层裙楼构成,采用框架-剪力墙结构,4栋塔楼呈X形布置,裙楼布置在塔楼间,如图1所示。该工程外侧结构形态复杂,以东侧B栋塔楼为例,如图2所示。从下向上看,塔楼5～6层边柱缺失,形成C字形悬空空间,6层处形成了长度达7.43m悬挑结构;以6层结构为基准,第7层结构相对于第6层向外悬挑750mm,第8层相对于第7层向外悬挑750mm,以此类推,向上逐层向外悬挑,直至屋面层,最大悬挑长度达5.25m,形成高位逐层外悬挑混凝土结构。同时,在第6,8层结构梁及第6～8层边柱加设预应力,以保持结构稳定。从结构设计角度实现了独特倒三角形的外观造型效果。

图1 建筑效果Fig.1 Effect of the building

尽管该结构在美观性和结构稳定性方面表现出色,但其施工过程存在如下难点。

1)6～8层梁板预应力及吊柱预应力采用后张法,张拉前结构无法承担自重及相关施工荷载,导致支模架承担荷载极大,传统悬挑支模体系无法满足受力要求。

2 方案比选

2.1 方案简述

1)方案1：落地与悬挑组合式支模体系 该方案采用落地式盘扣支模架支撑6～7层,采用60系列盘扣,确保有足够承载力;8层及以上采用工字钢悬挑支撑体系,两层一悬挑,共悬挑3次,采用I22a及I16搭设悬挑平台,在平台上搭设钢管扣件式满堂支模架,如图3所示。

图3 方案1架体搭设剖面Fig.3 Formwork erection profile of scheme 1

2)方案2：钢平台悬挑与工字钢悬挑组合式支模体系 该方案在3～5层采用I16,I22a,I28a搭设桁架式钢平台作为模板支架基础,钢平台上搭设盘扣式满堂支模架,施工6～9层主体结构;10层及以上主体结构施工则采用方案1中同种工字钢悬挑支撑体系,两层一悬挑,共悬挑2次。平台布置如图4所示。

图4 方案2钢平台布置剖面Fig.4 Steel platform layout profile of scheme 2

2.2 安全性分析

方案1采用工艺较为成熟的悬挑工字钢及落地式高支模支撑体系,安全性较高;方案2采用非常规空中钢桁架平台,荷载大、高度高、悬挑跨度大,与结构连接复杂,具有一定安全风险。

2.3 经济性分析

两种方案在9层及以上搭设方式一致,因此主要比选方案1落地式盘扣支模架+8～9层悬挑式扣件支模架和方案2钢平台悬挑盘扣支模架两部分的综合费用,如表1,2所示。

表1 方案1综合费用Table 1 Comprehensive cost of scheme 1

表2 方案2综合费用Table 2 Comprehensive cost of scheme 2

2.4 可实施性分析

方案1在搭设方面技术成熟,搭设速度快,对工期影响较小;在拆除方面拆除步骤较多,架体体量大,拆除工期较长。方案2在搭设方面安装难度较大,需要协调专业分包进场施工,工序穿插管理较复杂;在拆除方面架体体量较小,与其他楼层室内作业相对独立,对现场施工影响较小。综合对比后,最终选择方案1进行现场实施。

3 支模体系设计与验算

3.1 支模体系设计

1)针对6～8层悬挑结构,搭设高度约为31.5m的超高落地式支模架,架体平面尺寸24m×10m,采用60系列盘扣搭设,立杆间距1 200mm×1 200mm,步距1 500mm,梁底调整立杆间距为1 200mm×600mm,该支模架能支撑6～8层结构荷载,如图5所示。

图5 超高落地式盘扣支模架剖面Fig.5 Profile of ultra-high landing disk lock formwork

2)在7,9,11层分别设置工字钢悬挑支模架基础,悬挑主梁采用I22a,间距1m布置1道,每道工字钢悬挑主梁设置下撑及上拉钢丝绳,下撑采用I16,通过焊接连接。每道悬挑工字钢支撑2层悬挑结构荷载,采用钢管扣件搭设满堂支模架,立杆间距1 000mm×1 000mm,步距1 500mm,如图6所示。

图6 工字钢悬挑钢管扣件支模架剖面Fig.6 Profile of I-steel cantilevered steel pipe fastener formwork

3.2 荷载安全验算

1)工况1 落地式支撑体系搭设完成,6,7层梁板结构浇筑完成,架体承担6,7层结构荷载及7层施工荷载。

2)工况2 7层悬挑钢结构搭设完成,8,9层梁板结构浇筑完成,落地式架体承担6,7层结构荷载及7层悬挑工字钢和6层下撑工字钢传递至架体的集中荷载。

3)工况3 9层悬挑钢结构搭设完成,10,11层梁板结构浇筑完成,落地式架体承担6,7层结构荷载及9层悬挑工字钢和8层下撑工字钢传递至架体的集中荷载。

4)工况4 11层悬挑钢结构搭设完成,12层屋面层梁板结构浇筑完成,落地式架体承担6,7层结构荷载及11层悬挑工字钢和10层下撑工字钢传递到架体的集中荷载。

各项参数及计算结果如表3所示。

表3 各工况计算参数及荷载值Table 3 Calculation parameters and load values for each condition

对比各工况立杆荷载值可知,落地式架体中工况2,4架体处于最危险状态。考虑在工况4时,工字钢向下传递的荷载部分会被结构自身承载力分摊,所以工况2施工完成时应为最危险状况,梁底立杆承受轴向力设计值为93.857kN。

