超高、超大跨悬空混凝土结构支撑.doc

超高、超大跨悬空混凝土结构支撑体系施工方案
一、工程简况
鞍山市“世纪峰景”工程位于鞍山市铁东区胜利南路136号，项目占地1.72万平方米，建筑面积约10万平方米，共包括A、B、C、D座四个单位工程，本工程地下室一层、层高-5米、-6.5米；结构形式为框架和剪力墙结构；D座为商业裙房，商业裙房为三层、局部为四层，结构形式为框架结构，商业屋面为空中景观花园；A、B、C高层住宅为剪力墙结构，总层数为32层,标准层层高为2.9m，外架采用爬升脚手架。
在B座1-H~1-F/1-6~1-10、C座2-G~2-J/2-9~2-13范围内52.75m标高处（十五层顶板）有一跨梁板连通作为住宅单元之间的消防通道，自该层至顶层均设置了该通道，该通道尺寸为3000*12000mm，两侧为梁，梁尺寸分别为300*870、250*870mm，板厚为120mm，该通道施工时支撑体系距离群房三层顶标高17.95m处才有刚性支撑，因高度太大，该通道的施工支撑体系采用超高、超大跨悬空混凝土支撑结构施工方案，为保证工程质量及施工生产的安全，对本方案进行了严格细致地进行编制，以解决本工程消防连廊结构支撑体系的施工。
二、施工方案总体思路
首先对超高、超大跨空中混凝土结构的荷载进行计算分析，根据荷载的计算，选择工字钢梁的规格型号，确定牛腿及锚筋的布置，设计钢梁承载平台系统，混凝土结构的荷载通过单层架体传至钢梁承载平台系统，而钢梁承载平台的受力通过牛腿传递给主体结构本身的纵向受力结构。这样使得超高、超大跨悬空混凝土结构支撑体系仅需考虑钢梁承载平台即可，改进传统的高空混凝土结构的支撑体系，即有过去的搭设满堂红脚手架架体作为支撑体系改为采用钢结构钢梁支撑平台，创新钢结构作为施工措施在建筑施工中的使用，减少繁琐的架体搭设，增加支撑架体的安全，较大的降低周转材料钢管的用量、缩短施工工期、提高结构的施工质量，从而达到降低工程建设成本的目的。

三、施工工艺流程
钢梁选型验算
锚件设计
荷载计算
预埋锚件
焊接牛腿
安装钢梁
钢梁使用
活载计算
静载计算
测量
钢梁拆除

四、荷载计算
1、相关参数取值，
a、混凝土比重：24 KN /m3
b、钢筋比重：梁：1.5KN/m3，板：1.1KN/m3
c、脚手架：模板：2.5KN/m2，支撑：1.0KN/m2
d、振动荷载：2 KN/m3
2、混凝土荷载：
N1=N梁+N板=（0.3*0.65*8.8 +0.25*0.65*8.8+0.12*2. 7*8.8）*24 KN/m3
=41.18 KN +34.32 KN +68.43 KN
=143.93 KN
3、钢筋荷载：
N2=N梁+N板=（0.3*0.77*8.8+0.25*0.77*8.8）*1.5KN/m3
+ 0.12*2. 7*8.8*1.1 KN/m3
=8.726 KN
4、脚手架荷载：N3 =2.7*8.8*（2.5+1.0）KN=83.16KN
5、振动荷载：N4=（0.3*0.65*8.8+0.25*0.65*8.8+0.12*2. 7*8.8）*2KN/m3
=11.99 KN
6、单层组合荷载，载系数取1.2
N=（143.93 KN+8.726 KN+83.16 KN+11.99）*1.2KN
=297KN
7、钢梁所承受的组合荷载按施工两层计算，52.75m标高处消防通道梁板采用超早强混凝土，加快混凝土初期强度的增长能减少对钢托梁的作用荷载。
N=297 *2KN=594 KN（注：计算时取600KN）
8、作用在简支钢梁上的荷载按照均布荷载计算，求均布荷载q（预设四根钢梁组成受力支撑平台）
q=600KN÷8.8m÷4=17.05 KN/m
五、支撑体系形式选择
