一種簡便高效的裝配式鋼結構施工臨時支撐胎架

蔡文文 王濤 王旻 葉舒群 嚴偉東

(中建鋼構有限公司 廣東深圳 510000)

1 工程概況

福州數字中國會展中心位于福州濱海新城核心區大東湖中段位置，西臨新城東湖路，靠近文武砂水庫，南側為東湖三路，北臨智慧路。主要功能包含展覽中心、會議中心及配套功能設施用房。地下1層，地上2層，局部設置夾層，建筑高度約為33.00m，總建筑面積約為11.28萬m2，為會展中心類項目，完工后需要投入會議使用，體量大、工期緊。

該工程鋼結構包括地上主體采用鋼框架+BRB斜撐+正交平面桁架結構體系，大跨度區采用正交平面主次桁架，分布于南側展廳的16m、32m標高樓層，南側辦公區的16m、24m、32m標高樓層，以及北側會議廳的16m、32m標高樓層，均為H型鋼桁架，材質為Q345GJB，桁架之間還有次桁架相連，如圖1～圖2所示。南、北側桁架最大跨度均為68m，桁架最大高度6.6m，單榀桁架最大重量達到230t。

圖1 各層結構分布

圖2 三層桁架立面分布

2 桁架安裝總體思路

桁架作為預制鋼構件，工廠制作，現場吊裝安裝，桁架吊裝采用退裝法。在地下室頂板澆筑完成且強度滿足要求后，采用履帶吊上地下室頂板吊裝，按從下往上順序逐層吊裝完一個軸線的桁架，再逐個軸線由內往外退裝。

正交桁架先吊裝大跨主桁架，再嵌補吊裝次桁架。考慮單榀主桁架重量大，采取兩臺履帶吊雙機抬吊分段吊裝方法施工。主桁架分段面在高空對接，需要設置支撐胎架，提供足夠的承載力。每一榀主桁架高空校正后，需要安裝次桿件連接已安裝鋼柱或桁架形成穩定框架結構體系施工順序。

3 支撐胎架設計

3.1 設計說明

該工程桁架吊裝支撐胎架設計要求為：①安全可靠；②利于該工程桁架安裝，實現一個軸線多層桁架同時施工；③支撐胎架現場安裝速度快，滿足搶工期要求；④可重復利用，節省措施材料；⑤便于操作人員高空作業。

3.2 支撐胎架方案比選

圖3 方案一 貝雷架組合

方案一(如圖3所示)優點：

(1)材料來源廣；

(2)工程實踐多，可參考性強；

(3)支撐跨越桁架時對主體結構無影響。

方案一缺點：

(1)支撐搭設組裝較為繁雜，搭設耗費時間較長，需要大量人力；

(2)跨越中間桁架時，需要搭設轉換型鋼，轉換型鋼搭設的垂直度和穩定性要求難以滿足；

(3)對于不同高度桁架需要組織的貝雷片節數需要精細安排；

(4)承載能力有限；

(5)胎架拆除過程難度較大。

圖4 方案二 單圓管支撐

方案二(如圖4所示)優點：

支撐結構簡單，搭設方便。

方案二缺點：

(1)單根圓管支撐的垂直度要求高，穩定性難以滿足。

(2)二層桁架完全依靠底層桁架承力豎圓管支撐，對結構本身影響較大，需要桁架吊裝且焊接完成。

(3)承載能力有限。

圖5 方案三 圓管組合支撐

方案三(如圖5所示)優點：

(1)支撐胎架組成簡單，安拆方便效率高，便于重復使用。

(2)支撐高度可根據需求隨意調節。

(3)采用門字架形式，穩定性強。

(4)支撐跨越桁架時對主體結構無影響。

(5)承載能力強。

方案三缺點：

(1)圓管組合門字架的平面外穩定性要求較高。

(2)門字架中間橫梁作為主要承力部件，與圓管的焊縫質量要求高。

結合該工程對上述3種方案優缺點綜合考慮，最終確定方案三圓管組合支撐胎架為最優方案。

3.3 支撐胎架結構設計及原理

圓管組合支撐主要由幾部分組成：胎架底座、200mm圓管調節段、Φ609×16圓管、H700×300×13×24型鋼橫梁、HW200×200×8×12型鋼[1]連梁、H600×600×13方管調節段。其中Φ609×16圓管與200mm圓管調節段為帶有法蘭盤與三角筋板的圓管，胎架底座由H350×350×12×19加工制作。

