高層建筑大跨度混凝土挑檐模板支撐設計與應用

穆立春 唐志勃 蘇 鋼

山東德建集團有限公司 山東 德州 253003

進入21世紀以后，中國建筑業獲得了突飛猛進的發展，各類建筑如雨后春筍般在全國各個城市矗立起來。隨著建筑設計行業人員大量的創新和大膽的實踐，各種設計技術百花齊放，設計的建筑也是各具特點。但是，復雜的造型、高空的大懸挑等設計形式也給工程施工帶來了許多的麻煩。

為通過獨特的建筑風格和立體的感官效果來展示自己的企業文化，有些企業要求設計單位將建筑物向外延伸出較大的懸挑結構造型。這些懸挑結構一般設置在屋頂，距離地面高度較高，給施工單位的施工帶來了嚴峻的挑戰。為節省資金和縮短施工周期，施工單位往往采用懸挑承力支撐體系來替代以往常規使用的落地鋼管扣件式滿堂腳手架形式[1]。

本文以山東德州市某企業研發中心的工程為例，詳細介紹該高層建筑大跨度混凝土挑檐模板支撐從設計到施工全過程中的技術難點和控制重點，以期為以后同類項目的施工提供借鑒。

1 工程概況

德州市某企業的研發中心建筑面積為17 166.70 m2，建筑地上9層，采用鋼筋混凝土框架結構，在7層頂有一圈懸挑1.7 m的坡形挑檐，在屋頂有一圈懸挑4.2 m的鋼筋混凝土挑檐，挑檐上部另有一段坡屋頂造型，坡面上干掛深灰色鋁單板。7～9層頂標高分別為27.90、31.80和37.35 m，剖面如圖1所示。建筑平面呈“凸”字形，懸挑部分出現6個陽角和2個陰角。

圖1 建筑局部剖面

2 高空大跨度懸挑混凝土結構施工難點

高空大跨度懸挑混凝土結構在設計階段只需要考慮結構的大指標、配筋及裂縫開展寬度等技術要求，對于懸挑部位的撓度只需在說明中注明起拱要求即可。而對于施工單位而言，則不僅要按設計要求起拱，還要考慮模板支撐的設計、支撐架體和模板的搭設、施工安全防護及高空振搗混凝土帶來的沖擊作用影響等。這些都是困擾施工人員的技術難題[2]。

本工程懸挑鋼筋混凝土挑檐具有以下特點：條件復雜，7層頂有1.7 m的坡形懸挑板，該懸挑板與屋面大跨度挑檐相距9.45 m；所處位置高，建筑室內外高差1.05 m，屋頂大跨度挑檐標高37.35 m，距離室外地坪38.40 m；懸挑長度大，挑檐外表面距外排框架柱外表面尺寸達4.2 m，遠大于懸挑腳手架規范中的相關規定；挑檐造型復雜，挑檐不但有懸挑梁，在距軸線3 m處還有一道連續梁，而在連續梁外1.2 m處則為逐級回縮的封邊掛板，如圖2所示。

圖2 懸挑檐口斷面

高空大跨度懸挑混凝土結構在施工過程中存在以下幾個難點：

1）在大跨度懸挑混凝土構件施工期間，下部的模板支撐平臺既要承受模板支撐傳來的荷載，又要作為工人的安全操作平臺，還要作為外防護結構的高空防墜落底部防護措施。因此，設計何種結構形式的懸挑支架既能保證安全、經濟，又能充分利用材料的性能，是首先要解決的關鍵問題。

2）由于大跨度懸挑混凝土構件位于高空，故應優先考慮利用已經澆筑完成的樓面搭設懸挑支架。而在建設過程中懸挑支架以下沒有較大的懸挑結構，其外防護架與建筑物距離較近，高度卻超出懸挑腳支架所在的樓層，這就給懸挑支架的搭設帶來了很大的難度。

3）在高空大懸挑混凝土構件施工完成并達到拆模條件時，懸挑混凝土構件在腳手架支撐平臺上形成了一個覆蓋物，其下部的支撐架管質量輕，可以方便順利地拆除后導入室內進行轉運即可。而對于懸挑支架而言，其自重大、長度長，起重機的吊鉤無法靠近懸挑支架的形心位置，拆除難度較大。

3 懸挑支撐平臺設計

3.1 懸挑支撐平臺的優點

懸挑支撐平臺使用時一般距離室外地面較高，若搭設落地式滿堂模板支撐架，則架體高度遠遠超過8 m，屬于超過一定規模的危險性較大的分部分項工程，不僅需要進行專家論證，而且搭設過程會使用大量的支撐桿件，桿件的接頭較多，可能會形成較大的偏心，使得豎向支撐桿件的整體穩定性很難保證，施工質量難以控制，施工安全難以保證。

