雙向傾斜空間變曲面吊塔的扣件式滿堂腳手架架體設計

張志平 亓立剛 郭亮亮 賈紅學 葛 杰

中國建筑第八工程局有限公司天津分公司 天津 300452

1 工程概況

柬埔寨體育場項目南、北兩側各設1座高99 m的人字形雙向傾斜空間變曲面清水混凝土吊塔（圖1），塔身標高78 m以下雙肢對稱布置，雙肢外側為雙圓弧曲面，半徑不斷變化，78 m以上合攏為單肢，吊塔與地面夾角約為60°；吊塔最大內傾31.1 m，最大外傾27.1 m，截面面積由385 m2逐步遞減為12 m2；吊塔作為索膜屋蓋的主要支承結構，外側設8根背索，內側設18根斜拉索，塔身中空，內設13道混凝土水平隔板，最厚為4.2 m；墻內設勁性鋼骨，鋼板最厚為40 mm，鋼筋最大直徑40 mm。

圖1 柬埔寨體育場項目效果圖

組成吊塔的雙肢對稱布置，每肢輪廓由5個大傾斜空間曲面組成，吊塔截面自下而上逐漸縮減，在標高78 m處合攏，頂部標高99 m（圖2）。

塔身整體沿曲線向上傾斜，陽角線弧度各不相同，截面形狀、幾何尺寸、面積等沿高度連續變化，配模及支架設計需考慮適應結構形體曲線連續變化及安全經濟性[1]。

圖2 吊塔控制截面輪廓

其中塔身截面內凹段AED又由2段半徑不同的弧線AE、ED組成；且同一段弧線隨高度變化，平面圓弧半徑還變化了22次，給配模放樣帶來了極大的難度（圖3）。

圖3 塔身截面內凹段曲率半徑變化

2 方案設計

本工程人字形吊塔在26.4 m以下采用扣件滿堂架配木模施工，26.4 m以上采用爬模施工，爬?？臻g受限時采用掛架施工，本文主要對26.4 m以下部分架體進行分析研究。

2.1 腳手架架體概況

人字吊塔標高6.9～26.4 m支撐體系采用扣件式滿堂腳手架，架體在人字吊塔內側（B面）和靠近背索一側（C面）搭設，立桿間距均為0.9 m，步距1.5 m，這兩側的架體交叉區域架體比較窄，支撐的桿件較少，立桿間距需加密至0.45 m，步距保持不變[1]（圖4）。

圖4 南吊塔6.9～26.4 m架體立面示意

2.2 吊塔內傾面在內部搭設架體

吊塔D/E面墻體和A面墻體內傾，施工時在其內側搭設滿堂架體，支撐人字吊塔內側墻體的橫桿間距0.9 m，縱桿間距0.9 m，立桿步距1.5 m，掃地桿距地面0.2 m。

2.3 架體立桿立于吊塔上的處理措施

吊塔先于兩側環梁施工，施工環梁時，將環梁架體的橫桿搭設于人字吊塔側面預埋的φ32 mm的HRB400鋼筋上，鋼筋長度為400 mm，埋入吊塔200 mm。鋼筋橫向間距為300 mm，每排鋼筋上固定一鋼管，架體立桿作用于鋼管上。

3 支撐體系可行性分析

3.1 吊塔區域架體分析

1）材料：腳手架鋼管采用φ48.3 mm×3.6 mm的Q235鋼管[2]；人字吊塔的混凝土強度等級為C50。

2）荷載：人字吊塔腳手架承擔的荷載包括腳手架及人字吊塔自重、腳手板荷載及施工荷載（未考慮風荷載）。Midas gen計算時通過自重系數取1.05，考慮腳手板荷載和施工活荷載的作用[3]，強度驗算時取1.2恒載＋1.4活載，剛度驗算時取1.0恒載＋1.0活載，不考慮吊塔混凝土達到設計強度后對結構質量的分擔作用，假定結構分配至腳手架的質量從開始搭設至搭設結束時仍作用在腳手架上[4]。

3）架體有限元模型：計算時，偏安全地不考慮水平剪刀撐與豎向剪刀撐的加強作用（圖5）。

4）邊界條件：由于人字吊塔雙肢對稱，選取了吊塔單肢腳手架進行分析，腳手架右側和立桿底部設置為僅受壓的彈簧支座，彈性約束為單z和x方向。

5）計算結果分析：吊塔腳手架的最大壓應力為193.2 MPa，小于強度設計值，強度驗算滿足。腳手架鋼管最大變形為6.66 mm，腳手架變形滿足要求。利用Midas進行腳手架立桿截面驗算，桿件長細比、強度驗算及整體穩定性均滿足要求。

