大悬臂混凝土结构上进行型钢悬挑外脚手架的施工实践

GXF360 2017-05-21

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大悬臂混凝土结构上进行型钢悬挑外脚手架的施工实践

郑建荣1,杨威长2,林王剑2

(1.杭州高新技术产业开发总公司, 浙江杭州 310053; 2.五洋建设集团股份有限公司, 浙江杭州 310003)

摘要：针对悬臂钢筋混凝土梁板+悬挑外架工字钢梁的“双悬结构”的特点和难点,介绍了杭州市滨江区某地标性项目的“双悬结构”的主体混凝土结构施工,以及悬挑外架工字钢梁设置在外伸大悬挑梁板上的施工组织设计和实践,很好地解决了施工技术、安全质量、施工进度等诸多问题。对今后的类似工程,提出了一种思路和可借鉴的方法。

关键词：大悬臂钢筋混凝土梁板；悬挑外架工字钢梁；“双悬结构”;施工设计与实践

1 工程概况

滨江区文化中心项目位于通和路以西,泰安路以东,丹枫路以北,与区政府的北楼以丹枫路隔路相毗邻。项目总建筑面积64 702 m2,其中地上39 753 m2,地下24 949 m2。主楼地上10层,建筑高度50 m;地下2层,基础埋深13.8 m。层高：1层5.4 m,2层5.1 m,3～4层4.8 m,5～10层4.2 m。由于建筑设计外立面造型以黄公望的《富春山居图》作为建筑构思立意提出了一种“垂直叠加的富春山居图”的创意,其外立面幕墙凹凸变化复杂。见图1。

图1 外立面效果图(西南面)

2 实施的重点和难点

常规非悬挑混凝土结构主体施工,普遍配备三套模板,一般采用“隔二层拆除”方案(譬如第四层楼面的混凝土梁板浇捣完成后拆第二层楼面的混凝土梁板模板及支架)；而第五层楼面的混凝土施工时,在该楼层的四周临边预埋锚栓固定悬挑16号工字钢梁来支撑外架子等自重和风荷载及施工荷载,悬挑脚手架单元高度不应超过20 m,且上下两单元的脚手架必须断开。

本工程主楼平面框架横向柱距8 000 mm,纵向柱距8 400 mm,形成了平面主框架5×5个8 000 mm×8 400 mm的方格网,主框四周设置钢筋混凝土悬挑梁板。根据建筑幕墙立面造型,其悬挑梁挑出尺寸在1 700～3 800 mm范围内渐变,最大悬挑长度3 800 mm,从而保证了建筑立面内凹变化的空间要求。见图2、图3。

图2 4层结构平面图

图3 3层结构平面图

此工程的难点在于：

1)主框四周以外设有大悬挑梁板,最大悬挑3 800 mm；在大悬挑梁板上面再预埋锚栓固定悬挑工字钢梁来支撑外架子(梁板内的受拉锚环,必须在混凝土达到设计强度的75%以上,方可受力使用),其外架子的外立管离边柱轴线最大距离达 5.15 m(3.8 m+0.45 m+0.9 m,其中管桁架幕墙的工作面间隙要求0.45 m),而且四周混凝土梁板悬挑长度是变化的；

2)悬臂钢筋混凝土梁板+悬挑外架工字钢梁的“双悬结构”。根据《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范(JGJ 130—2011)》和浙江省工程建设标准《建筑施工扣件式钢管模板支架技术规程(DB 33/1035—2006)》的规定：“悬挑钢梁支承点应设置在结构梁上,不得设置在外伸阳台上或悬挑板上,否则应采取加固措施。”而本工程在悬挑混凝土结构上再设置工字钢悬挑梁,其外架子的外立管离边柱轴线(3.8 m+0.45 m+0.9 m=5.15 m)很大；

3)另外存在的问题是：一方面施工期间的施工荷载大于结构设计的使用活荷载；另一方面是“隔二层拆除”的时候混凝土养护强度尚未达到R28强度等级要求。

3 针对难点所采取的措施和对策

针对上述难点我们采取的措施和对策如下：

1)把外悬挑的梁板结构从地面至顶层均采用满堂支架支撑起来施工,但不遵循“隔二层拆除”(拆模强度100%)的法则。尽管悬挑工字钢搭设在原结构悬挑板上,因悬挑板下支模架不拆除。故此工况下原悬挑板可视为非悬挑结构。