采用高空懸挑支撐平臺既可以減少支撐架體豎向桿件的數量，也可以將支撐架體的高度減小到8 m以內，使得豎向桿件不需要拼接，豎向構件的穩定承載力很容易滿足要求。

3.2 懸挑支撐平臺的設計

為解決高空大懸挑混凝土構件的澆筑難題，工程上常采用“高空斜拉型鋼支模平臺＋滿堂支撐架”的模板支撐體系[2]，本項目若采用該種體系方案，需要從7層樓面按約90 cm間距鋪設工字鋼，斜拉索一端與挑梁拉結，另一端與8層外側框架梁的預埋件拉結。

由于建筑外墻設計主要為玻璃幕墻，砌體填充量小，外圍框架梁設計時配筋小，挑檐懸挑較大，混凝土構件＋架體的質量遠大于設計允許荷載，故設計單位不同意按此方案進行施工。

為便于在搭設高空大懸挑模板支撐平臺后，鋼材可以重復利用，并且減少預埋件的數量，經建模分析，決定在柱外側設置單斜桿下撐式三角架，如圖3所示。三角支架梁外挑3.5 m，斜桿前端距水平挑梁前端0.5 m，斜桿及水平挑梁后端固定于柱外側預埋件上，三角架高度3.5 m。在陽角處，沿柱的兩側面設置斜向的三角支架，并通過拉梁連接成整體。

在距柱外側面3 m處設置1道與建筑外圍平行的承重H鋼梁。另設八字形水平斜撐將三角架上表面與外面承重H鋼梁連接在一起，以增加鋼梁的整體穩定性，水平斜撐與承重H鋼梁軸線的夾角為45°，沿直角邊的長度均為2.5 m。

在水平承重梁與外圍鋼筋混凝土框架梁之間設置矩形鋼管托梁，托梁長度除轉角處外均為6 m，間距約0.9 m，從外圍鋼筋混凝土框架梁外表面向外伸出4.5 m，向內伸出1.5 m，按單跨＋懸挑進行設計。在陰角與陽角處，矩形鋼管采用發散式布置，最外端的間距約0.9 m，平面布置如圖4所示。水平矩形鋼管托梁上面鋪設腳手板用以施工人員作業。水平矩形鋼管等間距沖孔，在支撐立桿對應位置穿螺栓，螺桿長度高出鋼管表面不小于150 mm，支撐立桿底端套入螺桿，以防止鋼管底部從矩形鋼管托梁上滑出。

圖3 支撐平臺三角支架

圖4 平面布置情況

3.3 荷載計算

懸挑平臺上搭設的滿堂支架自重、模板自重、新澆混凝土及鋼筋的自重、施工活荷載、傾倒及振搗混凝土的沖擊力等豎向荷載，通過立桿傳遞到平臺矩形鋼管托梁上，水平荷載按10年一遇的基本風壓取值，通過平臺外圍布設的安全防護網傳遞給支撐立桿。

根據GB 50068—2018《建筑結構可靠性設計統一標準》的規定，對構件進行承載能力極限狀態設計時，荷載組合的效應按基本組合進行設計，荷載組合的分項系數分別為永久荷載1.3、施工活荷載1.5、風荷載1.4。而對構件進行正常使用極限狀態設計時，對永久荷載、施工活荷載以及風荷載應按標準組合效應進行設計，荷載效應組合值分項系數均取1.0。

3.4 構件設計

在整套懸挑支撐平臺中，其上部的模板支撐立桿應根據所承受的荷載按軸心受壓構件計算強度和穩定。與建筑外圍平行的H鋼梁是懸挑平臺的主要承重構件，選型時截面高度須小于跨度的1/20，材質為Q355B的熱軋國標H型鋼。計算時按兩端鉸接的簡支梁設計，鋼梁的平面外計算長度按由水平支撐分段結果的最大值取用。

為控制施工過程中模板的變形，應按荷載效應的標準組合計算H鋼梁豎向荷載作用下的撓度，梁的撓度限值按GB 50017—2017《鋼結構設計標準》中規定的l/250（l為梁長）進行控制。作用在H鋼梁上的豎向荷載均由模板支撐立桿傳遞到H鋼梁上，間距均為900 mm左右，近似按均布荷載布置。