Φ609×16圓管、H700×300×13×24型鋼橫梁、HW200×200×8×12型鋼連梁通過焊接連接組合成門式架結構整體，作為一層桁架主要承力部件。門式架結構中H700×300×13×24型鋼橫梁位置通過[]600×600×13方管調節段支撐桁架結構自重，Φ609×16圓管通過200mm圓管調節段、胎架底座傳力到地面。Φ609×16圓管可在第一層承力門式架結構基礎上通過法蘭盤連接繼續安裝樹立圓管，在不影響第一層桁架安裝的基礎上依此類推組成第二節門式架結構，用來承載第二層桁架。Φ609×16圓管包含多種長度規格，可以搭配選用適用不同高度的桁架結構，并通過[]600×600×13方管調節段進行高度微調。200mm圓管調節段一端為法蘭盤與Φ609×16圓管連接，另一端與底座連接鋼板焊接，可以調節Φ609×16圓管垂直度以及便于法蘭螺栓穿孔。

胎架底座如圖6所示，主要外形尺寸為2600×1400×350，由HW350×350×12×19制作，面積較大，能夠較好地保證整個支撐胎架的穩定性。胎架底座通過角焊縫形式與埋件連接，進一步增強支撐胎架穩定性。

圖6 底座與埋件連接

底座通過圓管調節段與圓管連接，底座內部設置20mm厚加勁板支撐810×810承托板，如圖7～圖8所示。

圖7 底座與圓管調節段連接剖面圖

圖8 底座與圓管調節段連接俯視圖

鋼橫梁通過與圓管相貫線熔透焊進行連接，焊接前提前根據被支撐鋼桁架標高確定鋼橫梁位置，如圖9所示。

圖9 鋼橫梁與圓管連接

圖10 鋼橫梁與方管調節段連接

4 支撐胎架施工流程

圓管組合支撐胎架施工流程，主要包括測量定位、底座安裝、圓管地面拼裝、圓管組合整體吊裝、桁架吊裝、增加圓管節段吊裝多層桁架等,如圖11所示。

圖11 支撐胎架施工流程

4.1 底座固定埋件安裝

底座固定埋件安裝在土建澆筑混凝土前插入，埋件安裝前在完成測量放線后與已綁扎鋼筋進行焊接定位。混凝土振搗后進行埋件位置復測。

4.2 底座安裝

底座安裝前，先按照根據胎架平面布置圖中已給出的坐標點及點與軸線的關系確定底座位置。混凝土板面澆筑不平時，將混凝土突出面鑿平或在埋件上增設鋼板并調平，增設鋼板小于埋件面板并大于型鋼翼緣，與埋件面板圍焊,如圖12所示。

圖12 底座安裝

4.3 支撐措施支撐體系安裝

圓管組合支撐安裝前，在地面首先進行拼裝。地面拼裝首先搭設枕木并調平，隨后通過塔吊吊裝圓管至枕木，地面搭設橫梁與連梁就位型鋼支撐。吊裝橫梁與連梁，經校正就位后進行下一步焊接連接。

首節圓管的拼裝，包括圓管調節段的安裝，圓管調節段由工廠加工運至現場，調節段帶有法蘭，現場通過M24×90螺栓與圓管節段法蘭對接連接。

首節支撐鋼橫梁、連梁、吊裝耳板及鋼爬梯、操作平臺同時在地面安裝到圓管上，形成門字架形式，如圖13所示。

圖13 胎架地面拼裝

對拼裝完成的組合門字架整體吊裝至底座上的定位連接板，如圖14所示。

圖14 胎架整體吊裝

對橫梁標高進行實際測量，與桁架下弦標高對比，得出方管調節段長度，在地面截取方管調節段長度后，吊裝至橫梁上表面方管封板，焊接固定，如圖15所示。

云南電力市場中，月度撮合交易起到發現市場價格信號的作用。月度撮合交易發現市場價格信號有其弊端，不能體現短期的供求情況，不能對有短期調節能力的機組的價格有一定反映。目前云南省內雖然已建立日前市場，但日前市場競價時并不區分時段，所以電價很難反映部分時刻電能的稀缺性。電能市場對于能量的供需反映越精確，輔助服務的價格越容易清晰核算。所以云南省內電力市場仍然要積極推動現貨市場建設，由現貨市場發現價格。