根据荷载计算及查型钢力学表，支撑形式选择布设如下：在49.05m标高处设置牛腿，牛腿材料为I40c工字钢，牛腿长度为20cm。在该标高两侧剪力墙、暗柱处分别预埋4块16*500*200钢板，与工字钢牛腿焊接连接，在牛腿上设置4根I40c工字钢，工字钢形成整体的简支钢梁作为承受荷载的主要构件，钢梁间距为866mm（轴线距离），长为8450mm（剪力墙厚300mm，两端共留出50mm缝隙,计算时跨度仍按8800mm取值）,具体布置见附图1、2。钢梁架设完毕之后，在上面满铺跳板，然后在跳板上搭设满堂红脚手架，这样就能利用钢梁架设的平台进行消防通道结构部分的施工。I40c工字钢都采用热轧普通工字钢（3号钢）。
六、钢梁强度验算
I40c型工字钢的规格及截面特性如下：高h=400mm，宽b=146mm，腹板厚d=14.5mm，翼缘厚t=16.5mm，截面惯性矩Ix=23847 cm4，截面抵抗矩Wx=1192.4cm3，半截面面积矩Sx=711.2 cm3。钢梁受力简图如下：

1、抗弯应力验算
I40c的截面抵抗距Wx=1192.4cm3，抗弯强度设计值为［］=215 N/ mm2。
M=1/8×q×l2=1/8×17. 05 KN/ m×（8.8m）2=165.044 KN m
= M/Wx=165.044 KN m/1192.4cm3=138.413 N/ mm2
所以＜［］，工字钢弯应力小于抗弯强度设计值，抗弯符合要求。
2、工字钢梁的整体稳定性，为了保证不丧失整体稳定性，应使梁的翼缘具有较大的宽度，或在梁的侧向增设支承点采取其他构造要求，以提高梁的侧向抗弯和抗扭的能力，规范明确在梁的设计中，符合下列条件情况之一时 ，不计算梁的整体稳定性即可：有刚性铺板密铺在梁的受压翼缘上，并能阻止梁截面的扭转时。本工程中，在钢托梁上翼沿剪力墙处予埋-10*20*2700钢板，再用40*5角钢将钢托梁与埋件钢板焊接，增强其稳定性；钢托梁上满铺跳板，钢梁和跳板组合成整体平面，不是单根梁承受荷载作用，满足上述要求，故不用验算工字钢梁的整体稳定性，工字钢梁的整体稳定性符合要求。
3、挠度验算
I40c的弹性模量Ex=2.1×106Kg/cm2，截面惯性矩I=23847cm4
简支梁的最大挠度计算公式为
fmax=5ql4/384EI
=5×17.05 KN/ m×（8.8m）4 /（384×2.1×106Kg/cm2×23847cm4）
=2.66cm
fmax＜L/300，故挠度满足要求。
4、抗剪验算
I40c的截面积为S=711.2cm3，腹板厚度d=14.5mm，［］=125 N/ mm2
Q=ql/2=（17.05 KN/ m×8.8m）÷2
= 75.02 KN
剪=QS/Id=75.02 KN×711.2cm3/（23847cm4×1.45cm）
=15.43N/mm2
所以＜［］，抗剪满足要求。
经过对工字钢梁抗弯、抗剪、挠度的计算，均满足工字钢各强度系数的设计标准值，所以工字钢的型号规格是可行的。
七、牛腿及焊缝
牛腿采用I40c工字钢，牛腿长为20cm，在牛腿上表面焊接一块16厚10*20cm钢板（焊缝高度不小于10mm），将工字钢梁架设在牛腿上的钢板上，支座反力可简示为集中荷载作用在牛腿上（具体图示见节点1）；工字钢牛腿拟采用E43型焊条手工焊与剪力墙、暗柱上预埋件焊接连接（见下图）。工字钢牛腿本身受力情况与上述工字钢梁承受剪力情况相似，承受弯矩该处为最小值处，故牛腿不必进行验算，主要对焊缝进行验算，焊缝的链接形式为贴角焊缝，焊缝高度为12mm，焊缝计算高度为0.6倍的焊缝高度，考虑施工现场施焊条件，计算时有效焊缝厚度系数降低为0.5，12*0.5mm即6mm，焊缝所承受的弯矩Mf为支座反力与钢板宽度的乘积，剪力根据作用力与反作用力原理，Qf=Q。焊缝受力计算简图如下：

即Qf=Q= 75.02 KN
Mf=75.02 KN×10cm=750 KN·cm
焊缝的截面惯性矩：
If=2*b1h13/12+Sf*a2+ b2h23/12
