1、高空大悬挑屋面结构模架支座设计与施工 黄晓彬 李磊 王宇浩 门贤君 曾文 中交第一公路工程局有限公司北京建筑分公司 摘 要： 根据贵安新区综合保税区外包服务大楼工程实例, 对高空屋面大悬挑施工脚手架悬挑支撑及其相关锚固件从力学计算、材料选型、材料连接、施工方法、细节深化、确保安全等全方面进行分析计算, 方便高空屋面大悬挑施工脚手架悬挑的支撑施工。关键词： 高层建筑; 大悬挑屋面; 脚手架; 计算; 设计; 施工; 作者简介：黄晓彬, 工程师, E-mail:收稿日期：2017-05-21Design and Construction of Formwork and Scaffold Suppo
2、rt of Large Cantilevered Roof Structure at High AltitudeHUANG Xiaobin LI Lei WANG Yuhao MEN Xianjun ZENG Wen Beijing Building Company, CCCC First Highway Engineering Co., Ltd.; Abstract： Based on engineering practice, this paper made analysis and calculation on scaffold support of large cantilevered
3、 roof structure at high altitude and anchoring parts from mechanical calculation, material selection and connection, construction method, detail deepening, security, in order to made the construction easily.Keyword： tall buildings; large cantilevered roof; scaffolds; calculation; design; constructio
4、n; Received： 2017-05-21造型各异的高层建筑在各大中城市迅速崛起, 各种悬挑式屋面结构对施工脚手架的设计与应用提出更高要求。如何更加安全、高效、快捷地搭设悬挑式屋面结构支撑成为一个建筑施工难题。本文结合工程实际, 在该方面进行了探讨。1 悬挑结构概况贵阳贵安新区综合保税区外包服务大楼为框架剪力墙结构, 地下 2 层, 地上 18层, 高 78.9m, 18 层屋面处为钢筋混凝土结构大悬挑屋檐。该大悬挑净悬挑尺寸为 4.95m, 悬挑钢筋混凝土梁截面为 600mm700mm 和 300mm600mm。该屋面大悬挑结构造型美观, 结构复杂, 悬挑距离和悬挑荷载大, 悬挑部分距搭
5、设悬挑平台的 17 层底板 9.3m, 该大楼不仅外挑长度大, 悬挑所在层层高高, 且悬挑结构外装修为铝单板, 因此搭设的悬挑结构脚手架既要满足结构施工也要提供装修作业平台。如图 1 所示。2 屋面大悬挑结构支撑脚手架支座选型2.1 支撑选型图 1 屋檐大悬挑结构示意 Fig.1 Large cantilever structure in eaves 下载原图因该悬挑结构最大悬挑尺寸大、距地面高度高, 首先排除落地式支撑, 而常规的型钢斜撑式支撑在此跨度情况下稳定性不够, 通过方案比选, 查找相关工程实例, 初步设计 4 种屋面大悬挑结构支撑脚手架支座, 分别为单支撑斜杆式支撑系统支座、桁架式
6、支撑系统支座、标准贝雷片式支撑系统支座、拉杆悬挑式支撑系统支座, 如图 2、表 1 所示。经过力学计算验证及试验, 桁架式支座和拉杆式支座受力性能更好, 承受的竖向力分解更稳定;从经济角度进行参考和预算, 拉杆式支座可以重复利用且施工工艺简便, 节省施工费用。最终选择拉杆悬挑支座的支撑方式, 此种拉杆式悬挑受力系统可充分利用拉杆稳定性高的优点, 使材料力学性能得到有效发挥, 提供良好的支撑, 具备较好的整体稳定性。图 2 脚手架支座选型 Fig.2 Selection of scaffold support 下载原图表 1 脚手架支座方案比选 Table 1 Comparison of sca
