大跨度混凝土連廊高空貝雷梁支撐體系施工技術(shù)

齊從月 王火華 周紅衛(wèi) 王智慧 龔文韜 謝 輝

中建三局第三建設(shè)工程有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430064

1 工程背景

南沙建滔廣場項(xiàng)目工程主體為1棟由多層混凝土連廊連接的雙塔樓結(jié)構(gòu)，首層連廊位于64.3 m（18層）的高空，跨度15 m（圖1）。

圖1 項(xiàng)目效果圖

混凝土連廊整體處于高空之中，從地面搭設(shè)滿堂架或者在墻體開洞后用鋼桁架加懸挑腳手架體系進(jìn)行施工的方法，不僅成本高昂、安裝及拆除施工難度大，而且安全系數(shù)均不高。如何設(shè)計(jì)一套安全可靠的操作平臺進(jìn)行混凝土澆筑及連廊底部幕墻吊頂?shù)氖┕1-9]，是一項(xiàng)難度極大的工作。

2 大跨度貝雷梁支撐體系設(shè)計(jì)

為進(jìn)行本工程連廊混凝土澆筑及連廊底部幕墻吊頂?shù)氖┕?，設(shè)計(jì)了一種大跨度貝雷梁支撐體系。該體系為由工字鋼及貝雷梁構(gòu)成的鋼結(jié)構(gòu)平臺。鋼結(jié)構(gòu)平臺使用鋼牛腿埋件固定于17層混凝土結(jié)構(gòu)上，形成穩(wěn)定體系，如圖2所示。

3 支撐體系計(jì)算分析

3.1 模板體系

混凝土連廊結(jié)構(gòu)模板支撐體系采用φ48.3 mm×3.0 mm的鋼管架搭設(shè)，支架高3.5 m，立桿橫向、縱向間距為900 mm，水平拉桿步距為1 200 mm。

圖2 支撐體系

3.2 貝雷梁鋼平臺模型建立

采用Midas軟件建立貝雷梁體系有限元模型，如圖3所示。主受力構(gòu)件采用2根45a#工字鋼梁，貝雷梁采用321型標(biāo)準(zhǔn)貝雷片，每跨14.5 m，由4節(jié)3.0 m、1節(jié)1.5 m和1節(jié)1.0 m組成1榀，每2榀構(gòu)成1組，所有型鋼材質(zhì)均為Q235B。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)平臺有限元模型

3.3 荷載模擬取值

在模型中，貝雷梁鋼平臺的整體荷載包括自重荷載，主次楞及平臺模板、護(hù)欄等荷載，首次施工結(jié)構(gòu)自重荷載，施工作業(yè)荷載，首層結(jié)構(gòu)支模體系荷載等。風(fēng)荷載參數(shù)按照GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》設(shè)定。設(shè)定荷載最終組合為：1.2倍鋼平臺自重＋施工荷載＋模架荷載＋首層梁板鋼筋混凝土自重。

3.4 模擬分析結(jié)果

通過支撐體系模擬驗(yàn)算可知，貝雷架各支撐點(diǎn)反力的計(jì)算值均小于容許值，符合規(guī)范要求。

鋼結(jié)構(gòu)支撐體系最大位移為26.7 mm，位于支撐體系最外端，小于規(guī)范規(guī)定的L/500＝29 mm（最大位移處構(gòu)件跨度L為14.5 m），符合規(guī)范要求。

支撐體系的最大應(yīng)力位置為連廊結(jié)構(gòu)中部600 mm×1 200 mm主梁正下方平臺槽鋼分配梁的中部，最大組合應(yīng)力為125.2 MPa（小于規(guī)范規(guī)定的Q235B鋼材最大組合應(yīng)力170 MPa），最大剪應(yīng)力為13.1 MPa（小于規(guī)范規(guī)定的Q235B鋼材最大剪切應(yīng)力100 MPa），符合規(guī)范要求。

3.5 鋼牛腿模型驗(yàn)算

鋼牛腿既要承受上方工字鋼、貝雷梁和支撐體的自重，又要承受梁板混凝土自重及施工荷載。以1.2倍荷載計(jì)算10個(gè)鋼牛腿對鋼平臺的支反力，結(jié)果顯示鋼牛腿承受鋼平臺最大支反力為622.3 kN，故以622.3 kN對鋼牛腿進(jìn)行Midas有限元建模，如圖4所示。根據(jù)其受力特征，取荷載組合為1.2倍鋼牛腿自重＋最大支反力622.3 kN（換算成面荷載進(jìn)行加載）。由應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果（圖5、圖6）可知，最大組合應(yīng)力為127.1 MPa（小于規(guī)范規(guī)定的Q235B鋼材最大組合應(yīng)力170 MPa），最大剪應(yīng)力為48.3 MPa（小于規(guī)范規(guī)定的Q235B鋼材最大剪切應(yīng)力100 MPa），符合規(guī)范要求。