=2×12mm×1463 mm3/12+12mm×146mm×（200-8.25）2mm3
+12mm×（400-2×16.5）3mm3/12
=1.2×108mm4
Wf=y/ If （y为h/2）
角焊缝抗弯、抗剪、抗压强度设计值［fwt］=160 N/mm2
1、焊缝的弯应力验算
f=M/Wf = M*y/ If = 750 KN ·cm×20cm/1.2×108mm4
=12.5 N/mm2
所以f＜［fwt］，焊缝的抗弯能力满足受力要求。
2、焊缝的组合剪应力验算
Af=12mm×（400-2×16.5）mm=4404 mm2 ，A f为腹板链接焊缝截面面积，
t =Q/Af=75.02 KN/4404 mm2=17.03N/ mm2
f== 21.125 N/ mm2
所以f＜［fwt］，焊缝的抗剪能力满足受力要求。
综上计算所述，采用E43型焊条手工焊与剪力墙、暗柱上预埋件焊接连接，该处贴角焊的焊缝强度能满足所承受荷载的作用。但为安全起见，焊条强度等级提高一级别，用E50型焊条进行施焊。
八、锚筋计算

锚筋拟采用二级钢Ф16钢筋，采用人工穿孔塞焊，焊缝高度为12mm，锚板厚度t为16mm，锚筋拟采用三层，ar锚筋层数的影响系数，取三层时ar取0.9。因为钢板长为500mm，上下两端各留出100mm，故外层锚筋中心线之间的距离z为300mm，C30墙柱混凝土轴心抗压强度设计值fc=15 N/ mm2，二级钢Ф16钢筋的fy=310 N/ mm2，剪力V=Q= 75.02 KN，M=75.02 KN×10cm=750.2 KN .cm。法向拉、压力可以近似认为是零。
aV=（4.0-0.08d）=0.6
ab=0.6+0.25t/d=0.85 （d为锚筋的直径）
1、计算所需锚筋的总截面面积，以下两者取大值
a、AS≥V/araVfy+N/0.8abfy+M/1.3arabfy z
=75.02×10 3N/（0.9×0.6×310 N/ mm2）
+750×104N .mm/（1.3×0.9×0.85×310 N/ mm2×300mm）
=561 mm2
b、AS≥N/0.8abfy+M/0.4arabfy z
=750×10 4N .mm/（0.4×0.9×0.85×310 N/ mm2×300mm）
=280 mm2
所以按照计算得出所需锚筋的总截面面积为561 mm2，即三根Ф16钢筋即可，实际施工时埋件上的锚筋按照构造要求布设为两排三层共八根Ф16钢筋，每排3/2根（如图示），锚筋的锚固长度为500mm，（墙柱厚度为300mm，直锚长度不够，故直锚250，弯拐250mm）。中间两个埋件在剪力墙位置时，剪力墙纵横加设附加筋，竖向两排共八根Ф16钢筋，横向两排共四根Ф16钢筋，间距均为200mm，长度都为1000mm。
九．操作要点
9.1根据以上计算确定相关参数后，首先应根据实际情况在悬空结构下一楼层位置确定牛腿的埋设位置，并对该位置纵向剪力墙配筋按照构造要求进行局部加强措施，将加工完成的锚件逐一安装固定，安装完成后锚件外立面与剪力墙外表面平整一致。该部位混凝土添加早强剂，强度等级提高一个等级，浇筑时留置数组试块待用。
9.2待混凝土强度达到设计强度100%后，进行牛腿焊接，在每个埋件上抄测出牛腿的中心线及控制线，牛腿按照控制线统一标高焊接，标高误差控制在5mm范围之内。牛腿的焊接及其重要，在整个实施过程中技术要求最为严格，必须高标准的要求执行，系统的进行焊接技术工人的交底，凭证上岗。
9.3 安装钢梁，利用施工现场现有的垂直运输机械，加强塔吊司机、指挥及安装人员的沟通配合，提前制定相应的安装规程，安全、准确的安装钢梁。
9.4 使用及拆除，使用过程中加强对牛腿及钢梁之间的检查维护，以及做好支撑系统上的安全防护工作，拆除利用连廊结构梁板上预留孔，垂直运输机械塔吊从孔洞中将钢梁运送至地面上，完成施工措施使命。
十．钢梁平台安装
