扣件式腳手架在復(fù)雜工況條件下的應(yīng)用

倪磊 上海市水利工程集團(tuán)有限公司

隨著城市防汛度汛要求不斷提升，泵站、閘室等水工建筑物承擔(dān)著日益重要的防洪排澇職能。泵站水閘修建過程中，往往涉及屋面高大模板支撐體系的設(shè)計(jì)與施工，考慮到屋面結(jié)構(gòu)異形、支模高度高、梁板結(jié)構(gòu)截面尺寸大、汛期部分作業(yè)空間已通水、現(xiàn)場搭設(shè)工況復(fù)雜等特點(diǎn)，高支模腳手架施工存在較大的安全風(fēng)險，成為整個泵站閘室施工過程中安全風(fēng)險控制的重中之重。根據(jù)《危險性較大的分部分項(xiàng)工程安全管理規(guī)定》住建部令2018年37號令，對超過一定規(guī)模的屋面高大模板支撐體系，需編制專項(xiàng)方案，并通過專家評審后方可實(shí)施，以此確保搭設(shè)過程的安全可控。

1.工程概況

南新涇泵閘工程上部涉及框架結(jié)構(gòu)及屋面梁板結(jié)構(gòu)，分安裝間、泵房、閘室三個區(qū)域。通過整理分析，最大支模高度23.5m，梁最大截面尺寸700mm＊1700mm，屋面為斜屋面，坡度為20度，具體上部結(jié)構(gòu)形式如圖1。

圖1 上部框架結(jié)構(gòu)總平面圖

屋面模板支撐體系采用扣件式鋼管腳手架及貝雷架，其中貝雷架主要作用是為上部滿堂腳手架提供穩(wěn)定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，避免滿堂架在水中搭設(shè)。架體位于主泵房和閘室位置，其中5.0m平臺和6.7m平臺位置為雙排作業(yè)架，泵房、閘室內(nèi)為滿堂支撐架。其中，雙排作業(yè)架為普通模架區(qū)域，泵房閘室內(nèi)滿堂架為高支模架區(qū)域。

圖5 閘室上部第一階段混凝土結(jié)構(gòu)荷載

考慮到上部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對上部結(jié)構(gòu)分批次進(jìn)行澆筑，具體流程如下：閘室框架結(jié)構(gòu)施工至11.45m標(biāo)高→閘室框架結(jié)構(gòu)施工至16.2m標(biāo)高→閘室屋面梁板結(jié)構(gòu)施工至19.18m標(biāo)高。

2.復(fù)雜工況條件

2.1 通水后影響

考慮到6月至9月為汛期，為保證汛期新涇港內(nèi)防汛安全，工程于2021年6月30日拆除內(nèi)外河圍堰，實(shí)現(xiàn)通水。通水后，閘室底板無法作為滿堂腳手架基礎(chǔ)，部分區(qū)段腳手架縱橫桿、剪刀撐搭設(shè)困難，如圖2內(nèi)河側(cè)（紅色線框位置）及外河側(cè)（藍(lán)色線框位置）：

圖2 通水后腳手架搭設(shè)影響區(qū)域

2.2 閘門啟閉影響

閘室內(nèi)工作閘門安裝完成后，進(jìn)行了閘室全行程起閉實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)圖3紅色線框范圍影響腳手架搭設(shè)。考慮到汛期閘門不定期全行程起閉，該區(qū)域無法搭設(shè)腳手架，需對該區(qū)域腳手架搭設(shè)進(jìn)行調(diào)整。

圖3 閘門起閉影響區(qū)域

2.3 其他構(gòu)筑物、設(shè)備影響

（1）閘室11.2m啟閉機(jī)平臺機(jī)架影響。腳手架搭設(shè)前已完成對閘室11.2m平臺啟閉機(jī)機(jī)架及液壓油站的安裝工作，該區(qū)域1.4m寬度范圍、15m長度范圍內(nèi)腳手架立桿、橫桿需進(jìn)行避讓。

（2）泵房12.61m橋式起重機(jī)影響。泵房內(nèi)橋式起重機(jī)安裝在腳手架搭設(shè)之前完成，橋式其中機(jī)1.5m寬度范圍、長度16m范圍內(nèi)腳手架立桿、橫桿搭設(shè)受到影響。

（3）上部框架結(jié)構(gòu)柱影響。①考慮到結(jié)構(gòu)柱施工先于梁板結(jié)構(gòu)施工，結(jié)構(gòu)柱施工考慮主楞（鋼管）、次楞（方木）及人員作業(yè)空間，其周邊需留出至少30cm距離，影響腳手架布置。②考慮到貝雷架橫跨閘室，兩端固定于閘室墩墻上，同時閘室墩墻部分位置存在現(xiàn)狀框架柱，二者存在沖突。貝雷架需避讓上部框架柱。

3.復(fù)雜工況條件下滿堂架設(shè)計(jì)

3.1 搭設(shè)位置選定

針對通水后內(nèi)河側(cè)無腳手架搭設(shè)基礎(chǔ)的問題，計(jì)劃采用貝雷架橫跨閘室兩側(cè)墩墻，以貝雷架作為基礎(chǔ)，其上部搭設(shè)滿堂腳手架。考慮到現(xiàn)場實(shí)際作業(yè)條件，可供貝雷架搭設(shè)的位置有兩處：（1）墩墻8.30m標(biāo)高位置（圖4藍(lán)色線框區(qū)域）；（2）14.50m標(biāo)高KL6框架梁位置（圖4紅色線框區(qū)域）。

