大型體育場館超重斜梁、斜柱構件的施工方法

侯海濤 謝元勛

中國建筑第八工程局有限公司廣西分公司 廣西 南寧 530028

隨著中國經濟建設的發展，大型體育場館項目正越來越多，造型也更加多樣化。目前的大型體育場館，為滿足建筑設計大空間需要，梁及柱截面設計越來越大，造型也遠不是標準矩形柱構件。廣東省第15屆省運會主場館中的專業足球場Y形柱及頂層看臺斜梁均為大截面超重構件，國內尚無此類超重斜向構件出現，本文根據構件空間布置，進行施工方案選型分析，并論述可行性[1-2]。

1 工程概況

柱截面尺寸為1 200 mm×2 000 mm，柱傾斜角度18°；梯形變截面尺寸為（1 200，600）mm×600 mm（底面），（1 200，1 100）mm×100 mm（頂面）；斜梁截面尺寸為1 000 mm×2 000 mm，斜梁傾斜角度31°。看臺環梁尺寸為200 mm×640 mm，看臺板厚120 mm。外環箱形梁截面為400 mm×2 000 mm，箱形梁上下板厚120 mm。

外圍箱形梁高度隨看臺環向位置不同，標高均有差異，最高距離底部支撐面20.5 m（圖1）。

根據以上構件信息及空間布局，在假設鋼筋混凝土密度為2.4 t/m3的條件下，計算可得斜柱每米長度范圍內向外側產生的傾覆水平力為16.9 kN。斜梁每米范圍內豎向荷載為48 kN。

根據以上分析，并根據《危險性較大的分部分項工程安全管理辦法》，上述構件中頂層看臺斜梁屬于超重構件，4層以上斜柱支撐已屬于超高支撐構件。

圖1 Y形柱及頂層看臺斜梁的典型剖面

2 支撐選型及構架加固方案

由于外圍Y形斜柱及頂層看臺斜梁難以施工，需先對該兩處構件進行選型分析，整體考慮方案可行后再進行其他構件選型。

2.1 斜柱支撐分析

由于斜柱太重，支撐高度太高，有向外的水平推力，整體選取普通鋼管扣件式支撐架來支撐是比較經濟合理、技術可靠的方式。

為滿足頂部箱形梁20.5 m支撐架搭設高度需要，根據JGJ 130—2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》第6.9.7條規定，在考慮節省施工成本的情況下，可采取與框架柱剛性連接的方式（抱柱）加固。因此在考慮成本的情況下，支撐架寬度及斜梁跨度范圍內立桿排數會有適當減少，但箱形梁外側加固用的2排（至少2排）支撐架不得取消。

回頂斜柱的斜桿若考慮落地的話，斜桿長度約66 m，水平搭設長度達到63 m，顯然，相比20.5 m高斜柱，該段直接用可落地斜桿回頂的斜柱高度并不實際，而解決方案便是通過鋼絲繩與樓層內部已經完成的混凝土構件（如框架柱）進行拉結來平衡上部無法落地斜桿傾覆向外產生的水平力。但是，隨著高度增加，能夠用來支撐斜柱向外推力的支撐架立桿排數越來越少，經查閱大量論文，單個旋轉扣件的抗滑力約1 000 N是比較可靠的，經計算，假設鋼管回頂的排數為2排，那么扣接的鋼管排數小于8.9個扣件時便不再可靠。因此還要想出這個高度限值以上斜柱構件的支撐方案，這8.9個扣件也決定了斜柱支撐架要向外延伸的排數。

若考慮回頂的斜桿僅僅用來支撐模板、鋼筋及其他施工荷載的話，那么這些荷載（約8.4 kN），產生的水平推力僅為3.7 kN，也就是說，1.9個扣件就能抵抗其水平推力（施工過程中，不算混凝土荷載情況）。為滿足該情況，則需如下假設成立。

假設頂層看臺斜梁先行施工，并通過看臺斜梁用鋼絲繩斜拉斜柱便可抵消斜柱向外的推力。由于斜柱新澆混凝土無法承受構件本身的抗彎變形，因此在其背部須再做一支架。即用雙槽鋼組成斜柱底主楞，再在雙槽鋼外背工字鋼來承接鋼絲繩帶來的拉力（圖2）。

圖2 鋼絲繩斜拉斜柱原理

2.2 斜梁支撐分析

2.2.1 一般情況下鋼管豎直搭設的可行性分析

一般情況下，梁板支撐架支撐桿為豎直搭設，由于看臺斜梁特殊性，有一定傾斜角度，若按此常規方式搭設將產生支撐架橫桿拉斷、鋼管頂托與立桿之間不在同一垂線產生局部鋼管折斷、斜梁底部模板次楞局部折斷情況。其具體分析大體如下：