圖15 調節段安裝

圓管胎架安裝完成后，拉設纜風繩增強圓管平面外穩定性。由于桁架安裝采用退裝法，自下而上安裝完一整個軸線后退裝下一個軸線，纜風繩不會影響桁架吊裝就位，如圖16所示。

圖16 纜風繩立面圖

5 支撐胎架卸載與拆除

5.1 卸載與拆除原則

支撐胎架卸載與拆除的前提條件為主體結構已經完成連接，結構自身能夠滿足承載要求。

卸載過程中，要求主體和臨時支撐結構的內力及位移變化是緩慢的，避免引起動力因素或產生沖擊荷載造成結構局部破壞。同時，卸載全過程保證主體結構和支撐桿件的應力全部控制在彈性范圍內，變化幅度控制在合理范圍內，避免發生強度破壞和失穩。

5.2 卸載方法與步驟

考慮到桁架跨度較大，卸載過程中使用型鋼與螺旋千斤頂進行分級卸載[2]。

卸載經過3個步驟：①布置型鋼與千斤頂，如圖17所示；②千斤頂行程上升頂起桁架，使方管支撐脫離桁架并移除，如圖18所示；③千斤頂行程按照每次2cm高度分級緩慢下降，直至與桁架脫離，卸載完成，如圖19所示。

圖17 步驟1：布置型鋼與千斤頂

圖18 步驟2：千斤頂頂起桁架同時拆除方管支撐

圖19 步驟3：千斤頂分級下降與桁架脫離

5.3 卸載與拆除順序及流程

卸載過程中結構體系逐步轉換，桁架內力和臨時支撐的受力發生變化，總體卸載順序為自上而下，由四周往中間對稱卸載。拆除緊跟卸載順序，卸載完成后火焰切割拆除橫梁及連梁，隨后拆除圓管連接螺栓，通過塔吊或汽車吊吊裝圓管至地面。

5.4 安全注意事項

(1)卸載前，提前做好安全技術交底，對作業人員進行安全教育，安全帽、安全帶、防滑鞋等個人勞保用品佩戴齊全。

(2)嚴格按照卸載與拆除順序作業，使結構對稱緩慢承載。

(3)卸載時，采用螺旋千斤頂嚴格按照分級同步頂升及下落，保證桁架結構應力緩慢變化。

(4)卸載過程中，對桁架跨中撓度進行實時監測，若超出設計下撓值及時停止卸載并預警上報，采取后續相關處理措施。

(5)胎架拆除吊裝作業時，注意防止與結構及其他設備碰撞。

5.5 圓管組合胎架優點

(1)相比傳統的貝雷架支撐以及格構式胎架支撐，該發明簡化了各組件結構設計，使用Φ609×16圓管取代了貝雷片及格構式的大量桿件，材料可周轉使用，節省了大量的材料采購費用和制作成本。

(2)多種長度規格的圓管組合，輕松實現了不同高度的鋼結構安裝支撐，提高了支撐措施設計的效率。

(3)減少支撐措施的復雜程度，采用法蘭連接提高了支撐的結構剛度和穩定性。

(4)圓管組合支撐措施占用空間小，有利于多工序的交叉作業及其他專業的交叉施工。

(5)簡化支撐安裝、拆除及二次利用工序，提高了安裝和拆除的效率，方便安拆和轉移，節約了大量的工期。

(6)實現了支撐措施在對主體鋼結構安裝無影響的前提下跨越樓層連續支撐，減少了支撐胎架多次定位安裝的難度與時間，同時實現了多層鋼結構安裝的流水作業，也最大程度地保證主體鋼結構施工的安全性。