圖4 鋼牛腿有限元模型

圖5 鋼牛腿組合應(yīng)力

圖6 鋼牛腿剪應(yīng)力

4 鋼牛腿預(yù)埋件及結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)

預(yù)埋件是整個(gè)鋼平臺和上部荷載的最終受力點(diǎn)，預(yù)埋件類型、數(shù)量、質(zhì)量決定鋼平臺最終受力狀態(tài)，其設(shè)計(jì)有3個(gè)要點(diǎn)：一是由鋼平臺和上部荷載質(zhì)量確定埋件數(shù)量，以維持鋼平臺的安全性；二是要保證預(yù)埋板的焊縫質(zhì)量；三是預(yù)埋板和混凝土材質(zhì)不同，需要設(shè)計(jì)合適的加固方式。

本項(xiàng)目連廊兩邊的剪力墻厚度均為400 mm，擬在剪力墻澆筑前將埋件預(yù)埋在剪力墻中，沿墻長度方向各預(yù)埋5個(gè)埋件，一共布置10個(gè)埋件，埋件的間距如圖7所示。

圖7 預(yù)埋件布置

預(yù)埋件由2塊Q235B鋼板通過φ25 mm的Ⅱ級直螺紋鋼筋焊接而成，鋼筋長400 mm，豎向間距分別為150、190、195、195 mm，橫向鋼筋間距為176 mm，采用E5016焊條滿口塞焊。主板鋼板尺寸為1 000 mm×850 mm×25 mm，背板鋼板尺寸為1 000 mm×850 mm×20 mm，埋件頂部標(biāo)高同17層樓板標(biāo)高（59.7 m）。

由于預(yù)埋板與混凝土材質(zhì)不同，故不能完全兼容上部鋼平臺傳遞下來的巨大側(cè)壓力和扭矩，需在預(yù)埋板頂端進(jìn)行角鋼二次焊接加固，利用鉤形圓鋼將預(yù)埋板與框架鋼筋連接起來，并在預(yù)埋板中間加入直徑20 mm的貫通鋼筋，使得預(yù)埋板與主體結(jié)構(gòu)更好地結(jié)合，不會因?yàn)槭芰Χ鴦兟洌▓D8）。

圖8 現(xiàn)場預(yù)埋件加固

5 鋼牛腿設(shè)計(jì)與貝雷架安裝

鋼牛腿在整個(gè)支撐體系中起著承上啟下的作用，故應(yīng)采取有效的連接方式和預(yù)埋件連接，從而將豎向的力和彎矩傳入到連廊兩側(cè)的預(yù)埋件處。根據(jù)Midas驗(yàn)算結(jié)果，鋼牛腿由上翼緣、下翼緣和3塊腹板焊接而成，鋼板均采用Q235B鋼材，上翼緣尺寸為850 mm×550 mm×25 mm，下翼緣尺寸為780 mm×200 mm×20 mm，腹板由厚30 mm的550 mm×600 mm鋼板倒角而成，倒角尺寸為280 mm×300 mm。牛腿鋼板間以及牛腿鋼板與埋件間采用E5016焊條以45°V形坡口焊接，焊板留根10 mm，牛腿與埋件焊接時(shí)以中線為準(zhǔn)。

經(jīng)計(jì)算，本工程1組貝雷架的總質(zhì)量為2 910 kg，即2.91 t，滿足現(xiàn)場塔式起重機(jī)的起重要求。貝雷架安裝流程為：將工字鋼使用塔式起重機(jī)吊裝至先前預(yù)埋好的鋼牛腿位置→將已于地面拼裝好的貝雷架使用塔式起重機(jī)吊裝至設(shè)計(jì)安裝位置→在距離塔式起重機(jī)最遠(yuǎn)端開始安裝，由遠(yuǎn)及近逐步吊裝→安裝貝雷架頂面槽鋼分配梁，并將分配梁用U形螺栓與貝雷梁固定→在分配梁上鋪設(shè)方木，方木上部滿鋪模板作為平臺面板→采用水袋進(jìn)行平臺預(yù)壓，預(yù)壓荷載不小于實(shí)際荷載的1.2倍，同時(shí)做好預(yù)壓監(jiān)測工作。

