高空中庭樓面結(jié)構(gòu)模板支撐體系的設(shè)計

王慧文 黃 暉

常州第一建筑集團(tuán)有限公司 江蘇 常州 213002

1 工程概況

常州市文化廣場二期工程為常州市地標(biāo)性重點工程，總建筑面積490 000 m2，地上結(jié)構(gòu)由6棟外形相似的拱形單體建筑組成，每棟單體結(jié)構(gòu)形式均為混凝土核心筒結(jié)構(gòu)及外懸挑鋼結(jié)構(gòu)。根據(jù)每棟建筑功能的不同，在8#樓（書城）及9#樓美術(shù)館7層高空設(shè)置有中庭樓面，中庭樓面下部混凝土結(jié)構(gòu)位于地下1層，中庭樓面高度37.5 m。中庭部分樓面主梁為600 mm×900 mm（H600 mm×300 mm）鋼骨混凝土梁，十字形布置，跨度19.2 m，其間布置有600 mm×900 mm混凝土次梁，間距4.8 m，樓板板厚180 mm。

本工程中庭樓面高度37.5 m，樓面梁截面均為600 mm×900 mm，根據(jù)住建部的建質(zhì)[2009]87號文要求，本工程中庭樓面模板支撐體系為超過一定規(guī)模的危險性較大的分部分項工程，需要對此專門編制專項安全施工方案，并組織專家對該高大模板支撐體系方案進(jìn)行論證。

2 方案選擇

針對本工程的特點，項目部組成專項小組，對該部分結(jié)構(gòu)施工方案進(jìn)行討論研究。經(jīng)過多次分析研究，并結(jié)合往年公司的施工經(jīng)驗，初步選定2種施工方案[1-4]，其中之一為傳統(tǒng)的支撐架系統(tǒng)方案，另一種為在結(jié)構(gòu)層下方設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)平臺作為上部結(jié)構(gòu)施工的支撐平臺，然后在此平臺上搭設(shè)支撐架。

2.1 傳統(tǒng)支撐架方案

傳統(tǒng)支撐架系統(tǒng)方案采用φ48 mm×3 mm鋼管，40 mm×90 mm木方，單扣件抗滑移承載力不小于8 kN、雙扣件不小于12 kN，頂托承載力不小于30 kN。

梁下支撐架立桿間距縱向≤800mm、橫向≤1600mm，4立桿（梁底2根承重立桿）；承重小橫桿間距同立桿縱距；牽杠步距≤1 800 mm；梁底木方按梁寬不同均勻豎放，間距為100 mm；梁側(cè)木方根據(jù)梁高板厚不同均勻豎放，間距為150 mm。板模架立桿間距800 mm×800 mm；牽杠步距≤1 800 mm。

支撐架在高度1/3、2/3附近樓層處分別設(shè)置加強層，1 800 mm步距高度范圍內(nèi)增設(shè)1道牽杠，此處3道牽杠步距900 mm，并且與相鄰結(jié)構(gòu)樓層可靠搭接。支撐架四周及縱橫間距10 m左右設(shè)置連續(xù)豎向剪刀撐，水平頂部、底部掃地桿處及3個加強層處均設(shè)置連續(xù)水平剪刀撐。

2.2 鋼平臺支撐方案

由于本工程中庭結(jié)構(gòu)在7層，故在6層位置設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)平臺。經(jīng)過初步試算，鋼平臺主梁選用熱軋H型鋼，規(guī)格為HN400 mm×200 mm×8 mm×13 mm，間距2 400 mm，兩端通過在已經(jīng)完成的結(jié)構(gòu)平面上設(shè)置的預(yù)埋件與結(jié)構(gòu)平面可靠連接。主梁上部根據(jù)鋼管支撐架的立桿間距設(shè)置工字鋼（16#，間距900 mm）作為鋼管支撐架基礎(chǔ)。由于主梁跨度達(dá)19.2 m，故需要在7層及8層已完成梁側(cè)設(shè)置吊點，通過φ36 mm圓鋼與主鋼梁上設(shè)置的吊點連接（圖1）。

鋼平臺上部鋼管支撐架做法同傳統(tǒng)方案，故不再贅述。

2.3 方案比選

根據(jù)初步確定的鋼平臺方案，項目部專項小組深入分析討論2個方案的優(yōu)缺點，認(rèn)為鋼平臺方案在下述方面存在一定的優(yōu)勢[5-9]：

圖1 鋼平臺結(jié)構(gòu)示意

1）鋼平臺方案現(xiàn)場施工工期較短，由于鋼平臺相關(guān)構(gòu)件前期在加工廠進(jìn)行加工，待現(xiàn)場安裝條件成熟后直接運輸至現(xiàn)場安裝即可，較傳統(tǒng)鋼管支撐架方案施工周期短。

2）鋼平臺方案安裝完成后，在平臺表面利用木模板封閉，形成密封操作面，作業(yè)人員在該作業(yè)面上進(jìn)行上部鋼管支撐架的搭設(shè)與結(jié)構(gòu)模板的安裝，作業(yè)人員的安全較傳統(tǒng)高大模板支撐架有保證。

3）鋼平臺方案構(gòu)件安裝簡單，僅需將鋼平臺相關(guān)梁、拉桿等構(gòu)件與預(yù)先在相關(guān)混凝土構(gòu)件上的預(yù)埋件定位焊接，鋼管支撐架的定位則在地面上已經(jīng)通過次梁完成。