假設支撐架立桿布置1 m一道，梁底設置4排立桿（圖3）。

根據圖3所示，該鋼架為129次超靜定結構，按照一般方法難以進行計算分析，但若假設其節點均為鉸接點并在各放線一端加入鉸支座后，便可比較容易分析出其斜桿及水平桿受拉力至底部逐漸增加，經分析，其斜桿最大拉力值為51 kN，單根鋼管最大受拉力為44.8 kN，雖扣件之間為半剛性連接，但我們仍認為其不可靠。

圖3 支撐架受力模型

2.2.2 解決方案

將頂層箱形梁在2層樓面放線定位，并以此向1層樓面引線，確定2層樓面支撐架的非拆除區域。對箱形梁進行支撐架搭設計算，并排桿，據此排桿在現場進行外圍箱形梁支撐架搭設，并與相鄰樓層支撐架搭設同時施工。待施工至4層樓面時，在4層樓面根據斜梁支撐桿位置預埋短鋼筋，并在Y形斜柱外圍600 mm范圍內一同澆筑施工臨時支撐板。

待4層樓面達到頂層看臺支撐架施工條件時，進行支撐架施工，斜梁應先完成第1段斜梁施工，并預埋鋼筋吊環，同時斜柱外圍工字鋼進行吊裝，第1段斜柱施工時斜拉鋼絲繩，完成第1段斜柱施工，同樣順序進行第2段斜梁施工，并在第2段斜梁位置預埋對拉螺桿，最終完成斜柱斜梁段位置后完成整個構件施工。

3 整體施工流程

3.1 整體施工流程

斜柱、梁、樓層外邊線投影投線→立桿排桿→樓層內部滿堂架搭設→樓層外部滿堂架搭設，同時進行鋼筋工程并復核校驗鋼筋外包尺寸（主要柱箍筋尺寸）→斜柱模板回頂→斜柱模板工程→斜柱模板回頂調整→斜柱混凝土工程→次層樓面模板工程→……→箱形梁模板工程→箱形梁鋼筋工程→箱形梁吊模→箱形梁混凝土工程→箱形梁頂板支撐→箱形梁頂板模板、混凝土工程[3-4]

3.2 注意問題

1）滿堂架搭設不應快于樓層內支撐架滿堂架搭設，滿堂架內水平桿應和樓層內支撐架至少2跨形成搭接，樓層施工時應注意鋼管預埋以讓樓層外處支撐架連墻，增加支撐架整體性。

2）在Y柱模板施工前，應將其回頂的斜桿先與滿堂架進行固定，斜桿回頂固定應盡量用旋轉扣件固定在立桿上，若無法滿足可將接頭位置固定在橫桿上。

3）由于架體搭設高度較高，故施工過程中應做好水平防護。

4）梁板滿堂架搭設完成及托梁搭設完成后拉線復核其平整度及標高，復測無誤后進行方條及模板安裝。

5）斜柱和斜梁混凝土澆筑時避免對模板直沖，最好由底模板流入構件，并按常規方式振搗。

4 頂層看臺斜梁、Y形斜柱施工方案

專業足球場頂層看臺斜梁為超重梁，斜柱存在向外傾覆水平力，該處施工順序較為復雜，具體如下（圖4）：看臺斜梁定位→第1段看臺斜梁支撐架施工→第1段看臺斜梁鋼筋模板工程→第1段斜柱鋼絲繩在看臺斜梁預埋鋼筋→第1段看臺斜梁混凝土工程→第1段斜柱模板及鋼筋工程施工→第1段斜柱工字鋼吊裝→第1段斜柱工字鋼用鋼絲繩斜拉→固定工字鋼及鋼絲繩短鋼筋焊接→斜拉鋼絲繩拉緊固定→第2段看臺斜梁支撐架施工→第2段看臺斜梁模板及鋼筋工程施工→第2段斜柱鋼絲繩在看臺斜梁預埋鋼筋、斜柱斜梁交叉部位對拉螺桿預埋→第2段斜柱模板及鋼筋工程施工→第2段鋼絲繩斜拉及固定→第2段斜柱混凝土工程→斜柱斜梁交叉位置鋼筋工程→斜柱斜梁交叉位置模板工程→斜柱斜梁交叉位置混凝土工程。

圖4 斜梁、斜柱施工順序示意

4.1 第1段斜梁施工

模板安裝完成后及頂層看臺斜梁支撐樓板混凝土澆筑前就要對頂層看臺斜梁進行平面定位，根據看臺斜梁支撐要求進行支撐桿定位，支撐板鋼筋工程施工的同時進行支撐桿下短鋼筋的預埋。再對內部短柱進行混凝土澆筑，樓板混凝土澆筑完成24 h后，在樓層面對斜梁等構件進行放線定位，進行梁支撐桿搭設。由于支撐架水平桿不能與周圍支撐架水平桿進行連接，因此應在斜梁支撐架外斜拉鋼絲繩或制作斜撐（圖5）。斜梁底模板施工完成后完成鋼絲繩吊環預埋，最后進行鋼筋工程、梁側模板封閉、混凝土工程。