7、ffold support scheme 下载原表 2.2 型钢梁选型型钢梁选用截面稳定性好的工字钢, 一端支撑在下部楼层的楼板上, 一端采取合理的连接方式与斜拉杆连接;型钢梁的间距取 1.5m。2.3 斜拉杆选型通过比较槽钢、角钢、圆钢等材质, 选择圆钢作为拉杆。因跨度较大, 特设计在型钢梁跨中位置、外挑端部设置 2 个拉结点, 以降低挠度, 同时考虑可周转性, 便于适应不同悬挑跨度、不同层高的悬挑结构支撑要求, 提出将拉杆系统设计成定型化、工具式拉杆, 具体形式如图 3 所示。为避免拉杆焊接质量、材料问题等出现时造成安全隐患, 特设计所有拉杆均为2 根并用, 计算时均按单根计算, 以提供足
8、够的安全储备。3 受力模型组建3.1 确定悬挑结构模板支撑架立杆轴力传递点位置图 3 拉杆选型 Fig.3 Pull rod selection 下载原图根据悬挑结构尺寸, 确定拉杆的上拉结点为 18 层楼板, 工字钢的支撑点为 17层楼板, 并根据悬挑结构性质, 绘制支撑立杆图, 主要参数为:立杆间距约为0.9m、水平杆步距为 1.2m、剪刀撑纵横向连续设置。得出工字钢上各立杆轴力点位置, 用于建立受力模型。3.2 计算立杆轴力按普通落地式支撑方式, 计算模板支撑各立杆轴力。计算时, 为提高安全储备, 特将振捣棒的振动荷载、混凝土浇筑的倾倒冲击荷载与工人的操作活荷载同时考虑, 同时考虑风荷载
9、影响, 再进行荷载组合。3.3 确定模型计算简图根据立杆位置、各立杆轴力, 按如下受力模型进行计算, 计算采用 PKPM 结构受力计算软件辅助人工计算验证的方式;通过计算得出斜拉杆轴力、工字钢的轴力、剪力、弯矩的数据上、下限。计算简图如图 4 所示。图 4 模型计算简图 Fig.4 Model calculation diagram 下载原图3.4 确定斜拉杆角度根据计算得出的斜拉杆轴力、工字钢剪力等数据上、下限值, 来确定最合理受力时各拉杆的倾角, 使如图 4 所示的 3 根拉杆受力值大小接近, 最大程度发挥拉杆性能, 节约材料。经过反复对比计算, 最终确定内侧小拉杆倾角为 80、外侧斜拉杆
10、倾角约 32、上部拉杆倾角约 44时, 受力最有利, 同时此时的工字钢挠度、弯矩均较小。4 屋面大悬挑结构支撑体系各组成构件确定4.1 主悬挑型钢确定经过受力验算, 主悬挑型钢选用 I18a;参考市场上有 12, 9m 长度的型材, 本工字钢长度主要选用 6m, 局部阳角工字钢选用 9m, 可最大程度避免损耗。4.2 连接主梁型钢拉杆、耳板计算选型拉杆采用 Q34525 圆钢制作, 分为 2 种, 主拉杆长 2.8m, 次拉杆长 1.6m, 每个承重钢梁配备主拉杆 4 根, 次拉杆 2 根。主拉杆的耳板采用-15mm100mm500mm 的钢板制作, 次拉杆的耳板采用-15mm100mm450
11、mm 的钢板制作, 每个耳板机械钻孔 28mm 2 个。耳板与拉杆之间采用双面焊, 焊缝长度为 20cm, 焊缝等级为一级。主拉杆中段的圆钢长度约 2.3m, 取 9m 长的原材料截 4 根, 次拉杆中段的圆钢长度约为 1.1m, 取 9m 长的原材料截 8 根, 可实现无损耗。4.3 工字钢连接支座及连接螺栓计算设计选型工字钢的连接支座初步设计 3 种方案:开孔拉结式、翼板卡扣式、标准化夹板承托式 (见图 5) 。经过力学承载力分析和受力稳定性比较, 开孔拉结式纵向会有一定的位移, 风荷载作用下不利于架体整体稳定;翼板卡扣式在受到冲撞力时卡扣容易变形脱落, 虽然施工简便但安全性能不高;标准化
12、夹板承托式既能满足竖向作用力, 且风荷载作用下纵向受力更加稳定, 标准化夹板承托式还可以前后移动, 方便建筑不同造型位置处的拉结角度调节, 同时采用上、下 2 块夹板安全系数更高。图 5 工字钢连接支座 Fig.5 I-beam connecting support 下载原图采用标准化夹板承托式拉杆与工字钢、拉杆与主体预埋件均通过焊接钢板栓接的方式。工字钢的拉结支座及穿梁支座均为 2 块-20mm300mm250mm 连接钢板和 1 块-20mm250mm200mm 的吊耳板组成, 板与板之间通过 8.8 级 M20 的高强大六角螺栓进行栓接。主梁连接板使用螺栓长度为 150mm, 穿梁螺栓长
