高空大悬挑构架支撑体的设计与施工方案.docx

高空大悬挑构架支撑体系的设计与施工

前 言
现代建筑常采用高空大悬挑的手法，来满足使用功能和造型美观的需求。公共建筑和超高层商住楼的大跨度中庭，为达到空旷、通透、视野开阔的建筑效果，有时高度会达到十几层；高层和超高层住宅楼，为了张扬建筑物的个性，屋顶上的构架悬挑出建筑平面以外数米；两幢高层、超高层建筑的塔楼，在半空中通过钢筋混凝土结构再次联成一个整体，突出建筑物的雄姿风韵。
这几类高空大悬挑结构高支模的施工特点是：跨度大、高度高、施工荷载大、施工难度高。为了做到技术先进、经济合理、保证质量、确保安全，因此完善高空大悬挑结构高支模的施工方法是一个新课题，具有非常显著的现实意义。
1.工程概况
图1
金凤凰·南湖御景工程总建筑面积95592平方米，钢筋砼框架-剪力墙结构，建筑层数地下二层，地上公寓二十九层，住宅地上三十一层，建筑高度99.60米；公寓标准层层高3.2m，住宅标准层高3.0m；该工程屋面99.60m以上设计有天面构架，天面构架造型新颖，采用钢筋混凝土+型钢的混合结构。在公寓圆弧处的构架为一大悬挑弧形悬空构架（见图1），弧形构架悬空长度较大，构架平面图如下所示。C轴以内构架模板及其支撑系统可直接支承于屋面板上，支模高度4.5m～5.4m（屋面板顶至弧形梁顶）。C轴外侧构架弧形梁（外围最大弧长12.46m）距地高度104.92m～106.91m，其模板及支撑系统在外侧和底部无任何防护结构，安全要求高，施工难度大。为确保该部位弧形构架施工能安全、顺利地进行，综合考虑结构受力、安全可靠、经济成本等各方面因素，需精心设计模板支撑系统。
2.支撑系统方案的初步设计
指思思想：先考虑采用18#工字钢纯悬挑体系，如不满足要求再进行调整。
初步方案：由于弧形构架梁的悬空高度达到106.91m，阳台外悬挑长度达4.5m，经过多种方案比较，在圆弧天面处采用18#工字钢悬挑体系较合适。
工字钢悬挑支撑体系为纯悬挑结构，和普通悬挑+钢丝绳外架不完全相同；悬挑工字钢支承在封口梁上，外悬挑长度小于（封口梁）内压锚长度；工字钢根部压锚采用两道φ20的圆钢∩形卡锚固在现浇板内，位置见图2；工字钢布置原则上沿封口梁每1000mm左右均匀布置（可适当避开柱）；悬挑部分工字钢上采用20的焊短钢筋头作为立杆钢管定位。悬挑工字钢安装完毕，搭设满堂钢管支撑作为弧形构架的支撑系统。
构架梁模板支撑系统：采用多层胶合板作模板，50×100㎜木方作龙骨和搁栅，在悬挑结构体系上，搭设满堂钢管脚手架（1200×1000）作模板的支撑固定系统。
图2
平面布置见图2，剖面图见图3。

3.对初步方案悬挑结构的验算
工字钢为纯受弯构件，圆弧中部工字钢挑出长度为4.4m左右，承受最不利荷载。实际施工满堂架纵横杆间距1200×1000，大横杆步距为1600mm。为安全体现，验算时按立柱的间距为1500×1500mm，大横杆步距也为1500mm进行验算。
3.1.梁支撑验算
选构架外侧梁截面为1500×400mm进行计算，见图4。
图4