根据规范JGJ/T 231—2021《建筑施工承插型盘扣式钢管脚手架安全技术标准》,60.3盘扣架回转半径为20.2mm。

立杆计算长度应按式(1)计算：

l0=βHηh

(1)

式中：l0为支架立杆计算长度(m);βH支撑架搭设高度调整系数,依据规范取值1.05;η为立杆计算长度修正系数,h= 1.5m时取值1.05;h为立杆步距。

长细比按式(2)计算：

(2)

式中：λ为长细比;l为支架立杆计算长度;i为回转半径,依据规范取值20.2mm。

立杆稳定性按式(3)计算：

(3)

式中：N为立杆轴向力总和(kN);Mw为立杆由风荷载标准值产生的弯矩(kN·m);φ为整体稳定系数;A为立杆截面面积,为571mm2;W为截面模量;f为钢材抗拉强度设计值。

根据规范GB 50017—2017《钢结构设计标准》,查询b类截面,可得φ=0.558,屈服应力fd=Nd/(φA) =(32 446+29 357+32 054)/(0.558×571)=294N/mm2<300N/mm2。

计算未考虑结构自身承受荷载,且每层计算立杆设计值时均叠加计算了施工荷载等活荷载,该体系安全系数较高。

4 支模体系施工

4.1 基础处理

1)保留地下室支模架。

2)针对楼梯、井道、后浇带等特殊部位,需提前考虑处理措施。例如,后浇带两侧设置混凝土构造柱或成品钢管柱回顶。

4.2 下部落地式架体搭设

1)搭设前先进行立杆位置放线,搭设第1步后邀请监理单位现场验收,再进行下一步搭设。

2)由于落地式架体搭设高度超过24m,必须在架体内部满拉斜拉杆,以增强架体稳定性。由于盘扣盘眼数量有限,为达到满拉斜撑的效果,斜拉杆必须按指定的搭设方式逐层搭设,如图7所示。

图7 落地式架体斜撑布置Fig.7 Layout of landing formwork inclined support

3)剪刀撑应按每3～4步一道的搭设方式进行。当架体位于较高位置时,应在操作层下方满铺钢跳板,提高工人作业安全性,并减少坠物风险。

4.3 上部悬挑式架体搭设

1)为保证埋件不偏位,采用螺栓将埋件固定在模板上,确保位置固定,工字钢下撑与工字钢主梁水平投影应重合,以达到最佳受力状态。

2)工字钢下撑吊运焊接时,首先加强下层架体和斜撑对应部位架体的两侧横杆,然后拆除影响工字钢吊装位置的架体横杆。焊接时,专业操作人员借用下层架体最外侧2排立杆充当作业面,如图8所示。

图8 斜撑工字钢穿立杆情况Fig.8 The situation of inclined support I-beam passing through the vertical pole

3)悬挑架体搭设时,为保证架体具有防护性能,优先使外架单位搭设悬挑工字钢及最外侧2排架体,并进行外立面及底部硬质封闭,为后续作业人员创造安全密闭的作业空间。

4.4 支模架体拆除

支撑架拆除应遵循以下拆模流程：①拆除12层模板架;②拆除11层模板架及工字钢斜拉绳;③使用乙炔切割工具切开斜撑与工字钢焊接及斜撑与埋板焊接,并将斜撑工字钢移至楼层内;④将I22a吊离;⑤拆除10,9层模板架;⑥将I16斜撑吊离;⑦重复以上操作,逐层拆除支撑架;⑧最后拆除落地式盘扣支模架。

合理安排拆除顺序可提高施工拆除的安全性和高效性。在拆除过程中,应注意工人安全,采取必要防护措施,并按相关规范和标准进行操作。

5 结语

通过充分利用钢管、盘扣支模架及较小尺寸工字钢等材料,有效降低了悬挑结构施工复杂性,节约了施工时间和成本。同时,该体系为悬挑结构施工提供了更高的安全性和稳定性,确保工程可靠性。

1)通过对2个常规方案进行安全性、经济性和可实施性对比,采用超高落地式盘扣支模架和钢结构悬挑支模架的组合方案,实现复杂结构高效、安全和经济实施。

2)借助计算软件及相关规范,针对落地与悬挑模板支撑体系进行各工况计算和分析,确认了该支撑体系实施的可行性和安全性。

3)在方案实施过程中,发现了复杂结构支撑体系施工时的细部控制要点,并针对这些要点提出了相应处理措施,如斜撑处理、悬挑架处理及硬质封闭处理等。