圖4 閘室貝雷架搭設(shè)區(qū)域比選

對這兩處搭設(shè)區(qū)域不利條件進(jìn)行分析，具體如下：

（1）墩墻8.30m標(biāo)高位置：

①受周邊KZ11柱影響，貝雷架總長度為13.2m，貝雷架標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長度為3m，需定制加工非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，工期及成本增加；

②考慮到該位置墩墻已澆筑完成，貝雷架與墩墻之間無預(yù)埋固定措施，需植筋后再進(jìn)行貝雷架搭設(shè)，對墩墻結(jié)構(gòu)造成破壞，且對植筋抗拔提出更高要求；

③貝雷架搭設(shè)該位置，汛期工作閘門只能處于半起閉狀態(tài)，則閘門總重量（26噸）與11.2m平臺正上方屋面梁板結(jié)構(gòu)荷載全部由11.2m啟閉機(jī)平臺梁板結(jié)構(gòu)承受，無法保證啟閉機(jī)平臺結(jié)構(gòu)安全。

（2）框架14.50mKL6梁位置：

①貝雷架上部框架及屋面結(jié)構(gòu)荷載、架體荷載及貝雷架荷載全部傳遞至KL6梁，KL6梁截面尺寸400＊800mm，不能保證梁體安全和穩(wěn)定性。

②人員腳手架搭設(shè)作業(yè)高度超過7m，高處作業(yè)風(fēng)險較高。

考慮到汛期閘門起閉要求，且KL 6梁未澆筑，可以與貝雷架之間采取預(yù)埋固定措施，最終確定框架14.5mKL6梁作為貝雷架基礎(chǔ)，但仍需要對方案進(jìn)行優(yōu)化。

圖7 貝雷架應(yīng)力分析圖

圖8 貝雷架變形分析圖

3.2 上部荷載確定

閘室上部框架及屋面梁板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相應(yīng)的屋面混凝土結(jié)構(gòu)荷載計(jì)算難度較大。為保證上部荷載計(jì)算準(zhǔn)確性，采用BIM技術(shù)，首先對上部框架結(jié)構(gòu)及屋面梁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，然后利用Bentley切割功能，分階段計(jì)算上部混凝土體積。

上部凈荷載75噸，同時考慮施工荷載、人群、機(jī)具、材料等因素考慮10噸，共85噸荷載，按線荷載均勻加載到貝雷架上。

3.3 設(shè)計(jì)優(yōu)化

考慮到KL6梁承受上部荷載過大，在緊鄰KL 6 梁位置設(shè)置3根500直徑、壁厚10 mm 的鋼管，鋼管之間采用20號工字鋼連接。鋼管位置避開墩墻8.30m標(biāo)高位置檢修人口。具體鋼管設(shè)置形式如圖6。

圖6 閘室上部貝雷架系統(tǒng)圖

3.4 安全計(jì)算負(fù)荷

為保證架體設(shè)計(jì)安全性和穩(wěn)定性，采用Madis Gen對貝雷架及下部鋼管支撐體系進(jìn)行有限元計(jì)算分析。主要包括對支座反力、貝雷架強(qiáng)度、架體最大變形、架體撓度、支撐剪力、支撐強(qiáng)度的計(jì)算復(fù)核，復(fù)核結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

4.堆載預(yù)壓

考慮到貝雷架材料、施工工藝存在偏差，為保證貝雷架安全性，同時減少貝雷架因受上部荷載作用而發(fā)生較大變形，影響工程質(zhì)量。在貝雷架安裝到位后、上部腳手架搭設(shè)前進(jìn)行堆載預(yù)壓。預(yù)壓依據(jù)《滿堂支架預(yù)壓技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T194-2009）,支架預(yù)壓上部總荷載為混凝土結(jié)構(gòu)恒載與模板支架荷載總和的1.1倍，即82.5噸。預(yù)壓計(jì)劃采用30號槽鋼（理論重量34kg/m），預(yù)計(jì)需420根。預(yù)壓區(qū)域?yàn)檎麄€貝雷架范圍，即長度15m、寬度4m區(qū)域。堆載分三個階段加載，第一階段加載至41.25噸，第二階段加載至66噸，第三階段加載至82.5噸，加載過程中由跨度中間向兩側(cè)對撐加載。當(dāng)支架頂部沉降觀測點(diǎn)12h沉降量平均值小于2mm時方可進(jìn)行下一階段的加載工作。當(dāng)各個沉降觀測點(diǎn)起始24小時平均沉降量小于1mm或起始72小時平均沉降量小于5mm，則支架預(yù)壓合格。

5.結(jié)語

南新涇泵閘工程高支模涉及作業(yè)范圍廣、難度大、安全風(fēng)險高，為確保作業(yè)安全，通過先期對現(xiàn)場復(fù)雜工況作業(yè)條件分析，采取BIM技術(shù)、三維有限元分析、堆載預(yù)壓等方式，驗(yàn)證鋼管腳手架及貝雷架搭設(shè)參數(shù)安全性，同時采用堆載預(yù)壓方式保證貝雷架安全穩(wěn)定性，為同類型泵閘屋面高支模施工提供了借鑒。