3.1.1.荷载标准值
1）模板及支撑自重标准值
取0.75KN/M3，高度取7.0m，得：
0.75KN/M3×7.0m×1.5m×1.5m=11.8KN
2）、3)、新浇混凝土及钢筋自重
25×(1.50×0.40-1.10×0.32)×1.5=9.3KN
4)施工人员及设备荷载标准值
施工人员及小型设备，取1.0 KN/M2；
则1.0×1.50×1.50=2.25KN
5）振捣混凝土产生的荷载标准值
取1.0 KN/M2
则1.0×1.50×1.50=2.25 KN
3.1.2.荷载设计值
第1)、2)、3)项为恒载，取荷载分项系数γi=1.2；第4)、5)项为活载取荷载分项系数1.4。
3.1.3.荷载组合
按1)+2)+3)+4)+5)进行组合，得：（11.8+9.3）×1.2+4.5×1.4=29.26KN
3.1.4.计算
仅计算钢管立柱稳定性，其余大小横杆、剪刀撑、模板背楞等按构造要求设置。
立柱稳定性计算，按两端铰接受压构件来简化计算。
钢管立柱应采用对接扣件进行连接，接点不能设置在同一截面上，钢管立柱不得采用其他方式连接。
满堂架大横杆步距为≤1500mm。立柱的间距为1500×1500mm。
立柱稳定性验算：
σ＝N／ΨA≤f
N=42.68 /3==9.75 KN
A=4.89cm2
长细比　λ＝L／i =1500/15.8=95
查表得Ψ＝0.626
σ＝N／ΨA
=9.75×103/0.626×4.89×102=31.85N/mm2＜180 N/mm2
图5
立柱稳定性满足要求。
3.2.悬挑工字钢验算（见图5）
悬挑脚手架的水平钢梁是一个悬臂梁，悬挑水平钢梁采用双道锚环固定。
悬挑水平钢梁采用18号工字钢，其中建筑物外悬挑段长度按最长处4.4m验算。
最大弯矩  
9.75×（4.270+3.220+2.320）=96 kN.m
支座反力
     ＝96/4.4＝21.8 kN
最大应力σ=M/1.05W+N/A=96×106/(1.05×185400.0)+0=493.1N/mm2；
水平支撑梁的最大应力计算值 493.1 N/mm2 大于水平支撑梁的抗压强度设计值 215.000 N/mm2，单根工字钢不满足要求！
4.对初步方案的调整及验算
4.1.对初步方案的调整
图6
对以上纯悬挑工字钢支撑体系进行调整：在天面下两层（28、29层）采用满堂钢管斜撑体系加固。（见图6）在天面下两层（28、29层）采用满堂钢管斜撑体系加固。纵横杆间距与上部对应，以便将上部荷载有效传递。
4.2.对调整后悬挑工字钢的验算
4.2.1.工字钢的承载验算
先验算工字钢下内两根斜杆的承载：
内外斜杆水平杆步距匀按1600考虑
长细比λ＝L／i =1600/15.8=101.3
查表得Ψ＝0.580 A=4.89cm2
Nmax=σ×ΨA=180×0.580×4.89×102=51052N=51.1KN
根据单扣件抗滑承载力8KN，双扣件抗滑承载力12KN考虑。
则下方斜撑可承受最大弯矩为：
单扣件Mmax=8×cos390×3.385+8×cos330×4.270=49.69KN.M
双扣件Mmax12×cos390×3.385+12×cos330×4.270=74.54KN.M
则双扣件情况下，工字钢最大应力σ=M/1.05W+N/A= (96-74.5)×106 /( 1.05 ×185400.0 )+0 =110.4N/mm2＜215.000 N/mm2
所以，在28、29层增加满堂斜撑后，承载满足要求！
只是需特别说明的是：工字钢下方承压水平杆需采用双扣件。
4.2.2.压锚钢筋验算
单道压筋（φ20的圆钢）fmax=3.142×102×215=67553N=67.553KN
可以足够满足要求。
5.施工过程中的注意事项
5.1.在搭设此悬挑支撑体系时，需待屋面梁板砼强度达到设计强度时进行；拆除时，需待高空大悬挑结构的外装饰、装修工程验收合格后，方可全面拆除排架、工字钢平台和桁架梁，按照后搭的先拆、先安装的后拆顺序进行拆除，并及时将拆除下的材料转运出场外。
5.2.在工字钢梁上排架立杆处，焊接Φ25长100mm的钢筋，作为立杆的支点，以保证立杆不位移，工字钢不偏心受力。
5.3.钢平台周边的临空面，应先期设置安全防护栏杆，并随着排架的搭设，及时用安全网进行全封闭的安全围护。
5.4.模板支撑系统的钢管脚手排架与结构的相邻处，应尽量每步每架设置刚性连墙杆，且与内排架联结成整体，以提高悬挑排架支撑系统的整体稳定性。
5.5.在支撑体系外围护杆上端设置避雷针，与整幢建筑物楼层内避雷系统连成整体。
5.6.在浇筑梁板混凝土时，按照先里后外、先中间后两边的顺序进行，确保满堂内脚手架比悬挑架先受力，以防倾覆。
5.7.采用泵送混凝土时，混凝土不得直接倾倒在悬挑部位边梁内，而应倒在框架边梁的内侧，由人工铲运至悬挑部位以减小泵送混凝土对悬挑部位的冲击。
5.8.操作人员不得在悬挑部位集中，要分散开来，由尽量少的人员在悬挑部位进行操作。
5.9.在凝土浇筑过程中，派专人看护支撑系统，不少于2人，密切注意支撑系统的变化，观察支撑有无异常响声、变形，发现异常情况立即通知现场施工人员撤离。
6．综合效果及施工体会
　　本悬挑结构于2007年12月19日顺利浇筑完，浇筑中无异常情况，施工质量很好。从本工程的排架支撑成功实施得到以下几点启示：
图7
　　1.大悬挑结构属于超常规砼结构，其支撑系统的方案设计至关重要，必须建立在较为精确的计算基础上，不能光靠经验解决。
2.在悬空模板支撑架设计中，应从工程实际需要，现场现有条件出发,设计的荷载传递路径应清晰，计算模型的简化应偏于安全。
3.此类高空大悬挑结构，若悬挑长度更大，仍可充分利用原有结构条件采用：
图8
a. 在高空大悬挑结构的下一层，采用“工字钢悬挑+槽钢斜撑结构体系”（见图7）。
b.在高空大悬挑结构的下一层，安装钢结构的桁架梁，在桁架梁上安装工字钢或槽钢，形成安全、可靠的工作平台。
c. 在高空大悬挑结构的下两层或三层，采用“工字钢悬挑+钢丝绳斜拉结构体系”（见图8）。