(7)圓管組合支撐胎架適應性廣，尤其是裝配式建筑結構的施工。除了適用于正交平面鋼桁架，部分超長超重鋼梁、懸挑結構乃至于裝配式混凝土結構預制構件的安裝均可以使用。

6 施工模擬分析計算

6.1 計算約定

采用有限元軟件進行圓管支撐胎架受力分析及施工模擬。首先對單個桁架分段施工進行支撐胎架受力分析，再對整個桁架結構施工進行模擬分析。

邊界條件使用固定支座模擬胎架底部埋件支座。

如圖20～圖21所示，荷載主要包括：

(1)恒荷載：結構自重；

(2)活荷載：所支撐的桁架對胎架的作用力；

(3)風荷載：考慮X、Y兩個方向的風荷載對支撐鋼胎架的作用。

圖20 支撐胎架受力

圖21 桁架對支撐胎架反力

根據《建筑結構荷載規范GB50009-2012》5.2.2條確定風荷載相關參數見表1所示。

表1 風荷載相關參數

風荷載計算值按照荷載規范8.1.1條得到計算的分段荷載如表2所示。X、Y向風荷載如圖22所示。

表2 不同高度風荷載值

圖22 X、Y方向風荷載

計算得到應力云圖與位移云圖，最大組合應力值為67.5MPa，如圖23所示。最大位移值：7.7mm，如圖24所示。

圖23 支撐胎架應力云圖

圖24 位移云圖

圖25 臨界荷載系數

胎架計算得到的最大應力為67.5MPa<205MPa，滿足規范要求。胎架位移7.8mm1，如圖25所示。整體穩定性驗算通過。

圖26 桁架施工步1應力云圖

圖27 桁架施工步1位移云圖

圖28 桁架施工步2應力云圖

圖29 桁架施工步2位移云圖

圖30 桁架施工步3應力云圖

圖31 桁架施工步3位移云圖

圖32 桁架施工步4應力云圖

圖33 桁架施工步4位移云圖

圖34 桁架施工步5應力云圖

圖35 桁架施工步5位移云圖

圖36 桁架施工步6應力云圖

圖37 桁架施工步6位移云圖

圖38 桁架施工步7應力云圖

圖39 桁架施工步7位移云圖

桁架吊裝各施工步應力與位移云圖如圖26～圖39所示，各施工步結構最大組合應力變化時程曲線[3]如圖40所示，每個施工步最大組合應力隨桁架沿軸線退裝而變化，呈階梯狀，施工步7達到最大。組合應力階梯狀反應出不同軸線桁架自重不同及南側辦公區增加至三層桁架所帶來的應力顯著增大。

圖40 結構最大組合應力時程曲線

各施工步結構最大合位移變化時程曲線反映最大合位移在施工16m與32m桁架時較為平穩，當施工步7施工南側辦公區16m、24m、32m層桁架時，最大合位移增大為52.5mm，如圖41所示。

圖41 結構最大合位移時程曲線

整個安裝過程中最大應力161.7MPa，最大應力在圓管胎架上。材料強度具有足夠的安全儲備，且應力整體變化平穩。施工過程最大位移為52.5mm

7 工程實際應用

福州數字中國會展中心項目在現場桁架吊裝中采用履帶吊雙機抬吊退裝法，在每完成一段桁架吊裝同時及時連接次桿件，使桁架與已安裝結構組成穩定體系，防止桁架傾覆。圓管組合支撐胎架現場安裝完成后根據需要沿垂直于兩根圓管組合面方向拉設纜風繩，確保圓管組合胎架穩定性。

圓管組合支撐胎架實現了支撐措施在對主體鋼結構安裝無影響的前提下跨越樓層連續支撐，減少了支撐胎架多次定位安裝的難度與時間，同時實現了多層鋼結構安裝的流水作業，也最大程度地保證主體鋼結構施工的安全性,如圖42所示。

工程實際應用中受限于工期緊張，且為完成對應高度桁架支撐，直接采取橫梁與圓管現場定位焊接連接的方式。后續項目可將橫梁與圓管優化為帶螺栓孔牛腿形式的螺栓連接，更好實現材料周轉利用。

圖43～圖45為圓管組合支撐胎架各典型組件在工程實際中的應用。

圖42 圓管組合胎架在施工中的運用

圖43 帶法蘭盤圓管

圖44 鋼橫梁

圖45 圓管調節段

8 結語

福州數字中國會展中心為典型的多層正交平面鋼桁架結構，裝配率超過50%。本文基于此結構設計針對性的支撐胎架系統，利用有限元軟件對支撐胎架進行模擬計算，并在實際施工中運用，獲得圓滿成功，實現降本增效。同時，該支撐胎架具有一定的創新性，適用性強，可為類似裝配式建筑施工提供參考。