3.2 吊塔內墻架體分析

1）材料：同吊塔架體材料。

2）荷載：吊塔內墻架體承擔的荷載主要包括腳手架及人字吊塔墻體自重、腳手板荷載及施工荷載（未考慮風荷載）。Midas gen計算時通過自重系數取1.05，考慮腳手板荷載和施工活荷載的作用。不考慮人字吊塔墻體混凝土達到設計強度之后對結構質量的分擔作用，假定結構分配至腳手架的質量從開始搭設至搭設結束時仍作用在腳手架上。

3）架體有限元模型：D/E面墻體（圓弧一側）厚500 mm，選取寬5.4 m的墻體進行分析，A面（場內一側）墻體厚600 mm，選取寬4.5 m的墻體進行分析，計算時，偏安全地不考慮水平剪刀撐與豎向剪刀撐的加強作用（圖6）。

圖5 架體有限元模型

圖6 內墻架體有限元模型

4）邊界條件：內墻腳手架右側和立桿底部設置為僅受壓的彈簧支座。彈性約束為單z和x方向。

5）計算結果分析：吊塔腳手架D/E面和A面內墻腳手架最大壓應力分別為56.8 MPa和108.2 MPa，應力小于強度設計值，強度驗算滿足。D/E面和A面內墻腳手架鋼管最大變形為1.72 mm和1.36 mm，腳手架變形滿足要求。利用Midas進行腳手架立桿截面驗算，桿件長細比、強度驗算及整體穩定性均滿足要求。

3.3 腳手架鋼筋支撐分析

1）材料：環梁環柱腳手架橫桿搭設于人字吊塔側面預埋的φ32 mm的HRB400鋼筋上。腳手架鋼管采用φ48.3 mm×3.6 mm的Q235鋼管。

2）荷載：環梁截面為3 030 mm×1 200 mm，腳手架的橫縱間距為450 mm，取一榀腳手架進行驗算，所以環梁作用于這一榀腳手架上的恒載為3 030 mm×1 200 mm×450 mm的長方體，腳手架橫桿有3 300 mm搭設在鋼筋上，鋼筋間距為300 mm。作用于腳手架橫桿上的線荷載為12.99 kN/m，取13 kN/m，腳手架自重轉換成線荷載為3.5 kN/m[3]。強度驗算時取1.2恒載＋1.4活載，剛度驗算時取1.0恒載＋1.0活載。

3）邊界條件：將鋼筋支撐與人字吊塔的接觸端設為固支。

4）鋼筋支撐計算結果分析：鋼筋的最大應力為295.13 MPa，小于強度設計值，強度驗算滿足。鋼筋變形為0.58 mm，變形滿足要求。腳手架作用于距離鋼筋約束端150 mm位置，腳手架施工搭設時，腳手架距離鋼筋約束端不能超過150 mm。利用Midas進行鋼筋截面驗算，強度驗算及整體穩定性均滿足要求。

3.4 腳手架驗算結果

通過上面的分析可知：

1）本工程南北兩側人字形吊塔在26.4 m以下（即環梁以下）空間曲面弧度變化不大，采用落地扣件滿堂架配木模施工，通過有限元模型分析，架體搭設滿足要求。

2）滿堂架根據吊塔自身特點，布置靈活，僅在背索一側較窄的一面采用了架體間距的加密措施，整體受力滿足要求，減少了架體用量，方便施工。

3）吊塔兩側環梁架體立桿部分作用在吊塔曲面上，通過預埋鋼筋支撐，為立桿提供支撐面，通過有限元模型分析可行，同時施工方便，利用廢料鋼筋加工，降本增效。

4 結語

本工程人字形雙向傾斜空間變曲面吊塔在26.4 m以下支撐體系采用了落地式扣件滿堂架形式，布置靈活，立桿間距采用0.9 m，步距采用1.5 m，背索一側立桿加密，間距為0.45 m，在滿足結構自身受力和變形要求的基礎上，減少了架體用量；吊塔曲面上通過預埋鋼筋支撐，為立桿提供支撐面，在滿足受力要求的同時方便了施工，利用廢料鋼筋加工，降本增效。

實踐證明，利用扣件滿堂架支撐技術，滿足受力要求，減少架體用量，保證了過程安全，為類似空間變曲面結構的施工提供了寶貴經驗。