豎向荷載由垂直于H鋼梁上的矩形鋼管進行承擔，其中2/3的荷載傳遞給平行于建筑外圍的H鋼梁，另外1/3直接傳遞給鋼筋混凝土外圍框架梁上，如圖5所示。

圖5 矩形鋼管托梁計算示意

傳遞到H鋼梁上的荷載，通過鋼梁端部的連接節點傳遞到三角支架的水平懸挑梁上，通過合理的設計將H鋼梁與三角架水平梁連接的節點位置定在三角架下斜撐與橫梁連接位置的形心處。這時三角架按靜定結構進行設計，其計算簡圖如圖6所示。

圖6 三角架計算示意

3.5 預埋件設計

本工程中的預埋件共分4類，分別為三角架與鋼筋混凝土柱相連接的橫梁連接預埋件、下斜撐連接預埋件、外框架梁頂面預埋件及輔助節點預埋件。

在計算過程中三角架橫梁只承擔水平拉力，其與柱連接的預埋件為受拉預埋件。三角架下斜撐為受壓桿件，因與水平面有夾角，故其與柱連接的預埋件既承擔水平壓力又承擔豎向剪力，屬于壓剪組合預埋件。矩形鋼管托梁在外圍框架梁頂面的預埋件通過計算確認為受壓預埋件，輔助節點預埋件不受力，僅起增加安全儲備的作用。

為保證施工階段安全，各種預埋件按所承受的荷載、被連接構件截面的大小等因素確定錨板的大小、錨筋的排列，然后依據GB 50010—2015《混凝土結構設計規范》計算錨筋總面積，錨筋的長度按受拉鋼筋在混凝土中的錨固長度進行確定。

預埋件設計與制作時應避免錨筋與構件柱筋相碰，同時要充分考慮實際施工過程中可能導致的預埋件偏移量，對錨板尺寸進行適當調整，避免平臺安裝時無法與預埋件對位連接。

4 懸挑支撐平臺施工

4.1 平臺搭設

在平臺施工前，先對預埋件的尺寸位置進行檢驗，再對預埋件所在樓層的混凝土強度等級進行檢查，各項指標均達到設計要求時方可進行平臺的安裝。為盡量減少因荷載作用而造成的三角支架的端部下垂，三角架根據計算進行預起拱，起拱值通過計算確定。為防止安裝過程中的位置偏差，在預埋件及三角架的斷面上均提前彈出中心線，安裝時將中心線對齊后方可進行焊接連接。

平臺的三角架及鋼梁選用強度較高的Q355鋼，質量較輕，均可用塔吊進行吊裝。為便于后期的拆除，鋼梁與三角架橫梁、水平斜撐與鋼梁以及三角架橫梁之間均采用螺栓連接，如圖7所示。矩形鋼管托梁與鋼梁采用的螺栓連接節點形式如圖8所示。矩形鋼管托梁端部的輔助節點采用U形螺栓穿過鋼筋混凝土樓板連接，鋼管與U形螺栓之間用木楔塞緊。

圖7 平臺布置大樣

圖8 鋼管托梁與鋼梁連接大樣

4.2 支撐架體施工

當模板支撐平臺安裝完畢并通過驗收后，方可在其上搭設支撐架體。支撐架體以及外搭設應編制專項施工方案[3]，架體采用扣件式鋼管支撐架，鋼管為φ48 mm×3.5 mm，立桿間距約0.9 m，水平桿步距1.2 m，沿縱橫向連續設置剪刀撐[4]。立桿頂端設置可調U形支托，其螺紋伸出鋼管頂部不大于0.2 m，且安裝時應保證上下同心。在可調支托底部的立柱頂端沿縱橫2個方向均設置1道水平拉桿，在距立桿底部0.2 m處沿縱橫方向均設置掃地桿。

4.3 模板施工

本工程懸挑部分梁截面并不大，而且外部有多層折角，因此選擇厚度為18 mm、尺寸為1.22 m×2.44 m的木膠合板作為梁、板的模板。為提高模板的周轉次數，模板的排板、拼縫及對拉螺栓孔位置和排列應提前進行設計[5]。

模板施工時應注意以下事項：模板的安裝應保證構件各部分的形狀、尺寸和相互位置正確；模板及楞木的尺寸及間距應具有足夠的承載能力、剛度和穩定性；混凝土澆筑前，要把模板與混凝土接觸面清理干凈，并涂刷脫模劑，脫模劑不能影響結構性能和后續工程的施工[6]。

5 結語

本文以德州市某企業研發中心的屋頂大跨度現澆鋼筋混凝土挑檐為案例，對在模板施工過程中遇到的問題進行了專門的研究。在保證安全、經濟的前提下，對支撐平臺各構件進行分析設計，并對支撐平臺施工提出相應的要求。項目部根據此方案實施后取得了良好的效果，順利完成了模板支設、混凝土澆筑及模板和支撐拆除等工作，可為同類高空大懸挑鋼筋混凝土結構工程施工提供參考。