4）鋼平臺方案的經(jīng)濟(jì)性較傳統(tǒng)鋼管支撐架方案略有劣勢，但公司考慮為今后類似工程積累相關(guān)實際操作及理論經(jīng)驗，決定采用鋼平臺方案。

3 鋼平臺結(jié)構(gòu)

項目部小組確定實施方案為鋼平臺支撐方案后，由技術(shù)人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并建立此處相關(guān)的三維模型（圖2），對鋼平臺進(jìn)行詳細(xì)的施工圖設(shè)計。

圖2 工程局部三維模型

3.1 結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)初步試算的結(jié)構(gòu)布置及支撐形式，對鋼平臺進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)布置設(shè)計。

根據(jù)主樓7層中庭樓面及其下部鋼結(jié)構(gòu)平臺層的原設(shè)計情況，確定了本方案的主要結(jié)構(gòu)形式為：在主樓6層按照2 400 mm間距設(shè)置H型鋼主梁，規(guī)格為HN400 mm×200 mm×8 mm×13 mm，主梁與在澆筑完成的混凝土梁上設(shè)置的預(yù)埋件進(jìn)行焊接連接，由于主梁跨度為19.2 m，在兩端距離支座3.8、6.8 m處設(shè)置φ36 mm圓鋼拉桿，分別拉設(shè)在7層混凝土梁及8層混凝土梁側(cè)面，與預(yù)先設(shè)置的預(yù)埋件連接；主梁上部根據(jù)普通模板支撐架鋼管位置布置16a#工字鋼，間距根據(jù)支撐架立桿布置，與下部主梁焊接連接。

3.2 荷載

根據(jù)7層混凝土結(jié)構(gòu)具體布置，計算上部混凝土主梁在混凝土形成強度前的自重，按照線荷載分別加載在相應(yīng)的支撐區(qū)域（圖3）。

圖3 混凝土主梁線荷載

計算7層混凝土樓板、混凝土模板及相關(guān)支撐鋼管自重，按照平面均布荷載加載在整個區(qū)域次梁上；根據(jù)施工規(guī)范相關(guān)要求及實際機械工具使用情況計算活荷載，按照平面均布荷載加載在整個區(qū)域次梁上（圖4）。

圖4 恒載3（4.5 kN/m2）＋活載（5 kN/m2）

3.3 計算分析結(jié)果

項目利用3D3S結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計計算，計算結(jié)果顯示：鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比0.88，最大撓度1/447，最大位移21.13 mm。由此可知，驗算結(jié)果滿足規(guī)范及施工相關(guān)要求。

4 整體結(jié)構(gòu)仿真分析與結(jié)構(gòu)加固

鋼結(jié)構(gòu)平臺相關(guān)構(gòu)件設(shè)計驗算合格后，由于部分混凝土梁作為鋼平臺的支撐點，其受力情況較原設(shè)計有變化，需要對相關(guān)部分混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析，對必要的部分進(jìn)行加固處理。

利用有限元分析軟件MIDAS GEN建立相關(guān)的結(jié)構(gòu)模型，按照上述鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的荷載加載并進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析（圖5～圖7）。

圖5 結(jié)構(gòu)計算簡圖

圖6 結(jié)構(gòu)位移云圖

圖7 鋼結(jié)構(gòu)平臺支撐側(cè)梁彎矩

根據(jù)上述分析后的結(jié)果可看出，整體結(jié)構(gòu)最大位移40.96 mm，混凝土梁跨中最大彎矩為887.6 kN·m，支座端負(fù)彎矩為－1 424.2 kN·m。而此處混凝土結(jié)構(gòu)為：梁截面600 mm×700 mm，支座處配筋8φ28 mm（HRB400，4/4），跨中配筋6φ28 mm（HRB400，2/4），混凝土強度等級C35。

經(jīng)計算，原混凝土結(jié)構(gòu)梁承載力不足，需要對其進(jìn)行加固處理。本次需要加固的混凝土梁兩端支承結(jié)構(gòu)為鋼骨混凝土柱，若采取增加鋼筋的方式進(jìn)行加固處理，會造成節(jié)點區(qū)鋼筋過于密集，影響此處混凝土澆筑的施工質(zhì)量，故而采取在梁下部增加支撐的形式對承載力不足的混凝土梁進(jìn)行加固處理。在4～6層、6～8層鋼平臺主梁支座及吊桿處的混凝土梁上設(shè)置支撐，支撐桿截面為φ245 mm×10 mm鋼管，與混凝土梁上、下表面相應(yīng)位置處設(shè)置的預(yù)埋件焊接（圖8、圖9）。

再次對加固后的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析后可看出，混凝土梁跨中最大彎矩為416 kN·m，支座端負(fù)彎矩為－848 kN·m。加固后整體結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

圖8 混凝土結(jié)構(gòu)加固簡圖

圖9 加固后支撐側(cè)梁彎矩

常州市文化廣場二期工程主樓7層中庭混凝土樓面采用鋼平臺及鋼管支撐架組合形式的模板支撐方案，大大降低了傳統(tǒng)鋼管支撐架的搭設(shè)高度，將原來的工人作業(yè)點高度由原來的37.5 m降低為4.8 m，大大降低了工人操作的危險性。利用有限元軟件對相關(guān)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，找出結(jié)構(gòu)的薄弱點，并對其進(jìn)行加固處理，使得結(jié)構(gòu)在正常安全的環(huán)境下運行。通過對該方案實施過程中的監(jiān)測，本結(jié)構(gòu)相關(guān)構(gòu)件均在可控范圍內(nèi)運行，未有超出設(shè)計階段計算結(jié)果的位移。