钢梁吊装方法根据结构、场地等具体情况灵活采用，较为常见的是采用塔吊吊至事先设置好的牛腿上，然后焊接固定。
10.1 钢梁在预制厂依据结构跨距下料，下料长度按照跨度缩尺50mm，钢梁材质必须是通长无焊缝。
10.2 所采用钢梁、钢板、焊剂等材料均需出场材质证明，经外观检查验收合格后方可采用，严禁采用“三无”产品。
10.3 锚板上锚筋规格型号按照抗拉拔受力原则计算确定，焊接形式采用人工穿孔塞焊。
10.4 锚板与锚筋组件埋件在绑扎结构钢筋时核对位置及标高无误后固定，合模浇注混凝土前应校核，浇注混凝土时应安排专人看守，出现挪位时应及时调整；
10.5 牛腿加工按照设计尺寸在加工场加工完毕后在现场与锚板焊接连接，焊接前在锚板上测绘出中心线及控制线，要求中心线在同一标高位置，误差±5mm，焊接焊缝饱满均匀，焊缝的链接形式为贴角焊缝，焊缝高度不小于12mm。
10.6 牛腿焊接固定后，在其上焊接16mm厚100*200mm钢垫板，与牛腿满焊固定。
10.7 钢梁的安装必须在承力主体结构强度达到25MPa以上才能进行，安装时作业半径内暂停其他工种作业施工，并设置禁行警示标志，同时安排专人负责。
10.8 起吊安装顺序按照由远及近原则，设立一名指挥长，指挥长施工前对操作人员进行全面的技术安全较低，所有操作人员起吊过程中听从指挥长指挥，按照分工要求各自对自己的岗位范围进行安全检查，对各种情况都必须向指挥者汇报，发现问题马上解决，使人人都做到有底有数，明白自己的操作全过程和吊装的安全要求。
10.9 待钢梁构件被吊到安装高度时，指挥者发出停止信号，塔吊停止上升起动，吊在空中的构件由两头的绳索稳定，塔吊水平转动吊至牛腿上，然后缓慢调节挪至将钢梁两端均落在牛腿中心位置，位置正确后即刻进行钢梁水平方向的限位施工，即在牛腿两侧分别用两根直径为20mm的钢筋紧贴钢梁焊接，待钢梁水平限位筋焊接稳固后，拆卸捆扎钢丝绳，把吊杆与钢梁构件全脱离，再进行下一支梁梁吊装的顺序和安全注意事项的作业中去。以上过程循环起吊安装至钢梁平台均吊装完成后，在两端垂直钢梁方向靠近牛腿处焊接L40*5角钢，长度与钢梁平台宽度一致。
10.10 安装完成后对钢梁平台水平度进行抄测，并做好记录。
十一.钢梁平台拆除及安全注意事项
拆除时主要考虑钢梁的起卸，起吊过程中不破坏建筑结构，不发生安全事故。结合建筑本身制定拆除方案，主要把握以下原则：
11.1 钢梁平台拆除具备的必要条件是悬空混凝土结构同条件砼试块抗压强度达到设计强度的100%（跨度大于8m），混凝土结构强度达到要求后拆除模板及脚手架。
11.2 拆除钢梁承载平台上脚手架体、木跳板后，清理归拢钢梁上溅落的混凝土残留块，注意不能直接抛落，以防高空坠物发生安全事故，然后按照拆除先后顺序将钢梁上角钢及水平限位筋割除，必须起钩拆卸该根钢梁时执行该步骤，以防钢梁失稳坠落。
11.3 利用悬空混凝土结构浇注时预留的500*1000mm的孔洞，塔吊吊钩通过该孔洞用钢丝绳系稳钢梁，此时系钢丝绳人员的作业面为另外若干根钢梁上设置的临时作业平台，拆卸最后一根钢梁需在倒数第二根时同用备用钢丝绳将其系好，起吊点放置预留孔洞处并临时固定，以备最后一根钢梁拆卸时务作业面绑系钢丝绳；
11.4 吊钩起钩后先上升500mm高，水平方向移动避开牛腿，然后将吊钩垂直下落，待其卸至地面后挪移出悬空混凝土结构正下方，然后二次起吊将其吊至装载车上将其运出现场。
11.5 钢梁拆卸后利用外墙保温施工的吊篮为作业平台将牛腿割除，割除后外露的锚板用防锈漆均匀涂刷三遍处理，以防腐蚀。
11.6 钢梁拆除作业人员必须听从指挥长指挥，作业前进行全面的安全技术交底，作业时佩戴安全帽、系好安全绳、穿防滑鞋，正确按照交底执行每道工序，施工现场做好安全警示标志，无关人员不得进入现场。
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