6 支撐體系拆除

由于連廊混凝土結(jié)構(gòu)已施工完成，故安裝時(shí)定點(diǎn)吊裝的方式已無法適用，需將貝雷架移出連廊結(jié)構(gòu)外才可起吊。項(xiàng)目通過定制的移動(dòng)式軌道小車，配合手拉葫蘆解決了這一難題。貝雷架拆除流程為：在貝雷架對應(yīng)連廊底部幕墻主龍骨上固定手拉葫蘆→貝雷片兩端同時(shí)利用手拉葫蘆起吊，將貝雷片放置于定制軌道小車上→沿工字鋼方向，在臨靠塔樓豎向結(jié)構(gòu)位置設(shè)置雙鋼絲安全繩，每道鋼絲繩由4個(gè)鋼絲繩繩夾固定于主體結(jié)構(gòu)墻柱部位，并在最后一個(gè)繩夾處設(shè)置安全弧，保證其接頭牢固穩(wěn)定，同時(shí)在型鋼梁端部用槽鋼滿焊擋板，防止小車因慣性移出端部→將貝雷梁固定于移動(dòng)小車上，通過手拉葫蘆勻速拉動(dòng)軌道小車平移至設(shè)計(jì)起吊部位→起吊點(diǎn)固定在貝雷架兩端離端部各3 m的位置，與吊裝鋼絲繩之間夾角應(yīng)小于45°，并保證塔式起重機(jī)起吊時(shí)為垂直起吊→起吊200 mm后，將塔式起重機(jī)大臂向外旋轉(zhuǎn)，將貝雷架緩慢移出連廊范圍，待完全移出連廊外側(cè)后，方可將貝雷架落地。貝雷架拆除流程如圖9所示。

圖9 貝雷架拆除流程

7 施工注意事項(xiàng)

鋼平臺在施工使用過程中，必須定期對鋼平臺進(jìn)行全方位的檢查和保養(yǎng)，以確保使用安全。具體注意事項(xiàng)包括以下幾點(diǎn)：

1）貝雷梁質(zhì)量較大，需要考慮較大的空間進(jìn)行組裝和堆放，同時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)過程中需考慮汽車吊或塔式起重機(jī)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力。

2）貝雷片吊裝施工時(shí)，利用兩端的纜風(fēng)麻繩進(jìn)行位置調(diào)整，吊裝順序?yàn)殡x塔式起重機(jī)由遠(yuǎn)及近依次吊裝。

3）貝雷架頂鋪設(shè)橫向分配梁，分配梁利用U形螺栓與貝雷梁固定，分配梁間距應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)間距確定，現(xiàn)場施工人員應(yīng)對間距進(jìn)行逐個(gè)檢查。

4）平臺施工完成后，需進(jìn)行大荷載水袋預(yù)壓并實(shí)施監(jiān)測。

5）在首層連廊結(jié)構(gòu)澆筑完成后，在模板支撐體系未拆除的情況下，嚴(yán)禁在首層樓板上堆放材料，以免鋼平臺超荷。

6）施工期間，避免撞擊貝雷梁下部工字鋼結(jié)構(gòu)，尤其是懸挑工字鋼端部。

7）貝雷架的拆除需借助連廊底部幕墻鋼龍骨進(jìn)行起吊，故幕墻龍骨在深化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮貝雷片質(zhì)量，同時(shí)在主龍骨上的手拉葫蘆固定點(diǎn)處滿焊鋼筋防滑條，焊縫必須飽滿無裂紋。

8）貝雷片置于載重小車上后，需在貝雷片兩側(cè)各連接2個(gè)三角架，用卡扣固定，防止貝雷片在移動(dòng)過程中發(fā)生側(cè)翻。

9）貝雷片在移動(dòng)過程中，必須保持兩端拉動(dòng)速度相同，以防止小車斜卡在工字鋼之上，貝雷片兩端需工人緩慢平推操作。

8 結(jié)語

針對廣州南沙建滔廣場高空大跨度混凝土連廊施工，研發(fā)了大跨度混凝土連廊高空少支點(diǎn)貝雷梁支撐體系施工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了快速、高效的施工。通過采用Midas軟件模擬仿真和水袋預(yù)壓監(jiān)測等技術(shù)手段，保障了連廊的安全施工。本工程的成功實(shí)施，為其他類似工程的施工積累了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。