圖5 第1段斜梁施工示意

4.2 第1段斜柱施工

第1段斜柱的施工高度約為4.84 m，外圍箱形梁支撐架施工至第1段斜柱施工高度時先進行回頂斜桿固定，然后吊裝工字鋼。工字鋼吊裝時應注意其吊裝角度與斜柱角度大致相同，吊點位置設置在1/4工字鋼跨度，吊裝就位后先使其底部就位，然后通過預先在工字鋼上打好的孔與滿堂腳手架采用鋼絲繩綁牢，確認安全后松開吊繩（圖6）。

圖6 第1段斜柱工字鋼吊裝示意

在斜柱寬度范圍內增加斜桿用以回頂斜柱木方，同時進行底模施工。底模施工完成后調整斜柱底模角度。鋼筋工程施工時以斜柱底模為支撐，由于斜柱縱向鋼筋直徑較大，需用二級或一級直螺紋套筒對縱向鋼筋進行連接。鋼筋工程施工完成后進行另外3面模板拼裝及加固。最后通過工字鋼底頂托調整工字鋼角度，張拉鋼絲繩，拆除木方下及工字鋼下頂托（圖7）。

4.3 第2段斜梁施工

第2段斜梁施工前拆除第1段斜柱側模及頂模。根據斜梁位置搭設第2段斜梁支撐架，支撐架落至斜柱面且每道立桿下增加2道斜桿，斜桿距斜柱面分別為200 mm和400 mm。立桿搭設一定范圍后部分看臺斜梁立桿無法落至斜柱面，對該種立桿使其與看臺斜梁面傾斜。看臺斜梁頂需預埋3排M16對拉螺桿，埋入深度不小于600 mm，對拉螺桿總長度不小于5 500 mm，每排對拉螺桿6根，共計埋設18根（圖8）。

圖7 第1段斜柱施工示意

圖8 第2段斜梁施工示意

4.4 第2段斜柱施工

第2段斜柱施工與第1段斜柱相同。

4.5 梁柱交叉段施工

該處鋼筋工程施工前，將預埋的對拉螺桿進行調整，鋼筋工程施工完成后再對對拉螺桿位置進行1次調整，確保能與模板開孔孔位對應，該處柱部分長邊共設置4道水平雙鋼管主梁，每道設置5處M16對拉螺桿，短邊設置10#槽鋼，中間利用預埋的對拉螺桿固定，兩側不再另加對拉螺桿（圖9）。該處混凝土施工時務必控制澆筑速度不得超過3 m3/h。

5 方案設計時應注意的問題

1）由于看臺斜梁下支撐架支撐桿傾斜，很難與周圍滿堂架用水平桿連成整體。根據設計圖紙，看臺斜梁與支撐板最高達9 m，而支撐桿所形成的架體寬僅1.2 m，高寬比達到7.5，遠遠超出規范要求，但建筑模板安全技術規程同時又給出了處理意見，即“應與主體結構采用抱柱等形式的剛性連接，當無法滿足時可采取斜拉鋼絲繩等柔性限制措施”。因此在方案設計計算此構件支撐架時應考慮其左右傾覆情況，為保證支撐桿穩定性，計算時選取的高寬比參數應加大，以增加長細比。雖然左右兩側斜拉鋼絲繩可滿足規范給出的建議，但鋼絲繩畢竟會存在柔性變形，由于構件較重，一旦兩側變形不能很好限制，其中一根支撐桿失穩將有極大可能產生整體傾覆現象，因此除采用鋼絲繩等柔性斜拉限制外，還應在不同方向設置水平鋼管與周圍滿堂架連接[5]。

圖9 梁柱交叉段施工示意

2）本文論述方案雖然提及斜梁支撐斜桿下有預埋的短鋼筋限制其滑動，但由于無法提供計算依據，為確保施工過程的可靠性，故還應在架體兩側單獨設置剪刀撐以增加架體穩定。

3）本文之所以采用普通的施工工藝、材料就能夠使超重斜梁、斜柱得以實現，主要取決于斜梁、斜柱交替施工，采用支撐斜桿支撐斜梁，通過斜梁斜拉鋼絲繩以阻止斜柱向外傾覆。上述原理仍有較為重要的問題需要注意，即在斜梁里預埋的鋼筋吊環，混凝土到底可以為其提供多少的握裹力來抵抗鋼絲繩的斜向拉力，除了盡可能在混凝土中增加預埋鋼筋長度外，還需要查閱大量資料以佐證其可靠性。