2)水平悬挑采用16号工字钢梁,其竖向的间距每隔三层(即外脚手架单元高度小于等于20 m)挑一次,即2层、5层、8层楼面预埋悬挑的工字钢梁(而南立面由于有2层大平台,则5层、8层楼面预埋悬挑的工字钢梁),见图4。除了对悬挑的工字钢梁进行强度和稳定性验算外,还要对该楼层的钢筋混凝土悬挑梁板在达到R28强度等级的情况下,进行强度和稳定性的抗力验算。

图4 悬挑外架侧面图(西靠北侧)

3)为保守起见,每道工字钢梁前端增加一道6×19钢丝拉索(钢丝拉索公称抗拉强度为1 700 MPa),悬挑梁前端应采用吊拉卸荷,拉索与水平工字钢夹角不小于60°,但钢丝索不参与悬挑钢梁受力计算。当顶层的梁板混凝土完成施工且混凝土强度达到拆模强度后,按照拆10层满堂支架→拆9层满堂支架→拆8层满堂支架→ … →最后拆1层满堂支架的顺序施工,确保支模架的施工荷载不对悬挑钢筋混凝土梁板产生传递。

4)此外,还要解决以下事项：①除了对工字钢的强度、抗剪、刚度、整体稳定进行验算外,还需要对∏型螺栓表面与梁板结构此时(5 d)混凝土的容许粘结强度进行验算；②由于外架子是以主体最大悬挑梁(4.2 m)为基准搭设的,因此外架子内立管在遇到最小悬挑梁(1.6 m)的内凹楼层时有0.45+(4.2-1.6)=3.05 m的间隙,其水平杆要采取加强措施。

4 支模架的方案和悬挑架体系的设计

4.1 主要的构造设计要求

1)根据总层数、各层的层高、立面的凹凸变化情况,在2层、5层、8层设定工字钢悬挑梁,其悬挑外脚手架单元最大高度为14.7 m,最小高度为12.6 m(均符合规范小于20 m的要求)。主体四周钢筋混凝土悬挑结构的支模架体系与室内框架结构的施工方法无异,考虑制备三层木模板和配备三层满堂支撑(四周悬挑钢筋混凝土梁板制备五层模板和配备十层满堂支撑),施工进度每月三层,施工期间的日平均气温约15 ℃。

2)在2层、5层、8层楼面完成之后,布设16号工字钢水平悬挑梁,水平悬挑梁的纵向间距与上部脚手架立杆的纵向间距(1 500 mm)相同,立杆直接与悬挑钢梁应有可靠的定位连接措施,即在挑梁或纵向钢梁上焊接150～200 mm、外径14的钢筋,立杆套在其外,并同时在立杆下部设置扫地杆。

3)悬挑工字钢梁锚固在原结构悬挑板上,当混凝土结构完成顶层施工,待悬挑梁板结构的支模架全部拆除后,还要满足外架子单元最下层结构的混凝土强度达到100%。

4)悬挑钢梁在建筑物内的锚固长度Lm 为2 000 mm,尾端向里300 mm 处应由不少于两道的预埋∏型A16螺栓固定,外锚固点到建筑物边缘的距离a为100 mm,建筑物外悬挑长度Lx为1 550 mm,挑梁端部离脚手架外立管定位点100 mm(焊接200 mm、外径14的定位钢筋,立杆套在其外),悬挑前端应焊接A20吊拉环,与吊环连接的钢丝绳与水平工字钢夹角不小于60°。钢筋拉环、U型螺栓与型钢间隙用木楔楔紧。在悬臂端采用6×19钢丝绳,钢丝绳拉结于上一层结构的边梁,形成能够支撑上部外脚手架单元的平台,在该层的主体施工期间与其满堂架子进行必要的临时拉结。见图5、图6。

图5 钢丝绳绳卡做法

图6 钢丝绳连接吊环做法

4.2 悬挑脚手架设计计算

悬挑工字钢搭设在原结构悬挑板上,因悬挑板下支模架不拆除,故此工况下原悬挑板可视为非悬挑结构。

4.2.1 立杆稳定性验算(选组合风荷载作用)