13、度为 300mm, 双螺母外露丝扣5 扣。连接板与耳板采用双面焊接, 焊缝等级为一级。焊缝长度为 250cm, 耳板穿 33 长孔与拉杆进行栓接, 此处采用长度为150mm 的 8.8 级 M22 的高强大六角螺栓进行栓接。所有耳板连接均采用这种规格螺栓双螺母, 拉杆之间采用 8.8 级 M30 的高强大六角螺栓进行栓接。5 屋面大悬挑结构支撑脚手架整体连接5.1 设置次梁因工字钢间距 1.5m, 立杆间距 0.9m, 需在工字钢上设置槽钢次梁, 同时次梁与工字钢连接, 可增强工字钢的横向整体稳定性, 在次梁上搭设钢管支撑架。5.2 屋面大悬挑结构脚手架整体连接 (见图 6) 图 6 屋面大悬
14、挑结构支撑设计平面 Fig.6 Large cantilever structure support design plan 下载原图5.3 运用 BIM 技术进行杆件布置优化确定基本的杆件组合方法后, 利用 BIM 技术进行杆件布置优化, 确定各立杆的具体间距、安装顺序等事项, 优化效果如图 7 所示。图 7 优化效果 Fig.7 Optimization effect 下载原图5.4 高空大悬挑屋面结构模架支座的安拆高空大悬挑屋面结构模架支座的安装先在平整的场地上分别对主梁拉板和拉杆安装, 然后利用塔式起重机先将主梁直接吊装至 17F, 一段直接插入预埋件中用木楔固定, 用专用的摘钩件摘除
15、外侧塔式起重机吊绳钩。所有主梁安装完成后铺设脚手板。接着吊装拉杆, 进行拉杆连接。拆除支座前, 先检查木楔是否缺失进行加固, 然后按先拆拉杆后拆型钢的原则进行有序拆除。6 细节处理与加强加载试验6.1 拉杆连接方式结合我国较成熟的斜拉杆大桥施工技术, 研究决定拉杆连接采用栓接, 螺栓套丝。拉杆板及螺栓均由专业的钢结构制作商在厂房统一加工制作, 自检合格到场送实验室进行抽检。此方式不仅保证施工质量, 且螺栓套丝连接施工方便快捷, 节约成本。6.2 螺栓样式选型设计通过计算, 8.8 级 M20 螺栓 (抗剪强度 320N/mm) 能够满足设计要求。为了保证由于受力不均匀及突发集中荷载作用, 将耳
16、板螺栓提高一个等级, 即型钢支座拉结耳板处的螺栓采用 8.8 级 M22 螺栓;吊耳螺栓考虑双作用力下采用 8.8 级M24 级螺栓;梁的拉结支座螺栓考虑等级加量危险性系数变化采用 8.8 级 M24 级螺栓;拉杆中间连接螺栓会受到 4 点应变力作用, 为了增大安全系数采用 8.8级 M30 级螺栓。主受力型钢在受力情况下必须保证受力均衡, 不会产生倾斜。为了克服传统的悬挑工字钢由于梁拉结点不居中造成偏心受力情况, 研究采用拉板兜底、双板对夹的方式作为型钢主梁与拉杆的连接。穿梁螺栓如果采用单点受力 (即仅预埋 1 根穿墙螺栓) 极易造成梁的集中点受力过大, 同时螺栓受力集中危险性系数大, 按照
17、兜底对夹型钢原理, 对梁进行附加钢板栓接, 增大梁的受力面积, 提高安全系数。6.3 结构加强处理及阳角部位处理方案在经过计算专项论证后, 将受力计算提供给结构设计单位, 设计单位根据施工时斜拉杆上部拉结点梁的斜向受力, 对屋面悬挑结构上部拉杆受力梁进行了加强处理, 增大了梁的截面面积和配筋。高空屋面大悬挑结构模架支座在阳角处需要进行单独处理, 根据工程实际情况通过调整阳角处的悬挑型钢主梁的出挑角度, 同时改变转角处上拉杆的吊耳角度, 使转角处的拉杆始终在型钢主梁正上方拉结, 并且在耳板下均进行补强处理, 保证耳板连接受力。6.4 次梁与悬挑型钢主梁的处理槽钢次梁根据支撑架体的间距放在悬挑型钢
18、主梁上, 次梁与主梁之间通过点焊形式进行连接, 保证次梁稳定性的同时也便于次梁拆除。次梁可将支撑立杆架体的集中力更均衡地传到主梁, 同时又增大传力的受力面积, 保证型钢主梁均匀受力。6.5 原材检测为保证原材受力可靠, 对圆钢的拉力破坏、工字钢的弯剪破坏及变形、焊缝拉力等进行抽样检测试验。经检测, 关键拉结的杆件拉力达到 275k N, 远大于受力模型所需的 160k N。断离点在圆钢, 焊接点未破坏, 证明制作的成品拉杆质量可靠。6.6 现场安装检测为保证屋面大悬挑支撑的稳定性, 在屋面大悬挑支撑系统搭设完成后, 检查支撑系统的受力情况, 确保支撑受力均衡, 搭设模板支撑钢管架体之前及模板支