单外立杆的轴心压力标准值N′=NG1k+NG2k+NQ1k=2.304+2.266+2.025=6.595 kN

单外立杆的轴心压力设计值N=1.2(NG1k+NG2k)+0.9×1.4NQ1k=1.2×(2.304+2.266)+0.9×1.4×2.025=8.036 kN

Mw=0.9×1.4×Mwk=0.9×1.4×ωklah2/10=0.9×1.4×0.564×1.5×1.82/10=0.345 kN·m

σ=N/(φA)+ Mw/W=8 035.545/(0.188×424)+345 371.04/4 490=177.727 N/mm2≤[f]= 205 N/mm2

满足要求。

4.2.2 悬挑主梁整体稳定性验算

悬挑主梁整体稳定性验算见图7、图8。

图7 工字钢悬挑梁平面布置图

图8 工字钢悬挑梁侧面图

主梁轴向力：N=[0]/nz=[0]/1=0 kN

压弯构件强度：σmax=Mmax/(γW)+N/A=16.931×106/(1.05×141×103)+0×103/2 610=114.4 N/mm2≤[f]=215 N/mm2

符合要求。

受弯构件整体稳定性分析：σ=Mmax/(φbWx)

其中φb为均匀弯曲的受弯构件整体稳定系数。

查表《钢结构设计规范 (GB 50017—2003)》得,φb=1.3。

由于φb大于0.6,根据《钢结构设计规范 (GB 50017—2003) 》附表B,得到 φb′=1.07-0.282/φb=0.853<>

σ =Mmax/(φb′Wx)=16.931×106/(0.853×141×103)=140.8 N/mm2≤[f] =215 N/mm2

符合要求。

4.2.3 连墙件承载力验算

Nlw =1.4×0.564×4.2×1.5=4.974 kN

长细比λ=l0/i=500/15.9=31.447,查《冷弯薄壁型钢结构技术规范 (GB 50018—2002) 》表A.1.1-1得,φ=0.913。

(Nlw+N0)/(φAc)=(4.974+3)×103/(0.913×424)=20.60 N/mm2≤0.85 × [f] =0.85 ×205 N/mm2=174.25 N/mm2

满足要求。

扣件抗滑承载力验算：

Nlw+N0=4.974+3=7.97 kN≤1×12=12 kN

满足要求。

4.2.4 螺栓粘结力锚固强度计算

悬挑型钢主梁与楼板及边梁的连接见图9、图10。

图9 ∏型锚固螺栓图一

锚固点锚固螺栓受力：N=8.22 kN

螺栓锚固深度:h≥N/(2×π×d×[τb])=8.22×103/(2×3.14×16×2.5)=32.71 mm

图10 锚固螺栓图二

螺栓验算：

σ=N/(2×π×d2/4)=8.22×103/(2×π×162/4)=20.45 N/mm2≤ [ft]=50 N/mm2

符合要求!

4.2.5 验算悬挑钢筋混凝土梁与悬挑脚手架界面内力

组合立杆结构自重、脚手板的自重、栏杆与挡脚板自重、围护材料的自重、立杆施工活荷载、风荷载作用下单立杆轴向力：单外立杆N=8.036 kN,单内立杆N=6.616 kN,工字钢自重均布荷载0.245 kN/m；每根工字钢悬挑梁传递到钢筋混凝土挑梁段部的荷载：集中(剪)力17.021 kN,集中力矩16.936 kN·m。经结构验算,外脚手架悬挑钢梁所传递给悬挑钢筋混凝土梁板的内力基本接近其结构设计最大抗力,满足要求。

5 实施的效果

综上所述,由于在实施前针对该项目的施工重点、难点,编制了专项施工方案并进行了专家论证,提高了质量的可控性,确保了工期,提高了功效,保证了安全。实际施工进度每月三层,安全、质量良好,并在市建委组织的安全、文明、标化评比中名列前茅。该项目主体验收时,得到了设计方和验收专家的高度评价,被评为“钱江杯”优质工程。

6 结语

目前,城市建筑也从单一化向多维体发展,不少异类造型给建筑带来了更为华美的外表的同时,高空、大悬挑、大层高的钢筋混凝土结构也给建筑施工带来了新的挑战。解决好大悬挑混凝土结构施工技术、安全、质量、进度的矛盾,对土建工程施工技术人员提出了更高的要求,我们只有认真地分析工程的具体特点,不断地实践总结,才能最终掌握其内在的规律性。