19、设完成后、顶板钢筋绑扎前, 主要进行加载试验。采用加载测量法, 每隔 2h 试验记录加载前后 12h 内型钢的端部标高变化及检查杆件的受力情况。根据屋面大悬挑结构所承受的设计荷载, 加载配重采用质量为 2.5t 的 HPB4008 钢筋, 每个拉杆之间放 1 捆, 至少连续放置 6 捆, 检测圆钢之间 5 个点的标高变化, 每个型钢主梁端部标高变化控制在10mm。在屋面顶板支设完成后还要对转角及受力薄弱点进行加载复测。通过加载试验检验支撑系统受力情况下变化, 及时对超过允许偏差的支撑杆件进行分析检测找出原因, 及时进行补强或拆改。7 支撑系统稳定性措施7.1 稳定性保证措施屋面大悬挑支撑系统除
20、受到施工荷载、恒荷载等竖向作用力外, 还要考虑到风荷载及荷载分力的横向力作用。为保证支撑系统的稳定性, 在悬挑主梁型钢与主体结构接触的边缘部位焊接短10 或工字钢, 防止悬挑支撑型钢梁内滑。另立杆底部竖铺8 次梁与主梁型钢均进行点焊, 悬挑支撑系统上的架子与楼内顶板架子连接, 合理增设抱柱及拉结点。设计悬挑支撑系统上的支撑钢管结构采用最外立面剪刀撑连续设置, 内部竖向每隔 4.5m 设置剪刀撑, 架体的上、中、下分别设置连续水平剪刀撑的方法, 保证悬挑支撑系统的架体成为一个受力共同体, 减少局部点集中受力影响, 确保悬挑支撑结构的稳定性。为了防止支撑型钢主梁的托板内滑, 在下面型钢托板与主梁连
21、接的部位提前满焊18 的底座防滑钢筋。7.2 管理保证措施现场工字钢操作安装层需设置标识牌, 约定荷载限制、操作注意事项等管理要求, 并在安装全过程安排专职安全员旁站监督;提前制定应急预案、进行专项演练, 搭设过程中如果有异常响声、变形、滑动必须立即停止施工, 撤离危险区域, 上报施工人员查明原因。支座搭设完毕后组织专项检查、验收后方可进行顶板模架搭设, 模架搭设直至混凝土浇筑完毕, 全程进行变形观测, 观测频率为搭设过程 2 次/d, 混凝土浇筑过程 1 次/0.5h。8 施工中注意问题及效益分析采取有效措施防止主梁工字钢滑动, 在主梁工字钢底部靠近主体结构外沿焊接防内滑的短8 与主梁之间焊
22、缝要求等级二级满焊牢固, 在楼层内结构板及工字钢的尾部与主体之间预埋 18 圆钢拉环, 工字钢穿入其中, 两边塞紧, 防止工字钢侧滑。注意施工中工序衔接, 先准备型钢主梁焊接防滑底槽钢, 按照位置固定好型钢托板焊接防滑, 安装好拉杆。组装穿梁钢板构件耳板等校核位置, 塔式起重机吊运型钢受力梁, 将拉杆与主梁耳板栓接, 画线焊接次梁槽钢, 满铺脚手板, 试验检测, 搭设支撑钢管架体, 试验检测。施工过程中有卫生间及下沉间梁影响拉结主体梁处螺栓预埋板的情况, 由于梁有效高度不足影响拉梁钢板安装, 可采用提前梁内预埋的方式解决。高空大悬挑屋面结构模架支座具有构件加工简单、构件材料常见、施工安全系数高
23、等特点, 同时由于设置的支撑构件没有进行硬性连接, 拆除后可周转使用, 针对不同的悬挑长度, 仅需要调整上部主拉杆长度、调整型钢主梁上拉结支座的位置便可解决, 大大降低材料损耗, 节约成本, 直接创造了经济效益, 是很好的可重复利用的支撑构架设施。9 结语结合工程实际, 对高空屋面大悬挑结构施工脚手架的悬挑支座进行设计及验算, 编制专项安全施工方案进行论证, 施工现场严格组织和实施, 严格监控, 整个设计方案满足施工要求。参考文献1建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范:JGJ1302011S.北京:中国建筑工业出版社, 2011. 2型钢混凝土组合结构技术规程:JGJ1382016S.北京:中国建筑工业出版社, 2016. 3陈炳连, 黄纲.异型结构超高层空建筑组合式脚手架施工实践J.建筑施工, 2002, 24 (4) :288-290. 4罗文广.基于混凝土大悬挑结构设计在某工程中的应用J.城乡建设, 2010 (6) :52-52. 5邝小平.对混凝土大悬挑结构的分析J.四川建材, 2008, 34 (4) :98, 107. 6曾文, 门贤君, 黄晓彬, 等.贵安综合保税区综合服务大楼层面钢结构吊装技术J.施工技术, 2016, 45 (14) :135-137.
